單片機應用技術(shù)簡(jiǎn)介

【摘　要】綜述了單片機應用技術(shù)的進(jìn)展和動(dòng)向。給出了4，8，16，32，64位單片機的特點(diǎn)和功能，以及專(zhuān)用總線(xiàn)、軟件和應用程序開(kāi)發(fā)工具等內容。
關(guān)鍵詞：單片機 綜述 應用技術(shù)
　
單片機在集成度、功能、性能、體系結構方面都有了飛速發(fā)展，已能集成一個(gè)完整的功能強大、性能優(yōu)良的計算機應用系統。但目前國內許多單片機應用單位仍停留在采用片內無(wú)ROM等低檔單片機的狀態(tài)，無(wú)論在系統設計上、使用維護上、經(jīng)濟效益上這都是不合算的。這種狀況必須改變。本文就單片機的發(fā)展現狀進(jìn)行綜述，希望能對提高國內單片機技術(shù)的應用水平有所促進(jìn)。
1　單片機的硬件
　 單片微型計算機，簡(jiǎn)稱(chēng)單片機，是微型計算機的一個(gè)分支。它是在一塊芯片上集成（嵌入）了CPU、RAM和ROM存儲器、I／O接口等而構成的微型計算機。因主要用于工業(yè)測控領(lǐng)域，故又稱(chēng)為微控制器或嵌入式控制器。單片機的核心是中央處理器CPU。用超大規模集成技術(shù)把CPU集成在一塊芯片上，稱(chēng)為微處理器。微處理器、微控制器和微型計算機三者的關(guān)系十分密切。目前，單片機在工業(yè)測控領(lǐng)域中已占重要地位。各電氣廠(chǎng)商、機電行業(yè)和測控企業(yè)都把單片機作為本部門(mén)產(chǎn)品更新?lián)Q代、產(chǎn)品智能化的重要工具。全世界單片機的生產(chǎn)廠(chǎng)家有30多家，能生產(chǎn)60多個(gè)系列，1000多個(gè)型號的產(chǎn)品。產(chǎn)量大，僅1996年的產(chǎn)量就達18億片。
1．1　單片機的特點(diǎn)
單片機問(wèn)世以來(lái)所走的路與微處理器是不同的。微處理器向著(zhù)高速運算、數據分析與處理能力、大規模容量存儲等方向發(fā)展，以提高通用計算機的性能。其接口界面也是為了滿(mǎn)足外設和網(wǎng)絡(luò )接口而設計的 。單片機則是從工業(yè)測控對象、環(huán)境、接口特點(diǎn)出發(fā)，向著(zhù)增強控制功能、提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性、靈活方便的構成應用計算機系統的界面接口的方向發(fā)展。因此，單片機有著(zhù)自已的特點(diǎn)，主要是：〔1〕〔2 〕
　 ·品種多樣，型號繁多。品種型號逐年擴充以適應各種需要。使系統開(kāi)發(fā)者有很大的選擇自由。CPU從4、8、16、32到64位，有些還采用RISC技術(shù)；
　 ·提高性能，擴大容量。集成度已達200萬(wàn)個(gè)晶體管以上?？偩€(xiàn)工作速度已達數十微秒。工作頻率達到30MHz甚至40MHz。指令執行周期減到數十微秒。存儲器容量RAM發(fā)展到1K、2K，RO M發(fā)展到32K、64K；
　 ·增加控制功能，向外部接口延伸。把原屬外圍芯片的功能集成到本芯片內?，F今的單片機已發(fā)展到在一塊含有CPU的芯片上，除嵌入RAM、ROM存儲器和I／O接口外，還有A／D、PWM、U ART、Timer／Counter、DMA、Watchdog、Serial Port、Sensor、driver、還有顯示驅動(dòng)、鍵盤(pán)控制、函數發(fā)生器、比較器等，構成一個(gè)完整的功能強的計算機應用系統；
　 ·低功耗。供電電壓從5V降到3V、2V甚至1V左右。工作電流從mA級降到μA級。在生產(chǎn)工藝上以CMOS代替NMOS，并向HCMOS過(guò)渡；
　 ·應用軟件配套。提供了軟件庫，包括標準應用軟件，示范設計方法。使用戶(hù)開(kāi)發(fā)單片機應用系統時(shí)更快速、方便。使有可能做到用一周時(shí)間開(kāi)發(fā)一個(gè)新的應用產(chǎn)品；
　 ·系統擴展與配置。有供擴展外部電路用的三總線(xiàn)結構DB、AB、CB，以方便構成各種應用系統。根據單片機網(wǎng)絡(luò )系統、多機系統的特點(diǎn)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)出單片機串行總線(xiàn)。此外，還特別配置有傳感器，人機對話(huà) 、網(wǎng)絡(luò )多通道等接口，以便構成網(wǎng)絡(luò )和多機系統。
1．2　單片機的性能〔3〕
　 單片機通常按其微處理器字長(cháng)的位數來(lái)分類(lèi)，如4、8、16、32、64位單片機。
1．2．1　4位機
　 1971年Intel首先推出了4位微處理器芯片4004。此后各廠(chǎng)家相繼推出4位機產(chǎn)品。因4位機每次只能處理一位BCD碼數據，故只適于簡(jiǎn)單控制場(chǎng)合。但因其價(jià)廉，在家電等消費類(lèi)產(chǎn)品中仍有廣泛應用。近年來(lái) ，為了抵御8位機的侵蝕，4位機在結構和性能上有了很大發(fā)展。主要有：
　 ·采用＜1μm CMOS工藝，使指令執行速度達到1μs．ROM為32～64kB，RAM為4k×4位。這些增強性能已與8位機相當；
　 ·將LED、LCD、VFD等顯示驅動(dòng)集成在單片中。這種增強的I／O功能甚至比一般的8位機還強；　
　·降低功耗。低于2．2V電壓和μA級電流也能運行。這比一般8位機還低一些；
　 ·采用類(lèi)似于RISC的結構。使4位機的性能大幅度提高；
　 ·針對特定的應用加入特定的功能。如A／D、D／A、過(guò)零檢測、比較器、計數器、定時(shí)器、圖形顯示、遙控等。
　 但即使如此，4位機的市場(chǎng)占有率仍然較小。性能如表1（篇幅所限，僅舉數種說(shuō)明）所列。

