最新單片機(jī)概述及其發(fā)展

1、單片機(jī)概述及其發(fā)展單片機(jī)一詞最初是源于"S i ng I eCh i pM i crocomputer n ,簡稱SCM。在單片機(jī) 誕生時(shí)，SCM是一個(gè)準(zhǔn)確、流行的稱謂，“單片機(jī)”一詞準(zhǔn)確地表達(dá)了這一概 念。隨著SCM在技術(shù)上、體系結(jié)構(gòu)上不斷擴(kuò)展其控制功能，單片機(jī)已不能用“單片微型計(jì)算機(jī)”來準(zhǔn)確表達(dá)其內(nèi)涵。國際上逐漸采用nMCUH (MicroControl lerUnit>,)來代替，形成了單片機(jī)界公認(rèn)的、最終統(tǒng)一的 名詞。在國內(nèi)因?yàn)椤皢纹瑱C(jī)” 一詞已約定俗成，故而繼續(xù)沿用。單片機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代末，單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，應(yīng) 用面很廣，發(fā)展很快。自單片機(jī)誕

2、生至今，已發(fā)展為上百種系列的近千個(gè)機(jī) 種。單片機(jī)發(fā)展簡史 如果將8位單片機(jī)的推出作為起點(diǎn)，那么單片機(jī)的發(fā)展歷史大致可分為以下幾 個(gè)階段(1) 第一階段(1976-1978):單片機(jī)的控索階段。以Intel公司的MCS - 48 為代表。MCS - 48的推出是在工控領(lǐng)域的控索，參與這一控索的公司還有 Motorola . Zi log等，都取得了滿意的效果。這就是SCM (單片微型計(jì)算機(jī))的 誕生年代，''單機(jī)片一詞即由此而來。(2) 第二階段(1978T982)單片機(jī)的完善階段。Intel公司在MCS - 48基礎(chǔ) 上推出了完善的、典型的單片機(jī)系列MCS -51 o它在以下幾

3、個(gè)方面奠定了典型的 通用總線型單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)。 完善的外部總線。MCS-51設(shè)置了經(jīng)典的8位單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)，包括8位數(shù) 據(jù)總線、16位地址總線、控制總線及具有很多機(jī)通信功能的串行通信接口。 CPU外圍功能單元的集中管理模式。體現(xiàn)工控特性的位地址空間及位操作方式。指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。(3) 第三階段(1982T990) : 8位單片機(jī)的鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)的推出階 段，也是單片機(jī)向微控制器發(fā)展的階段。Intel公司推出的MCS - 96系列單片 機(jī)，將一些用于測控系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、程序運(yùn)行監(jiān)視器、脈寬調(diào)制器等納入片 中，體現(xiàn)了單片機(jī)的微控制器特征。隨著MC

4、S - 51系列的廣應(yīng)用，許多電氣廠 商競相使用80C51為內(nèi)核，將許多測控系統(tǒng)中使用的電路技術(shù)、接口技術(shù)、多 通道A/D轉(zhuǎn)換部件、可靠性技術(shù)等應(yīng)用到單片機(jī)中，增強(qiáng)了外圍電路路功能， 強(qiáng)化了智能控制的特征。（4）第四階段（1990）:微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域 全面深入地發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力的8位/16位 /32位通用型單片機(jī)，以及小型廉價(jià)的專用型單片機(jī)。1.2.2單片機(jī)的發(fā)展趨勢目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進(jìn)一步向著CMOS化、低 功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。 下面是單片機(jī)的主要發(fā)展 趨勢

