所謂單片機(jī),就是把中央處理器CPU(Central Processing Unit)、存儲(chǔ)器(Memory)、定時(shí)器、I/0(Input/Output)接口電路等一些計(jì)算機(jī)的主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。雖然單片機(jī)只是一個(gè)芯片,但從組成和功能上看,它已具有了微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的含義。中文“單片機(jī)”的稱呼由英文名稱“Single Chip Microcomputer”直接翻譯而來。單片機(jī)把微型計(jì)算機(jī)的各主要部分集成在一塊芯片上,大大縮短了系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)傳送距離,從而提高了系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)行速度。因而在工業(yè)測控領(lǐng)域中,單片機(jī)系統(tǒng)是最理想的控制系統(tǒng)。所以,單片機(jī)是典型的嵌人式系統(tǒng),是嵌入式系統(tǒng)低端應(yīng)用的最佳選擇。
一、單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的四個(gè)階段
------ 單片機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了探索---完善---MCU化---百花齊放四個(gè)階段。
1、芯片化探索階段
20世紀(jì)70午代,美國的Fairchild(仙童)公司首先推出了第一款單片機(jī)F-8,隨后Intel公司推出了影響面大、應(yīng)用更廣的MCS48單片機(jī)系列。MCS48單片機(jī)系列的推出標(biāo)志著在工業(yè)控制領(lǐng)域,進(jìn)入到智能化嵌入式應(yīng)用的芯片形態(tài)計(jì)算機(jī)的探索階段。參與這一探索階段的還有Motorola、Zilog和Ti等大公司,它們都取得了滿意的探索效果,確立了在SCMC的嵌入式應(yīng)用中的地位。這就是Single
Chip Microcomputer的誕生年代,單片機(jī)一詞即由此而來。這一時(shí)期的特點(diǎn)是:
◆ 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的芯片集成設(shè)計(jì)；
◆ 少資源、無軟件,只保證基本控制功能。
2．結(jié)構(gòu)體系的完善階段
在MCS-48探索成功的基礎(chǔ)上很快推出了完善的、典型的單片機(jī)系列MCS-5l。MCS-51系列單片機(jī)的推出,標(biāo)志Single
Chip Microcomputer體系結(jié)構(gòu)的完善。它在以下幾個(gè)方面奠定了典型的通用總線型單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。
①完善的總線結(jié)構(gòu):
◆并行總線:8位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線及相應(yīng)的控制總線,兩個(gè)獨(dú)立的地址空間；
●串行總線:通信總線,擴(kuò)展總線。
②完善的指令系統(tǒng):
◆具有很強(qiáng)的位處理功能和邏輯控制功能,以滿足工業(yè)控制等方面的需要；
◆功能單元的SFR(特殊功能寄存器)集中管理。
③完善的MCS-51成為SCMC的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)。
日后,許多電氣商在MCS-51的內(nèi)核和體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,生產(chǎn)出各具特色的單片機(jī)。
3．從SCMC向MCU化過渡階段
Intel公司推出的MCS96單片機(jī),將一些用于測控系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、程序運(yùn)行監(jiān)視器(WDT)、脈寬調(diào)制器(PWM)、高速I/O口納入片中,體現(xiàn)了單片機(jī)的微控制器特征。MCS-51單片機(jī)系列向各大電氣商的廣泛擴(kuò)散,許多電氣商競相使用80C51為核,將許多測控系統(tǒng)中使用的電路技術(shù)、接口技術(shù)、可靠性技術(shù)應(yīng)用到單片機(jī)中；隨著單片機(jī)內(nèi)外圍功能電路的增強(qiáng),強(qiáng)化了智能控制器特征。微控制器(Microcontrollers)成為單片機(jī)較為準(zhǔn)確表達(dá)的名詞。其特點(diǎn)是:
①滿足嵌入式應(yīng)用要求的外圍擴(kuò)展,如WDT、PWM、ADC、DAC、高速I/0口等。
