微操控单元(Microcontroller Unit;MCU) ，又称单片微型核算机(Single Chip Microcomputer )或许单片机，是把中央处理器(Central Process Unit;CPU)的频率与标准做恰当减缩，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转化、UART、PLC、DMA等周边接口，乃至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，构成芯片级的核算机，为不同的运用场合做不同组合操控。比方手机、PC外围、遥控器，至轿车电子、工业上的步进马达、机器手臂的操控等，都可见到MCU的身影。
技能原理
MCU同温度传感器之间经过I2C总线衔接。I2C总线占用2条MCU输入输出口线，二者之间的通讯彻底依托软件完结。温度传感器的地址能够经过2根地址引脚设定，这使得一根I2C总线上能够一起衔接8个这样的传感器。本方案中，传感器的7位地址现已设定为1001000。MCU需求拜访传感器时，先要宣布一个8位的寄存器指针，然后再宣布传感器的地址(7位地址，低位是WR信号)。传感器中有3个寄存器可供MCU运用，8位寄存器指针便是用来确认MCU终究要运用哪个寄存器的。本方案中，主程序会不断更新传感器的装备寄存器，这会使传感器作业于单步形式，每更新一次就会丈量一次温度。
要读取传感器丈量值寄存器的内容，MCU有必要首要发送传感器地址和寄存器指针。MCU宣布一个发动信号，接着宣布传感器地址，然后将RD/WR管脚设为高电平，就能够读取丈量值寄存器。
为了读出传感器丈量值寄存器中的16位数据，MCU有必要与传感器进行两次8位数据通讯。当传感器上电作业时，默许的丈量精度为9位，分辨力为0.5 C/LSB(量程为-128.5 C至128.5 C)。本方案选用默许丈量精度，根据需求，能够从头设置传感器，将丈量精度进步到12位。假如只要求作一般的温度指示，比方主动调温器，那么分辨力到达1 C就能够满意要求了。这种状况下，传感器的低8位数据能够疏忽，只用高8位数据就能够到达分辨力1 C的规划要求。因为读取寄存器时是按先高8位后低8位的次序，所以低8位数据既能够读，也能够不读。只读取高8位数据的优点有二，第一是能够缩短MCU和传感器的作业时刻，下降功耗;第二是不影响分辨力方针。
MCU读取传感器的丈量值后，接下来就要进行换算并将成果显现在LCD上。整个处理进程包含：判别显现成果的正负号，进行二进制码到BCD码的转化，将数据传到LCD的相关寄存器中。
数据处理结束并显现成果之后，MCU会向传感器宣布一个单步指令。单步指令会让传感器发动一次温度测验，然后主动进入等候形式，直到模数转化结束。MCU宣布单步指令后，就进入LPM3形式，这时MCU体系时钟持续作业，发生守时中止唤醒CPU。守时的长短能够经过编程调整，以便习惯具体运用的需求。
首要差异
在20世纪最值得人们称道的成就中，就有集成电路和电子核算机的开展。20世纪70时代呈现的微型核算机，在科学技能界引起了影响深远的革新。在70时代中期，微型核算机宗族中又割裂出一个小小的派系–单片机。跟着4位单片机呈现之后，又推出了8位的单片机。MCS48系列，特别是MCS51系列单片机的呈现，确立了单片机作为微操控器(MCU)的位置，引起了微型核算机范畴新的革新。在当今世界上，微处理器(MPU)和微操控器(MCU)构成了各具特色的两个分支。它们相互差异，但又相互交融、相互促进。与微处理器(MPU)以运算功用和速度为特征的飞速开展不同，微操控器(MCU)则是以其操控功用的不断完善为开展标志的。
