國際上微處理器根據(jù)應(yīng)用的領(lǐng)域不同分為三類：一是通用高性能微處理器，二是嵌入式微處理器，三是微控制器。通用微處理器追求高性能，主要用于工作站和高性能個人計算機系統(tǒng)。嵌入式處理器主要用于運行面向特定領(lǐng)域的專用程序，配備輕量級操作系統(tǒng)。它的應(yīng)用極其廣泛，像手機、VCD、機頂盒都是應(yīng)用這類處理器。微控制器是將微型計算機的主要部分集成在一個芯片上的單芯片微型計算機。微控制器主要用于汽車空調(diào)、自動機械等領(lǐng)域的自控設(shè)備。

　　微控制器以其體積小、功耗低、使用方便等特點，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)、民用的嵌入式系統(tǒng)中。

　　微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　什么是微控制器？

　　一個微處理器就是一個計算機。所有的計算機——無論我們所說的個人臺式計算機或是一臺大型計算機或是一個微控制器——都有很多共同點：

　　所有的計算機都有一個用來執(zhí)行程序的CPU（中央處理單元）。如果你正坐在一臺臺式計算機前閱讀這篇文章，這臺計算機的CPU現(xiàn)在正在執(zhí)行一個程序，這個程序就是用于顯示這個網(wǎng)頁的Web瀏覽器。

　　CPU從某個設(shè)備中加載程序。在你的臺式計算機上，瀏覽器程序是從硬盤中載入的。

　　計算機具有一些用來存儲“變量”的RAM（隨機存取存儲器）。

　　此外，計算機還有一些輸入和輸出的設(shè)備，這樣它才能和用戶交換信息。在你的臺式計算機上，鍵盤和鼠標(biāo)是輸入設(shè)備，顯示器和打印機是輸出設(shè)備。 硬盤則是一個輸入輸出設(shè)備——它既可以輸入又可以輸出。

　　你正在使用的臺式機是一種“通用計算機”，它可以運行數(shù)以千計的各類程序。而微控制器則是用作特殊用途的“專用計算機”。它專注于做一件事。 微控制器還有許多共同的特點。如果一個計算機具備了以下大部分的特征，那么你就可以稱之為“微控制器”：

　　微控制器都“嵌入”在其他裝置（通常是一個消費類產(chǎn)品）內(nèi)部來控制該產(chǎn)品的功能和操作。 因此，微控制器又被稱為“嵌入式控制器”。

　　微控制器運行一個特定的程序來完成一項專門的工作。該程序存儲在ROM（只讀存儲器）中，一般不會被修改。

　　微控制器通常是低能耗的裝置。 臺式計算機的電源插頭幾乎始終插在墻壁插座中，其功率約為50瓦。電池供電的微控制器的功率大概為0.05瓦。

　　微控制器有一個專用輸入設(shè)備，通常（但并不總是）還有一個用作輸出的發(fā)光二極管或液晶顯示屏。 微控制器也從它所控制的裝置獲取輸入信號，并通過向設(shè)備中的不同部分發(fā)送信號來控制該設(shè)備。

　　例如，電視機中的微控制器從遙控器得到輸入信號，然后在屏幕上顯示出來。微控制器會控制頻道選擇器、揚聲器和一些如色彩、亮度等顯像管的電子調(diào)節(jié)。 汽車中的發(fā)動機控制器從氧氣和爆震等傳感器中得到輸入信號，對燃料混合以及火花塞定時等進(jìn)行控制。微波爐控制器從操作鍵盤獲得輸入信號，在液晶顯示屏上顯示輸出，并控制負(fù)責(zé)微波發(fā)生器開關(guān)的繼電器。

　　微控制器通常具有小巧、低成本的特點。 對各個元件的選擇都秉持使體積最小化、使成本最低化的原則。

　　微控制器的結(jié)構(gòu)框圖

　　微控制器通常都很耐用，但也并不總是這樣。

　　例如，控制轎車發(fā)動機的微控制器必須能夠在一般計算機無法承受的溫度極限下工作。美國阿拉斯加的汽車的微控制器就需要工作在零下34攝氏度的寒冷天氣里，而同樣的控制器在美國內(nèi)華達(dá)州則需要工作在零上49攝氏度的炎熱環(huán)境中。再加上發(fā)動機運行發(fā)出的熱量，發(fā)動機箱的溫度可高達(dá)零上65-80攝氏度。

