单片机发展_单片机发展现状 - CSDN
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  • 单片机的现状即发展前景

    千次阅读 2012-03-11 13:23:55
    我想对了学习单片机的人而言,肯定都想知道单片机目前的发展现状啊,据此来给自己指定学习目标吧,今天我搜集了一些单片机发展现状,希望对大家有帮助,^ ^. 计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展;这三个方向...

    我想对了学习单片机的人而言,肯定都想知道单片机目前的发展现状啊,据此来给自己指定学习目标吧,今天我搜集了一些单片机的发展现状,希望对大家有帮助,^ ^.

    计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展;这三个方向就是:巨型化,单片化,网络化。以解决复杂系统计算和高速数据处理的仍然是巨型机在起作用,故而,巨 型机在目前在朝高速及处理能力的方向努力。单片机在出现时,Intel公司就给其单片机取名为嵌入式微控制器(embedded microcontroller)。单片机的最明显的优势,就是可以嵌入到各种仪器、设备中。这一点是巨型机和网络不可能做到的。

    在本文,介绍单片机的最新技术进步,包括数字单片机的工艺及技术,模糊单片机的工艺及技术,单片机的可靠性技术,以及以单片机为核心的嵌入式系统。

    数字单片机的技术发展

    数字单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。在这几方面,较为典型地说明了数字单片机的水平。在目前,用户对单片机的需要越来越多,但是,要求也越来越高。下面分别就这四个方面说明单片机的技术进步状况。

    1、 内部结构的进步

    单片机在内部已集成了越来越多的部件,这些部件包括一般常用的电路,例如:定时器,比较器,A/D转换器,D /A转换器,串行通信接口,Watchdog电路,LCD控制器等。

    有 的单片机为了构成控制网络或形成局部网,内部含有局部网络控制模块CAN。例如,Infineon公司的C 505C,C515C,C167CR,C167CS-32FM,81C90;Motorola公司的68HC08AZ 系列等。特别是在单片机C167CS-32FM中,内部还含有2个CAN。因此,这类单片机十分容易构成网络。特别是在控制,系统较为复杂时,构成一个控 制网络十分有用。

    为了能在变频控制中方便使用单片机,形成最具经济效益的嵌入式控制系统。有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽 调制控制电路,这些单片机有Fujitsu公司的MB89850系列、MB89860系列;Motorola 公司的MC68HC08MR16、MR24等。在这些单片机中,脉宽调制电路有6个通道输出,可产生三相脉宽调制交流电压,并内部含死区控制等功能。

    特 别引人注目的是:现在有的单片机已采用所谓的三核(TrCore)结构。这是一种建立在系统级芯片(System on a chip)概念上的结构。这种单片机由三个核组成:一个是微控制器和DSP核,一个是数据和程序存储器核,最后一个是外围专用集成电路(ASIC)。这种 单片机的最大特点在于把DSP和微控制器同时做在一个片上。虽然从结构定义上讲,DSP是单片机的一种类型,但其作用主要反映在高速计算和特殊处理如快速 傅立叶变换等上面。把它和传统单片机结合集成大大提高了单片机的功能。这是目前单片机最大的进步之一。这种单片机最典型的有Infineon公司的 TC10GP;Hitachi公司的SH7410,SH7612等。这些单片机都是高档单片机,MCU都是32位的,而DSP采用16或32位结构,工作 频率一般在60MHz以上。

    2、 功耗、封装及电源电压的进步

    现在新的单片机的功耗越来越小,特别是很多单片机都设 置了多种工作方式,这些工作方式包括等待,暂停,睡眠,空闲,节电等工作方式。Philips公司的单片机P87LPC762是一个很典型的例子,在空闲 时,其功耗为1.5 mA,而在节电方式中,其功耗只有0.5mA。而在功耗上最令人惊叹的是TI公司的单片机MSP430系列,它是一个 16位的系列,有超低功耗工作方式。它的低功耗方式有LPM1、LPM3、LPM4三种。当电源为3V时,如果工作于 LMP1方式,即使外围电路处于活动,由于CPU不活动,振荡器处于1~4MHz,这时功耗只有50?A。在LPM3 时,振荡器处于32kHz,这时功耗只有1.3?A。在LPM4时,CPU、外围及振荡器32kHz都不活动,则功耗只有0.1?A。

    现 在单片机的封装水平已大大提高,随着贴片工艺的出现,单片机也大量采用了各种合符贴片工艺的封装方式出现,以大量减少体积。在这种形势 中,Microchip公司推出的8引脚的单片机特别引人注目。这是PIC12CXXX系列。它含有0.5~2K程序存储器,25~128字节数据存储 器,6个I/O端口以及一个定时器,有的还含4道A/D ,完全可以满足一些低档系统的应用。扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是今天单片机发展的目标之一。目前,一般单片机都可以在3.3~5.5V 的条件下工作。而一些厂家,则生产出可以在2.2~6V的条件下工作的单片机。这些单片机有Fujitsu公司的 MB89191~89195,MB89121~125A,MB89130系列等,应该说该公司的F2MC-8L系列单片机绝大多数都满足2.2~6V的工 作电压条件。而TI公司的MSP430X11X系列的工作电压也是低达2.2V的。