5、。CMOS化：近年，由于CHMOS （互補(bǔ)金屬氧化物HMOS）是CMOS和HMOS（高密度溝道MOS 工藝啲結(jié)合，除了保持HMOS高速度和髙密度之外，還有CMOS低功耗的特點(diǎn)）技術(shù)的進(jìn)小，大 大地促進(jìn)了單片機(jī)的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可 控性，使單片機(jī)可以工作在功耗精細(xì)管理狀態(tài)。這也是今后以80C51取代8051 為標(biāo)準(zhǔn)MCU芯片的原因。因?yàn)閱纹瑱C(jī)芯片多數(shù)是采用CMOS （金屬柵氧化物）半 導(dǎo)體工藝生產(chǎn)。CMOS電路的特點(diǎn)是低功耗、高密度、低速度、低價(jià)格。采用雙 極型半導(dǎo)體工藝的TTL電路速度快，但功耗和芯片面積較大。目前生產(chǎn)的CHMOS 電路已達(dá)到LSTTL的

6、速度，傳輸延遲時(shí)間小于2ns,它的綜合優(yōu)勢已在于TTL電 路。因而，在單片機(jī)領(lǐng)域CMOS正在逐漸取代TTL電路。低功耗化：單片機(jī)的功耗已從Ma級，甚至1uA以下；使用電壓在36V之間，完 全適應(yīng)電池工作。低功耗化的效應(yīng)不僅是功耗低，而且?guī)砹水a(chǎn)品的高可靠 性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化。低電壓化：幾乎所有的單片機(jī)都有WAIT、STOP等省電運(yùn)行方式。允許使用的電 壓范圍越來越寬，一般在36V范圍內(nèi)工作。低電壓供電的單片機(jī)電源下限已可 達(dá)廣2V。目前0.8V供電的單片機(jī)已經(jīng)問世。低噪聲與高可靠性：為提高單片機(jī)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作 環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，各單

7、片廠家在單片機(jī)內(nèi)部電路中 都采用了新的技術(shù)措施。大容量化：以往單片機(jī)內(nèi)的ROM為1KB4KB, RAM為64128B。但在需要復(fù)雜控 制的場合，該存儲容量是不夠的，必須進(jìn)行外接擴(kuò)充。為了適應(yīng)這種領(lǐng)域的要 求，須運(yùn)用新的工藝，使片內(nèi)存儲器大容量化。目前，單片機(jī)內(nèi)ROM最大可達(dá) 64KB, RAM 最大為 2KB。高性能化：主要是指進(jìn)一步改進(jìn)CPU的性能，加快指令運(yùn)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(shù)，可以大幅度提高運(yùn) 行速度。現(xiàn)指令速度最高者已達(dá)100MIPS （Million Instruction Per Seconds, 即兆指令每秒），并加強(qiáng)了位處

8、理功能、中斷和定時(shí)控制功能。這類單片機(jī)的 運(yùn)算速度比標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)高出10倍以上。由于這類單片機(jī)有極高的指令速度， 就可以用軟件模擬其I/O功能，由此引入了虛擬外設(shè)的新概念。小容量、低價(jià)格化與上述相反，以4位、8位機(jī)為中心的小容量、低價(jià)格化也 是發(fā)展動向之一。這類單片機(jī)的用途是把以往用數(shù)字邏輯集成電路組成的控制 電路單片化，可廣泛用于家電產(chǎn)品。外圍電路內(nèi)裝化：這也是單片機(jī)發(fā)展的主要方向。隨著集成度的不斷提高，有可 能把眾多的各種處圍功能器件集成在片內(nèi)。除了一般必須具有的CPU、ROM、 RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等以外，片內(nèi)集成的部件還有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、DMA控制器、 聲音發(fā)生器、監(jiān)視定時(shí)器、液晶顯示

9、驅(qū)動器、彩色電視機(jī)和錄像機(jī)用的鎖相電 路等。串行擴(kuò)展技術(shù)：在很長一段時(shí)間里，通用型單片機(jī)通過三總線結(jié)構(gòu)擴(kuò)展外圍器件 成為單片機(jī)應(yīng)用的主流結(jié)構(gòu)。特別是I C、SPI等串行總線的引入，可以使單片 機(jī)的引腳設(shè)計(jì)得更少，單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化及規(guī)范化。隨著半導(dǎo)體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機(jī)的集成度將更高、體積將更小、功能 將列強(qiáng)。在單片機(jī)家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司將其 MCS -51系列中的80C51內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售形式轉(zhuǎn)讓給全世界許多著 名IC制造廠商，如Phi lips、NEC、Atmel、AMD、華邦等，這些公司都在保持 與80C51單片機(jī)兼容的基礎(chǔ)上改善了

