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【摘 要】綜述了單片機應用技術的進展和動向。給出了4，8，16，32，64位單片機的特點和功能，以及專用總線、軟件和應用程序開發(fā)工具等內(nèi)容。
?? 關鍵詞：單片機 綜述 應用技術
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?? 單片機在集成度、功能、性能、體系結構方面都有了飛速發(fā)展，已能集成一個完整的功能強大、性能優(yōu)良的計算機應用系統(tǒng)。但目前國內(nèi)許多單片機應用單位仍停留在采用片內(nèi)無ROM等低檔單片機的狀態(tài)，無論在系統(tǒng)設計上、使用維護上、經(jīng)濟效益上這都是不合算的。這種狀況必須改變。本文就單片機的發(fā)展現(xiàn)狀進行綜述，希望能對提高國內(nèi)單片機技術的應用水平有所促進。
1 單片機的硬件
單片微型計算機，簡稱單片機，是微型計算機的一個分支。它是在一塊芯片上集成（嵌入）了CPU、RAM和ROM存儲器、I／O接口等而構成的微型計算機。因主要用于工業(yè)測控領域，故又稱為微控制器或嵌入式控制器。單片機的核心是中央處理器CPU。用超大規(guī)模集成技術把CPU集成在一塊芯片上，稱為微處理器。微處理器、微控制器和微型計算機三者的關系十分密切。目前，單片機在工業(yè)測控領域中已占重要地位。各電氣廠商、機電行業(yè)和測控企業(yè)都把單片機作為本部門產(chǎn)品更新?lián)Q代、產(chǎn)品智能化的重要工具。全世界單片機的生產(chǎn)廠家有30多家，能生產(chǎn)60多個系列，1000多個型號的產(chǎn)品。產(chǎn)量大，僅1996年的產(chǎn)量就達18億片。
1．1 單片機的特點
?? 單片機問世以來所走的路與微處理器是不同的。微處理器向著高速運算、數(shù)據(jù)分析與處理能力、大規(guī)模容量存儲等方向發(fā)展，以提高通用計算機的性能。其接口界面也是為了滿足外設和網(wǎng)絡接口而設計的 。單片機則是從工業(yè)測控對象、環(huán)境、接口特點出發(fā)，向著增強控制功能、提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性、靈活方便的構成應用計算機系統(tǒng)的界面接口的方向發(fā)展。因此，單片機有著自已的特點，主要是：〔1〕〔2 〕
·品種多樣，型號繁多。品種型號逐年擴充以適應各種需要。使系統(tǒng)開發(fā)者有很大的選擇自由。CPU從4、8、16、32到64位，有些還采用RISC技術；
·提高性能，擴大容量。集成度已達200萬個晶體管以上。總線工作速度已達數(shù)十微秒。工作頻率達到30MHz甚至40MHz。指令執(zhí)行周期減到數(shù)十微秒。存儲器容量RAM發(fā)展到1K、2K，RO M發(fā)展到32K、64K；
·增加控制功能，向外部接口延伸。把原屬外圍芯片的功能集成到本芯片內(nèi)。現(xiàn)今的單片機已發(fā)展到在一塊含有CPU的芯片上，除嵌入RAM、ROM存儲器和I／O接口外，還有A／D、PWM、U ART、Timer／Counter、DMA、Watchdog、Serial Port、Sensor、driver、還有顯示驅動、鍵盤控制、函數(shù)發(fā)生器、比較器等，構成一個完整的功能強的計算機應用系統(tǒng)；
·低功耗。供電電壓從5V降到3V、2V甚至1V左右。工作電流從mA級降到μA級。在生產(chǎn)工藝上以CMOS代替NMOS，并向HCMOS過渡；
·應用軟件配套。提供了軟件庫，包括標準應用軟件，示范設計方法。使用戶開發(fā)單片機應用系統(tǒng)時更快速、方便。使有可能做到用一周時間開發(fā)一個新的應用產(chǎn)品；
·系統(tǒng)擴展與配置。有供擴展外部電路用的三總線結構DB、AB、CB，以方便構成各種應用系統(tǒng)。根據(jù)單片機網(wǎng)絡系統(tǒng)、多機系統(tǒng)的特點專門開發(fā)出單片機串行總線。此外，還特別配置有傳感器，人機對話 、網(wǎng)絡多通道等接口，以便構成網(wǎng)絡和多機系統(tǒng)。
1．2 單片機的性能〔3〕
單片機通常按其微處理器字長的位數(shù)來分類，如4、8、16、32、64位單片機。
1．2．1 4位機
1971年Intel首先推出了4位微處理器芯片4004。此后各廠家相繼推出4位機產(chǎn)品。因4位機每次只能處理一位BCD碼數(shù)據(jù)，故只適于簡單控制場合。但因其價廉，在家電等消費類產(chǎn)品中仍有廣泛應用。近年來 ，為了抵御8位機的侵蝕，4位機在結構和性能上有了很大發(fā)展。主要有：
·采用＜1μm CMOS工藝，使指令執(zhí)行速度達到1μs．ROM為32～64kB，RAM為4k×4位。這些增強性能已與8位機相當；
·將LED、LCD、VFD等顯示驅動集成在單片中。這種增強的I／O功能甚至比一般的8位機還強；
? ·降低功耗。低于2．2V電壓和μA級電流也能運行。這比一般8位機還低一些；
·采用類似于RISC的結構。使4位機的性能大幅度提高；
·針對特定的應用加入特定的功能。如A／D、D／A、過零檢測、比較器、計數(shù)器、定時器、圖形顯示、遙控等。
但即使如此，4位機的市場占有率仍然較小。性能如表1（篇幅所限，僅舉數(shù)種說明）所列。
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1．2．2 8位機
