单片机的发展及应用现状

单片机的发展及应用现状 中文摘要 关键词关键词：单片机，发展，应用 我国开始使用单片机是在1982 年，短短五年时间里发展极为迅速。当前世界上各 大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位等,但它们各具特色,互成 互补,为单片机的应用提供广阔的天地。单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。 它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/ 输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。 MCUMCU developmentdevelopment andand applicationapplication statusstatus Abstract Key Words: MCU， development， application StudyonMCS5IMieroControllersReverseAnatomizationandToDownDesignAbstraetTheworl dwideeleetroniesindustry15raPidlymovingforwardovethePastdeeades.Assilieonteehnologyhas erossedthedeesubmieronthreshold,eeandesigntensofmillionsoftransistorsonsingleehiP.That15t osaysemieonduetorhasenteredintotherealm“SystemonaChip(SoC)”.Theresearehontheteehnolo ofIpeordesign15eoneernedbybothresearehsoeietyandindustryworl.BeeauseofthewideuseofMC S51MieroControllerandtheimPortanmeaningofMCUeoredesign,westudyonMCS51reverseanat omiztionandToPDownDesignThegoalofthisartiele15todesignaMCS51MieroControllerehiThe Mainworkandaehievementsareasfollows. XX 大学 XX 届本科毕业论文 目 录 中文摘要中文摘要.I ABSTRACT.II 1. 单片机简介单片机简介.2 1.1. 单片机在我国的普及.2 1.2. 单片机的构成.2 2. 单片机的发展单片机的发展.4 2.1.单片机长寿命.4 2.2.8 位、16 位、32 位单片机共同发展.4 2.3.单片机速度越来越快.4 2.4.低电压与低功耗.5 3. 单片机应用的可靠性技术单片机应用的可靠性技术.5 3.1.EFT(ELLECTRICALFASTTRANSIENT)技术.5 3.2.低噪声布线技术及驱动技术.5 3.3.采用低频时钟.6 4. 单片机的发展单片机的发展.6 4.1.低功耗 COSM 化.6 4.2.微型单片化.6 4.3.主流与多品种共存.7 4.4.大容量、高性能.7 4.5.串行扩展技术.7 参考文献参考文献.8 XX 大学 XX 届本科毕业论文 1. 单片机简介单片机简介 1.1.单片机在我国的普及单片机在我国的普及 我国开始使用单片机是在 1982 年，短短五年时间里发展极为迅速。1986 年在上 海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，有的地区还成立了单片微型计算机应用 协会，那是全国形成的第一次高潮。截止今日，单片机应用技术飞速发展，我们上因 特网输入一个“单片机”的搜索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国 外的。与它相应的专业杂志现在也有很多，比如由单片机界的权威何立民主编的单 片机与嵌入式系统应用杂志现以风靡电子界，在 2003 年 7 月， 在上 海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居 第一。 1.2.单片机的构成单片机的构成 单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU）、随机存 取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部 件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。 我们以打算盘为例计算一道算术题。例：3616315616634。现在要进行运 算，首先需要一把算盘，其次是纸和笔。我们把要计算的问题记录下来，然后第一步 先算163156，把它与36相加的结果记在纸上，然后计算16634，再把它从上一次结 果中减去，就得到最后的结果。 现在，我们用单片机来完成上述过程，显然，它首先要有代替算盘进行运算的部 件，这就是“运算器” ；其次，要有能起到纸和笔作用的器件，即能记忆原始题目、原 始数据和中间结果，还要记住使单片机能自动进行运算而编制的各种命令。这类器件 就称为“存贮器” 。此外，还需要有能代替人作用的控制器，它能根据事先给定的命令 发出各种控制信号，使整个计算过程能一步步地进行。但是光有这三部分还不够，原 始的数据与命令要输入，计算的结果要输出，都需要按先后顺序进行，有时还需等待。 如上例中，当在计算163156时，数字36就不能同时进入运算器。因此就需要在单片 机上设置按控制器的命令进行动作的“门” ，当运算器需要时，就让新数据进入。 或者，当运算器得到最后结果时，再将此结果输出，而中间结果不能随便“溜出” XX 大学 XX 届本科毕业论文 单片机。这种对输入、输出数据进行一定管理的“门”电路在单片机中称为“口” （Port） 。 在单片机中，基本上有三类信息在流动，一类是数据，即各种原始数据 （如上例中的36、163等） 、中间结果（如16634所得的商4、余数30等） 、程序（命令 的集合）等。