单片机应用技术简介

【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。单片机的核心是中央处理器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。因此，单片机有着自已的特点，主要是：〔1〕〔2 〕
　 ·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〔3〕
　 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位机可以一次处理一个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年才推出第一个单片机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，最高可达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系列用得最多。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的市场占有率最高，Motorola居中，Zilog最低。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最先推出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应用最多，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系列的产量最大，准16位机8098已停产。CMOS工艺的单片机以国家半导体的HPC系列的性能价格比最高，Hitachi的H8／500则是目前综合性能最好的单片机。