由于8位機可以一次處理一個ASCII字符，因而用途十分廣泛。如顯示、終端鍵盤、打印、字處理、工業(yè)控制等。市場占有率70％以上。功能豐富，品種齊全，通用性強。1972年Intel首先推出了8位微處理器8008，隨后于1976年率先推出8位機MCS－48系列。1980年又推出MCS－51系列產(chǎn)品，其性能大大超過48系列產(chǎn)品。如計算速度為48系列的10倍，時鐘12MHz時指令周期可為1μs等。Motorola到78年才推出第一個單片機MC6801系列，不過，功能已相當豐富，如嵌入有EEPROM、A／D、LED驅動、PWM輸出等，成為功能很強的工業(yè)控制器。Zilog也在78年推出Z8系列單片機，它一開始就以一種新面貌出現(xiàn)，不單可用作單片機，還可作為微處理器用于微計算機系統(tǒng)中。值得特別提出的是，Atmel公司推出的89C系列單片機〔4〕，其內(nèi)核與工業(yè)標準的80C51同，即指令集與管腳分布與MCS51產(chǎn)品兼容。它的特點是時鐘頻率更高 ，可達33MHz，最高可達40MHz，因而運算速度更快。我國單片機主要應用領域之一為工業(yè)測控 ，用于此領域的單片機多為8位機，而以MCS－51系列和AT89C5系列用得最多。不少高校的微機原理或單片機原理課程都以這種機型為背景機。
生產(chǎn)8位機的廠家相當多，品種型號很多。在我國，主流則是上述幾家公司的派系產(chǎn)品。而每一派系又有多個廠家及其多種型號產(chǎn)品。如屬于Intel派系的有Philips／Signetics，Siemens，AMD，OKI，MARTRA－MHS等公司型號的產(chǎn)品。屬于Motorola派系的有Hitachi，Mitsubish，Rockwell，WDC等公司型號產(chǎn)品。屬于Zilog派系的有NEC，Hitachi,SGS－Thomson等公司型號的產(chǎn)品。在這幾個派系中以Intel的市場占有率最高，Motorola居中，Zilog最低。為了占領市場，Motorola還研制了6804／68HC04芯片，它是介于4位機與8位機之間的系列，CPU處理8位數(shù)據(jù)，運行8位指令，但數(shù)據(jù)則是每次串行輸出一位，設計目標是4位機的價格，很適于質高價廉的場合。
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1．2．3 16位機
1978年Intel最先推出16位微處理器868系列，與隨后Motorola的M68000，Zilog的Z8000成為當時的三大系列16位微處理器。由于8位機應用廣泛而且能解決問題，使16位單片機進入市場較晚，到1988年Inte l才推出MCS－96系列機。此機具有高速運算及高速處理和控制能力,具有16位的CPU，8位的外部總線（ 因此又稱準16位機），豐富高效的指令系統(tǒng)，性能價格比優(yōu)異，其售價只比8位機稍微高一些。片內(nèi)有A ／D、PWM、Watchdog及靈活的中斷系統(tǒng)。在工作頻率12MHz時指令執(zhí)行時間為1～2μs。由于性能功能均良好，一出現(xiàn)便引起工業(yè)界廣泛注意 。在我國，早年以MCS－96應用最多，近年來，Intel80C196、80C25 1、80C51XA等有廣泛的應用 。生產(chǎn)16位機的廠家還有Motorola，MATRA－MHS，Mostek（Thomson），NEC ，OKI，Phil ips/Signetic，Sieme ns等。但到目前總產(chǎn)量仍不大，遠低于8位機。不過由于采取了增強功能、提高性能、品種多樣化和不斷降低價格等措施，近年來發(fā)展迅速，估計90年代末期可望趕上8位機。所采取的措施主要有：
·增強運算能力，加大容量。片內(nèi)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語言；
·提高數(shù)據(jù)處理與傳輸能力。一般都增加了DMA傳輸和快速I／O功能；
·提高速度。如80C51XA工作頻率達30MHz，HPC系列達40MHz。指令周期降至數(shù)μs。
·采用RISC結構。如Waterscale的PSC1000，Harris的RTX2000等均采用RISC結構。
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?? 現(xiàn)今16位機以Intel的8096系列的產(chǎn)量最大，準16位機8098已停產(chǎn)。CMOS工藝的單片機以國家半導體的HPC系列的性能價格比最高，Hitachi的H8／500則是目前綜合性能最好的單片機。
1．2．4 32位機
隨著高技術在智能機器人、光盤、激光打印機、圖像與數(shù)據(jù)實時處理、復雜實時控制、網(wǎng)絡服務器等領域的應用發(fā)展，16位機已顯得無能為力，需要32位機才能滿足要求。80年代末推出了多種32位機產(chǎn)品 。如Motorola推出的產(chǎn)品68300、Intel的80960都是1989年出品。其共同特點是：
·尋址能力在GB級以上（存儲、處理彩色圖像需要特大存儲器）；
·高指令執(zhí)行速度。每秒M級條指令。如Intel的i960A速度為66MIPS；
·快速運算能力。有的嵌入浮點運算部件，運算能力大為增強；
·直接支持高級語言和實時多任務執(zhí)行。如支持C、Forth語言。嵌入實時多任務操作系統(tǒng)。大多數(shù)采用RISC結構。除Motorola的MC68332、國家半導體的NS32CG160等仍用CISC外，均用RISC。?
