單片機的發(fā)展趨勢

單片機的發(fā)展趨勢第一頁，共十八頁，2022年，8月28日

本章重點：?

什么是單片機

?單片機發(fā)展歷程?單片機的特點

?單片機的應用場合

?單片機的發(fā)展趨勢

?主流的單片機產(chǎn)品

?如何學習單片機第二頁，共十八頁，2022年，8月28日1.1什么是單片機單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)基本上分為兩類：

第一類是常見的普通計算機。

第二類是嵌入式計算機，這種計算機往往為控制/監(jiān)控目的而集成到另外的系統(tǒng)中。通用計算機系統(tǒng)的技術(shù)要求是高速、海量的數(shù)值計算；技術(shù)發(fā)展方向是總線速度的無限提升，存儲容量的無限擴大。而嵌入式計算機系統(tǒng)的技術(shù)要求則是對象的智能化控制能力；技術(shù)發(fā)展方向是與對象系統(tǒng)密切相關(guān)的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性。比較普通計算機和嵌入式計算機的差異，說明這是由于它們應用場合和應用環(huán)境的不同而造成的，而單片機則屬于低端嵌入式計算機。第三頁，共十八頁，2022年，8月28日嵌入式計算機

單片機：

硬件簡單，字長一般為8位，也有16位的，存儲空間最小。

集成的片內(nèi)外設比較豐富。由于硬件的局限性，導致軟件上

就不能太大，采集速度低。難以完成復雜的實時運算。單循

環(huán)式，一般沒有操作系統(tǒng)。

ARM系列：

也叫高端單片機，硬件集成度高，集成的片內(nèi)外設很多，通

常集成串口，USB，CAN等各種控制器，通訊方便。字長一般

32位。性能高，速度快，主頻一般100M左右，ARM9可達600M

可以同時進行復雜的實時運算。某些DSP的運算能力超過奔

騰計算機。存儲空間大，可以支持操作系統(tǒng)，帶操作系統(tǒng)，

多任務并發(fā)處理能力強，實時性高。第四頁，共十八頁，2022年，8月28日

1.2單片機發(fā)展歷程以8位單片機的推出作為起點，單片機的發(fā)展歷史大致可分為以下幾個階段：

第一階段（1976-1978）：單片機的控索階段。以Intel公司的MCS-48為代表。MCS-48的推出是在工控領域的控索，參與這一控索的公司還有Motorola、Zilog等，都取得了滿意的效果。這就是SCM的誕生年代，“單機片”一詞即由此而來。

第二階段（1978-1982）單片機的完善階段。Intel公司在MCS-48基礎上推出了完善的、典型的單片機系列MCS-51。它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片機體系結(jié)構(gòu)?！钔晟频耐獠靠偩€。MCS-51設置了經(jīng)典的8位單片機的總線結(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通信功能的串行通信接口?！頒PU外圍功能單元的集中管理模式?！铙w現(xiàn)工控特性的位地址空間及位操作方式?！钪噶钕到y(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。

第三階段（1982-1990）：8位單片機的鞏固發(fā)展及16位單片機的推出階段，也是單片機向微控制器發(fā)展的階段。Intel公司推出的MCS-96系列單片機，將一些用于測控系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、程序運行監(jiān)視器、脈寬調(diào)制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機的微控制器特征。隨著MCS-51系列的廣應用，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)等應用到單片機中，增強了外圍電路路功能，強化了智能控制的特征。

第四階段（1990—現(xiàn)在）：微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機在各個領域全面深入地發(fā)展和應用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強運算能力的8位/16位/32位通用型單片機，以及小型廉價的專用型單片機。第五頁，共十八頁，2022年，8月28日

小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化。它能方便地組裝成各種智能式控制設備以及各種智能儀表。面向控制，能針對性地解決從簡單到復雜的各類控制任務，從而獲得最佳性價比?？垢蓴_能力強，適應溫度范圍寬，在各種惡劣條件下都能可靠地工作，這是其它機型所無法比擬的?？梢院芊奖愕貙崿F(xiàn)多機和分布式控制，使整個系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。1.3單片機的特點1.4單片機的應用場合

