【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。把 它和傳統(tǒng)單片機(jī)結(jié)合集成大大提高了單片機(jī)的功能。這是目前單片機(jī)最大的進(jìn)步之一。這種單片機(jī)最典型的有 Infineon 公司的 TC10GP； Hitachi 公司的 SH7410， SH7612 等。這些單片機(jī)都是高檔單片機(jī)， MCU 都是 32 位的，而 DSP 采用 16 或 32 位結(jié)構(gòu)，工作頻率一般在 60MHz 以上。 2 功耗、封裝及電源電壓的 發(fā)展 現(xiàn)在新的單片機(jī)的功耗越來(lái)越小，特別是很多單片機(jī)都設(shè)置了多種工作方式，這些工作方式包括等待，暫停，睡眠，空閑，節(jié)電等工作方式。 Philips 公司的單片機(jī) P87LPC762 是一個(gè)很典型的例子， 在空閑時(shí)，其功耗為 mA，而在節(jié)電方式中，其功耗只有 。而在功耗上最令人驚嘆的是 TI 公司的單片機(jī) MSP430 系列，它是一個(gè) 16 位的系列，有超低功耗工作方式。它的低功耗方式有 LPM LPM LPM4 三種。當(dāng)電源為 3V 時(shí)，如果工作于 LMP1 方式，即使外圍電路處于活動(dòng)，由于 CPU 不活動(dòng)，振蕩器處于 1～ 4MHz，這時(shí)功耗只有 50?A。在 LPM3 時(shí)，振蕩器處于 32kHz，這時(shí)功耗只有 ?A。在 LPM4 時(shí)， CPU、外圍及振蕩器 32kHz 都不活動(dòng)，則功耗只有 ?A。 現(xiàn)在單片機(jī)的封裝水平已 大大提高，隨著貼片工藝的出現(xiàn)，單片機(jī)也大量采用了各種合符貼片工藝的封裝方式出現(xiàn)，以大量減少體積。在這種形勢(shì)中，Microchip 公司推出的 8引腳的單片機(jī)特別引人注目。這是 PIC12CXXX 系列。它含有 ～ 2K 程序存儲(chǔ)器， 25～ 128 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， 6個(gè) I/O端口以及一個(gè)定時(shí)器，有的還含 4 道 A/D ，完全可以滿足一些低檔系統(tǒng)的應(yīng)用。擴(kuò)大電源電壓范圍以及在較低電壓下仍然能工作是今天單片機(jī)發(fā)展的目標(biāo)之一。目前，一般單片機(jī)都可以在 ～ 的條件下工作。而一些廠家，則生產(chǎn)出可以在 ～ 6V的條件下工作的 單片機(jī)。這些單片機(jī)有 Fujitsu 公司的 MB89191～ 89195，MB89121～ 125A， MB89130 系列等，應(yīng)該說(shuō)該公司的 F2MC8L 系列單片機(jī)絕大多數(shù)都滿足 ～ 6V 的工作電壓條件。而 TI 公司的 MSP430X11X 系列的工作電壓也是低達(dá) 的。 3 工藝上的 發(fā)展 現(xiàn)在的單片機(jī)基本上采用 CMOS 技術(shù)，但已經(jīng)大多數(shù)采用了 ?m 以上的光刻工藝，有個(gè)別的公司，如 Motorola 公司則已采用 ?m 甚至是 ?m 技術(shù)。 8 這些技術(shù)的進(jìn)步大大地提高了單片機(jī)的內(nèi)部密度和可靠性。以單片機(jī)為核心的 嵌入式系統(tǒng) 單片機(jī)的另外一個(gè)名稱就是嵌入式微控制器，原因在于它可以嵌入到任何微型或小型儀器或設(shè)備中。目前，把單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)和 Inter 連接已是一種趨勢(shì)。但是， Inter 一向是一種采用肥服務(wù)器，瘦用戶機(jī)的技術(shù)。這種技術(shù)在互聯(lián)上存儲(chǔ)及訪問(wèn)大量數(shù)據(jù)是合適的，但對(duì)于控制嵌入式器件就成了 殺雞用牛刀 了。要實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備和 Inter 連接，就需要把傳統(tǒng)的 Inter 理論和嵌入式設(shè)備的實(shí)踐都顛倒過(guò)來(lái)。為了使復(fù)雜的或簡(jiǎn)單的嵌入式設(shè)備，例如單片機(jī)控制的機(jī)床、單片機(jī)控制的門(mén)鎖，能切實(shí)可行地和 Inter 連接，就要求專門(mén)為嵌入式微控制器設(shè)備設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，使嵌入式設(shè)備可以和 Inter 相連，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行過(guò)程控制。 目前，為了把單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)和 Inter 相連，已有多家公司在進(jìn)行這方面的較多研究。這方面較為典型的有 emWare 公司和 TASKING 公司。 EmWare 公司提出嵌入式系統(tǒng)入網(wǎng)的方案 EMIT 技術(shù)。這個(gè)技術(shù)包括三個(gè)主要部分：即 emMicro， emGateway 和網(wǎng)絡(luò)瀏覽器。其中， emMicro 是嵌入設(shè)備中的一個(gè)只占內(nèi)存容量 1K 字節(jié)的極小的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器； emGateway 作為一個(gè)功能較強(qiáng)的用戶或服務(wù)器，它用于實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)嵌入式設(shè)備的管理，還有標(biāo)準(zhǔn)的 Inter 通信接入以及網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的支持。