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1．2．5 64位機
? 64位機在引擎控制、智能機器人控制、磁盤控制、語音／圖像通信、算法密集的實時控制等場合使用。但國內(nèi)仍未見有應用。下面給出一個產(chǎn)品例子。
??? 英國Inmos公司的Transputer T800是64位高性能機。它集成有處理器、高速緩存、64位浮點運算器、存儲控制器、串行接口，適用于超高速并行處理。
??? 中央處理器為32位，其浮點運算速度達12億次／秒。RAM 4k，I／O鏈接通道4組20Mbit／s，時鐘頻率25MHz，數(shù)據(jù)傳輸率100MB／s，可尋址外部存儲空間4GB。外存儲器傳輸率33MB／s。
2 單片機的總線
? 一直以來，單片機沒有自己的專門的總線標準，通常是由著名廠家推出自己產(chǎn)品時配套設計的。如MC S－51系列單片機就設計有完善的三總線結構（地址總線AB，數(shù)據(jù)總線DB，控制總線CB），要構成不同的單片機應用系統(tǒng)是方便的。雖然，單片機可以歸結為工控機的一種，而工控機的成熟主流總線是STD總線，但單片機卻沒有完全執(zhí)行STD總線標（IEEE961），而以控制總線差別較大。
這里只論及完全根據(jù)單片機的特點，按照控制系統(tǒng)網(wǎng)絡及多機系統(tǒng)的需要而設計的串行接口總線。有了此總線，多個單片機就能以一定的拓樸結構組成多種系統(tǒng)，彌補了在網(wǎng)絡控制方面的不足。
單片機應用系統(tǒng)涉及多種多樣的外部設備或系統(tǒng)的互連和通信，有必要在單片機與外部芯片間插入有通信功能的接口。這樣做的好處是：1）串行總線連線少，結構簡單，安裝調整方便。在傳送速度不太高的場合，串行總線是可取的；2）總線接口部分已集成到芯片中，系統(tǒng)可以按功能模塊直接聯(lián)接；3）故障診斷排除十分簡單；4）可利用軟件庫進行安裝，減少軟件開發(fā)時間；5）取消外部接口電路，外部接線少，體積小，可靠，價廉。目前已生產(chǎn)出多種產(chǎn)品，但仍未有正式批準的國際標準。常見的有以下幾種總線〔5〕〔6〕：
·IIC總線（Inter－Integrated Circuit）。這是Philips開發(fā)的一種內(nèi)部雙向二線串行總線。一為串行數(shù)據(jù)總線。另一為串行時鐘總線。線上設備可用軟件尋址，且可自動沖突仲裁 。標準傳送速率100kbit／s，最大400kbit／s．適于非高速系統(tǒng)。
·BIT總線。這是Intel開發(fā)的一種分布式機間通信的串行總線。通過RUPI－44系列的串行接口單元，可實現(xiàn)點對點、多點主從、環(huán)形網(wǎng)三種鏈路結構的通信。外同步速率2．4MB／s（點對點，多點），1．0MB／s（環(huán)形網(wǎng)）。
·MicroWire總線。這是國家半導體開發(fā)的一種三線串行接口總線。一為數(shù)據(jù)輸出線，二為數(shù)據(jù)輸入線，三為時鐘線。線上只有一臺機為主機，其余為從機。MicroWire／plus是增強型。各型號功能各異。
·SPI／SCI總線（串行輸入接口／串行通信口）。由Motorola開發(fā)。SPI為并行同步總線（兩條串行數(shù)據(jù)線，一條串行時鐘線）通過SPI的互連可構成各種應用系統(tǒng)。SCI為異步通信接口。
·VESA總線（Video Electronics StandardAssociation）。由視頻電子標準協(xié)會等多家公司聯(lián)合推出的全開放模塊式的局部總線。又稱VESALocal總線，簡稱VL。此總線支持高速視頻處理，總線寬32位，數(shù)據(jù)線可擴至64位。數(shù)據(jù)傳輸率132MB／s。適于多媒體場合。
·CAN總線（Controller Area Network）。這是一種單片機外部串行總線。采用多元競爭式結構。按設定仲裁字的方式進行總線仲裁。是網(wǎng)絡系統(tǒng)的一種重要總線型式。
此外，還有Signetics公司的芯片內(nèi)部的DDB總線等。
1995年末，世界上最新開發(fā)的Intel公司的總線產(chǎn)品compact PCI被介紹給我國的工控〔7〕 〔8〕，而該類產(chǎn)品在我國目前仍處于初創(chuàng)研發(fā)階段。作為歸結為工控機類的單片機，如何徹底解決設備共享問題 ，從而加入現(xiàn)場控制系統(tǒng)（FCS）中，一直是工控界關注的問題。
3 單片機的軟件
通常單片機開發(fā)中用的程序設計語言是匯編語言。編寫程序后用PE、EDLIN等軟件在計算機上編輯，然后編譯成機器碼文件，再由通信軟件將機器碼文件送入單片機聯(lián)機調試。隨著單片機系統(tǒng)規(guī)模的擴大和功能的復雜，用匯編語言編制程序的方法有明顯的缺點。主要是效率低，程序不易維護，不能移植，很不適應要求。有必要尋求一種高效率的結構化的高級程序設計語言。這些語言現(xiàn)在有C、PL／M、Forth 、Pascal、Modula－2等〔9〕。