CPU(Central Processing Unit，中央处理器)开展出来三个分枝，一个是DSP(Digital Signal Processing/Processor，数字信号处理)，别的两个是MCU(Micro Control Unit，微操控器单元)和MPU(Micro Processor Unit，微处理器单元)。
MCU集成了片上外围器材;MPU不带外围器材(例如存储器阵列)，是高度集成的通用结构的处理器，是去除了集成外设的MCU;DSP运算才能强，拿手许多的重复数据运算，而MCU则合适不同信息源的多种数据的处理确诊和运算，侧重于操控，速度并不如DSP。MCU差异于DSP的最大特色在于它的通用性，反应在指令集和寻址形式中。DSP与MCU的结合是DSC，它终将替代这两种芯片。
1.对密布的乘法运算的支撑
GPP不是规划来做密布乘法使命的，即使是一些现代的GPP，也要求多个指令周期来做一次乘法。而DSP处理器运用专门的硬件来完结单周期乘 法。DSP处理器还添加了累加器寄存器来处理多个乘积的和。累加器寄存器一般比其他寄存器宽，添加称为成果bits的额定bits来防止溢出。一起，为了 充分体现专门的乘法-累加硬件的优点，简直一切的DSP的指令集都包含有显式的MAC指令。
2. 存储器结构
传统上，GPP运用冯。诺依曼存储器结构。这种结构中，只要一个存储器空间经过一组总线(一个地址总线和一个数据总线)衔接到处理器核。一般，做一次乘法会发生4次存储器拜访，用掉至少四个指令周期。
大多数DSP选用了哈佛结构，将存储器空间划分红两个，别离存储程序和数据。它们有两组总线衔接到处理器核，答应一起对它们进行拜访。这种组织将处理器存储器的带宽加倍，更重要的是一起为处理器核供给数据与指令。在这种布局下，DSP得以完结单周期的MAC指令。
典型的高功用GPP实际上已包含两个片内高速缓存，一个是数据，一个是指令，它们直接衔接到处理器核，以加速运转时的拜访速度。从物理上说，这种片内的双存储器和总线的结构简直与哈佛结构的相同了。可是从逻辑上说，两者仍是有重要的差异。
GPP运用操控逻辑来决议哪些数据和指令字存储在片内的高速缓存里，其程序员并不加以指定(也或许底子不知道)。与此相反，DSP运用多个片内存储器和多组总线来保证每个指令周期内存储器的屡次拜访。在运用DSP时，程序员要明确地操控哪些数据和指令要存储在片内存储器中。程序员在写程序时，有必要保证处理器能够有效地运用其双总线。
此外，DSP处理器简直都不具有数据高速缓存。这是因为DSP的典型数据是数据流。也便是说，DSP处理器对每个数据样本做核算后，就丢掉了，简直不再重复运用。
3.零开支循环
假如了解到DSP算法的一个一起的特色，即大多数的处理时刻是花在履行较小的循环上，也就简略了解，为什么大多数的DSP都有专门的硬件，用于 零开支循环。所谓零开支循环是指处理器在履行循环时，不必花时刻去查看循环计数器的值、条件搬运到循环的顶部、将循环计数器减1。
与此相反，GPP的循环运用软件来完结。某些高功用的GPP运用搬运预告硬件，简直到达与硬件支撑的零开支循环相同的作用。
4.定点核算
大多数DSP运用定点核算，而不是运用浮点。尽管DSP的运用有必要非常注意数字的准确，用浮点来做应该简略的多，可是对DSP来说，廉价也是非常重要的。定点机器比起相应的浮点机器来要廉价(并且更快)。为了不运用浮点机器而又保证数字的准确，DSP处理器在指令集和硬件方面都支撑饱满核算、舍入和移位。
5.专门的寻址方法
DSP处理器往往都支撑专门的寻址形式，它们对一般的信号处理操作和算法是很有用的。例如，模块(循环)寻址(对完结数字滤波器延时线很有用)、位倒序寻址(对FFT很有用)。这些非常专门的寻址形式在GPP中是不常运用的，只要用软件来完结。
6.履行时刻的猜测