◆智能儀器儀表

單片機用于各種儀器儀表，一方面提高了儀器儀表的使用功能和精度，使儀器儀表智能化，同時還簡化了儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，從而可以方便地完成儀器儀表產(chǎn)品的升級換代。如各種智能電氣測量儀表、智能傳感器等。第六頁，共十八頁，2022年，8月28日單片機還可以用于各種物理量的采集與控制。電流、電壓、溫度、液位、流量等物理參數(shù)的采集和控制均可以利用單片機方便地實現(xiàn)。在這類系統(tǒng)中，利用單片機作為系統(tǒng)控制器，可以根據(jù)被控對象的不同特征采用不同的智能算法，實現(xiàn)期望的控制指標，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。典型應用如電機轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、自動生產(chǎn)線等。機電一體化產(chǎn)品是集機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動化技術(shù)和計算機技術(shù)于一體，具有智能化特征的各種機電產(chǎn)品。單片機在機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)中可以發(fā)揮巨大的作用。典型產(chǎn)品如機器人、數(shù)控機床、自動包裝機、點鈔機、醫(yī)療設備、打印機、傳真機、復印機等?！糁悄軆x器儀表

◆實時工業(yè)控制

第七頁，共十八頁，2022年，8月28日另外，在交通領域中，汽車、火車、飛機、航天器等均有單片機的廣泛應用。如汽車自動駕駛系統(tǒng)、航天測控系統(tǒng)、黑匣子還有分布式系統(tǒng)的前端模塊等等。

家用電器是單片機的又一重要應用領域，前景十分廣闊。如空調(diào)器、電冰箱、洗衣機、電飯煲、高檔洗浴設備、高檔玩具等?！艏矣秒娖?/p>

第八頁，共十八頁，2022年，8月28日

☆制作工藝CMOS化?！罡〉墓饪坦に囂岣吡思啥龋瑥亩剐酒?、成本更低、工作電壓更低、功耗更低?！頒PU的改進。采用雙CPU結(jié)構(gòu)，增加數(shù)據(jù)總線的寬度，提高數(shù)據(jù)處理的速度和能力；采用流水線結(jié)構(gòu)，提高處理和運算速度，以適應實時控制和處理的需要?！钤龃蟠鎯θ萘浚瑑?nèi)EPROM的E2PROM化，程序的保密化?！钐岣卟⑿锌隍?qū)動能力，以減少外圍驅(qū)動芯片，增加外圍I/O口的邏輯功能和控制的靈活性?！钜源蟹绞綖橹鞯耐鈬鷶U展。☆外圍電路的內(nèi)裝化。☆和互聯(lián)網(wǎng)連接已是一種明顯的走向☆可靠性及應用水平越來越高☆8位機的主流地位。MCS51單片機生產(chǎn)工藝有兩種：1、HMOS工藝（高密度短溝道MOS工藝）。2、CHMOS工藝（互補金屬氧化物的HMOS工藝）。CHMOS是CMOS和HMOS的結(jié)合，既保持了HMOS高速度和高密度的特點，還具有CMOS的低功耗的特點。在產(chǎn)品型號中凡帶有字母“C”的即為CHMOS芯片，CHMOS芯片的電平既與TTL電平兼容，又與CMOS電平兼容。1.5單片機目前狀況及發(fā)展趨勢第九頁，共十八頁，2022年，8月28日8051單片機最早由Intel公司推出,隨后Intel公司將80C51內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出讓給世界許多著名IC制造廠商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、Dallas、siemens、Fujutsu、OKI、華邦、LG等。在保特與8051單片機兼容的基礎上，這些公司容入了自身的優(yōu)勢，擴展了針對滿足不同測控對象要求的外圍電路，如滿足模擬量輸入的A/D、滿足伺服驅(qū)動的PWM、滿足高速輸入/輸出控制的HSL/HSO、滿足串行擴展總線I2C、保證程序可靠運行的的WDT、引入使用方便且價廉的FlashROM等，開發(fā)出上百種功能各異的新品種。這樣8051單片機就變成了眾多芯片制造廠商支持的大家族，統(tǒng)稱為8051系列單片機，所以人們習慣于用8051來稱呼MCS51系列單片機?？陀^事實表明，8051已成為8位單片機的主流，成了事實上的標準MCU芯片。由于應用中的單片機品種繁多，現(xiàn)選擇幾種主要的單片機介紹進行介紹：1.6主流的單片機產(chǎn)品1.6.1AT89S與AVR單片機ATMEL公司生產(chǎn)的具有FlashROM的增強型51系列單片機目前在市場上仍然十分流行，其中AT89S系列十分活躍。AVR單片機是ATMEL在90年代推出的精簡指令集RISC的單片機,跟PIC類似。使用哈佛結(jié)構(gòu)。是增強型RISC內(nèi)載Flash的單片機。AVR的單片機廣泛應用于計算機外部設備,工業(yè)實時控制,儀器儀表,通訊設備,家用電器,宇航設備等各個領域。第十頁，共十八頁，2022年，8月28日1.6.2PIC單片機