C語言是一種介于高級語言和匯編語言之間的適于單片機開發(fā)用的語言。它既有高級語言的特點，又易與匯編語言接口。原來用匯編語言寫的程序現(xiàn)在可以用C語言編寫。只是在體現(xiàn)速度的場合如信息的實時處理、實時控制，以及和硬件打交道的場合如接口驅動程序，才會插入?yún)R編語言程序。一些開發(fā)系統(tǒng)都配有C語言調試程序、編譯器等。
PL／M是Intel開發(fā)的一種結構化高級語言。如PL／M－96是其中一種。其編譯生成的機器碼就是MCS－96系列單片機的機器碼。其編譯、連接、定位程序可以在80386及其兼容機上運行。
?? Forth語言原來是60年代美國人CharlesMoore發(fā)明的一種中級計算機語言，用于控制天文望遠鏡，1986年移植到單片機中。它具有速度快、程序簡單、結構精巧、擴充方便、空間節(jié)省等特點。適宜向工控、設備管理、數(shù)據(jù)處理、智能機器人、儀表等領域推廣應用。Forth語言別具一格，與其它高級語言不同，它以詞典為核心，以堆棧為運算場所，把解釋、編譯、調度、設備管理等集于一體，能同時使用For th高級語言、編語言、機器語言。因Forth的內(nèi)核只占2k～8k，很容易裝入儀表內(nèi)部。
因Modula－2是基于Pascal開發(fā)系統(tǒng)移植來的，具有Pascal的特點，它們都比C差些。在此不再敘述。
4 單片機的開發(fā)工具
因單片機本身不具備開發(fā)功能，因此，在開發(fā)單片機時必須借助某些開發(fā)工具。這些開發(fā)工具通常稱為仿真器或開發(fā)系統(tǒng)。可供采用的有〔10〕：
·在線仿真器。簡稱仿真器。仿真器通過RS－232接口（或并行口）與宿主機相連。又用電纜線把仿真器與目標系統(tǒng)相接。用仿真器中的“仿真單片機”取代目標系統(tǒng)的同類型的“目標單片機”。然后在宿主機上進行各種操作，從而獲得對仿真單片機也即對目標單片機的仿真和控制功能。這是我國用得最多的一種，其操作平臺由DOS系統(tǒng)發(fā)展到WINDOWS。
·在位仿真式的在線仿真器。與在線仿真器不同的是，把仿真器與目標系統(tǒng)間的連接電纜歸并到仿真器的負載之中，從而不會影響目標系統(tǒng)的性能（如噪聲干擾、穩(wěn)定性等）。北京東方計算機技術研究所開發(fā)的UD－96／C196仿真器采用了這種技術。
·綜合開發(fā)系統(tǒng)。把在線仿真器、邏輯分析儀、信息發(fā)生器、EPROM寫入器等原來分開的功能部分有機地結合在一起。使開發(fā)工作更有效、方便，但價格昂貴。
·自開發(fā)系統(tǒng)。與在線仿真器不同的是取消用電纜連接另外的目標系統(tǒng)。開發(fā)完畢后就將自身作為目標系統(tǒng)使用。開發(fā)價格較低。
下面介紹一下國內(nèi)外的幾種Forth語言開發(fā)系統(tǒng)。
·英國Triangle DigitalServices公司的TDS－9090跟蹤數(shù)據(jù)仿真器（Track Data Simulato r）。通過RS－232與計算機相連，即可用Forth語言編程。然后將程序代碼存入PROM中，生成一個獨立的系統(tǒng)。在非易失性RAM支持下獨立運行。TDS的硬件是CMOSHatchi的HD63A03Y 8位單片機，指令與Motorola的680 0兼容。RAM 30K，ROM16K，EPROM 16K，EEPROM 256B。包含有一個寫機器語言的符號匯編器，可同時使用Forth及匯編語言。具有全屏幕編輯、多任務、時鐘、看門狗、低電源運行功能。
·加拿大SDS電子技術公司的SDSForth－51開發(fā)系統(tǒng)。其硬件為Intel的8051系列8位單片機。包括For th－51軟件和SL－51Kit開發(fā)工具兩部分。將Kit與PC機連接，即可用Forth或匯編語言編程。可用PC聯(lián)機調試。最后生成二進制文件裝入仿真器。
·MCS96－Forth 1．0開發(fā)系統(tǒng)。1996年，國內(nèi)有人在MCS－96系列單片機上開發(fā)出一種Fort h系統(tǒng)，命名為MCS96－Forth 1．0，提供一個實用的Forth開發(fā)工具，已經(jīng)通過鑒定。已具備正式投入運行條件 。Forth語言已經(jīng)漢化。
2 何立民．單片機技術的現(xiàn)狀與未來．中國計算機報．1995．No．30
3 陳章龍．單片機的市場分析與產(chǎn)品特點．中國計算機報．1995．No．30
4 ATMEL系列器件資料匯編．廣州單片機應用技術實驗室．1998
5 滿慶豐．單片機的總線技術．中國計算機報．1995
6? 謝清榮．總線技術概覽．中國計算機報．2000．No．34
7 魏慶福．全新的工控機標準化平臺——Compact PCI．計算機世界．1999．No．7
8 劉鐵椎．現(xiàn)場總線及其作用和地位．計算機世界．1999．No．7
9 王新賢．實用計算機控制技術手冊．濟南：山東科學技術出版社，1994：691－752
10 韓飛鵬．單片機的開發(fā)方式．中國計算機報．1995．No．30
?? 關鍵詞：單片機 綜述 應用技術