    3、 工艺上的进步

    现在的单片机基本上采用CMOS技术,但已经大多数采用了0.6?m以上的光刻工艺,有个别的公司,如Motorola公司则已采用0.35?m甚至是0.25?m技术。这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性。

    以单片机为核心的嵌入式系统

    单 片机的另外一个名称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仪器或设备中。目前,把单片机嵌入式系统和Internet连接已是一种趋 势。但是,Internet一向是一种采用肥服务器,瘦用户机的技术。这种技术在互联上存储及访问大量数据是合适的,但对于控制嵌入式器件就成了"杀鸡用 牛刀"了。要实现嵌入式设备和Int ernet连接,就需要把传统的Internet理论和嵌入式设备的实践都颠倒过来。为了使复杂的或简单的嵌入式设备,例如单片机控制的机床、单片机控制 的门锁,能切实可行地和Internet连接,就要求专门为嵌入式微控制器设备设计网络服务器,使嵌入式设备可以和Internet相连,并通过标准网络 浏览器进行过程控制。

    目前,为了把单片机为核心的嵌入式系统和Internet相连,已有多家公司在进行这方面的较多研究。这方面较为典型的有emWare公司和TASKING公司。

    EmWare 公司提出嵌入式系统入网的方案--EMIT技术。这个技术包括三个主要部分:即emMicro, emGateway和网络浏览器。其中,emMicro是嵌入设备中的一个只占内存容量1K字节的极小的网络服务器; emGateway作为一个功能较强的用户或服务器,它用于实现对多个嵌入式设备的管理,还有标准的Internet 通信接入以及网络浏览器的支持。网络浏览器使用emObjicts进行显示和嵌入式设备之间的数据传输。

    如果嵌入式设备的资源足够,则 emMicro和emGateway可以同时装入嵌入式设备中,实现Inter net的直接接入。否则,将要求emGateway和网络浏览器相互配合。EmWare的EMIT软件技术使用标准的 Internet协议对8位和16位嵌入式设备进行管理,但比传统上的开销小得多。

    目前,单片机应用中提出了一个新的问题:这就是如何使8位、16位单片机控制的产品,也即嵌入式产品或设备能实现和互联网互连?

    TASKING 公司目前正在为解决这个问题提供了途径。该公司已把emWare的EMIT软件包和有关的软件配套集成,形成一个集成开发环境,向用户提供开发方便。嵌入 互联网联盟ETI(embed the Internet Consortium)正在紧密合作,共同开发嵌入式Internet的解决方案。在不久将会有成果公布。

    单片机应用的可靠性技术发展

    在单片机应用中,可靠性是首要因素为了扩大单片机的应用范围和领域,提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。近年来,单片机的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术,这些新技术表现在如下几点:

    1、 EFT(Ellectrical Fast Transient)技术

    EFT 技术是一种抗干扰技术,它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时,其波形上会迭加各种毛刺信号,如果使用施密特电路对其整形,则毛刺会成为触发信号干扰 正常的时钟,在交替使用施密特电路和RC滤波电路时,就可以消除这些毛否则令其作用失效,从而保证系统的时钟信号正常工作。这样,就提高了单片机工作的可 靠性。Motorola公司的 MC68HC08系列单片机就采用了这种技术。

    2、 低噪声布线技术及驱动技术

    在传 统的单片机中,电源及地线是在集成电路外壳的对称引脚上,一般是在左上、右下或右上、左下的两对对称点上。这样,就使电源噪声穿过整块芯片,对单片机的内 部电路造成干扰。现在,很多单片机都把地和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。这样,不仅降低了穿过整个芯片的电流,另外还在印制电路板上容易布置去耦电 容,从而降低系统的噪声。

    现在为了适应各种应用的需要,很多单片机的输出能力都有了很大提高,Motorola公司的单片机I/O口的 灌拉电流可达8mA以上,而Microchip公司的单片机可达25mA。其它公司:AMD,Fujitsu,NEC ,Infineon,Hitachi,Ateml,Tosbiba等基本上可达8~20mA的水平。这些电流较大的驱动电路集成到芯片内部在工作时带来了 各种噪声,为了减少这种影响,现在单片机采用多个小管子并联等效一个大管子的方法,并在每个小管子的输出端串上不同等效阻值的电阻,以降低di/dt,这 也就是所谓"跳变沿软化技术",从而消除大电流瞬变时产生的噪声。

