【文章內(nèi)容簡介】 機(jī)以 Intel公司的MC48 為代表。這個系列的單片機(jī)內(nèi)集成有 8 位 CPU、 I/O 接口、 8 位定時器 /計數(shù)器，尋址范圍不大于 4KB，具有簡單的中斷功能，無串行接口。 第二階段 (19781982 年 )：單片機(jī)完善階段。在這一階段推出的單片機(jī)其功能有較大的增強，能夠應(yīng)用于更多的場合。這個階段的單片機(jī)普遍帶有串行 I/O 口，多級中斷處理系統(tǒng)， 16 位定時器 /計數(shù)器，片內(nèi)集成的 RAM、 ROM 容量加大，尋址范圍可達(dá) 64KB。一 些單片機(jī)片內(nèi)還集成了 A/D 轉(zhuǎn)換接口。這類單片機(jī)的典型代表有 Intel公司的 MCS5 Motorola 公司的 6081 和 Zilog 公司的 Z8 等。 第三階段 (19821992)： 8 位單片機(jī)鞏固發(fā)展及 16 位高級單片機(jī)發(fā)展階段。在此階段，盡管 8 位單片機(jī)的應(yīng)用已廣泛普及，但為了更好地滿足測控系統(tǒng)嵌入式應(yīng)用的要求，單片機(jī)集成的外圍接口電路有了更大的擴(kuò)充。這個階段的代表為 8051 系列。許多半導(dǎo)體公司和生產(chǎn)廠以 MCS51 的 8051 內(nèi)核，推出了滿足各種嵌入式應(yīng)用的多種類型和型號的單片機(jī)。其主要技術(shù)發(fā)展如下： 1 外圍功能集成。滿足模擬量直接輸入的 ADC 接口；滿足伺服驅(qū)動的 PWM；保證程序可靠運行的程序監(jiān)控定時器 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 WDT(俗稱看門狗 )。 2 出現(xiàn)了為滿足串行外圍擴(kuò)展要求的串行擴(kuò)展總線和接口，如 SPI、 I2C 總線、單總線 (1Wire)等。 3 出現(xiàn)了滿足分布系統(tǒng)并突出控制功能的現(xiàn)場總線接口，如 CAN 等。 4 在程序存儲器方面廣泛使用了片內(nèi)程序存儲器技術(shù)，出現(xiàn)了片內(nèi)集成 EPROM、 EEPROM、 Flash ROM、 Mask ROM、 OTP ROM 等各種類型的單片機(jī)，以滿足不同產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)的需要，也為最終取消外部儲 存器擴(kuò)展奠定了良好的基礎(chǔ)。 與此同時，一些面向更高層次的應(yīng)用，推出了 16 位單片機(jī)，典型代表有 Intel公司的 MCS96 系列單片機(jī) 第四階段 (1993現(xiàn)在 )：百花齊放階段。現(xiàn)階段單片機(jī)發(fā)展的顯著特點是百花齊放和技術(shù)創(chuàng)新，以滿足日益增長的廣泛需要。其主要方面如下： 1 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)是面對最底層的電子技術(shù)應(yīng)用，從簡單的玩具、小家電到復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)、智能儀表、電器控制，以及發(fā)展到機(jī)器人、個人信息終端、機(jī)頂盒等，因此，面對不同的應(yīng)用對像，不斷推出適用于不同領(lǐng)域要求的、從簡易性能到多功能的單片機(jī)系列。 2 大力發(fā)展專用型單片機(jī)。早期的單片機(jī)以通用型為主。由于單片機(jī)設(shè)計、生產(chǎn)技術(shù)的提高，周期的縮短，成本的下降，以及許多特定的電子產(chǎn)品，如家電類產(chǎn)品的巨大市場需求能為，推動了專用型單片機(jī)的發(fā)展。在這類產(chǎn)品中采用專用型單片機(jī)，具有成本低、資源利用率高、系統(tǒng)外圍電路少、可靠性高的優(yōu)點。因此，專用單片機(jī)也是單片機(jī)發(fā)展的一個主要方向。 3 致力于提高單片機(jī)的綜合品質(zhì)。采用先進(jìn)的技術(shù)來提高單片機(jī)的綜合品質(zhì)，如提高 I/O 口的驅(qū)動能力，增強抗靜電和抗干擾措施，加寬 (降低 )工作電壓，降低功耗。 單片機(jī)的發(fā)展趨勢 綜觀 30 多年的發(fā)展過程，作為嵌入式系統(tǒng)的核心 單片機(jī)，正在朝著多功能、多選則、高速度、低功耗、低價格、大容量及加強 I/O 功能等方向發(fā)展。其進(jìn)一步的發(fā)展趨勢是多方面的。 1 全盤 CMOS 化 COMS 電路具有許多優(yōu)點，例如極寬的工作范圍、極佳的低功耗管理特性等。CMOS 化已經(jīng)成為目前單片機(jī)及其外圍器件及其外圍器件流行的半導(dǎo)體工藝。 