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?? 單片機在集成度、功能、性能、體系結構方面都有了飛速發(fā)展，已能集成一個完整的功能強大、性能優(yōu)良的計算機應用系統(tǒng)。但目前國內(nèi)許多單片機應用單位仍停留在采用片內(nèi)無ROM等低檔單片機的狀態(tài)，無論在系統(tǒng)設計上、使用維護上、經(jīng)濟效益上這都是不合算的。這種狀況必須改變。本文就單片機的發(fā)展現(xiàn)狀進行綜述，希望能對提高國內(nèi)單片機技術的應用水平有所促進。
1 單片機的硬件
單片微型計算機，簡稱單片機，是微型計算機的一個分支。它是在一塊芯片上集成（嵌入）了CPU、RAM和ROM存儲器、I／O接口等而構成的微型計算機。因主要用于工業(yè)測控領域，故又稱為微控制器或嵌入式控制器。單片機的核心是中央處理器CPU。用超大規(guī)模集成技術把CPU集成在一塊芯片上，稱為微處理器。微處理器、微控制器和微型計算機三者的關系十分密切。目前，單片機在工業(yè)測控領域中已占重要地位。各電氣廠商、機電行業(yè)和測控企業(yè)都把單片機作為本部門產(chǎn)品更新?lián)Q代、產(chǎn)品智能化的重要工具。全世界單片機的生產(chǎn)廠家有30多家，能生產(chǎn)60多個系列，1000多個型號的產(chǎn)品。產(chǎn)量大，僅1996年的產(chǎn)量就達18億片。
1．1 單片機的特點
?? 單片機問世以來所走的路與微處理器是不同的。微處理器向著高速運算、數(shù)據(jù)分析與處理能力、大規(guī)模容量存儲等方向發(fā)展，以提高通用計算機的性能。其接口界面也是為了滿足外設和網(wǎng)絡接口而設計的 。單片機則是從工業(yè)測控對象、環(huán)境、接口特點出發(fā)，向著增強控制功能、提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性、靈活方便的構成應用計算機系統(tǒng)的界面接口的方向發(fā)展。因此，單片機有著自已的特點，主要是：〔1〕〔2 〕
·品種多樣，型號繁多。品種型號逐年擴充以適應各種需要。使系統(tǒng)開發(fā)者有很大的選擇自由。CPU從4、8、16、32到64位，有些還采用RISC技術；
·提高性能，擴大容量。集成度已達200萬個晶體管以上。總線工作速度已達數(shù)十微秒。工作頻率達到30MHz甚至40MHz。指令執(zhí)行周期減到數(shù)十微秒。存儲器容量RAM發(fā)展到1K、2K，RO M發(fā)展到32K、64K；
·增加控制功能，向外部接口延伸。把原屬外圍芯片的功能集成到本芯片內(nèi)。現(xiàn)今的單片機已發(fā)展到在一塊含有CPU的芯片上，除嵌入RAM、ROM存儲器和I／O接口外，還有A／D、PWM、U ART、Timer／Counter、DMA、Watchdog、Serial Port、Sensor、driver、還有顯示驅動、鍵盤控制、函數(shù)發(fā)生器、比較器等，構成一個完整的功能強的計算機應用系統(tǒng)；
·低功耗。供電電壓從5V降到3V、2V甚至1V左右。工作電流從mA級降到μA級。在生產(chǎn)工藝上以CMOS代替NMOS，并向HCMOS過渡；
·應用軟件配套。提供了軟件庫，包括標準應用軟件，示范設計方法。使用戶開發(fā)單片機應用系統(tǒng)時更快速、方便。使有可能做到用一周時間開發(fā)一個新的應用產(chǎn)品；
·系統(tǒng)擴展與配置。有供擴展外部電路用的三總線結構DB、AB、CB，以方便構成各種應用系統(tǒng)。根據(jù)單片機網(wǎng)絡系統(tǒng)、多機系統(tǒng)的特點專門開發(fā)出單片機串行總線。此外，還特別配置有傳感器，人機對話 、網(wǎng)絡多通道等接口，以便構成網(wǎng)絡和多機系統(tǒng)。
1．2 單片機的性能〔3〕
單片機通常按其微處理器字長的位數(shù)來分類，如4、8、16、32、64位單片機。
1．2．1 4位機
1971年Intel首先推出了4位微處理器芯片4004。此后各廠家相繼推出4位機產(chǎn)品。因4位機每次只能處理一位BCD碼數(shù)據(jù)，故只適于簡單控制場合。但因其價廉，在家電等消費類產(chǎn)品中仍有廣泛應用。近年來 ，為了抵御8位機的侵蝕，4位機在結構和性能上有了很大發(fā)展。主要有：
·采用＜1μm CMOS工藝，使指令執(zhí)行速度達到1μs．ROM為32～64kB，RAM為4k×4位。這些增強性能已與8位機相當；
·將LED、LCD、VFD等顯示驅動集成在單片中。這種增強的I／O功能甚至比一般的8位機還強；
? ·降低功耗。低于2．2V電壓和μA級電流也能運行。這比一般8位機還低一些；
·采用類似于RISC的結構。使4位機的性能大幅度提高；
·針對特定的應用加入特定的功能。如A／D、D／A、過零檢測、比較器、計數(shù)器、定時器、圖形顯示、遙控等。
但即使如此，4位機的市場占有率仍然較小。性能如表1（篇幅所限，僅舉數(shù)種說明）所列。
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1．2．2 8位機