    3、 采用低频时钟

    高频外时钟是噪声源之一,不仅 能对单片机应用系统产生干扰,还会对外界电路产生干扰,令电磁兼容性不能满足要求。对于要求可靠性较高的系统,低频外时钟有利于降低系统的噪声。在一些单 片机中采用内部琐相环技术,则在外部时钟较低时,也能产生较高的内部总线速度,从而保证了速度又降低了噪声。Motorola公司的MC68HC08系列 及其1 6/32位单片机就采用了这种技术以提高可靠性。

    结束语

    单片机在目前的发展形势下,表现出几大趋势:

    ·可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走向。

    ·所集成的部件越来越多;NS(美国国家半导体)公司的单片机已把语音、图象部件也集成到单片机中,也就是说,单片机的意义只是在于单片集成电路,而不在于其功能了;如果从功能上讲它可以讲是万用机。原因是其内部已集成上各种应用电路。

    ·功耗越来越低和模拟电路结合越来越多。

    随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高,单片机还会不断产生新的变化和进步,最终人们可能发现:单片机与微机系统之间的距离越来越小,甚至难以辨认。

     

    本文转自:

    单片机发展现状即发展前景

    http://www.zhongsou.net/%E5%8D%95%E7%89%87%E6%9C%BA/news/8482502.html



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  • 单片机发展趋势

    2020-07-30 23:32:34
    单片机发展趋势 可以帮助想学习单片机的人员了解单片机的现状和未来的发展趋势
  • 单片机发展

    2009-08-21 17:40:00
    单片机发展单片机发展经历了兴盛到衰退再到兴盛的反复,近几年单片机应用的迅速发展也强烈的激发了电子爱好者对单片机的学习兴趣,但是与学习者的空前热情相比现在大多数教材都是沿用十数年前的教学结构,没有...

    单片机的发展

    单片机的发展经历了兴盛到衰退再到兴盛的反复,近几年单片机应用的迅速发展也强烈的激发了电子爱好者对单片机的学习兴趣,但是与学习者的空前热情相比现在大多数教材都是沿用十数年前的教学结构,没有及时进行知识概念和教学理念的更新;更有些人故弄玄虚,把学习单片机这件事情搞的复杂化,这样给一些基础薄弱的人的学习增加了难度和压力。

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  • 单片机发展概况.

    2020-07-19 23:30:07
    单片机发展概况.开题报告可以用的上。
  • 单片机发展历史

    万次阅读 2012-01-19 12:04:32
    一、单片机简介 单片机是一种集成电路芯片,采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算,逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU),随机存取数据存储器(RAM),只读程序存储器(ROM),输入输出电路(I/O...

     一、单片机简介

    单片机是一种集成电路芯片,采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算,逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU),随机存取数据存储器(RAM),只读程序存储器(ROM),输入输出电路(I/O口),可能还包括定时计数器,串行通信口(SCI),显示驱动电路(LCD或LED驱动电路),脉宽调制电路(PWM),模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上,构成一个最小然而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。

    由此来看,单片机有着微处理器所不具备的功能,它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能,这是单片机最大的特征。

    然而单片机又不同于单板机,芯片在没有开发前,它只是具备功能极强的超大规模集成电路,如果赋予它特定的程序,它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统,它与单板机或个人电脑(PC机)有着本质的区别,单片机的应用属于芯片级应用,需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术,用这样特定的芯片设计应用程序,从而使该芯片具备特定的功能。

    MCS-48单片机     不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征,即它们的技术特征均不尽相同,硬件特征取决于单片机芯片的内部结构,用户要使用某种单片机,必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等,这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境,指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式,数据处理和逻辑处理方式,输入输出特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性,支持软件(包含可支持开发应用程序的软件资源)及硬件资源。要利用某型号单片机开发自己的应用系统,掌握其结构特征和技术特征是必须的。
        单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统,可以软件控制来实现,并能够实现智能化,现在单片机控制范畴无所不在,例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等,单片机的应用领域越来越广泛。
    诚然,单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益,更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。是控制技术的一次革命,是一座重要的里程碑。
     
        二、单片机发展概述

    1946年第一台电子计算机诞生至今,只有50年的时间,依靠微电子技术和半导体技术的进步,从电子管——晶体管——集成电路——大规模集成电路,现在一块芯片上完全可以集成几百万甚至上千万只晶体管,使得计算机体积更小,功能更强。特别是近20年时间里,计算机技术获得飞速的发展,计算机在工农业,科研,教育,国防和航空航天领域获得了广泛的应用,计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志。

    单片机诞生于20世纪70年代,象Fairchid公司研制的F8单片微型计算机。所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元(Center Processing Unit,也即常称的CPU)和数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)及其他I/O通信口集成在一块芯片上,构成一个最小的计算机系统,而现代的单片机则加上了中断单元,定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路,使得单片机的功能越来越强大,应用更广泛。