10、 80C51的許多特性。這樣，80C51就變成有 眾多制造廠商支持的、發(fā)展出上百品種的大家族，現(xiàn)統(tǒng)稱為80C51系列。80C51 單片機(jī)已成為單片機(jī)發(fā)展的主流。專家認(rèn)為，雖然世界上的MCU品種繁多，功 能各異，開發(fā)裝置也互不兼容，但是客觀發(fā)展表明，80C51可能最終形成事實(shí)上 的標(biāo)準(zhǔn)MCU芯片。2. 單片機(jī)的特點(diǎn)由于單片機(jī)的這種結(jié)構(gòu)形式及它所采取的半導(dǎo)體工藝，使其具有很多顯著的特 點(diǎn)，因而在各個(gè)領(lǐng)域都得到了迅猛的發(fā)展。單片機(jī)主要發(fā)如下特點(diǎn)：(1) 有優(yōu)異的性能價(jià)格比。(2) 集成度高、體積小、有很高的可靠性。單片機(jī)把各功能部件集成在一塊芯 片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提

11、高了單片機(jī)的可 靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強(qiáng)磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適 合在惡劣環(huán)境下工作。(3) 控制功能強(qiáng)。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中均有極 豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O 口的邏輯操作以及位處理功能。單片機(jī)的邏輯控制功能及 運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)。(4) 低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。(5) 夕卜部總線增加了 I C (Inter-Integrated Circuit)及 SPI(Ser i a I Peripheral Interface)等串行總線方式，進(jìn)一步縮小了體積，簡化 了結(jié)構(gòu)。(6) 單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)

12、模的應(yīng)用系 統(tǒng)。單片機(jī)的應(yīng)用由于單片機(jī)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，它已成為科技領(lǐng)域的有力工具，人類生活的得力 助手。它的應(yīng)用遍及各個(gè)領(lǐng)域，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1. 單片機(jī)在智能儀表中的應(yīng)用單片機(jī)廣泛地用于各種儀器儀表，使儀器儀表智能化，并可以提高測量的自動 化程度和精度，簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價(jià)格比。2. 單片機(jī)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用機(jī)電一體化是械工業(yè)發(fā)展的方向。機(jī)電一體化產(chǎn)品是指集成機(jī)械技術(shù)、微電子 技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有智能化特征的機(jī)電產(chǎn)品，例如微機(jī)控制的車 床、鉆床等。單片機(jī)作為產(chǎn)品中的控制器，能充分發(fā)揮它的體積小、可靠性 高、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高機(jī)器的自動化、智能化程度。3

13、. 單片機(jī)在實(shí)時(shí)控制中的應(yīng)用單片機(jī)廣泛地用于各種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中。例如，在工業(yè)測控、航空航天、尖端 武器、機(jī)器人等各種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，都可以用單片機(jī)作為控制器。單片機(jī)的 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力和控制功能，可使系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工 作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。4. 單片機(jī)在分布式多機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，常采用分布式多機(jī)系統(tǒng)。多機(jī)系統(tǒng)一般由若干臺功能各 異的單片機(jī)組成，各自完成特定的任務(wù)，它們通過串行通信相互聯(lián)系、協(xié)調(diào)工作。單 片機(jī)在這種系統(tǒng)中往往作為一個(gè)終端機(jī)，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點(diǎn)上，對現(xiàn)場信 息進(jìn)行實(shí)時(shí)的測量和控制。單片機(jī)的高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力，使它可以置于 惡劣環(huán)境的前端工作。5. 單片機(jī)在人類生活中的應(yīng)用自從單片機(jī)