由于8位機可以一次處理一個ASCII字符，因而用途十分廣泛。如顯示、終端鍵盤、打印、字處理、工業(yè)控制等。市場占有率70％以上。功能豐富，品種齊全，通用性強。1972年Intel首先推出了8位微處理器8008，隨后于1976年率先推出8位機MCS－48系列。1980年又推出MCS－51系列產(chǎn)品，其性能大大超過48系列產(chǎn)品。如計算速度為48系列的10倍，時鐘12MHz時指令周期可為1μs等。Motorola到78年才推出第一個單片機MC6801系列，不過，功能已相當豐富，如嵌入有EEPROM、A／D、LED驅動、PWM輸出等，成為功能很強的工業(yè)控制器。Zilog也在78年推出Z8系列單片機，它一開始就以一種新面貌出現(xiàn)，不單可用作單片機，還可作為微處理器用于微計算機系統(tǒng)中。值得特別提出的是，Atmel公司推出的89C系列單片機〔4〕，其內(nèi)核與工業(yè)標準的80C51同，即指令集與管腳分布與MCS51產(chǎn)品兼容。它的特點是時鐘頻率更高 ，可達33MHz，最高可達40MHz，因而運算速度更快。我國單片機主要應用領域之一為工業(yè)測控 ，用于此領域的單片機多為8位機，而以MCS－51系列和AT89C5系列用得最多。不少高校的微機原理或單片機原理課程都以這種機型為背景機。
生產(chǎn)8位機的廠家相當多，品種型號很多。在我國，主流則是上述幾家公司的派系產(chǎn)品。而每一派系又有多個廠家及其多種型號產(chǎn)品。如屬于Intel派系的有Philips／Signetics，Siemens，AMD，OKI，MARTRA－MHS等公司型號的產(chǎn)品。屬于Motorola派系的有Hitachi，Mitsubish，Rockwell，WDC等公司型號產(chǎn)品。屬于Zilog派系的有NEC，Hitachi,SGS－Thomson等公司型號的產(chǎn)品。在這幾個派系中以Intel的市場占有率最高，Motorola居中，Zilog最低。為了占領市場，Motorola還研制了6804／68HC04芯片，它是介于4位機與8位機之間的系列，CPU處理8位數(shù)據(jù)，運行8位指令，但數(shù)據(jù)則是每次串行輸出一位，設計目標是4位機的價格，很適于質高價廉的場合。
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1．2．3 16位機
1978年Intel最先推出16位微處理器868系列，與隨后Motorola的M68000，Zilog的Z8000成為當時的三大系列16位微處理器。由于8位機應用廣泛而且能解決問題，使16位單片機進入市場較晚，到1988年Inte l才推出MCS－96系列機。此機具有高速運算及高速處理和控制能力,具有16位的CPU，8位的外部總線（ 因此又稱準16位機），豐富高效的指令系統(tǒng)，性能價格比優(yōu)異，其售價只比8位機稍微高一些。片內(nèi)有A ／D、PWM、Watchdog及靈活的中斷系統(tǒng)。在工作頻率12MHz時指令執(zhí)行時間為1～2μs。由于性能功能均良好，一出現(xiàn)便引起工業(yè)界廣泛注意 。在我國，早年以MCS－96應用最多，近年來，Intel80C196、80C25 1、80C51XA等有廣泛的應用 。生產(chǎn)16位機的廠家還有Motorola，MATRA－MHS，Mostek（Thomson），NEC ，OKI，Phil ips/Signetic，Sieme ns等。但到目前總產(chǎn)量仍不大，遠低于8位機。不過由于采取了增強功能、提高性能、品種多樣化和不斷降低價格等措施，近年來發(fā)展迅速，估計90年代末期可望趕上8位機。所采取的措施主要有：
·增強運算能力，加大容量。片內(nèi)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語言；
·提高數(shù)據(jù)處理與傳輸能力。一般都增加了DMA傳輸和快速I／O功能；
·提高速度。如80C51XA工作頻率達30MHz，HPC系列達40MHz。指令周期降至數(shù)μs。
·采用RISC結構。如Waterscale的PSC1000，Harris的RTX2000等均采用RISC結構。
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?? 現(xiàn)今16位機以Intel的8096系列的產(chǎn)量最大，準16位機8098已停產(chǎn)。CMOS工藝的單片機以國家半導體的HPC系列的性能價格比最高，Hitachi的H8／500則是目前綜合性能最好的單片機。
1．2．4 32位機
隨著高技術在智能機器人、光盤、激光打印機、圖像與數(shù)據(jù)實時處理、復雜實時控制、網(wǎng)絡服務器等領域的應用發(fā)展，16位機已顯得無能為力，需要32位機才能滿足要求。80年代末推出了多種32位機產(chǎn)品 。如Motorola推出的產(chǎn)品68300、Intel的80960都是1989年出品。其共同特點是：
·尋址能力在GB級以上（存儲、處理彩色圖像需要特大存儲器）；
·高指令執(zhí)行速度。每秒M級條指令。如Intel的i960A速度為66MIPS；
·快速運算能力。有的嵌入浮點運算部件，運算能力大為增強；
·直接支持高級語言和實時多任務執(zhí)行。如支持C、Forth語言。嵌入實時多任務操作系統(tǒng)。大多數(shù)采用RISC結構。除Motorola的MC68332、國家半導體的NS32CG160等仍用CISC外，均用RISC。?