②眾多計(jì)算機(jī)外圍功能集成,如:
◆提供串行擴(kuò)展總線:SPI、I2C、BUS、Microwire；
◆配置現(xiàn)場總線接口:CAN BUS。
③CMOS化,提供功耗管理功能。
④提供OTP供應(yīng)狀態(tài),利于太規(guī)模和批量生產(chǎn)。
4．MCU的百花齊放階段
單片機(jī)發(fā)展到這一階段,表明單片機(jī)已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍采用的智能化控制工具-----小到玩具、家電行業(yè),大到車載、艦船電子系統(tǒng),遍及計(jì)量測試、工業(yè)過程控制、機(jī)械電子、金融電子、商用電子、辦公自動(dòng)化、工業(yè)機(jī)器人、軍事和航空航天等領(lǐng)域。為滿足不同的要求,出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力和多機(jī)通信能力的8位、16位、32位通用型單片機(jī),小型廉價(jià)型、外圍系統(tǒng)集成的專用型單片機(jī),以及形形色色各具特色的現(xiàn)代單片機(jī)。可以說,單片機(jī)的發(fā)展進(jìn)人了百花齊放的時(shí)代,為用戶的選擇提供了空間。這一時(shí)期的特點(diǎn)為:
(1)電氣商、半導(dǎo)體商的普遍介入
MCS-48的成功,刺激了許多半導(dǎo)體公司競相研制和發(fā)展自己的單片機(jī)系列。到目前為止,世界各地廠商已相繼研制出大約50個(gè)系列300多個(gè)品種的單片機(jī)產(chǎn)品,其中較有代表性的有Motorola公司的6801、6802,Zilog公司的Z-8系列,Microchip公司的PIC系列等。此外,開本的NEC公司、日立公司也都推出了各自具有特色的單片機(jī)品種。
(2)大力發(fā)展專用單片機(jī)
通用型與專用型是按某一型號(hào)單片機(jī)適用范圍區(qū)分的。例如,80C51是通用型單片機(jī),它并不是為某一種專門用途設(shè)計(jì)的單片機(jī)；而專用型單片機(jī)是針對(duì)某一類產(chǎn)品甚至某個(gè)產(chǎn)品需要而設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的單片機(jī)。例如,來電顯示電話中配有液晶驅(qū)動(dòng)器接口的單片機(jī)和全自動(dòng)洗衣機(jī)中的微控制器,都是專用單片機(jī)；特別是小家電、玩具領(lǐng)域的單片機(jī),因?yàn)樾》庋b、價(jià)格低廉一外圍器件、外設(shè)接口集成度高,多數(shù)為專用單片機(jī)。
(3)提高綜合品質(zhì)
在體系結(jié)構(gòu)(RISC)、電磁兼容性能(EMC)、開發(fā)環(huán)境(高級(jí)語言支持ISP、IAP等)、功耗管理等諸方面得到了提高。根據(jù)控制單元設(shè)計(jì)的方式與采用的技術(shù)不同,目前市場上的這些單片機(jī)可區(qū)分為兩大類型:繁雜指令集結(jié)構(gòu)(CISC架構(gòu))和精簡指令集結(jié)構(gòu)(RISC架構(gòu))。繁雜指令集結(jié)構(gòu)(CISC)的特點(diǎn)是指奪數(shù)量多,尋址方式豐富,較適合初學(xué)者系統(tǒng)學(xué)習(xí),如INTEL的80C51或80C196、
MC68K；而精簡指令集結(jié)構(gòu)(RISC)具有較少的指令與尋址模式,結(jié)構(gòu)簡單,成本較低,執(zhí)行程序的速度較快,成為單片機(jī)的后起之秀,如PIC、EM78XXX和Z86HCXX。
ISP(In System Programming)和IAP(In Application
Programming)方式是兩種先進(jìn)的實(shí)時(shí)在線開發(fā)方式。它們無須傳統(tǒng)的開發(fā)裝置,借助計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的高性能,實(shí)現(xiàn)了真正的在線仿真。
(4)C語言的廣泛支持
◆單片機(jī)普遍支持C語言編程,為后來者學(xué)習(xí)和應(yīng)用單片機(jī)提供了方便；
◆高級(jí)語言減少了選型障礙,便于程序的優(yōu)化、升級(jí)和交流。
(5)多種選擇下的選擇原則
●尋求最簡化的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)；
◆盡可能選擇專用單片機(jī)；
◆綜合考慮下進(jìn)行合理的選擇。
二、80C51單片機(jī)的家族簡介
