單片機應用技術簡介

【摘　要】綜述了單片機應用技術的進展和動向。給出了4，8，16，32，64位單片機的特點和功能，以及專用總線、軟件和應用程序開發(fā)工具等內容。
關鍵詞：單片機 綜述 應用技術
　
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，已能集成一個完整的功能強大、性能優(yōu)良的計算機應用系統(tǒng)。但目前國內許多單片機應用單位仍停留在采用片內無ROM等低檔單片機的狀態(tài)，無論在系統(tǒng)設計上、使用維護上、經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)展現狀進行綜述，希望能對提高國內單片機技術的應用水平有所促進。
1　單片機的硬件
　 單片微型計算機，簡稱單片機，是微型計算機的一個分支。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)測控領域，故又稱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(guī)模集成技術把CPU集成在一塊芯片上，稱為微處理器。微處理器、微控制器和微型計算機三者的關系十分密切。目前，單片機在工業(yè)測控領域中已占重要地位。各電氣廠商、機電行業(yè)和測控企業(yè)都把單片機作為本部門產品更新換代、產品智能化的重要工具。全世界單片機的生產廠家有30多家，能生產60多個系列，1000多個型號的產品。產量大，僅1996年的產量就達18億片。
1．1　單片機的特點
單片機問世以來所走的路與微處理器是不同的。微處理器向著高速運算、數據分析與處理能力、大規(guī)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足外設和網絡接口而設計的 。單片機則是從工業(yè)測控對象、環(huán)境、接口特點出發(fā)，向著增強控制功能、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(tǒng)的界面接口的方向發(fā)展。因此，單片機有著自已的特點，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(tǒng)開發(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；
　 ·提高性能，擴大容量。集成度已達200萬個晶體管以上。總線工作速度已達數十微秒。工作頻率達到30MHz甚至40MHz。指令執(zhí)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、鍵盤控制、函數發(fā)生器、比較器等，構成一個完整的功能強的計算機應用系統(tǒng)；
　 ·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。在生產工藝上以CMOS代替NMOS，并向HCMOS過渡；
　 ·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。使用戶開發(fā)單片機應用系統(tǒng)時更快速、方便。使有可能做到用一周時間開發(fā)一個新的應用產品；
　 ·系統(tǒng)擴展與配置。有供擴展外部電路用的三總線結構DB、AB、CB，以方便構成各種應用系統(tǒng)。根據單片機網絡系統(tǒng)、多機系統(tǒng)的特點專門開發(fā)出單片機串行總線。此外，還特別配置有傳感器，人機對話 、網絡多通道等接口，以便構成網絡和多機系統(tǒng)。
1．2　單片機的性能〔3〕
　 單片機通常按其微處理器字長的位數來分類，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。此后各廠家相繼推出4位機產品。因4位機每次只能處理一位BCD碼數據，故只適于簡單控制場合。但因其價廉，在家電等消費類產品中仍有廣泛應用。近年來 ，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(zhí)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、過零檢測、比較器、計數器、定時器、圖形顯示、遙控等。
　 但即使如此，4位機的市場占有率仍然較小。性能如表1（篇幅所限，僅舉數種說明）所列。

1．2．2　8位機
　 由于8位機可以一次處理一個ASCII字符，因而用途十分廣泛。如顯示、終端鍵盤、打印、字處理、工業(yè)控制等。市場占有率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系列產品，其性能大大超過48系列產品。如計算速度為48系列的10倍，時鐘12MHz時指令周期可為1μs等。Motorola到78年才推出第一個單片機MC6801系列，不過，功能已相當豐富，如嵌入有EEPROM、A／D、LED驅動、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(tǒng)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產品兼容。它的特點是時鐘頻率更高 ，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域之一為工業(yè)測控 ，用于此領域的單片機多為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8位機的廠家相當多，品種型號很多。在我國，主流則是上述幾家公司的派系產品。而每一派系又有多個廠家及其多種型號產品。如屬于Intel派系的有Philips／Signetics，Siemens，AMD，OKI，MARTRA－MHS等公司型號的產品。屬于Motorola派系的有Hitachi，Mitsubish，Rockwell，WDC等公司型號產品。屬于Zilog派系的有NEC，Hitachi,SGS－Thomson等公司型號的產品。在這幾個派系中以Intel的市場占有率最高，Motorola居中，Zilog最低。為了占領市場，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位機的價格，很適于質高價廉的場合。

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題，使16位單片機進入市場較晚，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（ 因此又稱準16位機），豐富高效的指令系統(tǒng)，性能價格比優(yōu)異，其售價只比8位機稍微高一些。片內有A ／D、PWM、Watchdog及靈活的中斷系統(tǒng)。在工作頻率12MHz時指令執(zhí)行時間為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，Intel80C196、80C25 1、80C51XA等有廣泛的應用 。生產16位機的廠家還有Motorola，MATRA－MHS，Mostek（Thomson），NEC ，OKI，Phil ips/Signetic，Sieme ns等。但到目前總產量仍不大，遠低于8位機。不過由于采取了增強功能、提高性能、品種多樣化和不斷降低價格等措施，近年來發(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／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系列的產量最大，準16位機8098已停產。CMOS工藝的單片機以國家半導體的HPC系列的性能價格比最高，Hitachi的H8／500則是目前綜合性能最好的單片機。