　　而錄像機內(nèi)部使用的嵌入式微控制器則沒有這么苛刻的要求。

　　實際上，用作微控制器的處理器多種多樣。 例如，數(shù)字手機工作原理一文中的移動電話就包含一個Z-80處理器。Z-80處理器是一個8位微處理器，它誕生于二十世紀(jì)七十年代，最初用于當(dāng)時的家用計算機中。GPS接收機工作原理中的Garmin全球定位系統(tǒng)，包含一個低功耗版的Intel 80386處理器，據(jù)說是這樣。Intel 80386處理器最初是專為臺式計算機設(shè)計的。

　　在許多產(chǎn)品中，例如微波爐，對于微控制器性能的要求很低，價格是主要的考慮因素。 在這樣的情況下，制造商開始設(shè)計專用的微控制器芯片——一種專為成本低、體積小且功耗低設(shè)計的嵌入式中央處理器。Motorola 6811和Intel 8051都是這種芯片的成功典范。另外還有Microchip公司生產(chǎn)的名為“PIC 微控制器”的系列控制器，也非常受歡迎。從今天的標(biāo)準(zhǔn)來看，這些中央處理器簡易得令人難以置信；但是大批量購買的價格非常低廉，而且往往只需一片就可以滿足產(chǎn)品設(shè)計者的需要。

　　一個典型的低端微控制器芯片中約有1000字節(jié)的只讀存儲器和20字節(jié)的隨機存取存儲器，有8個輸入輸出引腳。大批量生產(chǎn)這種芯片，單位成本不過幾美分。 當(dāng)然，你也不能指望在這種芯片上運行像Microsoft Word這樣的程序——因為 Microsoft Word需要約30兆字節(jié)的隨機存取存儲空間和每秒可執(zhí)行幾百萬條指令的處理器。不過控制一臺微波爐可不需要Microsoft Word這么復(fù)雜的程序。你要使用微控制器完成的是一個具體的任務(wù)，而且低成本、低功耗運行才是最重要的。

　　微控制器的應(yīng)用

　　在電子門工作原理一文中，你了解到了7400系列TTL（晶體管邏輯電路）元件，在哪里購買以及如何裝配它們。 你會發(fā)現(xiàn)要實現(xiàn)一個簡單的裝置通常需要很多門電路。 例如，在數(shù)字時鐘部分，我們所設(shè)計的時鐘可能需要15到20片芯片。微控制器的主要優(yōu)勢之一就在于，軟件（你編寫并在控制器上執(zhí)行的那個小程序）可以取代許多門電路。 因此，本文中我們將用微控制器制作一臺數(shù)字時鐘。 這將是一臺非常昂貴的數(shù)字時鐘（近200美元?。窃谶@一過程中，你將積累下今后幾年使用微控制器需要的各種知識。 即使并不實際動手制作這樣一個數(shù)字時鐘，閱讀相關(guān)內(nèi)容就能讓你獲益良多。

　　這里用到的一款微控制器是專為方便日常生活設(shè)計的。 它是Parallax公司開發(fā)的名為“BASIC Stamp”的微控制器。 BASIC Stamp是一個兼容BASIC程序設(shè)計語言的PIC微控制器。使用BASIC程序設(shè)計語言使得微控制器的軟件編寫變得十分容易。 微控制器配套提供了一個9伏電池供電的母板，通過和計算機的一個端口相連對其進(jìn)行編程。沒有一個制造商會在實際的產(chǎn)品中使用BASIC Stamp——因為 Stamp價格高且速度慢（相對而言）。 但是，為進(jìn)行實驗建模或一次性演示產(chǎn)品使用Stamp非常普遍，因為它的設(shè)置和使用是令人難以置信的輕松。

　　該微控制器之所以被稱為“Stamps”是因為它只有一張郵票大小。

　　Parallax公司生產(chǎn)了兩種版本的BASIC Stamp：BS-1與BS-2。下面是兩種版本的對比：

　　本文中用到的是一個名為“BASIC Stamp修正版D”的微控制器（如下圖所示）

　　BASIC Stamp修正版D是一個BS-1芯片，安裝在一塊9伏電池供電的母板上。配套組件包括：電壓調(diào)節(jié)器、程序連接電纜、輸入輸出引腳插針以及一小塊建模區(qū)域。你也可以單獨購買一塊BS-1芯片，在面包板上和其他元件相連。修正版D只不過更加方便一些。

　　從上表可以看出，你不可能用BASIC Stamp做出非常奇特的東西來。BS-1的75行（256字節(jié)的電可擦除只讀存儲器可以存放約75行BASIC語言程序）程序的限制有相當(dāng)?shù)木窒扌?。然而，你可以做些精巧的東西，Stamp非常小巧并用電池供電，這就意味著它幾乎可以適用于任何地方。