1．2．2　8位機
　 由于8位機可以一次處理一個(gè)ASCII字符，因而用途十分廣泛。如顯示、終端鍵盤(pán)、打印、字處理、工業(yè)控制等。市場(chǎng)占有率70％以上。功能豐富，品種齊全，通用性強。1972年Intel首先推出了8位微處理器8008，隨后于1976年率先推出8位機MCS－48系列。1980年又推出MCS－51系列產(chǎn)品，其性能大大超過(guò)48系列產(chǎn)品。如計算速度為48系列的10倍，時(shí)鐘12MHz時(shí)指令周期可為1μs等。Motorola到78年才推出第一個(gè)單片機MC6801系列，不過(guò)，功能已相當豐富，如嵌入有EEPROM、A／D、LED驅動(dòng)、PWM輸出等，成為功能很強的工業(yè)控制器。Zilog也在78年推出Z8系列單片機，它一開(kāi)始就以一種新面貌出現，不單可用作單片機，還可作為微處理器用于微計算機系統中。值得特別提出的是，Atmel公司推出的89C系列單片機〔4〕，其內核與工業(yè)標準的80C51同，即指令集與管腳分布與MCS51產(chǎn)品兼容。它的特點(diǎn)是時(shí)鐘頻率更高 ，可達33MHz，最高可達40MHz，因而運算速度更快。我國單片機主要應用領(lǐng)域之一為工業(yè)測控 ，用于此領(lǐng)域的單片機多為8位機，而以MCS－51系列和AT89C5系列用得最多。不少高校的微機原理或單片機原理課程都以這種機型為背景機。
　 生產(chǎn)8位機的廠(chǎng)家相當多，品種型號很多。在我國，主流則是上述幾家公司的派系產(chǎn)品。而每一派系又有多個(gè)廠(chǎng)家及其多種型號產(chǎn)品。如屬于Intel派系的有Philips／Signetics，Siemens，AMD，OKI，MARTRA－MHS等公司型號的產(chǎn)品。屬于Motorola派系的有Hitachi，Mitsubish，Rockwell，WDC等公司型號產(chǎn)品。屬于Zilog派系的有NEC，Hitachi,SGS－Thomson等公司型號的產(chǎn)品。在這幾個(gè)派系中以Intel的市場(chǎng)占有率最高，Motorola居中，Zilog最低。為了占領(lǐng)市場(chǎng)，Motorola還研制了6804／68HC04芯片，它是介于4位機與8位機之間的系列，CPU處理8位數據，運行8位指令，但數據則是每次串行輸出一位，設計目標是4位機的價(jià)格，很適于質(zhì)高價(jià)廉的場(chǎng)合。

1．2．3　16位機
　 1978年Intel最先推出16位微處理器868系列，與隨后Motorola的M68000，Zilog的Z8000成為當時(shí)的三大系列16位微處理器。由于8位機應用廣泛而且能解決問(wèn)題，使16位單片機進(jìn)入市場(chǎng)較晚，到1988年Inte l才推出MCS－96系列機。此機具有高速運算及高速處理和控制能力,具有16位的CPU，8位的外部總線(xiàn)（ 因此又稱(chēng)準16位機），豐富高效的指令系統，性能價(jià)格比優(yōu)異，其售價(jià)只比8位機稍微高一些。片內有A ／D、PWM、Watchdog及靈活的中斷系統。在工作頻率12MHz時(shí)指令執行時(shí)間為1～2μs。由于性能功能均良好，一出現便引起工業(yè)界廣泛注意 。在我國，早年以MCS－96應用最多，近年來(lái)，Intel80C196、80C25 1、80C51XA等有廣泛的應用 。生產(chǎn)16位機的廠(chǎng)家還有Motorola，MATRA－MHS，Mostek（Thomson），NEC ，OKI，Phil ips/Signetic，Sieme ns等。但到目前總產(chǎn)量仍不大，遠低于8位機。不過(guò)由于采取了增強功能、提高性能、品種多樣化和不斷降低價(jià)格等措施，近年來(lái)發(fā)展迅速，估計90年代末期可望趕上8位機。所采取的措施主要有：
　 ·增強運算能力，加大容量。片內有健全的乘除指令，RAM容量加大到2k，ROM到64k，可直接支持C和Forth語(yǔ)言；
　 ·提高數據處理與傳輸能力。一般都增加了DMA傳輸和快速I(mǎi)／O功能；
　 ·提高速度。如80C51XA工作頻率達30MHz，HPC系列達40MHz。指令周期降至數μs。
　 ·采用RISC結構。如Waterscale的PSC1000，Harris的RTX2000等均采用RISC結構。

現今16位機以Intel的8096系列的產(chǎn)量最大，準16位機8098已停產(chǎn)。CMOS工藝的單片機以國家半導體的HPC系列的性能價(jià)格比最高，Hitachi的H8／500則是目前綜合性能最好的單片機。