2 采用 RISC 體系結(jié)構(gòu) 早期的單片機(jī)大多采用 CISC 體系結(jié)構(gòu)，指令復(fù)雜，指令代碼、周期數(shù)不統(tǒng)一； 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 指令運行很難實現(xiàn)流水線操作，大大阻礙了運行速度的提高 。例如， MCS51 系列單片機(jī)，當(dāng)外部時鐘為 12MHz,其單周期指令運行速度僅為 1MIPS。采用 RISC 體系結(jié)構(gòu)和精簡指令后，單片機(jī)的指令絕大部分成為單周期指令，而且通過增加程序儲存器的寬度 (8 位增加到 16 位 )實現(xiàn)了一個地址單元存儲一條指令。在這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，很容易實現(xiàn)并行流水線的操作，大大提高了指令的運行速度。目前一些 RISC體系結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，如美國 ATMEL 公司 AVR 系列單片機(jī)已實現(xiàn)了一個時鐘周期執(zhí)行一條指令。與 MCS51 相比，在相同的 12MHz 外部時鐘下，單周期指令運行的速度可達(dá) 12MIPS。這樣， 一方面可以獲得指令的高速運行，另一方面，在相同的運行速度下，可大大降低時鐘的頻率，有利于獲得良好的電磁兼容效果。 3 多功能集成化 單片機(jī)在內(nèi)部已集成了越來越多的部件，這些部件不僅包括一般常用的電路，例 如定時器 /計數(shù)器、模擬比較器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、串行通信接口、 WDT 電路、 LCD 控制器等，有的單片機(jī)為了構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)或形成局部網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部含有局部網(wǎng)絡(luò)控制模塊 CAN 總線，以方便地構(gòu)成一個控制成一個控制網(wǎng)絡(luò)。為了能在變頻控制中方便地使用單片機(jī)，形成最具有經(jīng)濟(jì)效益的嵌入式控制系統(tǒng)。有的單片機(jī)內(nèi)部清空設(shè)置了 專門用于變頻控制的脈寬調(diào)制電路 PWM。 4 片內(nèi)存儲器的改進(jìn)與發(fā)展 目前新型單片機(jī)一般在片內(nèi)集成了兩種類型的存儲器：隨機(jī)讀 /寫存儲器 SRAM，作為臨時數(shù)據(jù)存儲器用于存放工作數(shù)據(jù)；只讀 ROM，作為程序存儲器用于存放系統(tǒng)控制程序和固定不變的數(shù)據(jù)。片內(nèi)存儲器的改進(jìn)與發(fā)展方向是擴(kuò)大容量，以及提高 ROM 數(shù)據(jù)的易寫和保密性等。 1) 片內(nèi)存儲容量的增加。新型單片機(jī)一般在片內(nèi)集成的 SRAM 128 字節(jié) ~1KB，ROM 的容量一般為 4~8KB。為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、音視頻等高端產(chǎn)品的需要，高檔單片機(jī)在片內(nèi)集成了更大 容量的 RAM 和 ROM 存儲器。例如 ATMEL 公司的 ATmega16片內(nèi)的 SRAM 為 1KB， Flash ROM 為 16KB。而該系列的高端產(chǎn)品 ATmega256 片內(nèi)集成了 8KB 的 SRAM、 256KB 的 Flash ROM 和 4KB 的 EEPROM。 2) 片內(nèi)程序存儲器由 EPROM 型向 Flash ROM 發(fā)展。早期單片機(jī)在片內(nèi)往往沒有程序存儲器或片內(nèi)集成了 EPROM 型的程序存儲器。將程序存儲器集成在單片機(jī)內(nèi)，可以大大提高單片機(jī)的抗干擾能力，提高程序的保密性，減少硬件設(shè)計的復(fù)雜 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 性和空間等許多優(yōu)點，因此片內(nèi)集成程序存 儲器已成為新型單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)方式，但EPROM 具有須用 12V 高壓編程寫入。紫外線光照擦除以及重寫入次數(shù)有限等缺點，這給使用帶來了不便。