【文章內容簡介】 心控 制部分 的不 同可分 為幾種不同的類型 [5]： a. 各種類型 的工控機 b. 可編程邏輯控制器 PLC c. 以通用微處理器或數(shù)字信號處理器構成的嵌入式系統(tǒng) d. 單片嵌入式系統(tǒng) 采用上 述不同 類型 的核心 控制 部件所 構成 的系統(tǒng) 都實 現(xiàn)了嵌 入式系統(tǒng)的應 用，成 為嵌入 式系 統(tǒng)應用 的龐大 家族 。以單 片機 作為控 制核心 的單片嵌 入式系 統(tǒng)大部 分應 用于專 業(yè)性極 強的 工業(yè)控 制系 統(tǒng)中。 其主要 特點是： 結構和 功能相 對單 一、存 儲容量 較小 、計算 能力 和效率 比較低 ，簡單的 用戶接 口。由 于這 種嵌入 式系統(tǒng) 功能 專一可 靠、 價格便 宜，因 此在工業(yè) 控制、 電子智 能儀 器設備 等領域 有著 廣泛的 應用 。作為 單片嵌 入基于單片機的數(shù)控直流電源的設計 6 式系統(tǒng) 的核心 控制部 件單 片機 ， 它從體 系結 構到指 令系 統(tǒng)都是 按照嵌 入式系統(tǒng) 的應用 特點專 門設 計的， 它能最 好地 滿足面 對控 制對象 、應用 系統(tǒng)的嵌 入、現(xiàn) 場的可 靠運 行和優(yōu) 良的控 制功 能要求 。因 此，單 片嵌入 式應用是 發(fā)展最 快、品 種最 多、數(shù) 量最大 的嵌 入式系 統(tǒng)， 也有著 廣泛的 應用前景 。 由于 單片機 具有 嵌入式 系統(tǒng)應 用的 專用體 系結 構和指 令系統(tǒng) ，因此在 其基本 體系結 構上 ，可衍 生出能 滿足 各種不 同應 用系統(tǒng) 要求的 系統(tǒng)和產(chǎn) 品。用 戶可根 據(jù)應 用系統(tǒng) 的各種 不同 要求和 功能 ，選擇 最佳型 號的單片機。 作為一 個典型 的嵌 入式 系統(tǒng) ―― 單片 嵌入 式系統(tǒng) ，在 我國大 規(guī)模應用已有 幾十年 的歷史 。它 不但是 在中、 小型 工控領 域、 智能儀 器儀表 、家用電 器、電 子通信 設備 和電子 系統(tǒng)中 最重 要的工 具和 最普遍 的應用 手段，同 時正是 由于單 片嵌 入式系 統(tǒng)的廣 泛應 用和不 斷發(fā) 展，也 大大推 動了嵌入 式系統(tǒng) 技術的 快速 發(fā)展。 因此對 于電 子、通 信、 工業(yè)控 制、智 能儀器儀 表等相 關專業(yè) 的學 生來講 ，深入 學習 和掌握 單片 嵌入式 系統(tǒng)的 原理與應 用，不 僅能對 自己 所學的 基礎知 識進 行檢驗 ，而 且能夠 培養(yǎng)和 鍛煉自己 的問題 分析、 綜合 應用、 和動手 實踐 的能力 ，掌 握真正 的專業(yè) 技能和應 用技術 。同時 ，深 入學習 和掌握 單片 嵌入式 系統(tǒng) 的原理 與應用 ，也為更 好的掌 握其它 嵌入 式系統(tǒng) 的打下 重要 的基礎 ，這 個 特點 尤其表 現(xiàn)在硬件設計方面。 單片嵌入式系統(tǒng)的應用領域 以單片 機為核 心構 成的單 片嵌 入式系 統(tǒng)已 成為現(xiàn) 代電 子系統(tǒng) 中最重要的組 成部分 。在現(xiàn) 代的 數(shù)字化 世界中 ，單 片嵌入 式系 統(tǒng)已經(jīng) 大量地 滲透到我 們生活 的各個 領域 ，幾乎 很難找 到哪 個領域 沒有 單片機 的蹤跡 。導彈的 導航裝 置，飛 機上 各種儀 表的控 制， 計算機 的網(wǎng) 絡通信 與數(shù)據(jù) 傳輸，工 業(yè)自動 化過程 的時 實控制 和數(shù)據(jù) 處理 ，生產(chǎn) 流水 線上的 機器人 ，醫(yī)院里 先進的 醫(yī)療器 械和 儀器， 廣泛使 用的 各種智 能 IC 卡， 小朋友 的程控玩具和電子寵物都是典型的單片嵌入式系統(tǒng)應用 [6]。 