所謂單片機,就是把中央處理器CPU(Central Processing Unit)、存儲器(Memory)、定時器、I/0(Input/Output)接口電路等一些計算機的主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。雖然單片機只是一個芯片,但從組成和功能上看,它已具有了微型計算機系統的含義。中文“單片機”的稱呼由英文名稱“Single Chip Microcomputer”直接翻譯而來。單片機把微型計算機的各主要部分集成在一塊芯片上,大大縮短了系統內信號傳送距離,從而提高了系統的可靠性及運行速度。因而在工業測控領域中,單片機系統是最理想的控制系統。所以,單片機是典型的嵌人式系統,是嵌入式系統低端應用的最佳選擇。
一、單片機技術發展的四個階段
------ 單片機的發展經歷了探索---完善---MCU化---百花齊放四個階段。
1、芯片化探索階段
20世紀70午代,美國的Fairchild(仙童)公司首先推出了第一款單片機F-8,隨后Intel公司推出了影響面大、應用更廣的MCS48單片機系列。MCS48單片機系列的推出標志著在工業控制領域,進入到智能化嵌入式應用的芯片形態計算機的探索階段。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的嵌入式應用中的地位。這就是Single
Chip Microcomputer的誕生年代,單片機一詞即由此而來。這一時期的特點是:
◆ 嵌入式計算機系統的芯片集成設計；
◆ 少資源、無軟件,只保證基本控制功能。
2．結構體系的完善階段
在MCS-48探索成功的基礎上很快推出了完善的、典型的單片機系列MCS-5l。MCS-51系列單片機的推出,標志Single
Chip Microcomputer體系結構的完善。它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片機的體系結構。
①完善的總線結構:
◆并行總線:8位數據總線、16位地址總線及相應的控制總線,兩個獨立的地址空間；
●串行總線:通信總線,擴展總線。
②完善的指令系統:
◆具有很強的位處理功能和邏輯控制功能,以滿足工業控制等方面的需要；
◆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的經典體系結構。
日后,許多電氣商在MCS-51的內核和體系結構的基礎上,生產出各具特色的單片機。
3．從SCMC向MCU化過渡階段
Intel公司推出的MCS96單片機,將一些用于測控系統的模數轉換器(ADC)、程序運行監視器(WDT)、脈寬調制器(PWM)、高速I/O口納入片中,體現了單片機的微控制器特征。MCS-51單片機系列向各大電氣商的廣泛擴散,許多電氣商競相使用80C51為核,將許多測控系統中使用的電路技術、接口技術、可靠性技術應用到單片機中；隨著單片機內外圍功能電路的增強,強化了智能控制器特征。微控制器(Microcontrollers)成為單片機較為準確表達的名詞。其特點是:
①滿足嵌入式應用要求的外圍擴展,如WDT、PWM、ADC、DAC、高速I/0口等。
②眾多計算機外圍功能集成,如:
◆提供串行擴展總線:SPI、I2C、BUS、Microwire；
◆配置現場總線接口:CAN BUS。
③CMOS化,提供功耗管理功能。
④提供OTP供應狀態,利于太規模和批量生產。
4．MCU的百花齊放階段
單片機發展到這一階段,表明單片機已成為工業控制領域中普遍采用的智能化控制工具-----小到玩具、家電行業,大到車載、艦船電子系統,遍及計量測試、工業過程控制、機械電子、金融電子、商用電子、辦公自動化、工業機器人、軍事和航空航天等領域。為滿足不同的要求,出現了高速、大尋址范圍、強運算能力和多機通信能力的8位、16位、32位通用型單片機,小型廉價型、外圍系統集成的專用型單片機,以及形形色色各具特色的現代單片機。可以說,單片機的發展進人了百花齊放的時代,為用戶的選擇提供了空間。這一時期的特點為:
(1)電氣商、半導體商的普遍介入
MCS-48的成功,刺激了許多半導體公司競相研制和發展自己的單片機系列。到目前為止,世界各地廠商已相繼研制出大約50個系列300多個品種的單片機產品,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品種。
(2)大力發展專用單片機
通用型與專用型是按某一型號單片機適用范圍區分的。例如,80C51是通用型單片機,它并不是為某一種專門用途設計的單片機；而專用型單片機是針對某一類產品甚至某個產品需要而設計、生產的單片機。例如,來電顯示電話中配有液晶驅動器接口的單片機和全自動洗衣機中的微控制器,都是專用單片機；特別是小家電、玩具領域的單片機,因為小封裝、價格低廉一外圍器件、外設接口集成度高,多數為專用單片機。
(3)提高綜合品質
在體系結構(RISC)、電磁兼容性能(EMC)、開發環境(高級語言支持ISP、IAP等)、功耗管理等諸方面得到了提高。根據控制單元設計的方式與采用的技術不同,目前市場上的這些單片機可區分為兩大類型:繁雜指令集結構(CISC架構)和精簡指令集結構(RISC架構)。繁雜指令集結構(CISC)的特點是指奪數量多,尋址方式豐富,較適合初學者系統學習,如INTEL的80C51或80C196、
MC68K；而精簡指令集結構(RISC)具有較少的指令與尋址模式,結構簡單,成本較低,執行程序的速度較快,成為單片機的后起之秀,如PIC、EM78XXX和Z86HCXX。
ISP(In System Programming)和IAP(In Application
Programming)方式是兩種先進的實時在線開發方式。它們無須傳統的開發裝置,借助計算機和單片機的高性能,實現了真正的在線仿真。
