單片機

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單片機(Single-Chip Microcomputer，SCM)

　　單片機是一種集成電路晶元，是採用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能(可能還包括顯示驅動電路、脈寬調製電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路)集成到一塊矽片上構成的一個小而完善的微型電腦系統，在工業控制領域廣泛應用。從上世紀80年代，由當時的4位、8位單片機，發展到現在的300M的高速單片機。

　　單片機(Microcontrollers)作為電腦發展的一個重要分支領域，根據發展情況，從不同角度，單片機大致可以分為通用型/專用型、匯流排型/非匯流排型及工控型/家電型。

　　1.通用型

　　這是按單片機(Microcontrollers)適用範圍來區分的。例如，80C51式通用型單片機，它不是為某種專門用途設計的；專用型單片機是針對一類產品甚至某一個產品設計生產的，例如為了滿足電子體溫計的要求，在片內集成ADC介面等功能的溫度測量控制電路。

　　2.匯流排型

　　這是按單片機(Microcontrollers)是否提供並行匯流排來區分的。匯流排型單片機普遍設置有並行地址匯流排、數據匯流排、控制匯流排，這些引腳用以擴展並行外圍器件都可通過串列口與單片機連接，另外，許多單片機已把所需要的外圍器件及外設介面集成一片內，因此在許多情況下可以不要並行擴展匯流排，大大減省封裝成本和晶元體積，這類單片機稱為非匯流排型單片機。

　　3.控制型

　　這是按照單片機(Microcontrollers)大致應用的領域進行區分的。一般而言，工控型定址範圍大，運算能力強；用於家電的單片機多為專用型，通常是小封裝、低價格，外圍器件和外設介面集成度高。顯然，上述分類並不是惟一的和嚴格的。例如，80C51類單片機既是通用型又是匯流排型，還可以作工控用。

　　單片機誕生於20世紀70年代末，經歷了SCM、MCU、SoC三大階段。

　　1.SCM即單片微型電腦(SingleChipMicrocomputer)階段，主要是尋求最佳的單片形態嵌入式系統的最佳體繫結構。“創新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用電腦完全不同的發展道路。在開創嵌入式系統獨立發展道路上，Intel公司功不可沒。

　　2.MCU即微控制器(MicroControllerUnit)階段，主要的技術發展方向是：不斷擴展滿足嵌入式應用時，對象系統要求的各種外圍電路與介面電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領域都與對象系統相關，因此，發展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術廠家。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發展也有其客觀因素。在發展MCU方面，最著名的廠家當數Philips公司。

　　Philips公司以其在嵌入式應用方面的巨大優勢，將MCS-51從單片微型電腦迅速發展到微控制器。因此，當我們回顧嵌入式系統發展道路時，不要忘記Intel和Philips的歷史功績。

　　3.單片機是嵌入式系統的獨立發展之路，向MCU階段發展的重要因素，就是尋求應用系統在晶元上的最大化解決；因此，專用單片機的發展自然形成了SoC化趨勢。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發展，基於SoC的單片機應用系統設計會有較大的發展。因此，對單片機的理解可以從單片微型電腦、單片微控制器延伸到單片應用系統。

　　(一)工業應用

　　1.數據採集系統

　　數據採集系統如今已成為一門專業，它可以將獲取的溫度、壓力、位移、流量、速度等模擬信號轉化為電腦可以識別的數字信號，進而可進行存儲、刪除、修改、查詢等操作，整個過程精度高、可靠性強、速度快。

　　2.煤礦電氣自動化

　　礦井自動抄表系統是通過智能集中器實現的，它可以在供電和斷電情況下進行遠程智能抄表，提升了抄表效率。單片機在煤礦電氣自動化中還有一種典型的應用就是漏電保護裝置。井下作業最重要的就是安全性，低壓漏電保護措施的實現使安全問題很大程度上得到了妥善解決。比如：基於單片機的鋼絲繩監測預警系統具備數據採集、無線數據傳輸、處理、控制顯示等功能。

　　3.機車檢測

　　單片機在機車檢測中的具體應用有測溫線路檢測儀、機車速度信號模擬裝置、機車功率油耗檢測儀、機車負載實驗微機監測裝置、輔助交流電源漏電流檢測保護裝置等。這些儀器的應用可以輕鬆排除故障、隨機記錄油耗，節省人力、物力和時間。

　　4.汽車應用

　　單片機在汽車領域的專業應用已經較為成熟，汽車內部甚至就是多種單片機的組合。從點火系統、行車電腦、車內空調到倒車雷達、汽車導航再到安全氣囊、防抱死系統、防盜系統等，都離不開單片機。未來汽車隨著單片機的發展也將會越來越智能、越來越安全。