MicroChip單片機的主要產(chǎn)品是PIC16C系列和17C系列8位單片機,CPU采用RISC結(jié)構(gòu),分別僅有33,35,58條指令,采用Harvard雙總線結(jié)構(gòu),運行速度快,低工作電壓,低功耗,較大的輸入輸出直接驅(qū)動能力,價格低,一次性編程,小體積。適用于用量大,檔次低,價格敏感的產(chǎn)品.在辦公自動化設備,消費電子產(chǎn)品,電訊通信,智能儀器儀表,汽車電子,金融電子,工業(yè)控制不同領域都有廣泛的應用,PIC系列單片機在世界單片機市場份額排名中逐年提高。

1.6.3STC單片機

STC單片機是深圳宏晶科技有限公司生產(chǎn)的系列單片機，目前國內(nèi)市場占有率50%以上，STC單片機采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)，指令為復雜指令集。其優(yōu)點是加密性強,很難解密或破解,解密費用很高、國內(nèi)能解密的人少,一般的仿制者望而退步.超強抗干擾，三大降低單片機時鐘對外部電磁輻射的措施，超低功耗，適用于供電系統(tǒng),如水表、氣表、便攜設備等.1.6.4Motorola單片機

Motorola是世界上最大的單片機廠商.從M6800開始,開發(fā)了廣泛的品種,4位,8位,16位32位的單片機都能生產(chǎn),其中典型的代表有:8位機M6805,M68HC05系列,8位增強型M68HC11,M68HC12,16位機M68HC16,32位機M683XX.Motorola單片機的特點之一是在同樣的速度下所用的時鐘頻率較Intel類單片機低得多,因而使得高頻噪聲低,抗干擾能力強,更適合于工控領域及惡劣的環(huán)境。第十一頁，共十八頁，2022年，8月28日1.6.6臺灣MDT20XX系列單片機

MDT單片機是臺灣MICON麥肯公司設計的OTP/MASK掩膜型8位單片機，自1997年推向市場以來，深受廣大用戶歡迎，MDT系列單片機與PIC相比最大特點是溫度范圍為工業(yè)級，最大工作頻率可達到20MHz，不分型號和后綴，及售價十分便宜，同時只需將PIC的HEX文件作十分簡單的轉(zhuǎn)換即可，不用作任何修改。工業(yè)級OTP單片機,與PIC單片機管腳完全一致,海爾集團的電冰箱控制器,TCL通信產(chǎn)品,長安奧拓鈴木小轎車功率分配器就采用這種單片機。1.6.7EM78系列OTP型單片機臺灣義隆電子股份有限公司生產(chǎn),直接替換PIC16CXX，管腳兼容,功能更強,程序可用專業(yè)轉(zhuǎn)換軟件轉(zhuǎn)換。適用范圍：家電產(chǎn)品、IC卡終端產(chǎn)品（水表電表、煤氣表）、保密系統(tǒng)（軟件狗、報警器、監(jiān)控器）、遙控器、儀表儀器,通信產(chǎn)品（多功能電話、交換機、密碼鎖）、電子醫(yī)療器械等。1.6.5MSP430單片機

