單片機的發(fā)展及展望

1、單片機的發(fā)展及應用單片機的發(fā)展1970年微型計算機研制成功后，隨后就出現(xiàn)了單片機。美國Inter公司在1971年推出了4位單片機4004；1972年推出了雛形8位單片機8008。特別是在1976年推出MCS-48單片機以后的三十年中，單片機的發(fā)展和其相關的技術經(jīng)歷了數(shù)次的更新?lián)Q代。其發(fā)展速度大約每三四年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。盡管單片機出現(xiàn)的歷史并不長，但以8位單片機的推出為起點，那么，單片機的發(fā)展大致可分為四個階段。第一階段（1976年-1978年）初級單片機階段。以Inter公司MCS-48為代表。這個系列的單片機內(nèi)集成有8位CPU、I/O接口、8位定時器/計數(shù)器，尋址范圍

2、不大于4K字節(jié)，簡單的中斷功能，無串行接口。第二階段（1978年-1982年）：單片機完善階段。在這一階段推出的單片機其功能有較大的加強，能夠應用于更多的場合。這個階段的單片機普遍帶有串行I/O口、有多級中斷處理系統(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64K字節(jié)。一些單片機片內(nèi)還集成了A/D轉(zhuǎn)換接口。這類單片機的典型代表有Inter公司的MCS-51、Motorola公司的6801和乙log公司的Z8等。第三階段（1982年-1992年）：8位單片機鞏固發(fā)展及16位高級單片機發(fā)展階段。在此階段，盡管8位單片機的應用已廣泛普及，但為了更好滿足測控系統(tǒng)的嵌入式應用

3、的要求，單片機集成的外圍接口電路有了更大的擴充。這個階段單片機的代表為8051系列。許多半導體公司和生產(chǎn)廠以MCS-51的8051為內(nèi)核，推出了滿足各種嵌入式應用的多種類型和型號的單片機。其主要技術發(fā)展有：（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)動輸出的PWM；保證程序可靠運行的程序監(jiān)控定時器WDT（俗稱看門狗電路）。（2）出現(xiàn)了為滿足串行外圍擴展要求的串行擴展總線和接口，如SPI、I2CBus、單總線（1-Wire）等。（3）出現(xiàn)了為滿足分布式系統(tǒng)，突出控制功能的現(xiàn)場總線接口，如CANBus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，出現(xiàn)了片內(nèi)集成EPROM

4、、EEPROM、FlashROM以及MaskROM、OTPROM等各種類型的單片機，以滿足不同產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)的需要，也為最終取消外部程序存儲器擴展奠定了良好的基礎。與此同時，一些公司面向更高層次的應用，發(fā)展推出了16位的單片機，典型代表有Inter公司的MCS-96系列的單片機。第四階段（1993年-現(xiàn)在）：百花齊放階段。現(xiàn)階段單片機發(fā)展的顯著特點是百花齊放、技術創(chuàng)新，以滿足日益增長的廣泛需求。其主要方面有：（1）單片嵌入式系統(tǒng)的應用是面對最底層的電子技術應用，從簡單的玩具、小家電；到復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)、智能儀表、電器控制；以及發(fā)展到機器人、個人通信信息終端、機頂盒等。因此，面對不同的應用對

5、象，不斷推出適合不同領域要求的，從簡易性能到多全功能的單片機系列。（2）大力發(fā)展專用型單片機。早期的單片機是以通用型為主的。由于單片機設計生產(chǎn)技術的提高、周期縮短、成本下降，以及許多特定類型電子產(chǎn)品，如家電類產(chǎn)品的巨大的市場需求能力，推動了專用單片機的發(fā)展。在這類產(chǎn)品中采用專用單片機，具有低成本、資源有效利用、系統(tǒng)外圍電路少、可靠性高的優(yōu)點。因此專用單片機也是單片機發(fā)展的一個主要方向。（3）致力于提高單片機的綜合品質(zhì)。采用更先進的技術來提高單片機的綜合品質(zhì)，如提高I/O口的驅(qū)動能力；增加抗靜電和抗干擾措施；寬（低）電壓低功耗等。單片機的發(fā)展趨勢第一塊PCB板：51最小系統(tǒng)開發(fā)板1234單片機,