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1．2．5 64位機
? 64位機在引擎控制、智能機器人控制、磁盤控制、語音／圖像通信、算法密集的實時控制等場合使用。但國內(nèi)仍未見有應用。下面給出一個產(chǎn)品例子。
??? 英國Inmos公司的Transputer T800是64位高性能機。它集成有處理器、高速緩存、64位浮點運算器、存儲控制器、串行接口，適用于超高速并行處理。
??? 中央處理器為32位，其浮點運算速度達12億次／秒。RAM 4k，I／O鏈接通道4組20Mbit／s，時鐘頻率25MHz，數(shù)據(jù)傳輸率100MB／s，可尋址外部存儲空間4GB。外存儲器傳輸率33MB／s。
2 單片機的總線
? 一直以來，單片機沒有自己的專門的總線標準，通常是由著名廠家推出自己產(chǎn)品時配套設計的。如MC S－51系列單片機就設計有完善的三總線結構（地址總線AB，數(shù)據(jù)總線DB，控制總線CB），要構成不同的單片機應用系統(tǒng)是方便的。雖然，單片機可以歸結為工控機的一種，而工控機的成熟主流總線是STD總線，但單片機卻沒有完全執(zhí)行STD總線標（IEEE961），而以控制總線差別較大。
這里只論及完全根據(jù)單片機的特點，按照控制系統(tǒng)網(wǎng)絡及多機系統(tǒng)的需要而設計的串行接口總線。有了此總線，多個單片機就能以一定的拓樸結構組成多種系統(tǒng)，彌補了在網(wǎng)絡控制方面的不足。
單片機應用系統(tǒng)涉及多種多樣的外部設備或系統(tǒng)的互連和通信，有必要在單片機與外部芯片間插入有通信功能的接口。這樣做的好處是：1）串行總線連線少，結構簡單，安裝調整方便。在傳送速度不太高的場合，串行總線是可取的；2）總線接口部分已集成到芯片中，系統(tǒng)可以按功能模塊直接聯(lián)接；3）故障診斷排除十分簡單；4）可利用軟件庫進行安裝，減少軟件開發(fā)時間；5）取消外部接口電路，外部接線少，體積小，可靠，價廉。目前已生產(chǎn)出多種產(chǎn)品，但仍未有正式批準的國際標準。常見的有以下幾種總線〔5〕〔6〕：
·IIC總線（Inter－Integrated Circuit）。這是Philips開發(fā)的一種內(nèi)部雙向二線串行總線。一為串行數(shù)據(jù)總線。另一為串行時鐘總線。線上設備可用軟件尋址，且可自動沖突仲裁 。標準傳送速率100kbit／s，最大400kbit／s．適于非高速系統(tǒng)。
·BIT總線。這是Intel開發(fā)的一種分布式機間通信的串行總線。通過RUPI－44系列的串行接口單元，可實現(xiàn)點對點、多點主從、環(huán)形網(wǎng)三種鏈路結構的通信。外同步速率2．4MB／s（點對點，多點），1．0MB／s（環(huán)形網(wǎng)）。
·MicroWire總線。這是國家半導體開發(fā)的一種三線串行接口總線。一為數(shù)據(jù)輸出線，二為數(shù)據(jù)輸入線，三為時鐘線。線上只有一臺機為主機，其余為從機。MicroWire／plus是增強型。各型號功能各異。
·SPI／SCI總線（串行輸入接口／串行通信口）。由Motorola開發(fā)。SPI為并行同步總線（兩條串行數(shù)據(jù)線，一條串行時鐘線）通過SPI的互連可構成各種應用系統(tǒng)。SCI為異步通信接口。
·VESA總線（Video Electronics StandardAssociation）。由視頻電子標準協(xié)會等多家公司聯(lián)合推出的全開放模塊式的局部總線。又稱VESALocal總線，簡稱VL。此總線支持高速視頻處理，總線寬32位，數(shù)據(jù)線可擴至64位。數(shù)據(jù)傳輸率132MB／s。適于多媒體場合。
·CAN總線（Controller Area Network）。這是一種單片機外部串行總線。采用多元競爭式結構。按設定仲裁字的方式進行總線仲裁。是網(wǎng)絡系統(tǒng)的一種重要總線型式。
此外，還有Signetics公司的芯片內(nèi)部的DDB總線等。
1995年末，世界上最新開發(fā)的Intel公司的總線產(chǎn)品compact PCI被介紹給我國的工控〔7〕 〔8〕，而該類產(chǎn)品在我國目前仍處于初創(chuàng)研發(fā)階段。作為歸結為工控機類的單片機，如何徹底解決設備共享問題 ，從而加入現(xiàn)場控制系統(tǒng)（FCS）中，一直是工控界關注的問題。
3 單片機的軟件
通常單片機開發(fā)中用的程序設計語言是匯編語言。編寫程序后用PE、EDLIN等軟件在計算機上編輯，然后編譯成機器碼文件，再由通信軟件將機器碼文件送入單片機聯(lián)機調試。隨著單片機系統(tǒng)規(guī)模的擴大和功能的復雜，用匯編語言編制程序的方法有明顯的缺點。主要是效率低，程序不易維護，不能移植，很不適應要求。有必要尋求一種高效率的結構化的高級程序設計語言。這些語言現(xiàn)在有C、PL／M、Forth 、Pascal、Modula－2等〔9〕。