这样要由外部设备通过“口”进入单片机，再存放在存贮器中，在运算 处理过程中，数据从存贮器读入运算器进行运算，运算的中间结果要存入存贮器中， 或最后由运算器经“出入口”输出。用户要单片机执行的各种命令（程序）也以数据 的形式由存贮器送入控制器，由控制器解读（译码）后变为各种控制信号，以便执行 如加、减、乘、除等功能的各种命令。所以，这一类信息就称为控制命令，即由控制 器去控制运算器一步步地进行运算和处理，又控制存贮器的读（取出数据）和写（存 入数据）等。第三类信息是地址信息，其作用是告诉运算器和控制器在何处去取命令 取数据，将结果存放到什么地方，通过哪个口输入和输出信息等。 存贮器又分为只读存贮器和读写存贮器两种，前者存放调试好的固定程序和常数， 后者存放一些随时有可能变动的数据。 顾名思义，只读存贮器一旦将数据存入，就只能读出，不能更改（EPROM、E2PROM 等类型的 ROM 可通过一定的方法来更改、写入数据编者注） 。而读写存贮器可随时 存入或读出数据。 实际上，人们往往把运算器和控制器合并称为中央处理单元 CPU。单片机除了进行运算外，还要完成控制功能。所以离不开计数和定时。因此，在 单片机中就设置有定时器兼计数器，其基本结构与本连载之（二）中的举例类似。 到这里为止，我们已经知道了单片机的基本组成，即单片机是由中央处理器（即 CPU 中的运算器和控制器） 、只读存贮器（通常表示为 ROM） 、读写存贮器（又称随机存贮器 通常表示为 RAM） 、输入/输出口（又分为并行口和串行口，表示为 I/O 口）等等组成。 实际上单片机里面还有一个时钟电路，使单片机在进行运算和控制时，都能有节奏地 进行。另外，还有所谓的“中断系统” ，这个系统有“传达室”的作用，当单片机控制 对象的参数到达某个需要加以干预的状态时，就可经此“传达室”通报给 CPU，使 CPU 根据外部事态的轻重缓急来采取适当的应付措施。 实际上，单片机内部有一条将它们连接起来的“纽带” ，即所谓的“内部总线” 。此总线有如大城市的“干道” ，而 CPU、ROM、RAM、I/O 口、中断系统等就分布在此 “总线”的两旁，并和它连通。从而，一切指令、数据都可经内部总线传送，有如大 城市内各种物品的传送都经过干道进行。 XX 大学 XX 届本科毕业论文 2.单片机的发展单片机的发展 自单片机出现至今，单片机技术已走过了近 20 年的发展路程。纵观 20 年来单片机 发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器(MPU)技术及超大规模集成电路技术 的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展 2.1.2.1.单片机长寿命单片机长寿命 这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作 十年、 二十年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。随着半导体技术的飞速发展， MPU 更新换代的速度越来越快，以 386、486、586 为代表的 MPU，很短的时间内就被淘 汰出 局，而传统的单片机如 68HC05、8051 等年龄已有 15 岁，产量仍是上升的。这 一方面是由 于其对相应应用领域的适应性，另一方面是由于以该类 CPU 为核心，集 成以更多 I/O 功能 模块的新单片机系列层出不穷。可以预见，一些成功上市的相对 年轻的 CPU 核心，也会随 着 I/O 功能模块的不断丰富，有着相当长的生存周期。新 的 CPU 类型的加盟,使单片机队伍 不断壮大,给用户带来了更多的选择余地。 2.2.82.2.8 位、位、1616 位、位、3232 位单片机共同发展位单片机共同发展 这是当前单片机技术发展的另一动向。长期以来，单片机技术的发展是以 8 位机 为主的。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32 位单片机 应用得到了长足发展。以 Motorola 68K 为 CPU 的 32 位单片机 97 年的销售量达 8 千万 枚。过去认为由于 8 位单片机功能越来越强，32 位机越来越便宜，使 16 位单片机生存 空间有限，而 16 位单片机的发展无论从品种和产量方面，近年来都有较大幅度的增长。 2.3.2.3.单片机速度越来越快单片机速度越来越快 MPU 发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。而单片机则 有所不同，为提高单片机抗干扰能力，降低噪声，降低时钟频率而不牺牲运算速度是 单片机技术发展之追求。一些 8051 单片机兼容厂商改善了单片机的内部时序，在不提 高时钟频率的条件下，使运算速度提高了很多，Motorola 单片机则使用了琐相环技术 或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率。68HC08 单片机使 用 4.9M 外部振荡器而内部时钟达 32M，而 M68K 系列 32 位单片机使用 32K 的外部振荡器 XX 大学 XX 届本科毕业论文 频率内部时钟可达 16MHz 以上。 2.4.2.4.低电压与低功耗低电压与低功耗 自 80 年代中期以来，NMOS 工艺单片机逐渐被 CMOS 工艺代替，功耗得以大幅度下降， 随着超大规模集成电路技术由 3m 工艺发展到 1.5、1.2、0.8、0.5、0.35 近而实 现 0.2m 工艺，全静态设计使时钟频率从直流到数十兆任选，都使功耗不断下降。 Motorola 最近推出任选的 M.CORE 可在 1.8V 电压下以 50M/48MIPS 全速工作，功率约 为 20mW。几乎所有的单片机都有 Wait、Stop 等省电运行方式。允许使用的电源电压范 围也越来越宽。一般单片机都能在 3 到 6V 范围内工作，对电池供电的单片机不再需要 对电源采取稳压措施。低电压供电的单片机电源下限已由 2.7V 降至 2.2V、1.8V。0.9V 供电的单片 机已经问世。 3.3.单片机应用的可靠性技术单片机应用的可靠性技术 在单片机应用中，可靠性是首要因素为了扩大单片机的应用范围和领域，提高单 片机自身的可靠性是一种有效方法。