    20世纪70年代,微电子技术正处于发展阶段,集成电路属于中规模发展时期,各种新材料新工艺尚未成熟,单片机仍处在初级的发展阶段,元件集成规模还比较小,功能比较简单,一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上,象Farichild公司就属于这一类型,它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。
    MCS-48单片机     1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机,这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机,并推向市场。它以体积小,功能全,价格低赢得了广泛的应用,为单片机的发展奠定了基础,成为单片机发展史上重要的里程碑。
    在MCS-48的带领下,其后,各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机,象Zilog公司的Z8系列。到了80年代初,单片机已发展到了高性能阶段,象INTEL公司的MCS-51系列,Motorola公司的6801和6802系列,Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。
        80年代,世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机,约有几十个系列,300多个品种,此时的单片机均属于真正的单片化,大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统,甚至还有一些带A/D转换器的单片机,功能越来越强大,RAM和ROM的容量也越来越大,寻址空间甚至可达64kB,可以说,单片机发展到了一个全新阶段,应用领域更广泛,许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。
        1982年以后,16位单片机问世,代表产品是INTEL公司的MCS-96系列,16位单片机比起8位机,数据宽度增加了一倍,实时处理能力更强,主频更高,集成度达到了12万只晶体管,RAM增加到了232字节,ROM则达到了8kB,并且有8个中断源,同时配置了多路的A/D转换通道,高速的I/O处理单元,适用于更复杂的控制系统。

    九十年代以后,单片机获得了飞速的发展,世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机。美国Microchip公司发布了一种完全不兼容MCS-51的新一代PIC系列单片机,引起了业界的广泛关注,特别它的产品只有33条精简指令集吸引了不少用户,使人们从INTEL的111条复杂指令集中走出来。PIC单片机获得了快速的发展,在业界中占有一席之地。

    随后的事情,熟悉单片机的人士都比较清楚了,更多的单片机种蜂拥而至,MOTOROLA公司相继发布了MC68HC系列单片机,日本的几个著名公司都研制出了性能更强的产品,但日本的单片机一般均用于专用系统控制,而不象INTEL等公司投放到市场形成通用单片机。例如NEC公司生产的uCOM87系列单片机,其代表作uPC7811是一种性能相当优异的单片机。MOTOROLA公司的MC68HC05系列其高速低价等特点赢得了不少用户。
        Zilog公司的Z8系列产品代表作是Z8671,内含BASIC Debug解释程序,极大地方便用户。而美国国半的COP800系列单片机则采用先进的哈佛结构。ATMEL公司则把单片机技术与先进的Flash存储技术完美地结合起来,发布了性能相当优秀的AT89系列单片机。包括中国的台湾HOLTEK和WINBOND等公司也纷纷加入了单片机发展行列,凭着他们廉价的优势,分享一杯美羹。

    1990年美国INTEL公司推出了80960超级32位单片机引起了计算机界的轰动,产品相继投放市场,成为单片机发展史上又一个重要的里程碑。
    MCS-48单片机
        此期间,单片机园地里,单片机品种异彩纷呈,争奇斗艳。有8位、16位甚至32位机,但8位单片机仍以它的价格低廉、品种齐全、应用软件丰富、支持环境充分、开发方便等特点而占着主导地位。而INTEL公司凭着他们雄厚的技术,性能优秀的机型和良好的基础,目前仍是单片机的主流产品。只不过是九十年代中期,INTEL公司忙着开发他们个人电脑微处理器,已没有足够的精力继续发展自己创导的单片机技术,而由PHILIPS等公司继续发展C51系列单片机。
        三、单片机的应用领域

        单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分如下几个范畴:

        1.在智能仪器仪表上的应用
        单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备(功率计,示波器,各种分析仪)。

        2.在工业控制中的应用
        用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。

        3.在家用电器中的应用
        可以这样说,现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门,无所不在。

        4.在计算机网络和通信领域中的应用
        现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等。

        5.单片机在医用设备领域中的应用
        单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

        此外,单片机在工商,金融,科研、教育,国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

        四、单片机的发展趋势
    现在可以说单片机是百花齐放,百家争鸣的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,有与主流C51系列兼容的,也有不兼容的,但它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供广阔的天地。
    纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势,大致有:

    1.低功耗CMOS化
    MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW,而现在的单片机普遍都在100mW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。

    2.微型单片化
    现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元电路就更多,功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出具有自己特色的单片机芯片。
    此外,现在的产品普遍要求体积小、重量轻,这就要求单片机除了功能强和功耗低外,还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式,其中SMD(表面封装)越来越受欢迎,使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。

    3.主流与多品种共存
    现在虽然单片机的品种繁多,各具特色,但仍以80C51为核心的单片机占主流,兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品,ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头,中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增,与其低价质优的优势,占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品,日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内,这种情形将得以延续,将不存在某个单片机一统天下的垄断局面,走的是依存互补,相辅相成、共同发展的道路。

