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单片机应用技术综述

来源:未知     作者:威廉希尔     发布时间:2020-05-21 08:12         

  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

  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。

  单片机问世以来所走的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、、接口特点出发,向着增强控制功能、提高工业下的可靠性、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。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m降到。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。

  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,4位机在结构和性能上有了很大发展。主要有:

  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电压和电流也能运行。这比一般8位机还低一些;

  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。

  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1s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。

  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1~2s。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;

  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。

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