單片機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

單片機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀中文摘要關(guān)鍵詞：單片機(jī)，發(fā)展，應(yīng)用我國開始使用單片機(jī)是在1982年，短短五年時(shí)間里發(fā)展極為迅速。當(dāng)前世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機(jī),從8位、16位到32位等,但它們各具特色,互成互補(bǔ),為單片機(jī)的應(yīng)用提供廣闊的天地。單片機(jī)，亦稱單片微電腦或單片微型計(jì)算機(jī)。它是把中央處理器（CPU）、隨機(jī)存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、輸入/輸出端口（I/0）等主要計(jì)算機(jī)功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。MCUdevelopmentandapplicationstatusAbstractKeyWords:MCU，development，applicationStudyonMCS5IMieroController’sReverseAnatomizationandToDownDesignAbstraetTheworldwideeleetroniesindustry15raPidlymovingforwardovethePastdeeades.Assilieonteehnologyhaserossedthedeesubmieronthreshold,eeandesigntensofmillionsoftransistorsonsingleehiP.That15tosaysemieonduetorhasenteredintotherealm“SystemonaChip(SoC)”.TheresearehontheteehnoloofIpeordesign15eoneernedbybothresearehsoeietyandindustryworl.BeeauseofthewideuseofMCS51MieroControllerandtheimPortanmeaningofMCUeoredesign,westudyonMCS51reverseanatomiztionandToPDownDesignThegoalofthisartiele15todesignaMCS51MieroControllerehiTheMainworkandaehievementsareasfollows.XX大學(xué)XX屆本科畢業(yè)論文目錄TOC\o"1-3"\h\u4896中文摘要 I28252Abstract II115201.單片機(jī)簡介 2105551.1.單片機(jī)在我國的普及……… 2206151.2.單片機(jī)的構(gòu)成……… 2152962.單片機(jī)的發(fā)展 484802.1.單片機(jī)長壽命……… 4205722.2.8位、16位、32位單片機(jī)共同發(fā)展……… 419222.3.單片機(jī)速度越來越快……… 4109232.4.低電壓與低功耗……… 5250373.單片機(jī)應(yīng)用的可靠性技術(shù) 5110743.1.EFT(EllectricalFastTransient)技術(shù)…… 5205483.2.低噪聲布線技術(shù)及驅(qū)動技術(shù)…… 5131333.3.采用低頻時(shí)鐘…… 6152964.單片機(jī)的發(fā)展 684804.1.低功耗COSM化……… 6205724.2.微型單片化……… 619224.3.主流與多品種共存……… 784804.4.大容量、高性能……… 7205724.5.串行擴(kuò)展技術(shù)……… 77177參考文獻(xiàn) 8

單片機(jī)簡介1.1.單片機(jī)在我國的普及我國開始使用單片機(jī)是在1982年，短短五年時(shí)間里發(fā)展極為迅速。1986年在上海召開了全國首屆單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用交流會，有的地區(qū)還成立了單片微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用協(xié)會，那是全國形成的第一次高潮。截止今日，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)飛速發(fā)展，我們上因特網(wǎng)輸入一個(gè)“單片機(jī)”的搜索，將會看到上萬個(gè)介紹單片機(jī)的網(wǎng)站，這還不包括國外的。與它相應(yīng)的專業(yè)雜志現(xiàn)在也有很多，比如由單片機(jī)界的權(quán)威何立民主編的《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》雜志現(xiàn)以風(fēng)靡電子界，在2003年7月，91在上海、廣州、北京等大城市所做的一次專業(yè)人才需求報(bào)告中，單片機(jī)人才的需求量位居第一。1.2.單片機(jī)的構(gòu)成單片機(jī)，亦稱單片微電腦或單片微型計(jì)算機(jī)。它是把中央處理器（CPU）、隨機(jī)存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、輸入/輸出端口（I/0）等主要計(jì)算機(jī)功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。我們以打算盤為例計(jì)算一道算術(shù)題。例：36＋163×156－166÷34?，F(xiàn)在要進(jìn)行運(yùn)算，首先需要一把算盤，其次是紙和筆。我們把要計(jì)算的問題記錄下來，然后第一步先算163×156，把它與36相加的結(jié)果記在紙上，然后計(jì)算166÷34，再把它從上一次結(jié)果中減去，就得到最后的結(jié)果。