由于單 片機芯 片的 微小體 積， 極低的 成本 和面向 控制 的設計 ，使的它作為 智能控 制的核 心器 件被廣 泛地用 于嵌 入到工 業(yè)控 制、智 能儀器 儀表、家 用電器 、電子 通信 產(chǎn)品等 各個領 域中 的電子 設備 和電子 產(chǎn)品中 ，主要的應用領域有以下幾個方面 [7]。 （ 1） 智能 家用電 器。 俗程帶 “ 電腦 ” 的 家用 電器， 如電 冰箱、空調、微波爐、電飯鍋、 電視機 、洗衣 機等 。傳統(tǒng) 的家 用電器 中嵌 入了單 片機 系統(tǒng)后 使產(chǎn)品基于單片機的數(shù)控直流電源的設計 7 性能特 點都得 到很大 的改 善，實 現(xiàn)了運 行智 能化、 溫度 的自動 控制和 調節(jié)、節(jié)約電能等。 （ 2） 智能 機電一 體化 產(chǎn)品。 單片 機嵌入 式系 統(tǒng)與傳 統(tǒng)的 機械產(chǎn)品相結合 ，使傳 統(tǒng)的機 械產(chǎn) 品結構 簡化， 控制 智能化 ，構 成新一 代的機 電一體化 產(chǎn)品。 這些產(chǎn) 品已 在紡織 、機械 、化 工、食 品等 工業(yè)生 產(chǎn)中發(fā) 揮出巨大的作用。 （ 3） 智能 儀表儀 器。 用單片 機嵌 入式系 統(tǒng)改 造原有 的測 量、控制儀表和 儀器， 能促使 儀表 儀器向 數(shù)字化 、智 能化、 多功 能化、 綜合化 、柔性化 發(fā)展。 由單片 機系 統(tǒng)構成 的智能 儀器 儀表可 以集 測量、 處理、 控制功能與一體，賦予傳統(tǒng)的儀器儀表以嶄新的面貌。 （ 4） 測控系統(tǒng) 。用單片機嵌入式系統(tǒng)可以 構成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、適應控 制系統(tǒng) 、數(shù)據(jù) 采集 系統(tǒng)等 。例如 ，溫 室人工 氣候 控制、 汽車數(shù) 據(jù)采集與自動控制系統(tǒng)。 三 單片機的基本結構 單片機的基本組成結構 單片機 嵌入式 系統(tǒng) 的核心 部件 是單片 機， 其結構 特征 是將組 成計算機的基 本部件 集成在 一塊 晶體芯 片上， 構成 一片具 有特 定功能 的單芯 片計算機 — 單片 機。從 單片 機的基 本組成 可以 看出， 在一 片（單 片機） 芯片中，集成了構成一個計算機系統(tǒng)的最基本的單元：如 C P U、程序（ 指令） 存儲 器、 數(shù)據(jù) 存儲 器、 各種 類型 的輸 入 /輸 出接 口等 。 C P U 同各 基本單元 通過芯 片內的 內部 總線（ 包括數(shù) 據(jù)總 線、地 址總 線和控 制總線 ）連接 [8]。 一般情況下，內部總線中的數(shù)據(jù)總線寬 度 (或指 CP U 的字長 )也是標定該單 片機等 級的一 個重 要指標 。一般 講， 低檔單 片機 的內部 數(shù)據(jù)總 線寬度為 4 位（ 4 位機），普通和中檔單片機的內部 數(shù)據(jù)總線寬度一般為 8位（ 8 位機），高檔單片機內部數(shù)據(jù)總線寬度為 16 或 32 位。內部數(shù)據(jù)總線寬度越寬，單片機的處理速度也相應的提高，功能也越強。 單片機基本單元與作用 MCU 單元 (Microcontroller Unit) MC U 單 元部 分包 括了 CP U、 時鐘系 統(tǒng)、 復位、 總線 控制邏 輯等電基于單片機的數(shù)控直流電源的設計 8 路。 CP U 是按照 面向測控對象、嵌入式應 用的要求設計的，其功能有 進行算術 、邏輯 、比較 等運 算和操 作，并 將結 果和狀 態(tài)信 息與存 儲器以 及狀態(tài)寄 存 器進 行交換 （讀 /寫）。