單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)簡介

【摘　要】綜述了單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)展和動(dòng)向。給出了4，8，16，32，64位單片機(jī)的特點(diǎn)和功能，以及專用總線、軟件和應(yīng)用程序開發(fā)工具等內(nèi)容。
關(guān)鍵詞：單片機(jī) 綜述 應(yīng)用技術(shù)
　
單片機(jī)在集成度、功能、性能、體系結(jié)構(gòu)方面都有了飛速發(fā)展，已能集成一個(gè)完整的功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。但目前國內(nèi)許多單片機(jī)應(yīng)用單位仍停留在采用片內(nèi)無ROM等低檔單片機(jī)的狀態(tài)，無論在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上、使用維護(hù)上、經(jīng)濟(jì)效益上這都是不合算的。這種狀況必須改變。本文就單片機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，希望能對提高國內(nèi)單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用水平有所促進(jìn)。
1　單片機(jī)的硬件
　 單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)，是微型計(jì)算機(jī)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(chǔ)器、I／O接口等而構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)。因主要用于工業(yè)測控領(lǐng)域，故又稱為微控制器或嵌入式控制器。單片機(jī)的核心是中央處理器CPU。用超大規(guī)模集成技術(shù)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(jì)算機(jī)三者的關(guān)系十分密切。目前，單片機(jī)在工業(yè)測控領(lǐng)域中已占重要地位。各電氣廠商、機(jī)電行業(yè)和測控企業(yè)都把單片機(jī)作為本部門產(chǎn)品更新?lián)Q代、產(chǎn)品智能化的重要工具。全世界單片機(jī)的生產(chǎn)廠家有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(dá)18億片。
1．1　單片機(jī)的特點(diǎn)
單片機(jī)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(yùn)算、數(shù)據(jù)分析與處理能力、大規(guī)模容量存儲(chǔ)等方向發(fā)展，以提高通用計(jì)算機(jī)的性能。其接口界面也是為了滿足外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)接口而設(shè)計(jì)的 。單片機(jī)則是從工業(yè)測控對象、環(huán)境、接口特點(diǎn)出發(fā)，向著增強(qiáng)控制功能、提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性、靈活方便的構(gòu)成應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的界面接口的方向發(fā)展。因此，單片機(jī)有著自已的特點(diǎn)，主要是：〔1〕〔2 〕
　 ·品種多樣，型號繁多。品種型號逐年擴(kuò)充以適應(yīng)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(shù)；
　 ·提高性能，擴(kuò)大容量。集成度已達(dá)200萬個(gè)晶體管以上?？偩€工作速度已達(dá)數(shù)十微秒。工作頻率達(dá)到30MHz甚至40MHz。指令執(zhí)行周期減到數(shù)十微秒。存儲(chǔ)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(nèi)?，F(xiàn)今的單片機(jī)已發(fā)展到在一塊含有CPU的芯片上，除嵌入RAM、ROM存儲(chǔ)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(qū)動(dòng)、鍵盤控制、函數(shù)發(fā)生器、比較器等，構(gòu)成一個(gè)完整的功能強(qiáng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)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(chǎn)工藝上以CMOS代替NMOS，并向HCMOS過渡；
　 ·應(yīng)用軟件配套。提供了軟件庫，包括標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用軟件，示范設(shè)計(jì)方法。使用戶開發(fā)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)更快速、方便。使有可能做到用一周時(shí)間開發(fā)一個(gè)新的應(yīng)用產(chǎn)品；
　 ·系統(tǒng)擴(kuò)展與配置。有供擴(kuò)展外部電路用的三總線結(jié)構(gòu)DB、AB、CB，以方便構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)。根據(jù)單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、多機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)專門開發(fā)出單片機(jī)串行總線。此外，還特別配置有傳感器，人機(jī)對話 、網(wǎng)絡(luò)多通道等接口，以便構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)和多機(jī)系統(tǒng)。
1．2　單片機(jī)的性能〔3〕
　 單片機(jī)通常按其微處理器字長的位數(shù)來分類，如4、8、16、32、64位單片機(jī)。
1．2．1　4位機(jī)
　 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(jī)產(chǎn)品。因4位機(jī)每次只能處理一位BCD碼數(shù)據(jù)，故只適于簡單控制場合。但因其價(jià)廉，在家電等消費(fèi)類產(chǎn)品中仍有廣泛應(yīng)用。近年來 ，為了抵御8位機(jī)的侵蝕，4位機(jī)在結(jié)構(gòu)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(dá)到1μs．ROM為32～64kB，RAM為4k×4位。這些增強(qiáng)性能已與8位機(jī)相當(dāng)；
　 ·將LED、LCD、VFD等顯示驅(qū)動(dòng)集成在單片中。這種增強(qiáng)的I／O功能甚至比一般的8位機(jī)還強(qiáng)；　
　·降低功耗。低于2．2V電壓和μA級電流也能運(yùn)行。這比一般8位機(jī)還低一些；
　 ·采用類似于RISC的結(jié)構(gòu)。使4位機(jī)的性能大幅度提高；
　 ·針對特定的應(yīng)用加入特定的功能。如A／D、D／A、過零檢測、比較器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、圖形顯示、遙控等。
　 但即使如此，4位機(jī)的市場占有率仍然較小。性能如表1（篇幅所限，僅舉數(shù)種說明）所列。