    五、单片机在国内的发展

      我国开始使用单片机是在1982 年,1986 年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会,有的地区还成立了单片微型计算机应用协会,短短五年时间里发展极为迅速。那是全国形成的第一次高潮。截止今日,单片机应用技术飞速发展,我们上因特网输入一个“单片机”的搜索,将会看到上万个介绍单片机的网站,这还不包括国外的。与它相应的专业杂志现在也有很多,比如由单片机界的权威何立民主编的《单片机与嵌入式系统应用》杂志现以风靡电子界,在2003年7月,91student.com(91 猎头网)在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中,单片机人才的需求量位居第一。

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  • 文章目录第一章 绪论1.1 电子计算机的发展概述1.1.1 电子计算机的问世及其经典结构1.1.2 微型计算机的组成及其应用形态1.2 单片机发展过程及产品近况1.2.1 单片机发展过程1.2.2 单片机产品近况1.3 单片机的特点...

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    第一章 绪论

    1.1 电子计算机的发展概述

    1.1.1 电子计算机的问世及其经典结构

      1946 年 2 月 15 日,第一台电子数字计算机 ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer)问世,这标志着计算机时代的到来。
      ENIAC 是电子管计算机,时钟频率虽然仅有 100 kHz,但能在 1 s 的时间内完成 5 000 次加法运算。与现代的计算机相比,ENIAC 有许多不足,但它的问世开创了计算机科学技术的新纪元,对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响。
      在研制 ENIAC 的过程中,匈牙利籍数学家冯·诺依曼担任研制小组的顾问,并在方案的设计上做出了重要的贡献。1946 年 6 月,冯·诺依曼又提出了
      “程序存储”和“二进制运算”的思想,进一步构建了计算机由运算器、控制 器、存储器、输入设备和输出设备组成这一计算机的经典结构。如图 1.1 所示。
    图 1.1   电子计算机的经典结构
      电子计算机技术的发展,相继经历了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大规模集成电路计算机和超大规模集成电路计算机五个时代,但是,计算机的结构仍然没有突破冯·诺依曼提出的计算机的经典结构框架。

    1.1.2 微型计算机的组成及其应用形态

      一、微型计算机的组成
      1971 年 1 月,Intel 公司的特德·霍夫在与日本商业通信公司合作研制台式计算器时,将原始方案的十几个芯片压缩成三个集成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存储程序和数据,另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器, 称为微处理器(即 Intel 4004)。
      微处理器、存储器加上 I/O 接口电路组成微型计算机。各部分通过地址总线(AB)、数据总线(DB)和控制总线(CB)相连。如图 1.2 所示。
    图 1.2 微型计算机的组成
      二、微型计算机的应用形态
      从应用形态上,微型计算机可以分成三种:多板机(系统机)、单板机和单片机。
      1.多板机(系统机)
      多板机是将微处理器、存储器、I/O 接口电路和总线接口等组装在一块主机板(即微机主板)上,再通过系统总线和其它多块外设适配板卡连接键盘、显示器、打印机、软/硬盘驱动器及光驱等设备。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上,并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内,再配上系统软件, 就构成了一台完整的微型计算机系统,简称系统机。
      目前人们广泛使用的个人计算机(PC 机)就是典型的多板微型计算机。由于其人机界面好,功能强,软件资源丰富,通常作为办公或家庭的事务处理及科学计算,属于通用计算机,现在已经成为社会各领域中最为通用的工具。
      另外,将系统机的机箱进行加固处理,底板设计成无 CPU 的小底板结构,利用底板的扩展槽插入主机板及各种测控板,就构成了一台工业 PC 机。由于其具有人机界面友好和软件资源丰富的优势,工业 PC 机常作为工业测控系统的主机。
      2.单板机
      将 CPU 芯片、存储器芯片、I/O 接口芯片和简单的 I/O 设备(小键盘、LED 显示器)等装配在一块印制线路板上,再配上监控程序(固化在 ROM 中),就构成了一台单板微型计算机,简称单板机。典型的产品如 TP801。单板机的 I/O 设备简单,软件资源少,使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统,现在已很少使用。
      3.单片机
      在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O 接口电路,从而构成了单芯片微型计算机,即单片机。
      图 1.3 为微型计算机三种应用形态的比较。
    图 1.3 微型计算机的三种应用形态
      计算机原始的设计目的是为了提高计算数据的速度和完成海量数据的计算。人们将完成这种任务的计算机称为通用计算机。
      随着计算机技术的发展,人们发现了计算机在逻辑处理及工业控制等方面也具有非凡的能力。在控制领域中,人们更多地关心计算机的低成本、小体积、运行的可靠性和控制的灵活性。特别是智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统要求将计算机嵌入到这些设备中。嵌入到控制系统(或设备)中,实现嵌入式应用的计算机称为嵌入式计算机, 也称为专用计算机。
      嵌入式应用的计算机可分为嵌入式微处理器(如 386EX)、嵌入式 DSP 处理器(如 TMS320 系列)、嵌入式微控制器(即单片机,如 80C51 系列)及嵌入式片上系统 SOC。
      单片机体积小、价格低、可靠性高,其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。目前,单片机应用技术已经成为电子应用系统设计最为常用的技术手段,学习和掌握单片机应用技术具有极其重要的现实意义。
      综上所述,微型计算机技术的发展正趋于两个方向,一是以系统机为代表的通用计算机,致力于提高计算机的运算速度,在实现海量高速数据处理的同时兼顾控制功能;二是以单片机为代表的嵌入式专用计算机,致力于计算机控制功能的片内集成,在满足嵌入式对象的测控需求的同时兼顾数据处理。