近年来，单片机的生产厂家在单片机设计上采用 了各种提高可靠性的新技术，这些新技术表现在如下几点： 3.1.EFT(EllectricalFastTransient)3.1.EFT(EllectricalFastTransient)技术技术 EFT 技术是一种抗干扰技术，它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时，其波 形上会迭加各种毛刺信号，如果使用施密特电路对其整形，则毛刺会成为触发信号干 扰正常的时钟，在交替使用施密特电路和 RC 滤波电路时，就可以消除这些毛否则令其 作用失效，从而保证系统的时钟信号正常工作。这样，就提高了单片机工作的可靠性。 Motorola 公司的 MC68HC08系列单片机就采用了这种技术。 3.2.3.2.低噪声布线技术及驱动技术低噪声布线技术及驱动技术 在传统的单片机中，电源及地线是在集成电路外壳的对称引脚上，一般是在左上、 右下或右上、左下的两对对称点上。这样，就使电源噪声穿过整块芯片，对单片机的 内部电路造成干扰。现在，很多单片机都把地和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。 这样，不仅降低了穿过整个芯片的电流，另外还在印制电路板上容易布置去耦电容， 从而降低系统的噪声。现在为了适应各种应用的需要，很多单片机的输出能力都有了 很大提高，Motorola 公司的单片机 I/O 口的灌拉电流可达8mA 以上，而 Microchip 公 司的单片机可达25mA。其它公司： XX 大学 XX 届本科毕业论文 AMD，Fujitsu，NEC，Infineon，Hitachi，Ateml，Tosbiba 等基本上可达820mA 的 水平。这些电流较大的驱动电路集成到芯片内部在工作时带来了各种噪声，为了减少 这种影响，现在单片机采用多个小管子并联等效一个大管子的方法，并在每个小管子 的输出端串上不同等效阻值的电阻，以降低 di/dt，这也就是所谓“跳变沿软化技术”， 从而消除大电流瞬变时产生的噪声。 3.3.3.3.采用低频时钟采用低频时钟 高频外时钟是噪声源之一，不仅能对单片机应用系统产生干扰，还会对外界电路 产生干扰，令电磁兼容性不能满足要求。对于要求可靠性较高的系统，低频外时钟有 利于降低系统的噪声。在一些单片机中采用内部琐相环技术，则在外部时钟较低时， 也能产生较高的内部总线速度，从而保证了速度又降低了噪声。Motorola 公司的 MC68HC08系列及其16/32位单片机就采用了这种技术以提高可靠性 4.4.单片机的发展趋势单片机的发展趋势 现在可以说单片机是百花齐放的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的 单片机,从 8 位、16 位到 32 位,数不胜数,应有尽有,它们各具特色,互成互补,为单片 机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势 。 4.1.低功耗低功耗 CMOS 化化 MCS-51 系列的 8031 推出时的功耗达 630mW,而现在的单片机普遍都在 100mW 左右, 随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了 CMOS(互补金 属氧化物半导体工艺)。80C51 就采用了 HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和 CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS 虽然功耗较低,但由于其物理特征决 定其工作速度不够高,而 CHMOS 则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于在要 求低功耗,电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途 径。 4.2.微型单片化微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读 程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块 XX 大学 XX 届本科毕业论文 单一的芯片上,增强型的单片机集成了如 A/D 转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门 狗)、有些单片机将 LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元 电路就更多,功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出 具有自己特色的单片机芯片。 此外,现在的产品普遍要求体积小、重量轻,这就要求单 片机除了功能强和功耗低外,还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形 式,其中 SMD(表面封装)越来越受欢迎,使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。 4.3.4.3.主流与多品种共存主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多,各具特色,但仍以 80C51 为核心的单片机占主流,兼容 其结构和指令系统的有 PHILIPS 公司的产品,ATMEL 公司的产品和中国台湾的 Winbond 系列单片机。所以 C8051 为核心的单片机占据了半壁江山。而 Microchip 公司的 PIC 精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头,中国台湾的 HOLTEK 公司近年的单片机产量 与日俱增,与其低价质优的优势,占据一定的市场分额。此外还有 MOTOROLA 公司的产品,日 本几大公司的专用单片机。在一定的时期内,这种情形将得以延续,将不存在某个单片 机一统天下的垄断局面,走的是依存互补,相辅相成、共同发展的道路。 4.4.4.4.大容量、高性能大容量、高性能 以往单片机内的 ROM 为 1KB4KB,