大多数的DSP运用(如蜂窝电话和调制解调器)都是严厉的实时运用，一切的处理有必要在指定的时刻内完结。这就要求程序员准确地确认每个样本需求多少处理时刻，或许，至少要知道，在最坏的状况下，需求多少时刻。假如计划用低本钱的GPP去完结实时信号处理的使命，履行时刻的猜测大约不会成为什么问题，应为低本钱GPP具有相对直接的结构，比较简略猜测履行时刻。可是，大多数实时DSP运用所要求的处理才能是低本钱GPP所不能供给的。 这时候，DSP对高功用GPP的优势在于，即使是运用了高速缓存的DSP，哪些指令会放进去也是由程序员(而不是处理器)来决议的，因而很简略判别指令是从高速缓存仍是从存储器中读取。DSP一般不运用动态特性，如搬运猜测和推理履行等。因而，由一段给定的代码来猜测所要求的履行时刻是彻底开门见山的。然后使程序员得以确认芯片的功用约束。
7.定点DSP指令集
定点DSP指令集是按两个方针来规划的：使处理器能够在每个指令周期内完结多个操作，然后进步每个指令周期的核算功率。将存贮DSP程序的存储器空间减到最小(因为存储器对整个体系的本钱影响甚大，该问题在对本钱灵敏的DSP运用中尤为重要)。为了完结这些方针，DSP处理器的指令集一般都答应程序员在一个指令内阐明若干个并行的操作。例如，在一条指令包含了MAC操作，即一起的一个或两个数据移动。在典型的比如里，一条指令就包含了核算FIR滤波器的一节所需求的一切操作。这种高功率支付的价值是，其指令集既不直观，也不简略运用(与GPP的指令集比较)。 GPP的程序一般并不介意处理器的指令集是否简略运用，因为他们一般运用象C或C++等高档言语。而关于DSP的程序员来说，不幸的是首要的DSP运用程序都是用汇编言语写的(至少部分是汇编言语优化的)。这里有两个理由：首要，大多数广泛运用的高档言语，例如C，并不合适于描绘典型的DSP算法。其次， DSP结构的杂乱性，如多存储器空间、多总线、不规则的指令集、高度专门化的硬件等，使得难于为其编写高功率的编译器。 即运用编译器将C源代码编译成为DSP的汇编代码，优化的使命仍然很重。典型的DSP运用都具有很多核算的要求，并有严厉的开支约束，使得程序的优化必不可少(至少是对程序的最要害部分)。因而，考虑选用DSP的一个要害因素是，是否存在满意的能够较好地习惯DSP处理器指令集的程序员。
8.开发东西的要求
因为DSP运用要求高度优化的代码，大多数DSP厂商都供给一些开发东西，以协助程序员完结其优化作业。例如，大多数厂商都供给处理器的仿真东西，以准确地仿真每个指令周期内处理器的活动。不管关于保证实时操作仍是代码的优化，这些都是很有用的东西。 GPP厂商一般并不供给这样的东西，首要是因为GPP程序员一般并不需求具体到这一层的信息。GPP缺少准确到指令周期的仿真东西，是DSP运用开发者所面临的的大问题：因为简直不或许猜测高功用GPP关于给定使命所需求的周期数，然后无法阐明怎么去改进代码的功用。
开展前史
单片机呈现的前史并不长，但开展非常迅猛。 它的发生与开展和微处理器的发生与开展大体同步，自1971年美国Intel公司首要推出4位微处理器以来，它的开展到现在为止大致可分为5个阶段。下面以Intel公司的单片机开展为代表加以介绍。
1971-1976
单片机开展的初级阶段。 1971年11月Intel公司首要规划出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel 4004，并配有RAM、 ROM和移位寄存器， 构成了第一台MCS—4微处理器， 而后又推出了8位微处理器Intel 8008， 以及其它各公司相继推出的8位微处理器。
1976-1980
