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單片機是一種集成電路芯片，采用超大規模技術把具有數據處理能力(如算術運算，邏輯運算、數據傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)，隨機存取數據存儲器(RAM)，只讀程序存儲器(ROM)，輸入輸出電路(I/O口)，可能還包括定時計數器，串行通信口(SCI)，顯示驅動電路(LCD或LED驅動電路)，脈寬調制電路(PWM)，模擬多路轉換器及A/D轉換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構成一個最小然而完善的計算機系統。這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設計者事先規定的任務。 由此來看，單片機有著微處理器所不具備的功能，它可單獨地完成現代工業控制所要求的智能化控制功能，這是單片機最大的特征。 然而單片機又不同于單板機，芯片在沒有開發前，它只是具備功能極強的超大規模集成電路，如果賦予它特定的程序，它便是一個最小的、完整的微型計算機控制系統，它與單板機或個人電腦(PC機)有著本質的區別，單片機的應用屬于芯片級應用，需要用戶了解單片機芯片的結構和指令系統以及其它集成電路應用技術和系統設計所需要的理論和技術，用這樣特定的芯片設計應用程序，從而使該芯片具備特定的功能。 不同的單片機有著不同的硬件特征和軟件特征，即它們的技術特征均不盡相同，硬件特征取決于單片機芯片的內部結構，用戶要使用某種單片機，必須了解該型產品是否滿足需要的功能和應用系統所要求的特性指標。這里的技術特征包括功能特性、控制特性和電氣特性等等，這些信息需要從生產廠商的技術手冊中得到。軟件特征是指指令系統特性和開發支持環境，指令特性即我們熟悉的單片機的尋址方式，數據處理和邏輯處理方式，輸入輸出特性及對電源的要求等等。開發支持的環境包括指令的兼容及可移植性，支持軟件(包含可支持開發應用程序的軟件資源)及硬件資源。要利用某型號單片機開發自己的應用系統，掌握其結構特征和技術特征是必須的。 單片機控制系統能夠取代以前利用復雜電子線路或數字電路構成的控制系統，可以軟件控制來實現，并能夠實現智能化，現在單片機控制范疇無所不在，例如通信產品、家用電器、智能儀器儀表、過程控制和專用控制裝置等等，單片機的應用領域越來越廣泛。 誠然，單片機的應用意義遠不限于它的應用范疇或由此帶來的經濟效益，更重要的是它已從根本上改變了傳統的控制方法和設計思想。是控制技術的一次革命，是一座重要的里程碑。 二.單片機發展概述 1946年第一臺電子計算機誕生至今，只有50年的時間，依靠微電子技術和半導體技術的進步，從電子管——晶體管——集成電路——大規模集成電路，現在一塊芯片上完全可以集成幾百萬甚至上千萬只晶體管，使得計算機體積更小，功能更強。特別是近20年時間里，計算機技術獲得飛速的發展，計算機在工農業，科研，教育，國防和航空航天領域獲得了廣泛的應用，計算機技術已經是一個國家現代科技水平的重要標志。 單片機誕生于20世紀70年代，象Fairchid公司研制的F8單片微型計算機。所謂單片機是利用大規模集成電路技術把中央處理單元(Center Processing Unit,也即常稱的CPU)和數據存儲器(RAM)、程序存儲器(ROM)及其他I/O通信口集成在一塊芯片上，構成一個最小的計算機系統，而現代的單片機則加上了中斷單元，定時單元及A/D轉換等更復雜、更完善的電路，使得單片機的功能越來越強大，應用更廣泛。 20世紀70年代，微電子技術正處于發展階段，集成電路屬于中規模發展時期，各種新材料新工藝尚未成熟，單片機仍處在初級的發展階段，元件集成規模還比較小，功能比較簡單，一般均把CPU、RAM有的還包括了一些簡單的I/O口集成到芯片上，象Farichild公司就屬于這一類型，它還需配上外圍的其他處理電路方才構成完整的計算系統。類似的單片機還有Zilog公司的Z80微處理器。 1976年INTEL公司推出了MCS-48單片機，這個時期的單片機才是真正的8位單片微型計算機，并推向市場。它以體積小，功能全，價格低贏得了廣泛的應用，為單片機的發展奠定了基礎，成為單片機發展史上重要的里程碑。 在MCS-48的帶領下，其后，各大半導體公司相繼研制和發展了自己的單片機，象Zilog公司的Z8系列。到了80年代初，單片機已發展到了高性能階段，象INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名電氣公司NEC和HITACHI都相繼開發了具有自己特色的專用單片機。 80年代，世界各大公司均競相研制出品種多功能強的單片機，約有幾十個系列，300多個品種，此時的單片機均屬于真正的單片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、數目繁多的I/O接口、多種中斷系統，甚至還有一些帶A/D轉換器的單片機，功能越來越強大，RAM和ROM的容量也越來越大，尋址空間甚至可達64kB，可以說，單片機發展到了一個全新階段，應用領域更廣泛，許多家用電器均走向利用單片機控制的智能化發展道路。 1982年以后，16位單片機問世，代表產品是INTEL公司的MCS-96系列，16位單片機比起8位機，數據寬度增加了一倍，實時處理能力更強，主頻更高，集成度達到了12萬只晶體管，RAM增加到了232字節，ROM則達到了8kB，并且有8個中斷源，同時配置了多路的A/D轉換通道，高速的I/O處理單元，適用于更復雜的控制系統。 九十年代以后，單片機獲得了飛速的發展，世界各大半導體公司相繼開發了功能更為強大的單片機。美國Microchip公司發布了一種完全不兼容MCS-51的新一代PIC系列單片機，引起了業界的廣泛關注，特別它的產品只有33條精簡指令集吸引了不少用戶，使人們從INTEL的111條復雜指令集中走出來。PIC單片機獲得了快速的發展，在業界中占有一席之地。 隨后的事情，熟悉單片機的人士都比較清楚了，更多的單片機種蜂擁而至，MOTOROLA公司相繼發布了MC68HC系列單片機，日本的幾個著名公司都研制出了性能更強的產品，但日本的單片機一般均用于專用系統控制，而不象INTEL等公司投放到市場形成通用單片機。