6、亦稱單片微電腦或單片微型計算機。它是把中央處理器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、輸入/輸出端口(I/O)等主要計算機功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機?，F(xiàn)在可以說單片機是百花齊放的時期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機,從8位、16位到32位,數(shù)不勝數(shù),應有盡有,它們各具特色,互成互補,為單片機的應用提供廣闊的天地。縱觀單片機的發(fā)展過程,可以預示單片機的發(fā)展趨勢。1、低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出時的功耗達630mW,而現(xiàn)在的單片機普遍都在100mW左右,隨著對單片機功耗要求越來越低,現(xiàn)在的各個單片機制造商基本都采用了CMOS（

7、互補金屬氧化物半導體工藝）。80C51就采用了HMOS（即高密度金屬氧化物半導體工藝）和CHMOS（互補高密度金屬氧化物半導體工藝）。CMOS雖然功耗較低,但由于其物理特征決定其工作速度不夠高,而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點,這些特征,更適合于在要求低功耗,電池供電的應用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機發(fā)展的主要途徑。2、微型單片化現(xiàn)在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器（CPU）、隨機存取數(shù)據(jù)存儲（RAM）、只讀程序存儲器（ROM）、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上,增強型的單片機集成了如A/D轉(zhuǎn)換器、PMW（脈寬調(diào)制電路）、WDT（看門狗）

8、、有些單片機將LCD（液晶）驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多,功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做,制造出具有自己特色的單片機芯片。此外,現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕,這就要求單片機除了功能強和功耗低外,還要求其體積要小?，F(xiàn)在的許多單片機都具有多種封裝形式,其中SMD（表面封裝）越來越受歡迎，使得由單片機構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。3、主流與多品種共存現(xiàn)在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以80C51為核心的單片機占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有PHILIPS公司的產(chǎn)品,ATMEL公司的產(chǎn)品和中國臺灣的Winbond系列單片機。所以C80

9、51為核心的單片機占據(jù)了半壁江山。而Microchip公司的PIC精簡指令集(RISC)也有著強勁的發(fā)展勢頭，中國臺灣的HOLTEK公司近年的單片機產(chǎn)量與日俱增,與其低價質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢,占據(jù)一定的市場分額。此外還有MOTOROLA公司的產(chǎn)品，日本幾大公司的專用單片機。在一定的時期內(nèi),這種情形將得以延續(xù),將不存在某個單片機一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補，相輔相成、共同發(fā)展的道路。4、大容量、高性能以往單片機內(nèi)的ROM為1KB4KB,RAM為64128B。但在需要復雜控制的場合，該存儲容量是不夠的，必須進行外接擴充。為了適應這種領域的要求,須運用新的工藝,使片內(nèi)存儲器大容量化。目前,單片機內(nèi)ROM

10、最大可達64KB,RAM最大為2KB。另外單片機進一步改變CPU的性能,加快指令運算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)和流水線技術,可以大幅度提高運行速度。現(xiàn)指令速度最高者已達100MIPS(MillionInstructionPerSeconds,即兆指令每秒),并加強了位處理、中斷和定時控制功能。這類單片機的運算速度比標準的單片機高出10倍以上。由于這類單片機有極高的指令速度,可以使用軟件模擬其I/O功能,由此引入了虛擬外設的新概念。5、串行擴展技術在很長一段時間里,通用型單片機通過三總線結(jié)構(gòu)擴展外圍器件成為單片機應用的主流結(jié)構(gòu)。隨著低價位OTP(OneTimeP

11、rogramble)及各種特殊類型片內(nèi)程序存儲器的發(fā)展,加之處圍接口不斷進入片內(nèi),推動了單片機“單片”應用結(jié)構(gòu)的發(fā)展。特別是I2C、SPI等串行總線的引入,可以使單片機的引腳設計得更少,單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化及規(guī)范化。6、結(jié)論單片機改變了我們生活,縱觀我們現(xiàn)在生活的各個領域,從導彈的導航裝置,到飛機上各種儀表的控制,從計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸,到工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理,以及我們生活中廣泛使用的各種智能IC卡、電子寵物等,這些都離不開單片機,單片機有著廣闊的應用前景。單片機應用的可靠性技術發(fā)展在單片機應用中，可靠性是首要因素為了擴大單片機的應用范圍和領域，提高單片機自身的可靠性是一