C語言是一種介于高級語言和匯編語言之間的適于單片機開發(fā)用的語言。它既有高級語言的特點，又易與匯編語言接口。原來用匯編語言寫的程序現(xiàn)在可以用C語言編寫。只是在體現(xiàn)速度的場合如信息的實時處理、實時控制，以及和硬件打交道的場合如接口驅動程序，才會插入?yún)R編語言程序。一些開發(fā)系統(tǒng)都配有C語言調試程序、編譯器等。
PL／M是Intel開發(fā)的一種結構化高級語言。如PL／M－96是其中一種。其編譯生成的機器碼就是MCS－96系列單片機的機器碼。其編譯、連接、定位程序可以在80386及其兼容機上運行。
?? Forth語言原來是60年代美國人CharlesMoore發(fā)明的一種中級計算機語言，用于控制天文望遠鏡，1986年移植到單片機中。它具有速度快、程序簡單、結構精巧、擴充方便、空間節(jié)省等特點。適宜向工控、設備管理、數(shù)據(jù)處理、智能機器人、儀表等領域推廣應用。Forth語言別具一格，與其它高級語言不同，它以詞典為核心，以堆棧為運算場所，把解釋、編譯、調度、設備管理等集于一體，能同時使用For th高級語言、編語言、機器語言。因Forth的內(nèi)核只占2k～8k，很容易裝入儀表內(nèi)部。
因Modula－2是基于Pascal開發(fā)系統(tǒng)移植來的，具有Pascal的特點，它們都比C差些。在此不再敘述。
4 單片機的開發(fā)工具
因單片機本身不具備開發(fā)功能，因此，在開發(fā)單片機時必須借助某些開發(fā)工具。這些開發(fā)工具通常稱為仿真器或開發(fā)系統(tǒng)。可供采用的有〔10〕：
·在線仿真器。簡稱仿真器。仿真器通過RS－232接口（或并行口）與宿主機相連。又用電纜線把仿真器與目標系統(tǒng)相接。用仿真器中的“仿真單片機”取代目標系統(tǒng)的同類型的“目標單片機”。然后在宿主機上進行各種操作，從而獲得對仿真單片機也即對目標單片機的仿真和控制功能。這是我國用得最多的一種，其操作平臺由DOS系統(tǒng)發(fā)展到WINDOWS。
·在位仿真式的在線仿真器。與在線仿真器不同的是，把仿真器與目標系統(tǒng)間的連接電纜歸并到仿真器的負載之中，從而不會影響目標系統(tǒng)的性能（如噪聲干擾、穩(wěn)定性等）。北京東方計算機技術研究所開發(fā)的UD－96／C196仿真器采用了這種技術。
·綜合開發(fā)系統(tǒng)。把在線仿真器、邏輯分析儀、信息發(fā)生器、EPROM寫入器等原來分開的功能部分有機地結合在一起。使開發(fā)工作更有效、方便，但價格昂貴。
·自開發(fā)系統(tǒng)。與在線仿真器不同的是取消用電纜連接另外的目標系統(tǒng)。開發(fā)完畢后就將自身作為目標系統(tǒng)使用。開發(fā)價格較低。
下面介紹一下國內(nèi)外的幾種Forth語言開發(fā)系統(tǒng)。
·英國Triangle DigitalServices公司的TDS－9090跟蹤數(shù)據(jù)仿真器（Track Data Simulato r）。通過RS－232與計算機相連，即可用Forth語言編程。然后將程序代碼存入PROM中，生成一個獨立的系統(tǒng)。在非易失性RAM支持下獨立運行。TDS的硬件是CMOSHatchi的HD63A03Y 8位單片機，指令與Motorola的680 0兼容。RAM 30K，ROM16K，EPROM 16K，EEPROM 256B。包含有一個寫機器語言的符號匯編器，可同時使用Forth及匯編語言。具有全屏幕編輯、多任務、時鐘、看門狗、低電源運行功能。
·加拿大SDS電子技術公司的SDSForth－51開發(fā)系統(tǒng)。其硬件為Intel的8051系列8位單片機。包括For th－51軟件和SL－51Kit開發(fā)工具兩部分。將Kit與PC機連接，即可用Forth或匯編語言編程。可用PC聯(lián)機調試。最后生成二進制文件裝入仿真器。
·MCS96－Forth 1．0開發(fā)系統(tǒng)。1996年，國內(nèi)有人在MCS－96系列單片機上開發(fā)出一種Fort h系統(tǒng)，命名為MCS96－Forth 1．0，提供一個實用的Forth開發(fā)工具，已經(jīng)通過鑒定。已具備正式投入運行條件 。Forth語言已經(jīng)漢化。
參考文獻
1 曹明揚．單片機發(fā)展動向及市場預測．計算機世界，1996．No．12 何立民．單片機技術的現(xiàn)狀與未來．中國計算機報．1995．No．30
3 陳章龍．單片機的市場分析與產(chǎn)品特點．中國計算機報．1995．No．30
4 ATMEL系列器件資料匯編．廣州單片機應用技術實驗室．1998
5 滿慶豐．單片機的總線技術．中國計算機報．1995
6? 謝清榮．總線技術概覽．中國計算機報．2000．No．34
7 魏慶福．全新的工控機標準化平臺——Compact PCI．計算機世界．1999．No．7
8 劉鐵椎．現(xiàn)場總線及其作用和地位．計算機世界．1999．No．7
9 王新賢．實用計算機控制技術手冊．濟南：山東科學技術出版社，1994：691－752
10 韓飛鵬．單片機的開發(fā)方式．中國計算機報．1995．No．30
工商網(wǎng)監(jiān)
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