網(wǎng)絡(luò)瀏覽器使用 emObjicts 進(jìn)行顯示和嵌入式設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。 如果嵌入式設(shè)備的資源足夠，則 emMicro 和 emGateway 可以同時(shí)裝入嵌入式設(shè)備中，實(shí)現(xiàn) Inter 的直接接入。否則，將要求 emGateway 和網(wǎng)絡(luò)瀏覽器相互配合。 EmWare 的 EMIT 軟件技術(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)的 Inter 協(xié)議對(duì) 8 位和 16位嵌入式設(shè)備進(jìn)行管理，但比傳統(tǒng)上的開(kāi)銷小得多。 目前，單片機(jī)應(yīng) 用中提出了一個(gè)新的問(wèn)題：這就是如何使 8 位、 16 位單片機(jī)控制的產(chǎn)品，也即嵌入式產(chǎn)品或設(shè)備能實(shí)現(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)互連？ TASKING 公司目前正在為解決這個(gè)問(wèn)題提供了途徑。該公司已把 emWare 的EMIT 軟件包和有關(guān)的軟件配套集成，形成一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，向用戶提供開(kāi)發(fā)方便。嵌入互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟 ETI（ embed the Inter Consortium）正在緊密合作，共同開(kāi)發(fā)嵌入式 Inter 的解決方案。在不久將會(huì)有成果公布。 單片機(jī)應(yīng)用的可靠性技術(shù)發(fā)展 9 在單片機(jī)應(yīng)用中，可靠性是首要因素為了擴(kuò)大單片機(jī)的應(yīng)用范圍 和領(lǐng)域，提高單片機(jī)自身的可靠性是一種有效方法。近年來(lái)，單片機(jī)的生產(chǎn)廠家在單片機(jī)設(shè)計(jì)上采用了各種提高可靠性的新技術(shù)，這些新技術(shù)表現(xiàn)在如下幾點(diǎn)： 1 EFT（ Ellectrical Fast Transient）技術(shù) EFT技術(shù)是一種抗干擾技術(shù)，它是指在振蕩電路的正弦信號(hào)受到外界干擾時(shí)，其波形上會(huì)迭加各種毛刺信號(hào)，如果使用施密特電路對(duì)其整形，則毛刺會(huì)成為觸發(fā)信號(hào)干擾正常的時(shí)鐘，在交替使用施密特電路和 RC 濾波電路時(shí)，就可以消除這些毛否則令其作用失效，從而保證系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)正常工作。這樣，就提高了單片機(jī)工作的可靠 性。 Motorola 公司的 MC68HC08 系列單片機(jī)就采用了這種技術(shù)。 2 低噪聲布線技術(shù)及驅(qū)動(dòng)技術(shù) 在傳統(tǒng)的單片機(jī)中，電源及地線是在集成電路外殼的對(duì)稱引腳上，一般是在左上、右下或右上、左下的兩對(duì)對(duì)稱點(diǎn)上。這樣，就使電源噪聲穿過(guò)整塊芯片，對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部電路造成干擾。現(xiàn)在，很多單片機(jī)都把地和電源引腳安排在兩條相鄰的引腳上。這樣，不僅降低了穿過(guò)整個(gè)芯片的電流，另外還在印制電路板上容易布置去耦電容，從而降低系統(tǒng)的噪聲。 現(xiàn)在為了適應(yīng)各種應(yīng)用的需要，很多單片機(jī)的輸出能力都有了很大提高，Motorola 公司的單 片機(jī) I/O 口的灌拉電流可達(dá) 8mA 以上，而 Microchip 公司的單片機(jī)可達(dá) 25mA。其它公司： AMD， Fujitsu， NEC ， Infineon， Hitachi， 基本上可達(dá) 8～ 20mA 的水平。這些電流較大的驅(qū)動(dòng)電路集成到芯片內(nèi)部在工作時(shí)帶來(lái)了各種噪聲，為了減少這種影響，現(xiàn)在單片機(jī)采用多個(gè)小管子并聯(lián)等效一個(gè)大管子的方法，并在每個(gè)小管子的輸出端串上不同等效阻值的電阻，以降低 di/dt，這也就是所謂 跳變沿軟化技術(shù) ，從而消除大電流瞬變時(shí)產(chǎn)生的噪聲。 3 采用低頻時(shí)鐘 高頻外時(shí)鐘是噪聲源之一，不僅能對(duì)單片機(jī)應(yīng)用 系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，還會(huì)對(duì)外界電路產(chǎn)生干擾，令電磁兼容性不能滿足要求。對(duì)于要求可靠性較高的系統(tǒng)，低頻外時(shí)鐘有利于降低系統(tǒng)的噪聲。在一些單片機(jī)中采用內(nèi)部瑣相環(huán)技術(shù)，則在外部時(shí)鐘較低時(shí)，也能產(chǎn)生較高的內(nèi)部總線速度，從而保證了速度又降低了噪聲。Motorola 公司的 MC68HC08 系列及其 16/32 位單片機(jī)就采用了這種技術(shù)以提高可靠性。 