12、種有效方法。近年來，單片機的生產(chǎn)廠家在單片機設計上采用了各種提高可靠性的新技術，這些新技術表現(xiàn)在如下幾點：1、EFT(EllectricalFastTransient)技術EFT技術是一種抗干擾技術，它是指在振蕩電路的正弦信號受到外界干擾時，其波形上會迭加各種毛刺信號，如果使用施密特電路對其整形，則毛刺會成為觸發(fā)信號干擾正常的時鐘，在交替使用施密特電路和RC濾波電路時，就可以消除這些毛否則令其作用失效，從而保證系統(tǒng)的時鐘信號正常工作。這樣，就提高了單片機工作的可靠性。Motorola公司的MC68HC08系列單片機就采用了這種技術。2、低噪聲布線技術及驅(qū)動技術在傳統(tǒng)的單片機中，電源及地線是在集

13、成電路外殼的對稱引腳上，一般是在左上、右下或右上、左下的兩對對稱點上。這樣，就使電源噪聲穿過整塊芯片，對單片機的內(nèi)部電路造成干擾?，F(xiàn)在，很多單片機都把地和電源引腳安排在兩條相鄰的引腳上。這樣，不僅降低了穿過整個芯片的電流，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?，F(xiàn)在為了適應各種應用的需要，很多單片機的輸出能力都有了很大提高，Motorola公司的單片機1/0口的灌拉電流可達8mA以上，而Microchip公司的單片機可達25mA。其它公司：AMD,Fujitsu,NEC,Infineon,Hitachi,Ateml,Tosbiba等基本上可達820mA的水平。這些電流較大的驅(qū)

14、動電路集成到芯片內(nèi)部在工作時帶來了各種噪聲,為了減少這種影響,現(xiàn)在單片機采用多個小管子并聯(lián)等效一個大管子的方法,并在每個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，從而消除大電流瞬變時產(chǎn)生的噪聲。3、采用低頻時鐘高頻外時鐘是噪聲源之一，不僅能對單片機應用系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，還會對外界電路產(chǎn)生干擾，令電磁兼容性不能滿足要求。對于要求可靠性較高的系統(tǒng)，低頻外時鐘有利于降低系統(tǒng)的噪聲。在一些單片機中采用內(nèi)部瑣相環(huán)技術，則在外部時鐘較低時，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。torola公司的MC68HC08系列及其16/32位單片機就采用了這種技

15、術以提高可靠性。數(shù)字單片機的技術發(fā)展數(shù)字單片機的技術進步反映在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功率消耗、外部電壓等級以及制造工藝上。在這幾方面，較為典型地說明了數(shù)字單片機的水平。在目前，用戶對單片機的需要越來越多，但是，要求也越來越高。下面分別就這四個方面說明單片機的技術進步狀況。1、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進步單片機在內(nèi)部已集成了越來越多的部件，這些部件包括一般常用的電路，例如：定時器，比較器，A/D轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器，串行通信接口，Watchdog電路，LCD控制器等。有的單片機為了構(gòu)成控制網(wǎng)絡或形成局部網(wǎng)，內(nèi)部含有局部網(wǎng)絡控制模塊CAN。例如,nfineon公司的C505C,C515C,C167CR,C167CS-32F

16、M,81C90；Motorola公司的68HC08AZ系列等。特別是在單片機C167CS-32FM中，內(nèi)部還含有2個CAN。因此，這類單片機十分容易構(gòu)成網(wǎng)絡。特別是在控制，系統(tǒng)較為復雜時，構(gòu)成一個控制網(wǎng)絡十分有用。為了能在變頻控制中方便使用單片機，形成最具經(jīng)濟效益的嵌入式控制系統(tǒng)。有的單片機內(nèi)部設置了專門用于變頻控制的脈寬調(diào)制控制電路，這些單片機有Fujitsu公司的MB89850系列、MB89860系列；Motorola公司的MC68HC08MR16、MR24等。在這些單片機中，脈寬調(diào)制電路有6個通道輸出，可產(chǎn)生三相脈寬調(diào)制交流電壓，并內(nèi)部含死區(qū)控制等功能。特別引人注目的是：現(xiàn)在有的單片機已

17、采用所謂的三核(TrCore)結(jié)構(gòu)。這是一種建立在系統(tǒng)級芯片(Systemonachip)概念上的結(jié)構(gòu)。這種單片機由三個核組成：一個是微控制器和DSP核，一個是數(shù)據(jù)和程序存儲器核，最后一個是外圍專用集成電路(ASIC)。這種單片機的最大特點在于把DSP和微控制器同時做在一個片上。雖然從結(jié)構(gòu)定義上講，DSP是單片機的一種類型，但其作用主要反映在高速計算和特殊處理如快速傅立葉變換等上面。把它和傳統(tǒng)單片機結(jié)合集成大大提高了單片機的功能。這是目前單片機最大的進步之一。這種單片機最典型的有Infineon公司的TC10GP；Hitachi公司的SH7410,SH7612等。這些單片機都是高檔單片機，MC