雖然目前單片機(jī)的品種很多,但其中最具代表性的當(dāng)屬Intel公司的MCS-51單片機(jī)系列。MCS-51以其典型的結(jié)構(gòu)、完善的總線、SFR的集中管理模式、位操作系統(tǒng)和面向控制功能的豐富的指令系統(tǒng),為單片機(jī)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。MCS-51系列的典型芯片是80C51(CHMOS型的8051)。為此,眾多的廠商都介入了以80C51為代表的8位單片機(jī)的發(fā)展,如Philips、Siemens(Infineon)、Dallas、ATMEL等公司,我們把這些公司生產(chǎn)的與80C51兼容的單片機(jī)統(tǒng)稱為80C5l系列。特別是在近年來,80C51系列又有了許多發(fā)展,推出廠一些新產(chǎn)品,主要是改善單片機(jī)的控制功能,如內(nèi)部集成了高速I/O口、ADC、PWM、WDT等,以及低電壓、微功耗、電磁兼容、串行擴(kuò)展總線、控制網(wǎng)絡(luò)總線性能等。
●ATMEL公司研制的89CXX系列是將Flash Memory(EEPROM)集成在80C51中,作為用戶程序存儲(chǔ)器,并不改變80C51的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。
◆Philips公司的83/87C7XX系列不改變80C51結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng),省去了并行擴(kuò)展總線,屬于非總線的廉價(jià)型單片機(jī),特別適合于家電產(chǎn)品。
◆lnfineon(原Siemens半導(dǎo)體)公司推出的C500系列單片機(jī)在保持與80C51兼容的前提下,增強(qiáng)了各項(xiàng)性能,尤其是增強(qiáng)了電磁兼容性能,增加了CAN總線接口,特別適用于工業(yè)控制、汽車電子、通信和家電領(lǐng)域。
鑒于80C51系列在硬件方面的廣泛性、代表性和先進(jìn)性以及指令系統(tǒng)的兼容性,初學(xué)者可以選擇51系列單片機(jī)作為學(xué)習(xí)單片機(jī)的首選類型,至于其它類型的單片機(jī),在深入學(xué)習(xí)和掌握了80C51單片機(jī)之后再去學(xué)習(xí)已不是什么難事。
三、單片機(jī)的發(fā)展趨勢
1．制作工藝CMOS化(全盤CMOS化)
出于對(duì)低功耗的普遍要求,目前各大廠商推出的各類單片機(jī)產(chǎn)品都采用了CHMOS工藝。80C51系列單片機(jī)采用兩種半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)。一種是HMOS工藝,即高密度短溝道MOS工藝。另外一種是CHMOS工藝,即互補(bǔ)金屬氧化物的HMOS工藝。CHMOS是CMOS和HMOS的結(jié)合,除保持了HMOS的高速度和高密度的特點(diǎn)之外,還具有CMOS低功耗的特點(diǎn)。例如8051的功耗為630mw,而80C51的功耗只有120mw。在便攜式、手提式或野外作業(yè)儀器設(shè)備上低功耗是非常有意義的。因此,在這些產(chǎn)品中必須使用CHMOS的單片機(jī)芯片。
2．盡量實(shí)現(xiàn)單片化
盡管我們常說,單片機(jī)是將中央處理器CPU、存儲(chǔ)器和I/O接口電路等主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī),但由于工藝和其它方面的原因,很多功能部件并未集成在單片機(jī)芯片內(nèi)部。于是,用戶通常的做法是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要在外圍擴(kuò)展功能芯片。隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展和“以人為本”思想在單片機(jī)設(shè)計(jì)上的體現(xiàn),很多單片機(jī)生產(chǎn)廠家充分考慮到用戶的需求,將一些常用的功能部件,如A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)、D/A(數(shù)/模轉(zhuǎn)換器)、PWM(脈沖產(chǎn)生器)以及LCD(液晶)驅(qū)動(dòng)器等集成到芯片內(nèi)部,盡量做到單片化；同時(shí),用戶還可以提出要求,由廠家量身定作(SOC設(shè)計(jì))或自行設(shè)計(jì)。
3．共性與個(gè)性共存
