单片机应用技术综述

【摘　要】综述了单片机应用技术的进展和动向。给出了4，8，16，32，64位单片机的特点和功能，以及专用总线、软件和应用程序开发工具等内容。
　　关键词：单片机 综述 应用技术
　 
　　单片机在集成度、功能、性能、体系结构方面都有了飞速发展，已能集成一个完整的功能强大、性能优良的计算机应用系统。但目前国内许多单片机应用单位仍停留在采用片内无ROM等低档单片机的状态，无论在系统设计上、使用维护上、经济效益上这都是不合算的。这种状况必须改变。本文就单片机的发展现状进行综述，希望能对提高国内单片机技术的应用水平有所促进。

1　单片机的硬件

　　单片微型计算机，简称单片机，是微型计算机的一个分支。它是在一块芯片上集成（嵌入）了CPU、RAM和ROM存储器、I／O接口等而构成的微型计算机。因主要用于工业测控领域，故又称为微控制器或嵌入式控制器。单片机的是中央处理器CPU。用超大规模集成技术把CPU集成在一块芯片上，称为微处理器。微处理器、微控制器和微型计算机三者的关系十分密切。目前，单片机在工业测控领域中已占重要地位。各电气厂商、机电行业和测控企业都把单片机作为本部门产品更新换代、产品智能化的重要工具。全世界单片机的生产厂家有30多家，能生产60多个系列，1000多个型号的产品。产量大，仅1996年的产量就达18亿片。

1．1　单片机的特点

　　单片机问世以来所走的路与微处理器是不同的。微处理器向着高速运算、数据分析与处理能力、大规模容量存储等方向发展，以提高通用计算机的性能。其接口界面也是为了满足外设和网络接口而设计的 。单片机则是从工业测控对象、环境、接口特点出发，向着增强控制功能、提高工业环境下的可靠性、灵活方便的构成应用计算机系统的界面接口的方向发展。

　　·品种多样，型号繁多。品种型号逐年扩充以适应各种需要。使系统开发者有很大的选择自由。CPU从4、8、16、32到64位，有些还采用RISC技术；
　　·提高性能，扩大容量。集成度已达200万个晶体管以上。总线工作速度已达数十微秒。工作频率达到30MHz甚至40MHz。指令执行周期减到数十微秒。存储器容量RAM发展到1K、2K，RO M发展到32K、64K；
　　·增加控制功能，向外部接口延伸。把原属外围芯片的功能集成到本芯片内。现今的单片机已发展到在一块含有CPU的芯片上，除嵌入RAM、ROM存储器和I／O接口外，还有A／D、PWM、U ART、Timer／Counter、DMA、Watchdog、Serial Port、Sensor、driver、还有显示驱动、键盘控制、函数发生器、比较器等，构成一个完整的功能强的计算机应用系统；
　　·低功耗。供电电压从5V降到3V、2V甚至1V左右。工作电流从mA级降到μA级。在生产工艺上以CMOS代替NMOS，并向HCMOS过渡；
　　·应用软件配套。提供了软件库，包括标准应用软件，示范设计方法。使用户开发单片机应用系统时更快速、方便。使有可能做到用一周时间开发一个新的应用产品；
　　·系统扩展与配置。有供扩展外部电路用的三总线结构DB、AB、CB，以方便构成各种应用系统。根据单片机网络系统、多机系统的特点专门开发出单片机串行总线。此外，还特别配置有传感器，人机对话 、网络多通道等接口，以便构成网络和多机系统。

1．2　单片机的性能

　　单片机通常按其微处理器字长的位数来分类，如4、8、16、32、64位单片机。

1．2．1　4位机

　　1971年Intel首先推出了4位微处理器芯片4004。此后各厂家相继推出4位机产品。因4位机每次只能处理一位BCD码数据，故只适于简单控制场合。但因其价廉，在家电等消费类产品中仍有广泛应用。近年来 ，为了抵御8位机的侵蚀，4位机在结构和性能上有了很大发展。主要有：

　　·采用＜1μm CMOS工艺，使指令执行速度达到1μs．ROM为32～64kB，RAM为4k×4位。这些增强性能已与8位机相当；
　　·将LED、LCD、VFD等显示驱动集成在单片中。这种增强的I／O功能甚至比一般的8位机还强；　
　　·降低功耗。低于2．2V电压和μA级电流也能运行。这比一般8位机还低一些；
　　·采用类似于RISC的结构。使4位机的性能大幅度提高；
　　·针对特定的应用加入特定的功能。如A／D、D／A、过零检测、比较器、计数器、定时器、图形显示、遥控等。
　 但即使如此，4位机的市场占有率仍然较小。性能如表1（篇幅所限，仅举数种说明）所列。
   

1．2．2　8位机

　　由于8位机可以处理一个ASCII字符，因而用途十分广泛。如显示、终端键盘、打印、字处理、工业控制等。市场占有率70％以上。功能丰富，品种齐全，通用性强。1972年Intel首先推出了8位微处理器8008，随后于1976年率先推出8位机MCS－48系列。1980年又推出MCS－51系列产品，其性能大大超过48系列产品。如计算速度为48系列的10倍，时钟12MHz时指令周期可为1μs等。Motorola到78年才推出个单片机MC6801系列，不过，功能已相当丰富，如嵌入有EEPROM、A／D、LED驱动、PWM输出等，成为功能很强的工业控制器。Zilog也在78年推出Z8系列单片机，它一开始就以一种新面貌出现，不单可用作单片机，还可作为微处理器用于微计算机系统中。值得特别提出的是，Atmel公司推出的89C系列单片机^〔4〕，其内核与工业标准的80C51同，即指令集与管脚分布与MCS51产品兼容。它的特点是时钟频率更高 ，可达33MHz，可达40MHz，因而运算速度更快。我国单片机主要应用领域之一为工业测控 ，用于此领域的单片机多为8位机，而以MCS－51系列和AT89C5系列用得多。不少高校的微机原理或单片机原理课程都以这种机型为背景机。