新型單片機(jī)則采用 Flash ROM、 Mask ROM、 OTP ROM 作為片內(nèi)程序存儲器， Flash ROM 在通常 (如 5V/3V)下就可以實現(xiàn)程序的寫入和擦除操作，重寫次數(shù)在 10 000 次以上，并可實現(xiàn)在線編程寫入的 ISP 技術(shù)優(yōu)點，為使用帶來了極大的方便。采用 Mask ROM 的微控制器稱為掩膜芯片，它在芯片制造過程中就將程序 “ 寫入 ” 其中，并永遠(yuǎn)不能改寫。采用 OTP ROM 的微控 制器，其芯片出廠時片內(nèi)程序存儲器是 “ 空的 ” ，它允許用戶將自己編寫好的程序一次性地編程寫入，之后再已無法更改了。 Mask ROM 和 OTP ROM 適用于大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)，而 EPROM 和 Flash ROM 則適用于產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)及學(xué)習(xí)培訓(xùn)時使用。 3) 程序保密化。一個單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)程序是系統(tǒng)最重要的部分，是知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的核心。為了防止片內(nèi)程序被非法讀出復(fù)制，新型單片機(jī)往往對片內(nèi)程序存儲器進(jìn)行加鎖加密。當(dāng)系統(tǒng)程序?qū)懭肫瑑?nèi)程序存儲器后，可以再對加密保護(hù)單元編程，使芯片加鎖。加鎖加密后，從芯片外部則無法讀 取片內(nèi)系統(tǒng)程序代碼。若將加密單元擦除，則片內(nèi)程序也同時被擦除掉，這樣便達(dá)到了程序保密的目的。 5 ISP、 IAP 及 ISP、 IAP 技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用 ISP(In System Programmable)稱為在線系統(tǒng)可編程技術(shù)。隨著微控制器在片內(nèi)集 成 EEPROM、 Flash ROM 的發(fā)展，推動了 ISP 技術(shù)在單片機(jī)中的應(yīng)用。在 ISP 技術(shù)的基礎(chǔ)上立首先實現(xiàn)了系統(tǒng)程序的串行編程寫入，使得不必將焊在 PCB 印刷電路板上的芯片取下，就可直接將程序下載到單片機(jī)的程序存儲器中，淘汰了專用程序下載寫入設(shè)備。其次 基于 ISP 技術(shù)的實現(xiàn)，使得模擬仿真開發(fā)技術(shù)重新興起。在單時鐘、單指令運行的 RSIC 結(jié)構(gòu)的單片機(jī)中，可實現(xiàn) PC 機(jī)通過串行電纜對目標(biāo)板系統(tǒng)的在線仿真調(diào)試。在 ISP 技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了 IAP(In Application Programmable)技術(shù)，也稱在應(yīng)用可編程技術(shù)。利用 IAP 技術(shù)，實現(xiàn)了用戶可隨時根據(jù)需要對原有系統(tǒng)方便地在線更新軟件、修改軟件，還能實現(xiàn)對系統(tǒng)軟件的遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程調(diào)試和遠(yuǎn)程更新。 6 實現(xiàn)全面的功能管理 采用 CMOS 工藝后，單片機(jī)具有極佳的低功耗和功耗管理功能，它包括 傳統(tǒng) CMOS 單片機(jī)的低功耗運行方式，即休閑方式 (Idle Mode)、掉電方式 (Power 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 Down Mode)。雙時鐘技術(shù)。配置高速 (主時鐘 )和低速 (子時鐘 )兩個時鐘系統(tǒng)。當(dāng)不需要高速運行時，轉(zhuǎn)入子時鐘控制下，以降低功耗。片內(nèi)外圍電路的電源管理。對集成在片內(nèi)的外圍接口電路實行供電管理，當(dāng)外圍電路不再運行時，關(guān)閉其供電。 低電壓節(jié)能技術(shù)。 CMOS 電路的功耗與電源電壓有關(guān)，降低系統(tǒng)的供電電壓，能大幅降低器件的功耗。新型單片機(jī)往往具有寬電壓 (3~5V)或低電壓 (3V)運行的特點，低電壓、低功耗是手持便攜式 系統(tǒng)重要的追求目標(biāo)，也是綠色電子的發(fā)展方向。 7 以串行總線方式為主的外圍發(fā)展 目前，單片機(jī)與外圍器件接口技術(shù)發(fā)展的一個重要方向是由并行外圍總線接口向串行外圍總線接口的發(fā)展。