單片機發(fā)展前景

單片機的現(xiàn)狀也發(fā)展前景計算機系統(tǒng)的發(fā)展已明顯地朝三個方向發(fā)展；這三個方向就是：巨型化，單片化，網(wǎng)絡(luò)化。以解決復(fù)雜系統(tǒng)計算和高速數(shù)據(jù)處理的仍然是巨型機在起作用，故而，巨型機在目前在朝高速及處理能力的方向努力。單片機在出現(xiàn)時，Intel公司就給其單片機取名為嵌入式微控制器(embeddedmicrocontroller)。單片機的最明顯的優(yōu)勢，就是可以嵌入到各種儀器、設(shè)備中。這一點是巨型機和網(wǎng)絡(luò)不可能做到的。在本文，介紹單片機的最新技術(shù)進(jìn)步，包括數(shù)字單片機的工藝及技術(shù),模糊單片機的工藝及技術(shù)，單片機的可靠性技術(shù)，以及以單片機為核心的嵌入式系統(tǒng)。數(shù)字單片機的技術(shù)發(fā)展數(shù)字單片機的技術(shù)進(jìn)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(shù)進(jìn)步狀況。1、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進(jìn)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(luò)或形成局部網(wǎng)，內(nèi)部含有局部網(wǎng)絡(luò)控制模塊CAN。例如‘Infineon公司的C505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，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(luò)。特別是在控制，系統(tǒng)較為復(fù)雜時，構(gòu)成一個控制網(wǎng)絡(luò)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(shè)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)在有的單片機已米用所謂的三核（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(jìn)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，MCU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(jìn)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(shè)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(dāng)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，振蕩器處于1?4MHz，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0.5?2K程序存儲器，25?128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,完全可以滿足一些低檔系統(tǒng)的應(yīng)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發(fā)展的目標(biāo)之一。目前，一般單片機都可以在3.3?5.5V的條件下工作。而一些廠家，則生產(chǎn)出可以在2.2?6V的條件下工作的單片機。這些單片機有Fujitsu公司的MB89191?89195，MB89121?125A，MB89130系列等，應(yīng)該說該公司的F2MC-8L系列單片機絕大多數(shù)都滿足2.2?6V的工作電壓條件。而TI公司的MSP430X11X系列的工作電壓也是低達(dá)2.2V的。3、工藝上的進(jìn)步現(xiàn)在的單片機基本上采用CMOS技術(shù)，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Motorola公司則已采用0.35?m甚至是0.25?m技術(shù)。這些技術(shù)的進(jìn)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(shè)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—向是一種采用肥服務(wù)器，瘦用戶機的技術(shù)。這種技術(shù)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(shè)備和Internet連接，就需要把傳統(tǒng)的Internet理論和嵌入式設(shè)備的實踐都顛倒過來。為了使復(fù)雜的或簡單的嵌入式設(shè)備，例如單片機控制的機床、單片機控制的門鎖，能切實可行地和Internet連接，就要求專門為嵌入式微控制器設(shè)備設(shè)計網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，使嵌入式設(shè)備可以和Internet相連，并通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)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(jìn)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(shù)。這個技術(shù)包括三個主要部分：即emMicro，emGateway和網(wǎng)絡(luò)瀏覽器。其中，emMicro是嵌入設(shè)備中的一個只占內(nèi)存容量1K字節(jié)的極小的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；emGateway作為一個功能較強的用戶或服務(wù)器，它用于實現(xiàn)對多個嵌入式設(shè)備的管理，還有標(biāo)準(zhǔn)的Internet通信接入以及網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的支持。網(wǎng)絡(luò)瀏覽器使用emObjicts進(jìn)行顯示和嵌入式設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

如果嵌入式設(shè)備的資源足夠，則emMicro和emGateway可以同時裝入嵌入式設(shè)備中，實現(xiàn)Internet的直接接入。否則，將要求emGateway和網(wǎng)絡(luò)瀏覽器相互配合。EmWare的EMIT軟件技術(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)的Internet協(xié)議對8位和16位嵌入式設(shè)備進(jìn)行管理，但比傳統(tǒng)上的開銷小得多。目前，單片機應(yīng)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，也即嵌入式產(chǎn)品或設(shè)備能實現(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)互連？TASKING公司目前正在為解決這個問題提供了途徑。該公司已把emWare的EMIT軟件包和有關(guān)的軟件配套集成，形成一個集成開發(fā)環(huán)境，向用戶提供開發(fā)方便。嵌入互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟ETKembedtheInternetConsortium）正在緊密合作，共同開發(fā)嵌入式Internet的解決方案。在不久將會有成果公布。單片機應(yīng)用的可靠性技術(shù)發(fā)展在單片機應(yīng)用中，可靠性是首要因素為了擴大單片機的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域，提高單片機自身的可靠性是一種有效方法。近年來，單片機的生產(chǎn)廠家在單片機設(shè)計上采用了各種提高可靠性的新技術(shù)，這些新技術(shù)表現(xiàn)在如下幾點：