    1.2 单片机的发展过程及产品近况

    1.2.1 单片机的发展过程

      单片机技术发展十分迅速,产品种类已琳琅满目。纵观整个单片机技术发展过程,可以分为以下三个主要阶段:
      一、单芯片微机形成阶段
      1976 年,Intel 公司推出了 MCS-48 系列单片机。该系列单片机早期产品在芯片内集成有:8 位 CPU、1K 字节程序存储器(ROM)、64 字节数据存储器(RAM)、27 根 I/O 线和 1 个 8 位定时/计数器。
      此阶段的主要特点是:在单个芯片内完成了 CPU、存储器、I/O 接口、定时/计数器、中断系统、时钟等部件的集成,但存储器容量较小,寻址范围小(不大于 4K),无串行接口,指令系统功能不强。
      二、性能完善提高阶段
      1980 年,Intel 公司推出 MCS-51 系列单片机。该系列单片机在芯片内集成有:8 位 CPU、4K 字节程序存储器(ROM)、128 字节数据存储器(RAM)、4个 8 位并行接口、1 个全双工串行接口和 2 个 16 位定时/计数器。寻址范围为64 K,并集成有控制功能较强的布尔处理器完成位处理功能。
      此阶段的主要特点是:结构体系完善,性能已大大提高,面向控制的特点进一步突出。现在,MCS-51 已成为公认的单片机经典机种。
      三、微控制器化阶段
      1982 年,Intel 公司推出 MCS-96 系列单片机。该系列单片机在芯片内集成有:16 位 CPU、8K 字节程序存储器(ROM)、232 字节数据存储器(RAM)、 5 个 8 位并行接口、1 个全双工串行接口和 2 个 16 位定时/计数器。寻址范围最大为 64 K。片上还有 8 路 10 位 ADC、1 路 PWM(D/A)输出及高速 I/O 部件等。
      近年来,许多半导体厂商以 MCS-51 系列单片机的 8051 为内核,将许多测控系统中的接口技术、可靠性技术及先进的存储器技术和工艺技术集成到单片机中,生产出了多种功能强大、使用灵活的新一代 80C51 系列单片机。
      此阶段的主要特点是:片内面向测控系统的外围电路增强,使单片机可以–方便灵活地应用于复杂的自动测控系统及设备。因此,“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。

    1.2.2 单片机产品近况

      随着微电子设计技术及计算机技术的不断发展,单片机产品和技术日新月异。单片机产品近况可以归纳为以下二方面。
      一、80C51 系列单片机产品繁多,主流地位已经形成
    通用微型计算机计算速度的提高主要体现在 CPU 位数的提高(16 位、32 位乃至 64 位),而单片机更注重的是产品的可靠性、经济性和嵌入性。所以,单片机 CPU 位数的提高需求并不十分迫切。而多年来的应用实践已经证明, 80C51 的系统结构合理,技术成熟。因此,许多单片机芯片生产厂商倾力于提高 80C51 单片机产品的综合功能,从而形成了 80C51 的主流产品地位。近年来推出的与 80C51 兼容的主要产品有:

    • ATMEL 公司融入 Flash 存储器技术推出的 AT89 系列单片机;
    • Philips 公司推出的 80C51、80C552 系列高性能单片机;
    • 华邦公司推出的 W78C51、W77C51 系列高速低价单片机;
    • LG 公司推出的 GMS90/97 系列低压高速单片机;
    • Maxim 公司推出的 DS89C420 高速(50MIPS)单片机;
    • Cygnal 公司推出的 C8051F 系列高速 SOC 单片机等。

      由此可见,80C51 已经成为事实上的单片机主流系列,所以本书以 80C51为对象,讲述单片机的原理与接口方法。

      二、非 80C51 结构单片机新品不断推出,给用户提供了更为广泛的选择空间在 80C51 及其兼容产品流行的同时,一些单片机芯片生产厂商也推出了一些非 80C51 结构的产品,影响比较大的有:

    • Intel 公司推出的 MCS-96 系列 16 位单片机;
    • Microchip 公司推出的 PIC 系列 RISC 结构单片机;
    • TI 公司推出的 MSP430F 系列 16 位低电压、低功耗单片机;
    • ATMEL 公司推出的 AVR 系列 RISC 结构单片机等。

    1.3 单片机的特点及应用领域、

    1.3.1 单片机的特点

      一、控制性能和可靠性高
      单片机是为满足工业控制而设计的,所以实时控制功能特别强,其 CPU 可以对 I/O 接口直接进行操作,位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外, 由于 CPU、存储器及 I/O 接口集成在同一芯片内,各部件间的连接紧凑,数据在传送时受到的干扰较小,且不易受环境条件的影响,所以单片机的可靠性非常高。
      近期推出的单片机产品,内部集成有高速 I/O 接口、ADC、PWM、WDT 等部件,并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式(如在系统编程 ISP)等方面都有了进一步的增强。
      二、体积小、价格低、易于产品化
      每片单片机芯片即是一台完整的微型计算机,对于批量大的专用场合,一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择,同时还可以专门进行芯片设计, 使芯片功能与应用具有良好的对应关系。在单片机产品的引脚封装方面,有的单片机引脚已减少到 8 个或更少,从而使应用系统的印制板减小,接插件减少, 安装简单方便。
      在现代的各种电子器件中,单片机具有良好的性能价格比。这正是单片机得以广泛应用的重要原因。

    1.3.2 单片机的应用领域

      由于单片机具有良好的控制性能和灵活的嵌入品质,近年来单片机在各种领域都获得了极为广泛的应用。概要地分成以下几个方面:
      一、智能仪器仪表
      单片机用于各种仪器仪表,一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度,使仪器仪表智能化,同时还简化了仪器仪表的硬件结构,从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。
      二、机电一体化产品
      机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体,具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。
      三、实时工业控制
      单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中, 利用单片机作为系统控制器,可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法,实现期望的控制指标,从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电动机转速控制、温度控制、自动生产线等。
      四、分布系统的前端模块
      在较复杂的工业系统中,经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中,采用单片机作为分布式系统的前端采集模块。系统具有运行可靠,数据采集方便灵活,成本低廉等一系列优点。
      五、家用电器
      家用电器是单片机的又一重要应用领域,前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。
      另外,在交通领域中,汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等。

    1.4 单片机应用系统开发简介

    1.4.1 单片机应用系统的开发

      设计单片机应用系统时,在完成硬件系统设计之后,必须配备相应的应用软件。正确无误的硬件设计和良好的软件功能设计是一个实用的单片机应用系统的设计目标。完成这一目标的过程称为单片机应用系统的开发。
      单片机作为一片集成了微型计算机基本部件的集成电路芯片,与通用微机相比,它自身没有开发功能,必须借助开发机(一种特殊的计算机系统)来完成如下任务:

    • 排除应用系统的硬件故障和软件错误;
    • 调试完的程序要固化到单片机内部或外部程序存储器芯片中。
        一、指令的表示形式
        指令是让单片机执行某种操作的命令。在单片机内部,指令按一定的顺序以二进制码的形式存放于程序存储器中。二进制码是计算机能够直接执行的机器码(或称目标码)。为了书写、输入和显示方便,人们通常将机器码写成十六进制形式。如二进制码 0000 0100B 可以表示为 04H。04H 所对应的指令的意义是累加器 A 的内容加 1。若写成 INC A,则要清楚得多,这就是该指令的符号表示,称为符号指令。
        二、汇编或编译
        符号指令要转换成计算机所能执行的机器码并存入计算机的程序存储器中,这种转换称为汇编。常用的汇编方法有三种,一是手工汇编,设计人员对照单片机指令编码表,把每一条符号指令翻译成十六进制数表示的机器码指令, 借助于小键盘送入开发机,然后进行调试,并将调试好的程序写入程序存储器芯片。二是利用开发机的驻留汇编程序进行汇编。三是利用通用微型计算机配备的汇编程序进行交叉汇编,然后将目标码传送到开发机中。
        另外,还可以采用高级语言(如 C51)进行单片机应用程序的设计。在 PC 机中编辑好的高级语言源程序经过编译、连接后形成目标码文件,并传送到开发机中。这种方法具有周期短、移植和修改方便的优点,适合于较复杂系统的开发。