低功用单片机阶段。 以1976年Intel公司推出的MCS—48系列为代表， 选用将8位CPU、 8位并行I/O接口、8位守时/计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构， 尽管其寻址规模有限(不大于4 KB)， 也没有串行I/O， RAM、 ROM容量小， 中止体系也较简略， 但功用可满意一般工业操控和智能化仪器、外表等的需求。
1980-1983
高功用单片机阶段。 这一阶段推出的高功用8位单片机遍及带有串行口，有多级中止处理体系， 多个16位守时器/计数器。片内RAM、 ROM的容量加大，且寻址规模可达64 KB，单个片内还带有A/D转化接口。
1983-80时代末
16位单片机阶段。 1983年Intel公司又推出了高功用的16位单片机MCS-96系列，因为其选用了最新的制作工艺， 使芯片集成度高达12万只晶体管/片。
1990时代
单片机在集成度、功用、速度、可靠性、运用范畴等全方位向更高水平开展。
依照单片机的特色，单片机的运用分为单机运用与多机运用。在一个运用体系中，只运用一片单片机称为单机运用。单片机的单机运用的规模包含：
(1) 测控体系。 用单片机能够构成各种不太杂乱的工业操控体系、自习惯操控体系、数据收集体系等，到达丈量与操控的意图。
(2) 智能外表。 用单片机改造原有的丈量、操控外表，促进外表向数字化、智能化、多功用化、归纳化、柔性化方向开展。
(3) 机电一体化产品。单片机与传统的机械产品相结合，使传统机械产品结构简化， 操控智能化。
(4) 智能接口。 在核算机操控体系， 特别是在较大型的工业测、控体系中，用单片机进行接口的操控与办理， 加之单片机与主机的并行作业， 大大进步了体系的运转速度。
(5) 智能民用产品。 如在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子秤、收银机、办公设备、厨房设备等许多产品中，单片机操控器的引进， 不只使产品的功用大大增强， 功用得到进步， 并且获得了杰出的运用作用。
单片机的多机运用体系可分为功用集散体系、并行多机处理及部分网络体系。
(1) 功用集散体系。 多功用集散体系是为了满意工程体系多种外围功用的要求而设置的多机体系。
(2) 并行多机操控体系。 并行多机操控体系首要处理工程运用体系的快速性问题，以便构成大型实时工程运用体系。
(3) 部分网络体系。
单片机按运用规模又可分红通用型和专用型。专用型是针对某种特定产品而规划的，例如用于体温计的单片机、用于洗衣机的单片机等等。在通用型的单片机中，又可按字长分为4位、8位、16/32位，尽管核算机的微处理器现在简直是32/64位的全国，8位、16位的微处理器已趋于萎缩，但单片机状况却不同，8位单片机本钱低，价格廉，便于开发，其功用能满意大部分的需求，只要在航天、轿车、机器人等高技能范畴，需求高速处理很多数据时，才需求选用16/32位，而在一般工业范畴，8位通用型单片机，仍然是现在运用最广的单片机。
到现在为止，我国的单片机运用和嵌入式体系开发走过了二十余年的进程，跟着嵌入式体系逐步深化社会生活各个方面，单片机课程的教育也有从传统的8位处理器渠道向32位高档RISC处理器渠道改变的趋势，但8位机仍然难以被替代。国民经济建造、军事及家用电器等各个范畴，尤其是手机、轿车主动导航设备、PDA、智能玩具、智能家电、医疗设备等职业都是国内急需单片机人才的职业。职业高端现在有超越10余万名从事单片机开发运用的工程师，但面临嵌入式体系工业化的潮流和我国大力推进建造“嵌入式软件工厂”的时机，我国的嵌入式产品要溶入国际市场，构成工业，则必将急需大批单片机运用型人才，这为高职类学生从事这类高技能职业供给了巨大时机。
