單片機

半導體芯片簡稱為單片機（也稱μController、μC、MCU或單片機），它同時包含處理器和xxx功能。 在許多情況下，主存儲器和程序存儲器部分或全部位于同一芯片上。 單片機是單片機系統。 術語片上系統 (SoC) 也用于某些單片機。

復雜的xxx功能，例如CAN（控制器局域網）、LIN（本地互連網絡）、USB（通用串行總線）、I2C（內部集成電路）、SPI（串行外設接口）、串行或以太網接口、PDM 輸出、LCD 控制器和驅動器和模數轉換器。 一些單片機還具有可編程數字和/或模擬或混合功能塊。

單片機以嵌入式系統的形式出現在日常生活中，經常被忽視，出現在技術消費品中，例如洗衣機、芯片卡（現金卡和電話卡）、消費電子產品（錄像機、CD/DVD 播放器、收音機、電視機、遙控器）、辦公電子產品、賽格威、機動車輛（例如 ABS、安全氣囊、發動機、組合儀表、ESP 等的控制單元）、手機甚至鐘表和手表。 此外，它們幾乎包含在所有計算機xxx設備（鍵盤、鼠標、打印機、顯示器、掃描儀等）中。

單片機在性能和設備方面適應各自的應用。 因此，它們在成本和功耗方面優于“普通”計算機。 小單片機數量較多，只需幾美分。

單片機和微處理器之間的界限是流動的，這也反映在一段時間后經常出現新微處理器架構的單片機變體這一事實。 在最簡單的情況下，這是通過將在經典微處理器中作為支持和xxx組件實現的組件集成到芯片本身中來完成的，例如時鐘和復位生成、中斷控制器、定時器、接口組件，在某些情況下，還包括內存控制器，因此，功能正常的處理器系統通常只需要一個晶體（用于時鐘）和存儲芯片。 該屬的典型代表是例如Intel 80186（源自 8086）、XScale 系列（ARM）和 Freescale（前身為摩托羅拉）的 ColdFire (MC680xx)。 這些控制器系列往往在相關主流 CPU 已停產（例如 6502、MC680xx）后很長時間內繼續使用。

有時單片機也用作多芯片模塊 (MCM) 的一部分。 當要組合難以或不可能組合在一個芯片上的不同半導體工藝時，通常會發生這種情況。 這方面的例子是單片機與無線電鏈路高頻電路或早期閃存 ROM的組合. 當現有芯片要相互組合時，有時也會使用 MCM 解決方案，但要避免新設計的工作。 這方面的例子是與網??絡控制器或網絡 (PHY) 或 LCD 控制器的連接驅動程序的組合。

相比之下，也有“經典”單片機架構從一開始就不是作為純微處理器系統，而是主要針對控制任務。 例如，它們也可以在沒有任何外部存儲器元件的情況下用于單芯片操作，就像 CPU 的指令集通常提供專門的指令來控制各個信號線（通過所謂的位操作）。 盡可能短的中斷延遲時間對于此類控制器也很重要，即控制器需要對信號源（定時器、xxx組件等）的中斷請求做出反應的時間跨度。 為了監控單片機控制的功能，通常使用所謂的看門狗電路，但其中一些已經集成在單片機中。

這種分離發生在 Intel 8085 上——之后出現了純數據處理器（微處理器；例如 8086 系列）和數據轉換器（單片機；例如 8048、8051）作為硬件和中央微處理器之間的接口。 單片機也可以有一個無源總線接口（例如 8041A，8048 的一個變體）——從微處理器的角度來看就像一個xxx芯片。 無論是電視、錄像機、X光機、汽車還是個人電腦，無處不在t 今天這兩種類型之間的分工。 隨著總線的引入，中央處理器可以完全專注于評估消息（電報）——例如 B. “按下 Handbrake_On 按鈕”。 只有負責的控制器知道導致創建此消息的硬件或從屬總線上的事件。 如果處理器現在發送消息，例如“松開手剎”，控制器相應激活硬件或通知下級總線。 然而，今天的控制器已經非常強大，它們通常不需要更高級的微處理器就可以自己處理所有任務。

安裝的單片機數量遠遠超過微處理器的數量。 絕大多數使用的單片機都是基于 8 位處理器，其中一些基本架構可以追溯到 1970 年代上半葉。 但是，也有 4 位、16 位和 32 位單片機。 就數量而言，4 位單片機仍然具有很好的代表性，因為它們結構簡單，生產成本低廉，可用于簡單的任務。

8 位和 16 位單片機的市場份額正在被 32 位單片機搶走。 原因是在現代半導體處理器中，8 位、16 位和 32 位之間的生產工作量不再有很大差異，但 32 位單片機更簡單的內存管理和相關的更簡單編程的優勢是相當大的。 然而，8 位和 16 位單片機需要更少的晶體管，這意味著它們通常比 32 位單片機更經濟，前提是它們基于具有節能機制的現代處理器設計。

今天使用的許多單片機都是基于以前用作微處理器的處理器內核。 對于 8 位和 16 位單片機，微處理器現在通常不再生產。

多年來，單片機 中使用的內存類型發生了變化，部分取決于架構和經濟方面的考慮。 在單片機的早期，甚??至在 4 位架構的今天，幾乎只使用 ROM 內存。 此類單片機的軟件必須使用允許模擬單片機的適當開發系統創建，并且通常具有在線仿真器。 然后將以這種方式創建的軟件發送給單片機制造商，后者在制造過程中為芯片提供該軟件。 這通常發生在最后一個金屬層應用于芯片時（最后一個“掩模”，因此也稱為“掩模編程單片機”）。

這種方法的缺點是缺乏靈活性，因為在更改軟件時會有數周甚至數月的延遲。 這種技術根本不能用于較小的項目，因為大多數制造商規定的最低訂購量為 20,000 個芯片。 此外，由于軟件無法在最終芯片上進行測試，只能使用開發系統，因此容易出錯。 這被較低的芯片價格所抵消，因為 ROM 存儲器的制造過程比可編程存儲器的制造過程稍微簡單一些，當然，編程不再是制造步驟。 出于這個原因，帶有 ROM 存儲器的變體今天仍然幾乎專門用于數量非常大且因此單價低的產品。

為了簡化開發過程并實現小批量項目，使用 EPROM（可擦除可編程只讀存儲器）的單片機在 1970 年代后半期出現在市場上。 有了這些單片機，程序存儲器就可以用相應的編程設備寫入，并用紫外線再次擦除。 這使得可用的開發工具便宜得多，這也允許進行非常實用的測試。 此外，數量較少的項目也是可能的。 然而，這些芯片比 ROM 版本貴得多，特別是由于復雜的陶瓷外殼帶有用于擦除 EPROM 存儲器的嵌入式石英窗口。

由于越來越多地使用基于 EPROM 的單片機，??在 1980 年代也出現了安裝在沒有窗口的塑料外殼中的芯片，這意味著它們在編程后不能再被紫外線擦除。