　　生产8位机的厂家相当多，品种型号很多。在我国，主流则是上述几家公司的派系产品。而每一派系又有多个厂家及其多种型号产品。如属于Intel派系的有Philips／Signetics，Siemens，AMD，OKI，MARTRA－MHS等公司型号的产品。属于Motorola派系的有Hitachi，Mitsubish，Rockwell，WDC等公司型号产品。属于Zilog派系的有NEC，Hitachi,SGS－Thomson等公司型号的产品。在这几个派系中以Intel的市场占有率，Motorola居中，Zilog。为了占领市场，Motorola还研制了6804／68HC04芯片，它是介于4位机与8位机之间的系列，CPU处理8位数据，运行8位指令，但数据则是每次串行输出一位，设计目标是4位机的价格，很适于质高价廉的场合。
         

1．2．3　16位机

　　1978年Intel推出16位微处理器868系列，与随后Motorola的M68000，Zilog的Z8000成为当时的三大系列16位微处理器。由于8位机应用广泛而且能解决问题，使16位单片机进入市场较晚，到1988年Inte l才推出MCS－96系列机。此机具有高速运算及高速处理和控制能力,具有16位的CPU，8位的外部总线（ 因此又称准16位机），丰富高效的指令系统，性能价格比优异，其售价只比8位机稍微高一些。片内有A ／D、PWM、Watchdog及灵活的中断系统。在工作频率12MHz时指令执行时间为1～2μs。由于性能功能均良好，一出现便引起工业界广泛注意 。在我国，早年以MCS－96应用多，近年来，Intel80C196、80C25 1、80C51XA等有广泛的应用 。生产16位机的厂家还有Motorola，MATRA－MHS，Mostek（Thomson），NEC ，OKI，Phil ips/Signetic，Sieme ns等。但到目前总产量仍不大，远低于8位机。不过由于采取了增强功能、提高性能、品种多样化和不断降低价格等措施，近年来发展迅速，估计90年代末期可望赶上8位机。所采取的措施主要有：

　　·增强运算能力，加大容量。片内有健全的乘除指令，RAM容量加大到2k，ROM到64k，可直接支持C和Forth语言；
　　·提高数据处理与传输能力。一般都增加了DMA传输和快速I／O功能；
　　·提高速度。如80C51XA工作频率达30MHz，HPC系列达40MHz。指令周期降至数μs。
　　·采用RISC结构。如Waterscale的PSC1000，Harris的RTX2000等均采用RISC结构。
         

   现今16位机以Intel的8096系列的产量，准16位机8098已停产。CMOS工艺的单片机以国家半导体的HPC系列的性能价格比，Hitachi的H8／500则是目前综合性能的单片机。

1．2．4　32位机

　　随着高技术在智能机器人、光盘、激光打印机、图像与数据实时处理、复杂实时控制、网络服务器等领域的应用发展，16位机已显得无能为力，需要32位机才能满足要求。80年代末推出了多种32位机产品　。如Motorola推出的产品68300、Intel的80960都是1989年出品。其共同特点是：

　　·寻址能力在GB级以上（存储、处理彩色图像需要特大存储器）；
　　·高指令执行速度。每秒M级条指令。如Intel的i960A速度为66MIPS；
　　·快速运算能力。有的嵌入浮点运算部件，运算能力大为增强；
　　·直接支持语言和实时多任务执行。如支持C、Forth语言。嵌入实时多任务操作系统。大多数采用RISC结构。除Motorola的MC68332、国家半导体的NS32CG160等仍用CISC外，均用RISC。 
            

1．2．5　64位机

　　64位机在引擎控制、智能机器人控制、磁盘控制、语音／图像通信、算法密集的实时控制等场合使用。但国内仍未见有应用。下面给出一个产品例子。

    英国Inmos公司的Transputer T800是64位高性能机。它集成有处理器、高速缓存、64位浮点运算器、存储控制器、串行接口，适用于超高速并行处理。

    中央处理器为32位，其浮点运算速度达12亿次／秒。RAM 4k，I／O链接通道4组20Mbit／s，时钟频率25MHz，数据传输率100MB／s，可寻址外部存储空间4GB。外存储器传输率33MB／s。

参考文献:

[1]. ROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.
[2]. RISC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RISC_1189725.html.
[3]. HCMOS datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/HCMOS_370361.html.
[4]. BCD datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/BCD_1225719.html.
[5]. MC6801 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MC6801_475455.html.
[6]. 80C51 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/80C51_103447.html.
[7]. MHS datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MHS_1022587.html.
[8]. M68000 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/M68000_463752.html.
[9]. RTX2000 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RTX2000_1187097.html.
[10]. MC68332 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MC68332_475442.html.
[11]. 25MHz datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/25MHz_1136611.html.