現(xiàn)在，我們用單片機(jī)來完成上述過程，顯然，它首先要有代替算盤進(jìn)行運(yùn)算的部件，這就是“運(yùn)算器”；其次，要有能起到紙和筆作用的器件，即能記憶原始題目、原始數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，還要記住使單片機(jī)能自動進(jìn)行運(yùn)算而編制的各種命令。這類器件就稱為“存貯器”。此外，還需要有能代替人作用的控制器，它能根據(jù)事先給定的命令發(fā)出各種控制信號，使整個(gè)計(jì)算過程能一步步地進(jìn)行。但是光有這三部分還不夠，原始的數(shù)據(jù)與命令要輸入，計(jì)算的結(jié)果要輸出，都需要按先后順序進(jìn)行，有時(shí)還需等待。如上例中，當(dāng)在計(jì)算163×156時(shí)，數(shù)字36就不能同時(shí)進(jìn)入運(yùn)算器。因此就需要在單片機(jī)上設(shè)置按控制器的命令進(jìn)行動作的“門”，當(dāng)運(yùn)算器需要時(shí)，就讓新數(shù)據(jù)進(jìn)入。

或者，當(dāng)運(yùn)算器得到最后結(jié)果時(shí)，再將此結(jié)果輸出，而中間結(jié)果不能隨便“溜出”單片機(jī)。這種對輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行一定管理的“門”電路在單片機(jī)中稱為“口”（Port）。在單片機(jī)中，基本上有三類信息在流動，一類是數(shù)據(jù)，即各種原始數(shù)據(jù)（如上例中的36、163等）、中間結(jié)果（如166÷34所得的商4、余數(shù)30等）、程序（命令的集合）等。這樣要由外部設(shè)備通過“口”進(jìn)入單片機(jī)，再存放在存貯器中，在運(yùn)算處理過程中，數(shù)據(jù)從存貯器讀入運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的中間結(jié)果要存入存貯器中，或最后由運(yùn)算器經(jīng)“出入口”輸出。用戶要單片機(jī)執(zhí)行的各種命令（程序）也以數(shù)據(jù)的形式由存貯器送入控制器，由控制器解讀（譯碼）后變?yōu)楦鞣N控制信號，以便執(zhí)行如加、減、乘、除等功能的各種命令。所以，這一類信息就稱為控制命令，即由控制器去控制運(yùn)算器一步步地進(jìn)行運(yùn)算和處理，又控制存貯器的讀（取出數(shù)據(jù)）和寫（存入數(shù)據(jù)）等。第三類信息是地址信息，其作用是告訴運(yùn)算器和控制器在何處去取命令取數(shù)據(jù)，將結(jié)果存放到什么地方，通過哪個(gè)口輸入和輸出信息等。

存貯器又分為只讀存貯器和讀寫存貯器兩種，前者存放調(diào)試好的固定程序和常數(shù)，后者存放一些隨時(shí)有可能變動的數(shù)據(jù)。

顧名思義，只讀存貯器一旦將數(shù)據(jù)存入，就只能讀出，不能更改（EPROM、E2PROM等類型的ROM可通過一定的方法來更改、寫入數(shù)據(jù)——編者注）。而讀寫存貯器可隨時(shí)存入或讀出數(shù)據(jù)。實(shí)際上，人們往往把運(yùn)算器和控制器合并稱為中央處理單元——CPU。單片機(jī)除了進(jìn)行運(yùn)算外，還要完成控制功能。所以離不開計(jì)數(shù)和定時(shí)。因此，在單片機(jī)中就設(shè)置有定時(shí)器兼計(jì)數(shù)器，其基本結(jié)構(gòu)與本連載之（二）中的舉例類似。

到這里為止，我們已經(jīng)知道了單片機(jī)的基本組成，即單片機(jī)是由中央處理器（即CPU中的運(yùn)算器和控制器）、只讀存貯器（通常表示為ROM）、讀寫存貯器（又稱隨機(jī)存貯器通常表示為RAM）、輸入/輸出口（又分為并行口和串行口，表示為I/O口）等等組成。實(shí)際上單片機(jī)里面還有一個(gè)時(shí)鐘電路，使單片機(jī)在進(jìn)行運(yùn)算和控制時(shí)，都能有節(jié)奏地進(jìn)行。另外，還有所謂的“中斷系統(tǒng)”，這個(gè)系統(tǒng)有“傳達(dá)室”的作用，當(dāng)單片機(jī)控制對象的參數(shù)到達(dá)某個(gè)需要加以干預(yù)的狀態(tài)時(shí)，就可經(jīng)此“傳達(dá)室”通報(bào)給CPU，使CPU根據(jù)外部事態(tài)的輕重緩急來采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)付措施。