　　(二)家庭應用

　　1.家用電器

　　家用電器是單片機應用最廣泛的領域之一，它就像家用電器的智能大腦和心臟一樣，電磁爐、電冰箱、洗衣機、電飯煲、電動窗帘等裡面都有鑲嵌的單片機。拿全自動洗衣機來說，在微處理器的實時控制下，它們可以輕鬆實現洗滌、烘乾、除菌等功能的切換。

　　2.智能傢具

　　智能傢具是可以接收人們相關命令，經過判斷後進行酌情處理的家庭用具，如德國等國家開發的智能書架、智能藥品櫃、智能沙發、智能桌子、智能嬰兒床等等。本文以智能嬰兒床為例來憧憬一下未來單片機的完美應用：床內燈光亮度適中，寶寶呼吸著經過智能床調節的綠色無污染空氣，醒後嬰兒床可以根據其哭聲喚來家長或監護人，吃飽喝足後智能嬰兒床可以跟寶寶進行簡單的溝通，還可以根據寶寶的心情為寶寶播放調節心情的音樂，也可根據寶寶的身體成長速度調節床的長度和寬度。智能嬰兒床更像是寶寶的朋友一樣，陪伴寶寶的成長。

　　(三)基於TcP／IP網路、無線網的應用

　　TCP／IP協議應用比較廣泛。在TCP／IP協議下，使用單片機TCP／IP協議棧進行數據傳送，它們為用戶提供了上層介面和下層介面。上層介面包括初始化協議棧和釋放協議棧函數介面、提供API函數、接受連接、接收數據、被動關閉處理等功能。下層介面主要是TCP／IP和硬體的對接。另外，無線通信是通過電磁波來實現的，具有容易越過障礙、質量高、信號好的優勢。無線通信的實現離不開集成度高、功率小的無線數傳模塊應用。

　　(四)防盜應用

　　防盜系統的應用越來越廣泛，在工廠、路上、家庭、商場等很多地點都裝有防盜系統，這些系統就是建立在單片機應用的基礎上的，俗稱“天眼”。通過它們的佈置實施可以防護安全、管理治安、防賊防盜、抓捕案犯等。

　　1.CPU中央處理器的發展趨勢

　　CPU是單片機的核心，他的功能的發展與提高，勢必會帶動單片機的發展。作為單片機的數據處理功能模塊，CPU中央處理器經過了多次的變革和改進，以不斷的適應數據處理要求。一般在改進過程中，多是通過拓展匯流排寬度來實現。最初的單片機CPU的匯流排寬度為8位，之後逐漸演變為16位、32位，並仍然在不斷地拓寬。當然，提高CPU數據處理能力的技術措施不單單有擴寬匯流排寬度這一種，還可以通過優化數據匯流排來實現。目前單片機內大多數為單CPU結構，未來單片機將會採用雙CPU結構，以提高數據處理速度與能力，同時採用流水線結構，提高處理和運算速度，以適應實時控制和處理的需要。

　　2.單片機微型化趨勢

　　微型化是單片機未來發展的主要趨勢，因為其一般多應用在系統的各個獨立模塊中，若體積過大，則不但會增大設備功耗，還可能會影響其運行質量。因此必須要儘可能的縮小晶元的體積，並對其功能模塊進行擴展，在縮小單片機體積的同時最大限度的保障單片機應用功能的綜合性及低功耗優勢得到有效實現。

　　3.單片機低功耗下的半導體工藝

　　早期的單片機如MCS一51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，現在的許多單片機製造商都採用了CMOS(互補金屬氧化物半導體工藝)。CMOS雖然功耗較低，但由於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，更適合於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後一段時期單片機發展的主要途徑。

　　4.單片機中存儲器的發展趨勢

　　在單片機持續發展與優化的過程當中，閃速存儲器應當成為單片機內部程式存儲器的最主要選擇。藉助於電子技術所發揮的度持效用，閃速存儲器能夠在+5V模式下進行有效的讀寫操作。一方面保留了靜態RAM隨機存取數據存儲器在讀寫操作方而的簡便性優勢，另一方面也使得即便是在整個運行環境出現掉電狀態的情況下，存儲器當中所存儲的相關數據信息也不會發生丟失問題。單片機通過應用片內閃速存儲器的方式，還能夠有效簡化整個運行系統的結構構成，同時對於提高單片機存儲器容量而言同樣有著重要的意義。