1、EFT(EllectricalFastTransient)技術(shù)EFT技術(shù)是一種抗干擾技術(shù)，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(shù)。2、低噪聲布線技術(shù)及驅(qū)動技術(shù)在傳統(tǒng)的單片機中，電源及地線是在集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(yīng)各種應(yīng)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I/O口的灌拉電流可達(dá)8mA以上，而Microchip公司的單片機可達(dá)25mA。其它公司：AMD,Fujitsu,NEC，Infineon，Hitachi，Ateml，Tosbiba等基本上可達(dá)8?20mA的水平。

這些電流較大的驅(qū)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(shù)"，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(yīng)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(shù)，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。Motorola公司的MC68HC08系列及其16/32位單片機就采用了這種技術(shù)以提高可靠性。結(jié)束語單片機在目前的發(fā)展形勢下，表現(xiàn)出幾大趨勢：?可靠性及應(yīng)用越來越水平高和互聯(lián)網(wǎng)連接已是一種明顯的走向。?所集成的部件越來越多；NS（美國國家半導(dǎo)體）公司的單片機已把

語音、圖象部件也集成到單片機中，也就是說，單片機的意義只是在于單片集成電路，而不在于其功能了；如果從功能上講它可以講是萬用機。原因是其內(nèi)部已集成上各種應(yīng)用電路?！龉脑絹碓降秃湍M電路結(jié)合越來越多。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展及系統(tǒng)設(shè)計水平的提高，單片機還會不斷產(chǎn)生新的變化和進(jìn)步，最終人們可能發(fā)現(xiàn)：單片機與微機系統(tǒng)之間的距離越來越小，甚至難以辨認(rèn)。綜觀三十年的發(fā)展過程，作為單片嵌入式系統(tǒng)的核心一一單片機，正朝著多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價格、擴大存儲容量和加強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。CMOS電路具有許多優(yōu)點，如極寬的工作電壓范圍；極佳的低功耗及功耗管理特性等。CMOS化已成為目前單片機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)。早期的單片機大多采用CISC結(jié)構(gòu)體系，指令復(fù)雜，指令代碼、周期數(shù)不統(tǒng)一；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。如MCS-51系列單片機，當(dāng)外部時鐘為12MHz時，其單周期指令運行速度也僅為1MIPS。采用RISC體系結(jié)構(gòu)和精簡指令后，單片機的指令絕大部分成為單周期指令，而通過增加程序存儲器的寬度（如從8位增加到16位），實現(xiàn)了一個地址單元存放一條指令。在這種體系結(jié)構(gòu)中，很容易實現(xiàn)并行流水線操作，大大提高了指令運行速度。目前一些RISC結(jié)構(gòu)的單片機，如美國ATMEL公司的AVR系列單片機已實現(xiàn)了一個時鐘周期執(zhí)行一條指令。與MCS-51相比，在相同的12MHz外部時鐘下，單周期指令運行速度可達(dá)12MIPS。一方面可獲得很高的指令運行速度，另一方面，在相同的運行速度下，可大大降低時鐘頻率，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，如：定時/計數(shù)器，模擬比較器，A/D轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器，串行通信接口，WDT電路，LCD控制器等，還有的單片機為了構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)或形成局部網(wǎng)，內(nèi)部含有局部網(wǎng)絡(luò)控制模塊CAN總線，以方便地構(gòu)成一個控制網(wǎng)絡(luò)。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(shè)置了專門用于變頻控制的脈寬調(diào)制控制電路PWM。（4） 片內(nèi)存儲器的改進(jìn)與發(fā)展。目前新型的單片機一般在片內(nèi)集成兩種類型的存儲器：隨機讀寫存儲器SRAM，做為臨時數(shù)據(jù)存儲器存放工作數(shù)據(jù)用；只讀存儲器ROM，做為程序存儲器存放系統(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)展的方向是擴大容量、ROM數(shù)據(jù)的易寫和保密等。片內(nèi)存儲容量的增加。新型的單片機一般在片內(nèi)集成的SRAM在128字節(jié)至1K字節(jié)，ROM的容量一般為4K字節(jié)至8K字節(jié)。為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、音視頻等高端產(chǎn)品的需要，高擋的單片機在片內(nèi)集成了更大容量的RAM和ROM存儲器。如ATMEL公司的ATmega16,片內(nèi)的SRAM為1K字節(jié)，F(xiàn)lashROM為16K字節(jié)。而該系列的高端產(chǎn)品ATmega256，片內(nèi)集成了8K字節(jié)的SRAM，256K字節(jié)的FlashROM和4K字節(jié)的EEPROM。片內(nèi)程序存儲器由EPROM型向FlashROM發(fā)展。早期的單片機在片內(nèi)往往沒有程序存儲器或片內(nèi)集成EPROM型的程序存儲器。將程序存儲器集成在單片機內(nèi)可以大大提高單片機的抗干擾性能、提高程序的保密性、減少硬件的設(shè)計的復(fù)雜性和空間等許多優(yōu)點，因此片內(nèi)集成程序存儲器已成為新型單片機的標(biāo)準(zhǔn)方式。但由于EPROM需要使用12v高電壓編程寫入、紫外線光照擦除、重寫入次數(shù)有限等缺點，這給使用帶來了不便。新型的單片機則采用FlashROM以及MaskROM、OTPROM做為片內(nèi)的程序存儲器。FlashROM在通常電壓（如5v/3v）下就可以實現(xiàn)編程寫入和擦除操作，重寫次數(shù)在10000次以上，并可實現(xiàn)在線編程寫入ISP技術(shù)的優(yōu)點，為使用帶來了及大的方便。采用MaskROM的微控制器稱為掩模芯片，它是在芯片制造過程中就將程序“寫入”了，并永遠(yuǎn)不能改寫。采用OTPROM的微控制器，其芯片出廠時片內(nèi)的程序存儲器是“空的”，它允許用戶將自己編寫好的程序一次性的編程寫入，之后便再也無法修改了。后兩種類型的單片機適合于大批量產(chǎn)品生產(chǎn)的使用，而前兩種類型的微控制器則適合產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)、批量生產(chǎn)以及學(xué)習(xí)培訓(xùn)的應(yīng)用。