實(shí)際上，單片機(jī)內(nèi)部有一條將它們連接起來的“紐帶”，即所謂的“內(nèi)部總線”。此總線有如大城市的“干道”，而CPU、ROM、RAM、I/O口、中斷系統(tǒng)等就分布在此“總線”的兩旁，并和它連通。從而，一切指令、數(shù)據(jù)都可經(jīng)內(nèi)部總線傳送，有如大城市內(nèi)各種物品的傳送都經(jīng)過干道進(jìn)行。2.單片機(jī)的發(fā)展自單片機(jī)出現(xiàn)至今，單片機(jī)技術(shù)已走過了近20年的發(fā)展路程?？v觀20年來單片機(jī)發(fā)展歷程可以看出，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展以微處理器(MPU)技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展為先導(dǎo)，以廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域拉動，表現(xiàn)出較微處理器更具個(gè)性的發(fā)展2.1.單片機(jī)長壽命這里所說的長壽命，一方面指用單片機(jī)開發(fā)的產(chǎn)品可以穩(wěn)定可靠地工作

十年、二十年，另一方面是指與微處理器相比的長壽命。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，

MPU更新?lián)Q代的速度越來越快，以386、486、586為代表的MPU，很短的時(shí)間內(nèi)就被淘汰出

局，而傳統(tǒng)的單片機(jī)如68HC05、8051等年齡已有15歲，產(chǎn)量仍是上升的。這一方面是由

于其對相應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域的適應(yīng)性，另一方面是由于以該類CPU為核心，集成以更多I/O功能

模塊的新單片機(jī)系列層出不窮?？梢灶A(yù)見，一些成功上市的相對年輕的CPU核心，也會隨

著I/O功能模塊的不斷豐富，有著相當(dāng)長的生存周期。新的CPU類型的加盟,使單片機(jī)隊(duì)伍

不斷壯大,給用戶帶來了更多的選擇余地。

2.2.8位、16位、32位單片機(jī)共同發(fā)展這是當(dāng)前單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的另一動向。長期以來，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展是以8位機(jī)為主的。隨著移動通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進(jìn)入家庭，32位單片機(jī)應(yīng)用得到了長足發(fā)展。以Motorola68K為CPU的32位單片機(jī)97年的銷售量達(dá)8千萬枚。過去認(rèn)為由于8位單片機(jī)功能越來越強(qiáng)，32位機(jī)越來越便宜，使16位單片機(jī)生存空間有限，而16位單片機(jī)的發(fā)展無論從品種和產(chǎn)量方面，近年來都有較大幅度的增長。

2.3.單片機(jī)速度越來越快MPU發(fā)展中表現(xiàn)出來的速度越來越快是以時(shí)鐘頻率越來越高為標(biāo)志的。而單片機(jī)則有所不同，為提高單片機(jī)抗干擾能力，降低噪聲，降低時(shí)鐘頻率而不犧牲運(yùn)算速度是單片機(jī)技術(shù)發(fā)展之追求。一些8051單片機(jī)兼容廠商改善了單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)序，在不提高時(shí)鐘頻率的條件下，使運(yùn)算速度提高了很多，Motorola單片機(jī)則使用了瑣相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)使內(nèi)部總線速度大大高于時(shí)鐘產(chǎn)生器的頻率。68HC08單片機(jī)使用4.9M外部振蕩器而內(nèi)部時(shí)鐘達(dá)32M，而M68K系列32位單片機(jī)使用32K的外部振蕩器頻率內(nèi)部時(shí)鐘可達(dá)16MHz以上。

2.4.低電壓與低功耗自80年代中期以來，NMOS工藝單片機(jī)逐漸被CMOS工藝代替，功耗得以大幅度下降，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)由3μm工藝發(fā)展到1.5、1.2、0.8、0.5、0.35