采用串行總線方式擴(kuò)展的外圍擴(kuò)展技術(shù)具有方便、靈活、 電路簡單及占用 I/O 資源少的特點。采用串行總線雖然比采用并行接口數(shù)據(jù)傳輸慢， 但隨著半導(dǎo)體電路技術(shù)的發(fā)展，大批采用標(biāo)準(zhǔn)串行總線通信協(xié)議 (如 SPI、 I2C、 1 Wire 等 )的外圍芯片器件的出現(xiàn)，使傳輸速度不斷提高 (可達(dá)到 1~10Mb/s)。采用片內(nèi)集成程序存儲器而不必外部并 行擴(kuò)展程序存儲器，加之單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)有限速度的要求，使得串行總線方式為主的外圍擴(kuò)展方式能夠滿足大多數(shù)系統(tǒng)的需求，成為流行的提擴(kuò)展方式，而采用并行接口的擴(kuò)展技術(shù)則成為輔助方式。 8 單片機(jī)向片上系統(tǒng) SOC 發(fā)展 SOC(System On Chip)是一種高度集成化、固化的芯片級集成技術(shù)，其核心思想是把除了無法集成的某些外部電路和機(jī)械部分之外所有外圍電路全部集成在一片芯片之中?，F(xiàn)在一些新型單片機(jī) (如 AVR 系列單片機(jī) )已經(jīng)是 SOC 的雛形，在一片芯片中集成了各種類型和更大容量的存儲器，以及更多性能、更 加完善、更強大的功能電路接口，這使得原來需要幾片甚至十幾片芯片組成的系統(tǒng)，現(xiàn)在只用一片就可以實現(xiàn)。其優(yōu)點不僅減少了系統(tǒng)的體積，降低了成本，而且也大大提高了系統(tǒng)硬件的可靠性和穩(wěn)定性。 單片機(jī)的特點 單片機(jī)芯片作為控制系統(tǒng)的核心部件，它除了具備通用微機(jī) CPU 的數(shù)值計算功能外，還必須具有靈活，強大的控制功能，以便實現(xiàn)實時監(jiān)測系統(tǒng)的輸入量，控制系統(tǒng)的輸出量，實現(xiàn)自動控制。由于單片機(jī)主要面向工業(yè)控制，工作環(huán)境比較惡劣， 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 如高溫，強電磁干擾，甚至含有腐蝕性的氣體，因而單片機(jī)控制系統(tǒng)還必須具有抗輻射能力。單片機(jī) CPU 與通用微機(jī) CPU 相比，具有以下的特點： 1 抗干擾性強，工作溫度范圍寬。通用微機(jī) CPU 一般要求在室溫下工作，抗干擾能力較低。 2 可靠性高。在工業(yè)控制中，任何差錯都有可能造成極其嚴(yán)重的后果。 3 控制功能很強，數(shù)值計算能力較差。而通用微機(jī) CPU 具有很強的數(shù)值運算能力，但是控制能力相對較弱，將通用微機(jī)用于工業(yè)控制時，一般需要增加一些專用的接口電路。 4 指令系統(tǒng)比通用微機(jī)系統(tǒng)簡單。 5 更新?lián)Q代速度比通用微機(jī)處理器慢得多， Intel公司 1980 年推出標(biāo)準(zhǔn) MCS51內(nèi)核 8051， 80C51 單片機(jī)芯片后，持 續(xù)生產(chǎn)，使用 10 年，直到 1996 年 3 月才被增強型 MCS51 內(nèi)核 8XC5X 系列取代。 單片機(jī)的應(yīng)用 目前單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)深入國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，對各個行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代起著重要的推動作用，其應(yīng)用領(lǐng)域主要有智能儀器表，機(jī)電一體化，實時控制，民用電子產(chǎn)品及國防工業(yè)等。其主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1 單片機(jī)在智能儀表中的應(yīng)用 單片機(jī)廣泛地應(yīng)用于實驗室，交通運輸工具，計量等各種儀器儀表中，可使用儀器儀表智能化，提高了它們的測量精度，加強了它們的功能，簡化了它們的結(jié)構(gòu)，便于使用，維護(hù)和改進(jìn)。例如 ：電度表校驗儀，電阻，電容，電感測量儀器，船舶航行狀態(tài)記錄儀器，煙葉水分測試器，智能超聲波測厚儀器等。單片機(jī)在智能儀表中的應(yīng)用，不僅使傳統(tǒng)的儀器儀表發(fā)生了根本性的變化，也促進(jìn)儀器儀表行業(yè)的發(fā)展。 2 單片機(jī)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用