(4)C語言的廣泛支持
◆單片機普遍支持C語言編程,為后來者學習和應用單片機提供了方便；
◆高級語言減少了選型障礙,便于程序的優化、升級和交流。
(5)多種選擇下的選擇原則
●尋求最簡化的單片機應用系統；
◆盡可能選擇專用單片機；
◆綜合考慮下進行合理的選擇。
二、80C51單片機的家族簡介
雖然目前單片機的品種很多,但其中最具代表性的當屬Intel公司的MCS-51單片機系列。MCS-51以其典型的結構、完善的總線、SFR的集中管理模式、位操作系統和面向控制功能的豐富的指令系統,為單片機的發展奠定了良好的基礎。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位單片機的發展,如Philips、Siemens(Infineon)、Dallas、ATMEL等公司,我們把這些公司生產的與80C51兼容的單片機統稱為80C5l系列。特別是在近年來,80C51系列又有了許多發展,推出廠一些新產品,主要是改善單片機的控制功能,如內部集成了高速I/O口、ADC、PWM、WDT等,以及低電壓、微功耗、電磁兼容、串行擴展總線、控制網絡總線性能等。
●ATMEL公司研制的89CXX系列是將Flash Memory(EEPROM)集成在80C51中,作為用戶程序存儲器,并不改變80C51的結構和指令系統。
◆Philips公司的83/87C7XX系列不改變80C51結構、指令系統,省去了并行擴展總線,屬于非總線的廉價型單片機,特別適合于家電產品。
◆lnfineon(原Siemens半導體)公司推出的C500系列單片機在保持與80C51兼容的前提下,增強了各項性能,尤其是增強了電磁兼容性能,增加了CAN總線接口,特別適用于工業控制、汽車電子、通信和家電領域。
鑒于80C51系列在硬件方面的廣泛性、代表性和先進性以及指令系統的兼容性,初學者可以選擇51系列單片機作為學習單片機的首選類型,至于其它類型的單片機,在深入學習和掌握了80C51單片機之后再去學習已不是什么難事。
三、單片機的發展趨勢
1．制作工藝CMOS化(全盤CMOS化)
出于對低功耗的普遍要求,目前各大廠商推出的各類單片機產品都采用了CHMOS工藝。80C51系列單片機采用兩種半導體工藝生產。一種是HMOS工藝,即高密度短溝道MOS工藝。另外一種是CHMOS工藝,即互補金屬氧化物的HMOS工藝。CHMOS是CMOS和HMOS的結合,除保持了HMOS的高速度和高密度的特點之外,還具有CMOS低功耗的特點。例如8051的功耗為630mw,而80C51的功耗只有120mw。在便攜式、手提式或野外作業儀器設備上低功耗是非常有意義的。因此,在這些產品中必須使用CHMOS的單片機芯片。
2．盡量實現單片化
盡管我們常說,單片機是將中央處理器CPU、存儲器和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算機,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芯片內部。于是,用戶通常的做法是根據系統設計的需要在外圍擴展功能芯片。隨著集成電路技術的快速發展和“以人為本”思想在單片機設計上的體現,很多單片機生產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/數轉換器)、D/A(數/模轉換器)、PWM(脈沖產生器)以及LCD(液晶)驅動器等集成到芯片內部,盡量做到單片化；同時,用戶還可以提出要求,由廠家量身定作(SOC設計)或自行設計。
3．共性與個性共存
如今的市場上為我們提供了豐富多彩的單片機產品。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等公司的相關產品。在未來相當長的時間內,都將維持這種群雄并起、共性與個性共存的局面。究其原因,主要有以下兩點。首先,以80C51為代表的單片機的基礎地位不會動搖。這是因為80C51的架構和指令系統為后來的單片機提供了參考基準和強大支持,凡是學過80C51單片機的人再去學用其它類型的單片機易如反掌,借梯子爬坡何樂而不為呢？有關這方面的教材建設在出版界也得到了共識,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的教材來進行教與學了。其次,個性化的產品如專用單片機等在滿足用戶需求方面得到了大家的認可,在應用領域大有后來趕上的架勢；它們由于先天的優勢,在80C51的基礎上揚長避短,以用戶需要為根本,在市場上受到丁歡迎。總之,80C51作為共性的代表會與個性化的產品相互依存,共同發展,將會給用戶帶來更大的實惠與方便。
四、單片機的應用范圍
在說單片機應用之前,首選來談談我們使用的電腦(PC機),我們使用的電腦屬于通用計算機,真是感嘆計算機發展神速!現在個人電腦的性能比以前已經得到了極大的提高,普通PC機的運行速度就已經達到了3GB以上,擁有海量的硬盤空間,80GB、160GB甚至200G都很常見,內存普通的都有256M、512M甚至有1G內存,使用19"大屏幕液晶顯示器...正是這些電腦的高性能,為我們海量數值計算、信息處理、多媒體和網絡應用、辦公、家用等的實現成為可能。
相比之下,單片機的硬件配置就沒有通用計算機那么高了,單片機運算速度一般只有幾兆至幾十兆,如51單片機常用的晶振頻率有6MHZ、11.0592MHZ和24MHZ等；單片機內部程序空間也比較小,一般在幾KB到幾十KB；單片機內存RAM一般幾百字節到幾KB。雖然單片機微型計算機的性能無法和電腦相比,但是單片機具有高可靠性、體積小、智能性、實時性、可塑性強(只要寫入不同的程序,同一片單片機能夠完成不同的工作)等諸多特點,而且價格低廉,如一片89S51單片機才幾塊錢。正是這些特點,使單片機成為工程師們開發嵌入式應用系統和小型智能化產品的首選!