10 第 三 章 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及電路組成 單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu)圖 圖 單片機(jī)的基 本組成 （ 1）一個(gè) 8位微處理器 CPU。 （ 2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM和特殊功能寄存器 SFR。 （ 3）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 ROM。 （ 4）兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器，用以對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可用作定時(shí)器。 （ 5）四個(gè) 8位可編程的 I/O（輸入 /輸出）并行端口，每個(gè)端口既可做輸入，也可做輸出。 （ 6）一個(gè)串行端口，用于數(shù)據(jù)的串行通信。 （ 7）中斷控制系統(tǒng)。 （ 8）內(nèi)部時(shí)鐘電路。 下面簡(jiǎn)要介紹各組成部分。 （ 1）中央處理器 單片機(jī)中的中央處理器 CPU 和通用微處理器基本相同，由運(yùn)算器和控制器組成，另外增設(shè)了“面向控制”的處理功能，如位處 理、查表、多種跳轉(zhuǎn)、乘除法運(yùn)算、狀態(tài)檢測(cè)、中斷處理等，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性。 （ 2）存儲(chǔ)器 時(shí) 鐘 電 路總 線 控 制C P UR O M / E P R O M / F L A S H4 K 字 節(jié)R A M 1 2 8 字 節(jié)S F R 2 1 個(gè)定 時(shí) / 計(jì) 數(shù) 器2 個(gè)中 斷 系 統(tǒng)5 中 斷 源 、 2 優(yōu) 先 級(jí)串 行 口全 雙 工 2 個(gè)并 行 口4 個(gè)R S TE A A L E P S E NX T A L 2 X T A L 1P 0 P 1 P 2 P 3V C CV S S 11 單片機(jī)的存儲(chǔ)空間有兩種基本結(jié)構(gòu)。一種是普林斯頓結(jié)構(gòu)（ Princeton） ，將程序和數(shù)據(jù)合用一個(gè)存儲(chǔ)器空間，即 ROM和 RAM 的地址同在一個(gè)空間里分配不同的地址。 CPU 訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)，一個(gè)地址對(duì)應(yīng)惟一的一個(gè)存儲(chǔ)單元，可以是 ROM，也可以是 RAM，用同類的訪問(wèn)指令。另一種是將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器截然分開(kāi)，分別尋址的結(jié)構(gòu)， CPU用不同的指令訪問(wèn)不同的存儲(chǔ)器空間。由于單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用中“面向控制”的特點(diǎn)，一般需要較大的程序存儲(chǔ)器。目前， 包括 MCS51和 80C51 系列的單片機(jī)均采用程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器截然分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)。 ① 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM） 在單片機(jī)中，用隨機(jī)存取的存儲(chǔ)器（ RAM） 來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，暫存運(yùn)行期間的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、緩沖和標(biāo)志位等，所以稱之為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。一般在單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置一定容量（ 64B～ 256B） 的 RAM，并以高速 RAM 的形式集成在單片機(jī)內(nèi)，以加快單片機(jī)的運(yùn)行速度。同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)還把專用的寄存器和通用的寄存器放在同一片內(nèi) RAM 統(tǒng)一編址，以利于運(yùn)行速度的提高。 ② 程序存儲(chǔ)器（ ROM） 單片機(jī)的應(yīng)用中常常將開(kāi)發(fā)調(diào)試成功后的 應(yīng)用程序存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器中，因?yàn)椴辉俑淖?，所以這種存儲(chǔ)器都采用只讀存儲(chǔ)器 ROM 的形式。 單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器常有以下幾種形式： 掩膜 ROM（ Mask ROM） 它是由半導(dǎo)體廠家在芯片生產(chǎn)封裝時(shí)，將用戶的應(yīng)用程序代碼通過(guò)掩膜工藝制作到單片機(jī)的 ROM 區(qū)中，一旦寫(xiě)入后用戶則不能修改。所以它適合于程序已定型，并大批量使用的場(chǎng)合。