1．2．2　8位機(jī)
　 由于8位機(jī)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、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(qiáng)。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(jī)MCS－48系列。1980年又推出MCS－51系列產(chǎn)品，其性能大大超過48系列產(chǎn)品。如計(jì)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(jī)MC6801系列，不過，功能已相當(dāng)豐富，如嵌入有EEPROM、A／D、LED驅(qū)動(dòng)、PWM輸出等，成為功能很強(qiáng)的工業(yè)控制器。Zilog也在78年推出Z8系列單片機(jī)，它一開始就以一種新面貌出現(xiàn)，不單可用作單片機(jī)，還可作為微處理器用于微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。值得特別提出的是，Atmel公司推出的89C系列單片機(jī)〔4〕，其內(nèi)核與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)33MHz，最高可達(dá)40MHz，因而運(yùn)算速度更快。我國單片機(jī)主要應(yīng)用領(lǐng)域之一為工業(yè)測控 ，用于此領(lǐng)域的單片機(jī)多為8位機(jī)，而以MCS－51系列和AT89C5系列用得最多。不少高校的微機(jī)原理或單片機(jī)原理課程都以這種機(jī)型為背景機(jī)。
　 生產(chǎn)8位機(jī)的廠家相當(dāng)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的市場占有率最高，Motorola居中，Zilog最低。為了占領(lǐng)市場，Motorola還研制了6804／68HC04芯片，它是介于4位機(jī)與8位機(jī)之間的系列，CPU處理8位數(shù)據(jù)，運(yùn)行8位指令，但數(shù)據(jù)則是每次串行輸出一位，設(shè)計(jì)目標(biāo)是4位機(jī)的價(jià)格，很適于質(zhì)高價(jià)廉的場合。

1．2．3　16位機(jī)
　 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(dāng)時(shí)的三大系列16位微處理器。由于8位機(jī)應(yīng)用廣泛而且能解決問題，使16位單片機(jī)進(jìn)入市場較晚，到1988年Inte l才推出MCS－96系列機(jī)。此機(jī)具有高速運(yùn)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(zhǔn)16位機(jī)），豐富高效的指令系統(tǒng)，性能價(jià)格比優(yōu)異，其售價(jià)只比8位機(jī)稍微高一些。片內(nèi)有A ／D、PWM、Watchdog及靈活的中斷系統(tǒng)。在工作頻率12MHz時(shí)指令執(zhí)行時(shí)間為1～2μs。由于性能功能均良好，一出現(xiàn)便引起工業(yè)界廣泛注意 。在我國，早年以MCS－96應(yīng)用最多，近年來，Intel80C196、80C25 1、80C51XA等有廣泛的應(yīng)用 。生產(chǎn)16位機(jī)的廠家還有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(yuǎn)低于8位機(jī)。不過由于采取了增強(qiáng)功能、提高性能、品種多樣化和不斷降低價(jià)格等措施，近年來發(fā)展迅速，估計(jì)90年代末期可望趕上8位機(jī)。所采取的措施主要有：
　 ·增強(qiáng)運(yùn)算能力，加大容量。片內(nèi)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(shù)據(jù)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(dá)30MHz，HPC系列達(dá)40MHz。指令周期降至數(shù)μs。
　 ·采用RISC結(jié)構(gòu)。如Waterscale的PSC1000，Harris的RTX2000等均采用RISC結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)今16位機(jī)以Intel的8096系列的產(chǎn)量最大，準(zhǔn)16位機(jī)8098已停產(chǎn)。CMOS工藝的單片機(jī)以國家半導(dǎo)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(jī)。