舉個單片機應用的典型例子,如老式洗衣機采用機械式定時控制器,功能單一,而故障頻繁。要開發家用智能化洗衣機,采用性能強大的通用計算機(PC機)固然能夠輕易實現,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單片機了,采用“單片機+控制程序+接口電路+執行機構”的智能化洗衣機控制方案后,洗衣機就具有了智能化的特性,能夠自動進行控制整個洗滌過程,從注水、加洗衣粉、洗滌、漂洗、脫水、烘干等一系列工作過程,甚至能夠自動判斷洗衣量及衣服材質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,你只需把衣服放進去后洗衣過程就由單片機自動控制下完成了,洗滌完后你拿出來就已經烘干可以穿了 ,實實在在的全自動,智能化,這樣極大地降低了我們的勞動強度。
從上面的簡單例子中,我們看到了單片機應用的現實意義了。單片機極高的可靠性,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),單片機已成為工業控制領域中普遍采用的智能化控制工具,已經深深地滲入到我們的日常生活當中-----小到玩具、家電行業,大到車載、艦船電子系統,遍及計量測試、工業過程控制、機械電子、金融電子、商用電子、辦公自動化、工業機器人、軍事和航空航天等領域都可見到單片機的身影。以下是一些應用舉例:
1、智能產品:單片機微處理器與傳統的機械產品相結合,使傳統機械產品結構簡化、控制智能化,構成新一代的機電一體化的產品。例如傳真打字機采用單片機,可以取代近千個機械器件；縫紉機采用單片機控制,可執行多功能自動操作、自動調速、控制縫紉花樣的選擇。
2、智能儀表:用單片機微處理器改良原有的測量、控制儀表,能使儀表數寧化、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:用單片機微處理器可以設計各種工業控制系統、環境控制系統、數據控制系統,例如溫室人工氣候控制、水閘自動控制、電鍍生產線自動控制、汽輪機電液調節系統等。
4、數控型控制機:在目前數字控制系統的簡易控制機中,采用單片機可提高可靠性,增強其功能、降低成本。例如在兩坐標的連續控制系統中,用805l單片機微處理器組成的系統代替Z-80組臺系統,在完成同樣功能的條件下,其程序長度可減少50%,提高了執行速度。數控型控制機采用單片機后口可能改變其結構模式,例如使控制機與伺服控制分開,用單片機構成的步進電機控制器可減輕數控型控制機的負擔。
5、智能接口:微電腦系統,特別是較大型的工業測控系統中,除外圍裝置(打印機、鍵盤、磁盤、CRT)外,還有許多外部通信、采集、多路分配管理、驅動控制等接口。這些外圍裝置與接口如果完全由主機進行管理,勢必造成主機負擔過重,降低執行速度,如果采用單片機進行接口的控制與管理,單片機微處理器與主機可并行上作,大大地提高了系統的執行速度。如在大型數據采集系統中,用單片機對模擬,數字轉換接口進行控制不僅可提高采集速度,還可對數據進行預先處理,如數字濾波、線性化處理、誤差修正等。在通信接口中采用單片機可對數據進行編碼譯碼、分配管理、接收/發送控制等。
ps:今天再看單片機,發現其中單片機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(互補金屬氧化物HMOS)是CMOS和HMOS(高密度溝道MOS工藝)的結合,除了保持HMOS高速度和高密度之外,還有CMOS低功耗的特點.兩類器件的功能是完全兼容的,區別在CHMOS器件具有低功耗的特點.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RAM的數據繼續保持)下時,消耗的電流可低于10μA.采用CHMOS的器件在編號中用一個C來加以區別:如80C51,80C31等.
(2)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,HMOS單片機的速度比較高,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。
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