近而實(shí)現(xiàn)0.2μm工藝，全靜態(tài)設(shè)計(jì)使時(shí)鐘頻率從直流到數(shù)十兆任選，都使功耗不斷下降。Motorola最近推出任選的M.CORE可在1.8V電壓下以50M/48MIPS全速工作，功率約為20mW。幾乎所有的單片機(jī)都有Wait、Stop等省電運(yùn)行方式。允許使用的電源電壓范圍也越來越寬。一般單片機(jī)都能在3到6V范圍內(nèi)工作，對電池供電的單片機(jī)不再需要對電源采取穩(wěn)壓措施。低電壓供電的單片機(jī)電源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。0.9V供電的單片機(jī)已經(jīng)問世。3.單片機(jī)應(yīng)用的可靠性技術(shù)在單片機(jī)應(yīng)用中，可靠性是首要因素為了擴(kuò)大單片機(jī)的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域，提高單片機(jī)自身的可靠性是一種有效方法。近年來，單片機(jī)的生產(chǎn)廠家在單片機(jī)設(shè)計(jì)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(diǎn)：3.1.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(shí)，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(shí)鐘，在交替使用施密特電路和RC濾波電路時(shí)，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(shí)鐘信號正常工作。這樣，就提高了單片機(jī)工作的可靠性。Motorola公司的MC68HC08系列單片機(jī)就采用了這種技術(shù)。3.2.低噪聲布線技術(shù)及驅(qū)動技術(shù)在傳統(tǒng)的單片機(jī)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(diǎn)上。這樣，就使電源噪聲穿過整塊芯片，對單片機(jī)的內(nèi)部電路造成干擾?，F(xiàn)在，很多單片機(jī)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(gè)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。現(xiàn)在為了適應(yīng)各種應(yīng)用的需要，很多單片機(jī)的輸出能力都有了很大提高，Motorola公司的單片機(jī)I/O口的灌拉電流可達(dá)8mA以上，而Microchip公司的單片機(jī)可達(dá)25mA。其它公司：AMD，F(xiàn)ujitsu，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(shí)帶來了各種噪聲，為了減少這種影響，現(xiàn)在單片機(jī)采用多個(gè)小管子并聯(lián)等效一個(gè)大管子的方法，并在每個(gè)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(shí)產(chǎn)生的噪聲。3.3.采用低頻時(shí)鐘高頻外時(shí)鐘是噪聲源之一，不僅能對單片機(jī)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(shí)鐘有利于降低系統(tǒng)的噪聲。在一些單片機(jī)中采用內(nèi)部瑣相環(huán)技術(shù)，則在外部時(shí)鐘較低時(shí)，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(jī)就采用了這種技術(shù)以提高可靠性4.單片機(jī)的發(fā)展趨勢現(xiàn)在可以說單片機(jī)是百花齊放的時(shí)期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機(jī),從8位、16位到32位,數(shù)不勝數(shù),應(yīng)有盡有,它們各具特色,互成互補(bǔ),為單片機(jī)的應(yīng)用提供廣闊的天地?？v觀單片機(jī)的發(fā)展過程,可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢。4.1.低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出時(shí)的功耗達(dá)630mW,而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在100mW左右,隨著對單片機(jī)功耗要求越來越低,現(xiàn)在的各個(gè)單片機(jī)制造商基本都采用了CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。80C51就采用了HMOS(即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)和CHMOS(互補(bǔ)高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。CMOS雖然功耗較低,但由于其物理特征決定其工作速度不夠高,而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點(diǎn),這些特征,更適合于在要求低功耗,電池供電的應(yīng)用場合。所以這種工藝將是今后一段時(shí)期單片機(jī)發(fā)展的主要途徑。4.2.微型單片化現(xiàn)在常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口,中斷系統(tǒng)、定時(shí)電路、時(shí)鐘電路集成在一塊單一的芯片上,增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如A/D轉(zhuǎn)換器、PMW(脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機(jī)將LCD(液晶)驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上,這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多,功能就越強(qiáng)大。甚至單片機(jī)廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做,制造出具有自己特色的單片機(jī)芯片。此外,現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕,這就要求單片機(jī)除了功能強(qiáng)和功耗低外,還要求其體積要小?，F(xiàn)在的許多單片機(jī)都具有多種封裝形式,其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎,使得由單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。4.3.主流與多品種共存現(xiàn)在雖然單片機(jī)的品種繁多,各具特色,但仍以80C51為核心的單片機(jī)占主流,兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有PHILIPS公司的產(chǎn)品,ATMEL公司的產(chǎn)品和中國臺灣的Winbond系列單片機(jī)。所以C8051為核心的單片機(jī)占據(jù)了半壁江山。而Microchip公司的PIC精簡指令集(RISC)也有著強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭,中國臺灣的HOLTEK公司近年的單片機(jī)產(chǎn)量與日俱增,與其低價(jià)質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢,占據(jù)一定的市場分額。此外還有MOTOROLA公司的產(chǎn)品,日本幾大公司的專用單片機(jī)。在一定的時(shí)期內(nèi),這種情形將得以延續(xù),將不存在某個(gè)單片機(jī)一統(tǒng)天下的壟斷局面,走的是依存互補(bǔ),相輔相成、共同發(fā)展的道路。4.4.大容量、高性能以