例如NEC公司生產的uCOM87系列單片機，其代表作uPC7811是一種性能相當優異的單片機。MOTOROLA公司的MC68HC05系列其高速低價等特點贏得了不少用戶。 Zilog公司的Z8系列產品代表作是Z8671，內含BASIC Debug解釋程序，極大地方便用戶。而美國國半的COP800系列單片機則采用先進的哈佛結構。ATMEL公司則把單片機技術與先進的Flash存儲技術完美地結合起來，發布了性能相當優秀的AT89系列單片機。包括中國的臺灣HOLTEK和WINBOND等公司也紛紛加入了單片機發展行列，憑著他們廉價的優勢，分享一杯美羹。 1990年美國INTEL公司推出了80960超級32位單片機引起了計算機界的轟動，產品相繼投放市場，成為單片機發展史上又一個重要的里程碑。 此期間，單片機園地里，單片機品種異彩紛呈，爭奇斗艷。有8位、16位甚至32位機，但8位單片機仍以它的價格低廉、品種齊全、應用軟件豐富、支持環境充分、開發方便等特點而占著主導地位。而INTEL公司憑著他們雄厚的技術，性能優秀的機型和良好的基礎，目前仍是單片機的主流產品。只不過是九十年代中期，INTEL公司忙著開發他們個人電腦微處理器，已沒有足夠的精力繼續發展自己創導的單片機技術，而由PHILIPS等公司繼續發展C51系列單片機。 三.單片機的應用領域 單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分如下幾個范疇： 1.在智能儀器儀表上的應用 單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數字電路更加強大。例如精密的測量設備（功率計，示波器，各種分析儀）。 2.在工業控制中的應用 用單片機可以構成形式多樣的控制系統、數據采集系統。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統，與計算機聯網構成二級控制系統等。 3.在家用電器中的應用 可以這樣說，現在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯褒、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備，五花八門，無所不在。 4.在計算機網絡和通信領域中的應用 現代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數據通信，為在計算機網絡和通信設備間的應用提供了極好的物質條件，現在的通信設備基本上都實現了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等。 5.單片機在醫用設備領域中的應用 單片機在醫用設備中的用途亦相當廣泛，例如醫用呼吸機，各種分析儀，監護儀，超聲診斷設備及病床呼叫系統等等。 此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。 四.單片機的發展趨勢 現在可以說單片機是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，從8位、16位到32位，數不勝數，應有盡有，有與主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應用提供廣闊的天地。 縱觀單片機的發展過程，可以預示單片機的發展趨勢，大致有： 1.低功耗CMOS化 MCS-51系列的8031推出時的功耗達630mW，而現在的單片機普遍都在100mW左右，隨著對單片機功耗要求越來越低，現在的各個單片機制造商基本都采用了CMOS(互補金屬氧化物半導體工藝)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金屬氧化物半導體工藝)和CHMOS(互補高密度金屬氧化物半導體工藝)。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，這些特征，更適合于在要求低功耗象電池供電的應用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機發展的主要途徑。 2.微型單片化 現在常規的單片機普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機存取數據存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如A/D轉換器、PMW(脈寬調制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機將LCD(液晶)驅動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多，功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機芯片。 此外，現在的產品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機除了功能強和功耗低外，還要求其體積要小。現在的許多單片機都具有多種封裝形式，其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎，使得由單片機構成的系統正朝微型化方向發展。 3.主流與多品種共存 現在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以80C51為核心的單片機占主流，兼容其結構和指令系統的有PHILIPS公司的產品，ATMEL公司的產品和中國臺灣的Winbond系列單片機。所以C8051為核心的單片機占據了半壁江山。而Microchip公司的PIC精簡指令集(RISC)也有著強勁的發展勢頭，中國臺灣的HOLTEK公司近年的單片機產量與日俱增，與其低價質優的優勢，占據一定的市場分額。此外還有MOTOROLA公司的產品，日本幾大公司的專用單片機。在一定的時期內，這種情形將得以延續，將不存在某個單片機一統天下的壟斷局面，走的是依存互補，相輔相成、共同發展的道路。 |