如今的市場上為我們提供了豐富多彩的單片機(jī)產(chǎn)品。從宏觀上講,有RISC和CISC兩大類型；從微觀上說,有Intel、Motorola、Philips、Microchip、EMC、NEC等公司的相關(guān)產(chǎn)品。在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi),都將維持這種群雄并起、共性與個(gè)性共存的局面。究其原因,主要有以下兩點(diǎn)。首先,以80C51為代表的單片機(jī)的基礎(chǔ)地位不會(huì)動(dòng)搖。這是因?yàn)?0C51的架構(gòu)和指令系統(tǒng)為后來的單片機(jī)提供了參考基準(zhǔn)和強(qiáng)大支持,凡是學(xué)過80C51單片機(jī)的人再去學(xué)用其它類型的單片機(jī)易如反掌,借梯子爬坡何樂而不為呢？有關(guān)這方面的教材建設(shè)在出版界也得到了共識(shí),取得了斐然的成果；這足以解釋為制么在課堂上大家都以80C51的教材來進(jìn)行教與學(xué)了。其次,個(gè)性化的產(chǎn)品如專用單片機(jī)等在滿足用戶需求方面得到了大家的認(rèn)可,在應(yīng)用領(lǐng)域大有后來趕上的架勢；它們由于先天的優(yōu)勢,在80C51的基礎(chǔ)上揚(yáng)長避短,以用戶需要為根本,在市場上受到丁歡迎。總之,80C51作為共性的代表會(huì)與個(gè)性化的產(chǎn)品相互依存,共同發(fā)展,將會(huì)給用戶帶來更大的實(shí)惠與方便。
四、單片機(jī)的應(yīng)用范圍
在說單片機(jī)應(yīng)用之前,首選來談?wù)勎覀兪褂玫碾娔X(PC機(jī)),我們使用的電腦屬于通用計(jì)算機(jī),真是感嘆計(jì)算機(jī)發(fā)展神速!現(xiàn)在個(gè)人電腦的性能比以前已經(jīng)得到了極大的提高,普通PC機(jī)的運(yùn)行速度就已經(jīng)達(dá)到了3GB以上,擁有海量的硬盤空間,80GB、160GB甚至200G都很常見,內(nèi)存普通的都有256M、512M甚至有1G內(nèi)存,使用19"大屏幕液晶顯示器...正是這些電腦的高性能,為我們海量數(shù)值計(jì)算、信息處理、多媒體和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、辦公、家用等的實(shí)現(xiàn)成為可能。
相比之下,單片機(jī)的硬件配置就沒有通用計(jì)算機(jī)那么高了,單片機(jī)運(yùn)算速度一般只有幾兆至幾十兆,如51單片機(jī)常用的晶振頻率有6MHZ、11.0592MHZ和24MHZ等；單片機(jī)內(nèi)部程序空間也比較小,一般在幾KB到幾十KB；單片機(jī)內(nèi)存RAM一般幾百字節(jié)到幾KB。雖然單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)的性能無法和電腦相比,但是單片機(jī)具有高可靠性、體積小、智能性、實(shí)時(shí)性、可塑性強(qiáng)(只要寫入不同的程序,同一片單片機(jī)能夠完成不同的工作)等諸多特點(diǎn),而且價(jià)格低廉,如一片89S51單片機(jī)才幾塊錢。正是這些特點(diǎn),使單片機(jī)成為工程師們開發(fā)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)和小型智能化產(chǎn)品的首選!
舉個(gè)單片機(jī)應(yīng)用的典型例子,如老式洗衣機(jī)采用機(jī)械式定時(shí)控制器,功能單一,而故障頻繁。要開發(fā)家用智能化洗衣機(jī),采用性能強(qiáng)大的通用計(jì)算機(jī)(PC機(jī))固然能夠輕易實(shí)現(xiàn),但是這樣就大材小用了,而且其成本太高,體積龐大...最佳的解決方案就是采用廉價(jià)單片機(jī)了,采用“單片機(jī)+控制程序+接口電路+執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的智能化洗衣機(jī)控制方案后,洗衣機(jī)就具有了智能化的特性,能夠自動(dòng)進(jìn)行控制整個(gè)洗滌過程,從注水、加洗衣粉、洗滌、漂洗、脫水、烘干等一系列工作過程,甚至能夠自動(dòng)判斷洗衣量及衣服材質(zhì)而采用最佳的洗滌方式等,并且有多種不同的洗滌程序(方式)給你選擇,你只需把衣服放進(jìn)去后洗衣過程就由單片機(jī)自動(dòng)控制下完成了,洗滌完后你拿出來就已經(jīng)烘干可以穿了 ,實(shí)實(shí)在在的全自動(dòng),智能化,這樣極大地降低了我們的勞動(dòng)強(qiáng)度。
從上面的簡單例子中,我們看到了單片機(jī)應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義了。單片機(jī)極高的可靠性,微型性和智能性(我們只要編寫不同的程序后就能夠完成不同的控制工作),單片機(jī)已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍采用的智能化控制工具,已經(jīng)深深地滲入到我們的日常生活當(dāng)中-----小到玩具、家電行業(yè),大到車載、艦船電子系統(tǒng),遍及計(jì)量測試、工業(yè)過程控制、機(jī)械電子、金融電子、商用電子、辦公自動(dòng)化、工業(yè)機(jī)器人、軍事和航空航天等領(lǐng)域都可見到單片機(jī)的身影。以下是一些應(yīng)用舉例:
1、智能產(chǎn)品:單片機(jī)微處理器與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品相結(jié)合,使傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化、控制智能化,構(gòu)成新一代的機(jī)電一體化的產(chǎn)品。例如傳真打字機(jī)采用單片機(jī),可以取代近千個(gè)機(jī)械器件；縫紉機(jī)采用單片機(jī)控制,可執(zhí)行多功能自動(dòng)操作、自動(dòng)調(diào)速、控制縫紉花樣的選擇。
2、智能儀表:用單片機(jī)微處理器改良原有的測量、控制儀表,能使儀表數(shù)寧化、智能化、多功能化、綜合化。而測量儀器中的誤差修正、線性化等問題也可迎刃而解。
3、測控系統(tǒng):用單片機(jī)微處理器可以設(shè)計(jì)各種工業(yè)控制系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)控制系統(tǒng),例如溫室人工氣候控制、水閘自動(dòng)控制、電鍍生產(chǎn)線自動(dòng)控制、汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。
4、數(shù)控型控制機(jī):在目前數(shù)字控制系統(tǒng)的簡易控制機(jī)中,采用單片機(jī)可提高可靠性,增強(qiáng)其功能、降低成本。例如在兩坐標(biāo)的連續(xù)控制系統(tǒng)中,用805l單片機(jī)微處理器組成的系統(tǒng)代替Z-80組臺(tái)系統(tǒng),在完成同樣功能的條件下,其程序長度可減少50%,提高了執(zhí)行速度。數(shù)控型控制機(jī)采用單片機(jī)后口可能改變其結(jié)構(gòu)模式,例如使控制機(jī)與伺服控制分開,用單片機(jī)構(gòu)成的步進(jìn)電機(jī)控制器可減輕數(shù)控型控制機(jī)的負(fù)擔(dān)。
5、智能接口:微電腦系統(tǒng),特別是較大型的工業(yè)測控系統(tǒng)中,除外圍裝置(打印機(jī)、鍵盤、磁盤、CRT)外,還有許多外部通信、采集、多路分配管理、驅(qū)動(dòng)控制等接口。這些外圍裝置與接口如果完全由主機(jī)進(jìn)行管理,勢必造成主機(jī)負(fù)擔(dān)過重,降低執(zhí)行速度,如果采用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理,單片機(jī)微處理器與主機(jī)可并行上作,大大地提高了系統(tǒng)的執(zhí)行速度。如在大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,用單片機(jī)對(duì)模擬,數(shù)字轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行控制不僅可提高采集速度,還可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先處理,如數(shù)字濾波、線性化處理、誤差修正等。在通信接口中采用單片機(jī)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼譯碼、分配管理、接收/發(fā)送控制等。
ps:今天再看單片機(jī),發(fā)現(xiàn)其中單片機(jī)的制造工藝多不是很清楚,則把搜到的均列出好好看看:
(1)CHMOS(互補(bǔ)金屬氧化物HMOS)是CMOS和HMOS(高密度溝道MOS工藝)的結(jié)合,除了保持HMOS高速度和高密度之外,還有CMOS低功耗的特點(diǎn).兩類器件的功能是完全兼容的,區(qū)別在CHMOS器件具有低功耗的特點(diǎn).它所消耗的電流比HMOS器件少很多,主要在于其采用了兩種降低功耗的方式:空閑方式和掉電方式.CHMOS器件在掉電方式(CPU停止工作,片內(nèi)RAM的數(shù)據(jù)繼續(xù)保持)下時(shí),消耗的電流可低于10μA.采用CHMOS的器件在編號(hào)中用一個(gè)C來加以區(qū)別:如80C51,80C31等.
(2)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(duì)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)。象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,HMOS單片機(jī)的速度比較高,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象電池供電的應(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。
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