TI公司生產(chǎn)的MSP430單片機，采用馮-諾依曼架構(gòu)，通過通用存儲器地址總線（MAB）與存儲器數(shù)據(jù)總線（MDB）將16位RISCCPU、多種外設以及高度靈活的時鐘系統(tǒng)進行完美結(jié)合。MSP430能夠為當前與未來的混合信號應用提供很好的解決方案。所有MSP430外設都只需最少量的軟件服務。近幾年使用量很大。主要應用范圍：計量設備、便攜式儀表、智能傳感系統(tǒng)。第十二頁，共十八頁，2022年，8月28日1.6.8Scenix單片機

Scenix公司推出的8位RISC結(jié)構(gòu)SX系列單片機，具有虛擬外設功能,柔性化I/O端口,所有的I/O端口都可單獨編程設定,公司提供各種I/O的庫函數(shù),用于實現(xiàn)各種I/O模塊的功能,如多路UART,多路A/D,PWM,SPI,DTMF,FS,LCD驅(qū)動等等.采用EEPROM/FLASH程序存儲器,可以實現(xiàn)在線系統(tǒng)編程.支持在線仿真

1.6.9LG公司GMS90系列單片機

與IntelMCS-51系列，Atmel89C51/52，89C2051等單片機兼容，CMOS技術(shù)，高達40MHZ的時鐘頻率，應用于:多功能電話,智能傳感器,電度表,工業(yè)控制,防盜報警裝置,各種計費器,各種IC卡裝置,DVD,VCD,CD-ROM。

1.6.10華邦單片機

華邦公司的W77,W78系列8位單片機的腳位和指令集與8051兼容,但每個指令周期只需要4個時鐘周期,速度提高了三倍,工作頻率最高可達40MHz.同時增加了WatchDogTimer,6組外部中斷源,2組UART,2組Datapointer及Waitstatecontrolpin。W741系列的4位單片機帶液晶驅(qū)動,在線燒錄,保密性高,低操作電壓。第十三頁，共十八頁，2022年，8月28日1.6.11Zilog單片機Z8單片機是Zilog公司的產(chǎn)品,采用多累加器結(jié)構(gòu),有較強的中斷處理能力,開發(fā)工具價廉物美.Z8單片機以低價位面向低端應用.我想很多人都知道Z80單板機,直到90年代后期,很多大學的微機原理還是講述Z80。1.6.12NS單片機COP8單片機是NS(美國國家半導體公司)的產(chǎn)品,內(nèi)部集成了16位A/D,這是不多見的,在看門狗多路及STOP方式下單片機的喚醒方式上都有獨到之處.此外,COP8的程序加密也做得比較好。1.6.13AX1001單片機由珠海建榮科技公司推出,它是100MIPS高性能8位RISC微控制器,采用了先進的CMOSOTP技術(shù),應用于稅控機、條形碼掃描儀、打印機、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、讀卡器等等。該款芯片性能比很高。1.7我們發(fā)現(xiàn)這么多單片機該從何學起？第十四頁，共十八頁，2022年，8月28日1.7.1平臺選擇：51還是PIC、AVR？不明真相的讀者認為：

◆51單片機都快淘汰了，現(xiàn)在都流行PIC、AVR、ARM了，還學51跟不上時代了。

◆我們公司用的是PIC（或者易隆、NEC、PHILIPS）啊，我學了51又用不上。

作者觀點：

◆51單片機還有很強的生命力，至今仍然活躍在各種應用領域。如STC51，C8051F等51系列單片機與時俱進的融入了很多現(xiàn)代MCU特有的元素，在常規(guī)單片機應用領域仍然很受歡迎。

◆51單片機是所有單片機的一個典型代表，學會了51單片機再引申到其他單片機就比較容易了。就好像你先學會了開小轎車，然后再去學開大卡車，很多東西（譬如交通規(guī)則，譬如油門控制、剎車等等）都是共通的，很容易上手。

◆51單片機內(nèi)部結(jié)果相對簡單，寄存器較少，也沒有讓初學者完全摸不著頭腦的復雜配置，是初學者學習單片機和編程最好的對象。如果零基礎直接學習其他較為復雜的單片機，很可能忙碌一陣后心力交瘁還感覺入不了門。