18、U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、封裝及電源電壓的進步現(xiàn)在新的單片機的功耗越來越小，特別是很多單片機都設置了多種工作方式，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P87LPC762是一個很典型的例子，在空閑時，其功耗為1.5mA，而在節(jié)電方式中，其功耗只有0.5mA。而在功耗上最令人驚嘆的是TI公司的單片機MSP430系列，它是一個16位的系列，有超低功耗工作方式。它的低功耗方式有LPM1、LPM3、LPM4三種。當電源為3V時，如果工作于LMP1方式，即使外圍電路處于活動，由于CPU不活動，振蕩器處

19、于14MHz，這時功耗只有50?A。在LPM3時，振蕩器處于32kHz，這時功耗只有1.3?A。在LPM4時，CPU、外圍及振蕩器32kHz都不活動，則功耗只有0.1?A?，F(xiàn)在單片機的封裝水平已大大提高，隨著貼片工藝的出現(xiàn)，單片機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。在這種形勢中，Microchip公司推出的8引腳的單片機特別引人注目。這是PIC12CXXX系列。它含有0.52K程序存儲器，25128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器，6個I/O端口以及一個定時器，有的還含4道A/D，完全各單獨模塊電路PCB板可以滿足一些低檔系統(tǒng)的應用。擴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

20、發(fā)展的目標之一。目前，一般單片機都可以在3.35.5V的條件下工作。而一些廠家，則生產(chǎn)出可以在2.26V的條件下工作的單片機。這些單片機有Fujitsu公司的MB8919189195，MB89121125A，MB89130系列等，應該說該公司的F2MC-8L系列單片機絕大多數(shù)都滿足2.26V的工作電壓條件。而TI公司的MSP430X11X系列的工作電壓也是低達2.2V的。P4.1端子座J14排針J23U12345672UOXDCLB1234567DCBAd-p-cg10983、工藝上的進步現(xiàn)在的單片機基本上采用CMOS技術，但已經(jīng)大多數(shù)采用了0.6?m以上的光刻工藝，有個別的公司，如Motor

21、ola公司則已采用0.35?m甚至是0.25?m技術。這些技術的進步大大地提高了單片機的內(nèi)部密度和可靠性。以單片機為核心的嵌入式系統(tǒng)單片機的另外一個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備中。目前，把單片機嵌入式系統(tǒng)和Internet連接已是一種趨勢。但是，Internet一向是一種采用肥服務器，瘦用戶機的技術。這種技術在互聯(lián)上存儲及訪問大量數(shù)據(jù)是合適的，但對于控制嵌入式器件就成了殺雞用牛刀了。要實現(xiàn)嵌入式設備和Internet連接，就需要把傳統(tǒng)的Internet理論和嵌入式設備的實踐都顛倒過來。為了使復雜的或簡單的嵌入式設備，例如單片機控制的機床、單片機控制的門鎖

22、，能切實可行地和Internet連接,就要求專門為嵌入式微控制器設備設計網(wǎng)絡服務器，使嵌入式設備可以和Internet相連，并通過標準網(wǎng)絡瀏覽器進行過程控制。目前，為了把單片機為核心的嵌入式系統(tǒng)和Internet相連，已有多家公司在進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。這個技術包括三個主要部分：即emMicro，emGateway和網(wǎng)絡瀏覽器。其中，emMicro串口控制四位數(shù)碼管是嵌入設備中的一個只占內(nèi)存容量1K字節(jié)的極小的網(wǎng)絡服務器；emGateway作為一個功能較強的用戶或服務器，它用于實現(xiàn)對多個嵌入式設備的管理，還有標準的Internet通信接入以及網(wǎng)絡瀏覽器的支持。網(wǎng)絡瀏覽器使用emObjicts進行顯示和嵌入式設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。如果嵌入式設備的資源足夠，則emMicro和emGateway可以同時裝入嵌入式設備中，實現(xiàn)Internet的直接接入。否則，將要求emGateway和網(wǎng)絡瀏覽器相互配合。EmWare的EMIT軟件技術使用標準的Internet協(xié)議對8位和16位嵌入式設備進行管理，但比傳統(tǒng)上的開銷小得多。目前，單片機應用中提出了一個新的問題：這就是如何使8位、16位單片機控制的產(chǎn)品，也