程序保密化。一個單片嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)程序是系統(tǒng)的最重要的部分，是知識產(chǎn)權(quán)保護的核心。為了片內(nèi)的程序防止被非法讀出復(fù)制，新型的單片機往往采用對片內(nèi)的程序存儲器采用加鎖保密。系統(tǒng)程序編程寫入片內(nèi)的程序存儲器后，可以再對加密保護單元編程，使芯片加鎖。加鎖加密后，從芯片的外部則無法讀取片內(nèi)的系統(tǒng)程序代碼，若將加密單元擦除，則片內(nèi)的程序也同時擦除掉，這樣便達(dá)到了程序保密的目的。（5）ISP、IAP及基于ISP、IAP技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。ISP（InSystemProgrammable）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、FlashROM的發(fā)展，導(dǎo)致了ISP技術(shù)在單片機中的應(yīng)用。首先實現(xiàn)了系統(tǒng)程序的串行編程寫入（下載），使得不必將焊接在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的程序存儲器中，淘汰了專用的程序下載寫入設(shè)備。其次，基于ISP技術(shù)的實現(xiàn)，使模擬仿真開發(fā)技術(shù)重新興起。在單時鐘、單指令運行的RISC結(jié)構(gòu)的單片機中，可實現(xiàn)PC機通過串行電纜對目標(biāo)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（InApplicationProgrammable）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)需要對原有的系統(tǒng)方便的在線更新軟件、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)全面功耗管理。采用CMOS工藝后，單片機具有極佳的低功耗和功耗管理功能。它包括：傳統(tǒng)的CMOS單片機的低功耗運行方式，既閑置方式（IdleMode）、掉電方式（PowerDownMode））雙時鐘技術(shù)。配置有高速（主）和低速（子）兩個時鐘系統(tǒng)。在不需要高速運行時，則轉(zhuǎn)入子時鐘控制下，以節(jié)省功耗。片內(nèi)