什么是单片机?单片机的内部架构有哪些?

2021-02-22 19:33:15 hongling

大多数电子产品都使用单片机(MCU)来执行计算操作和布尔函数。本文中,单片机方案网主要介绍了单片机的基础知识及其工作、应用、优点和缺点。

一、什么是单片机?

顾名思义,单片机(MCU)是一种微型设备,可以执行用户分配的专用任务。任务可能与常规计算有关,例如加法、减法、除法和浮点数学。

除此之外,单片机还可以控制、处理信息并将其存储在存储器中。存储器大小因不同的单片机系列而异。在某些情况下,它们通常被称为“片上微型计算机”。单片机的构建块是处理器、存储器和外围设备。让我们详细讨论一下。

二、单片机的架构

下图是单片机架构的内部视图。

单片机的架构


它由支持硬件组成,例如内部连接的CPU(中央处理器)、时钟、晶体振荡器、存储器和硬件外围设备。

1.中央处理器

基本上,CPU是单片机的核心部分。它是遵循用户所给出动作的大脑。CPU从存储器(ROM)中获取指令,对其进行解码并执行。这种技术称为流水线。在数据总线和地址总线的帮助下完成流水线操作。CPU以兆赫兹(MHz)或千兆赫兹(GHz)的速度运行指令。

2.时钟

MCU需要时钟来执行任何任务。为了向单片机提供时钟,晶体振荡器被驱动至CPU。晶振选择决定了单片机要运行的速度。晶体振荡器的频率范围通常在MHz的范围内。

3.寄存器

寄存器是存储元素的数据。它存储一个8位长度的二进制字。单片机配备了各种通用和外设寄存器。通用寄存器包括程序计数器(PC)和用于存储数据和指令的堆栈指针。外围寄存器对于配置单片机中的硬件很有用。

4.输入输出端口

输入/输出端口通常称为GPIO(通用输入输出)端口。这意味着这些端口可以用作输入或输出。某些微型MCU支持备用GPIO。它们可以用于多种功能。连接显示设备(LED、LCD和触摸屏),电机等外部设备时需要使用它们。I/ O端口也用于输入感应和切换目的。

5.内存

如您所知,内存有两种类型(RAM和ROM)。RAM(随机存取存储器)用于存储数据的临时存储,ROM(只读存储器)用于永久存储。

为了将数据存储在单片机中,处理器架构分为哈佛架构和冯·诺依曼架构。哈佛大学有单独的存储器总线(地址总线和数据总线)来存储指令和数据,而冯·诺依曼则有一个共同的存储器来存储指令和数据。

6.计时器

计时器是最具创新性的外设,可以产生精确的时间延迟。它可以在已知时间段重复执行预定义的任务。计时器的一些应用包括电机控制,打开/关闭继电器电路,GPS(全球定位系统),家用电器控制等。

7.计数器

计数器是一种外设,用于对MCU外部发生的事件进行计数。计数器的应用包括脉冲测量,对象检测等。它们用于频率测量,计算微波炉中温度的升高或降低,测量洗衣机和电加热器中的设定时间。

8.串行接口

在电子产品中,不同的设备使用串行通信相互通信。为了实现串行通信,使用了UART(通用异步收发器),I2C和SPI等接口。而且,最新的单片机中也出现了以太网,USB等高级协议。

9.模数转换器(ADC)

传感器将诸如温度,湿度和压力等物理参数转换为模拟信号。ADC将该模拟信号转换为数字字节。模拟信号可以是电压,电流或电阻的形式。

它具有一个内部时钟,该时钟可测量MCU馈入的时钟周期并使用自己的时钟进行采样。时钟周期数表示模拟电压的数字表示。

10.数模转换器(DAC)

DAC(数模转换)与ADC相反。DAC将数字数据转换为模拟电压形式。DAC的一些应用包括数字信号处理,电机控制,音乐播放器,数字电位器等。

11.中断

中断是一个事件,它可以完成多个任务。当调用中断时,单片机停止当前执行(第一个任务)并执行其他任务(第二个任务)。完成第二个任务后,它返回第一个任务并执行正常操作。