時鐘 和復位 電路實 現(xiàn)上 電復位 、信號 控制復位 ，產(chǎn)生 片內各 種時 鐘及功 耗管理 等。 總線控 制電 路則產(chǎn) 生各類 控制邏輯信號 ，滿足 MC U 對內部和 外部總線 的控制 。其中， 內部總線 用以實現(xiàn) 片內各 單元電 路的 協(xié)調操 作和數(shù) 據(jù)傳 輸，而 外部 總線控 制用于 單片機外圍擴展的操作管理 [9]。 片內存儲器 單片機 的存儲 器一 般分成 程序 存儲器 和數(shù) 據(jù)存儲 器， 它們往 往構成相互獨 立的兩 個存儲 空間 ，分別 尋址， 互不 干擾。 在這 一點上 ，與通 用計 算 機 系 統(tǒng) 的 結 構 是 不 同 的 。 通 用 計 算 機 系 統(tǒng) 通 常 采 用“ Vo nNe uma nn” 結構 ，在 這種結 構體 系中 采用 了單 一的 數(shù)據(jù) 總線用 于指令和數(shù)據(jù)的存取，因此數(shù)據(jù)和指令是存放在同一個存儲空間中的， CP U 使 用 同 一 條 數(shù)據(jù) 總 線 與 數(shù)據(jù) 和 程 序 進行 交 換 ,如 在 計 算 機原 理 課 程中 介紹的 8086/8088。而單片機的內部結構通常使用 “ Harvard” 體系結構，在這種體 系中采 用分開 的指 令和數(shù) 據(jù)總線 ，以 及分開 的指 令和數(shù) 據(jù)地址 空間。單片機采用 Harvard 雙（多）總線結構的優(yōu)點是，指令和數(shù)據(jù)空間完全 分開 ，分 別通 過專 用的 總線 同 C P U 交換 ，可 以實 現(xiàn)對 程序 和數(shù) 據(jù)的同時訪問，提高了 CP U 的執(zhí)行速度和數(shù) 據(jù)的吞吐率。早期的單片機 ，如 典型 的 8031單片 機， 在片 內只 集成少 量的 數(shù)據(jù) 存儲 器 RA M（ 128/256字節(jié)） ，沒有 程序存 儲器 。因此 程序存 儲器 和大容 量的 數(shù)據(jù)存 儲器需 要進行片 外的擴 展，增 加外 圍的存 儲芯片 和電 路，這 給構 成嵌入 式系統(tǒng) 帶來了麻 煩。后 期的單 片機 則在片 內集成 了相 當數(shù)量 的程 序存儲 器，如 與8031兼容的 AT89S5 AT89S52在片內 集成了 4K/8K的 Flash程序存儲器 。而現(xiàn)在 新型的 單片機 ，則 在片內 集成了 更多 數(shù)量和 更多 類型的 存儲器 。如 A VR系列的 AT me ga16在 片 內 就 集 成 了 16K 字節(jié)的 Flas h 程 序 存 儲器， 1K 字 節(jié)的 RA M 數(shù) 據(jù)存儲器， 以及 512字 節(jié)的 E EPR O M 數(shù)據(jù)存 儲器，這就大大方便了應用。 程序存儲器 程序存 儲器用 于存 放嵌入 式系 統(tǒng)的應 用程 序。由 于單 片機嵌 入式系統(tǒng)的應用程序在開發(fā) 調試完 成后不 需要 經(jīng)常改 變， 因此單 片機 的程序 存儲 器多采 用只讀型 RO M 存儲器，用于永久性的存 儲系統(tǒng)的應用程序。為適應不同產(chǎn)品 、用戶和不同場合的需要，單片機的程序存儲器有以下幾種不同形式 [10]： 基于單片機的數(shù)控直流電源的設計 9 ① RO MLess 型。該種形 式的單片機片內沒有集成程 序存儲器，使用時必須在單片機外部擴展一定容量的 EPR O M 器件。 因此，使 用這種 類型的單 片機就 必須使 用并 行擴展 總線， 增加 芯片， 增加 了硬件 設計的 工作量。 ② EPR O M 型 。