    1.4.2 单片机应用系统的传统开发方式

      单片机开发系统又称为开发机或仿真器。仿真的目的是利用开发机的资源(CPU、存储器和 I/O 设备等)来模拟欲开发的单片机应用系统(即目标机) 的 CPU、存储器和 I/O 操作,并跟踪和观察目标机的运行状态。
      仿真可以分为软件模拟仿真和开发机在线仿真两大类。软件模拟仿真成本低,使用方便,但不能进行应用系统硬件的实时调试和故障诊断。下面仅介绍在线仿真方法。
      一、利用独立型仿真器开发
    图 1.4 为利用独立型仿真器开发的示意图。
    图 1.4 利用独立型仿真器开发的示意图
      独立型仿真器采用与单片机应用系统相同类型的单片机做成单板机形式, 板上配置 LED 显示器和简易键盘。这种开发系统在没有普通微机系统的支持下,仍能对单片机应用系统进行在线仿真,便于在现场对应用软件进行调试和修改。另外,这种开发系统还配有串行接口,能与普通微机系统连接。这样, 可以利用普通微机系统配备的组合软件进行源程序的编辑、汇编和联机仿真调试。然后将调试无误的目标程序(即机器码)传送到仿真器,利用仿真器进行程序的固化。
      二、利用非独立型仿真器开发
      这种仿真器采用通用微型计算机加仿真器方式构成。仿真器与通用微机间以串行通信的方式连接。这种开发方式必须有微机的支持,利用微机系统配备的组合软件进行源程序的编辑、汇编和仿真调试。有些仿真接口上还备有EPROM 写入插座,可以将开发调试完成的用户应用程序写入 EPROM 芯片。与前一种相比,此种开发方式现场参数的修改和调试不够方便。
    图 1.5 为利用非独立型仿真器开发的示意图。
    图 1.5 利用非独立型仿真器开发的示意图
      以上两种开发方式均是在开发时拔掉目标系统的单片机芯片和程序存储器芯片,插上从开发机上引出的仿真头,即把开发机上的单片机出借给目标机。仿真调试无误后,拔掉仿真头,再插回单片机芯片,把开发机中调试好的程序固化到 EPROM 芯片中并插到目标机的程序存储器插座上,目标机就可以独立运行了。

    1.4.3 单片机开发方式的发展

      由于单片机贴片封装形式的广泛采用以及 Flash 存储器技术的迅速发展, 传统的单片机应用系统开发的理念将受到冲击。采用新的单片机应用系统开发技术可以将单片机先安装到印制线路板上,然后通过 PC 机将程序下载到目标系统。如:
      SST 公司推出的 SST89C54 和 SST89C58 芯片分别有 20 KB 和 30 KB 的SuperFlash 存储器,利用这种存储器可以进行高速读/写的特点,能够实现在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP)功能。首先在 PC 机上完成应用程序的编辑、汇编(或编译)和模拟运行,然后实现目标程序的串行下载。
      Microchip 公司推出的RISC 结构单片机PIC16F87X 中内置在线调试器ICD(In-Circuit Programming)功能,该公司还配置了具有 ICSP(In-Circuit Serial Programming)功能的简单仿真器和烧写器。由于芯片内置了侦测电路逻辑,所以可以不需要额外的硬件仿真器。通过 PC 机串行电缆(含有完成通信功能的MPLAB-ICD 模块及与目标板连接的 MPLAB-ICD 头)就可以完成对目标系统的仿真调试。

    本章小结

      冯·诺依曼提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想,并构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备所组成这一计算机的经典结构。
      将运算器、控制器以及各种寄存器集成在一片集成电路芯片上,组成中央处理器(CPU)或微处理器。微处理器配上存储器、输入/输出接口便构成了微型计算机。
      单片机是把微处理器、存储器(RAM 和 ROM)、输入/输出接口电路以及定时器/计数器等集成在一起的集成电路芯片,它具有体积小、价格低、可靠性高和易于嵌入式应用等特点,极适合于作为智能仪器仪表和工业测控系统的前端装置。
      80C51 系列单片机应用广泛,生产量大,在单片机领域里具有重要的影响。其它新型单片机产品的出现,使单片机领域出现了日新月异的景象。
      单片机是为满足工业控制而设计的,具有良好的实时控制性能和灵活的嵌入品质,近年来在智能仪器仪表、机电一体化产品、实时工业控制、分布系统的前端模块和家用电器等领域都获得了极为广泛的应用。
      单片机作为一片集成电路芯片,它自身没有开发功能,必须借助开发机完成应用系统的硬件故障和软件错误的排除,调试完的程序还要固化到单片机内部或外部程序存储器芯片中。新的单片机应用系统开发技术在近年来也有了较快的发展。

    思考题以及习题

    1.第一台计算机的问世有何意义?
    2.计算机由哪几部分组成?
    3.微型计算机由哪几部分构成?
    4.微处理器与微型计算机有何区别?
    5.什么叫单片机?其主要特点有哪些?
    6.微型计算机有哪些应用形式?各适于什么场合?
    7.当前单片机的主要产品有哪些?各有何特点?
    8.简述单片机的开发过程。
    9.常用的单片机应用系统开发方法有哪些?

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