單片 機片 內集成 了一 定數(shù)量 的 E PR OM 存 儲器用于存放系 統(tǒng)的應 用程序 。這 類單片 機芯片 的上 部開有 透明 窗口， 可通過 約15分鐘 的紫外 線照射 來擦 除存儲 器中的 程序 ，再使 用專 用的寫 入裝置 寫入程序代碼和數(shù)據(jù)，寫入次數(shù)一般為幾十次。 ③ Mas kR OM 型。使用種類型 的單片機時，用戶要將調試好的應用程序代碼 交給單 片機的 生產(chǎn) 廠家， 生產(chǎn)商 在單 片機芯 片制 造過程 的掩膜 工藝階段 將程序 代碼掩 膜到 程序存 儲器中 。這 種單片 機便 成為永 久性專 用的芯片，系統(tǒng)程序無法改動，適合于大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。 ④ OTPR O M 型。這種類型的單片機與 Mas kR O M 型的單片機有相似的特點 。生產(chǎn) 商提供 新的 單片機 芯片中 的程 序存儲 器可 由用戶 使用專 用的寫入 裝置一 次性編 程寫 入程序 代碼， 寫入 后也無 法改 動了。 這種類 型的單片機也是適用于大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。 ⑤ FlashR OM 型 。這是一種可供用戶多次擦 除和寫入程序代碼的單片機。它的程序存儲器采用快閃存儲 器（ FlashMe mor y） ,現(xiàn)在可實現(xiàn)大于 1萬次的寫入操作。 內部集成 FlashR O M 型單片機的出現(xiàn)，以及隨著 Flash 存儲器價格的下 降， 使得 使用 FlashR O M 的單 片機 正在 逐 步淘 汰使 用其 它類 型程 序存儲器的單片機。由于 FlashRO M 可多次 擦除（電擦除）和寫入的特性 ，加上新型的單 片機又采 用了在線 下載 ISP 技 術（ In S ys te mPro gra m既無需將 芯片從 系統(tǒng)板 上取 下，直 接在線 將新 的程序 代碼 寫入單 片機的 程序存儲 器中。 ），不 僅為 用戶在 嵌入式 系統(tǒng) 的設計 、開 發(fā)和調 試帶來 了極大的 方便， 而且也 適用 于大批 量產(chǎn)品 的生 產(chǎn)，并 為產(chǎn) 品的更 新?lián)Q代 提供了更廣闊的空間 [11]。 數(shù)據(jù)存儲器 單片機在片 內集成 的數(shù)據(jù)存 儲器一 般有兩類 ：隨機 存儲器 RA M 和電可擦除存儲器 EEP RO M。 ① 隨機存儲器 RA M。在單片機中，隨機存 儲器 RA M 是用來存 儲系統(tǒng) 程序在運 行期間的 工作變 量和臨時 數(shù)據(jù)的。 一般在單片機 內部集成 一定容 量 （ 32字 節(jié)至 512字 節(jié)或更 多）的 RA M。這些小容量的 數(shù)據(jù)存儲 器以高 速 R AM 的形式 集成在 單片機芯 片內部， 作為臨時 的工作 存儲器 使用 ，可以 提高單 片機 的運行 速度 。在單 片機中 ，基于單片機的數(shù)控直流電源的設計 10 常把內部寄存器 (如工作寄存器、 I/O 寄存器等 )在邏輯上 也劃分在 R A M 空間中 ，這樣 即可以 使用 專用的 寄存器 指令 對寄存 器進 行操作 ，也可 將寄存 器當做 RA M 使用， 為程序設 計提供了 方便和 靈活性。 對一些需 要使用大 容量數(shù) 據(jù)存儲 器的 系統(tǒng)， 就需要 在外 部擴展 數(shù)據(jù) 存儲器 。這時 ，單片機就必 須具備并 行擴展 總線的功 能，同時 外圍也要 增加 RA M 芯片和相應的地址鎖存、地址譯碼等電路。這不僅增加了硬件設計的工作量，產(chǎn)品的 成本， 同時降 低了 系統(tǒng)的 可靠性 。目 前