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(shè)和網(wǎng)絡(luò)接口而設(shè)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(gòu)成應(yīng)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(yīng)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(shù)；
　 ·提高性能，擴大容量。集成度已達200萬個晶體管以上?？偩€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(qū)動、鍵盤控制、函數(shù)發(fā)生器、比較器等，構(gòu)成一個完整的功能強的計算機應(yīng)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(yīng)用軟件配套。提供了軟件庫，包括標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用軟件，示范設(shè)計方法。使用戶開發(fā)單片機應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)DB、AB、CB，以方便構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)。根據(jù)單片機網(wǎng)絡(luò)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(luò)多通道等接口，以便構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用。近年來 ，為了抵御8位機的侵蝕，4位機在結(jié)構(gòu)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(dāng)；
　 ·將LED、LCD、VFD等顯示驅(qū)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(jié)構(gòu)。使4位機的性能大幅度提高；
　 ·針對特定的應(yīng)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。


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(dāng)豐富，如嵌入有EEPROM、A／D、LED驅(qū)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用領(lǐng)域之一為工業(yè)測控 ，用于此領(lǐng)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(dāng)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(lǐng)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(shè)計目標(biāo)是4位機的價格，很適于質(zhì)高價廉的場合。


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(dāng)時的三大系列16位微處理器。由于8位機應(yīng)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(zhǔn)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(yīng)用最多，近年來，Intel80C196、80C25 1、80C51XA等有廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)。如Waterscale的PSC1000，Harris的RTX2000等均采用RISC結(jié)構(gòu)。


現(xiàn)今16位機以Intel的8096系列的產(chǎn)量最大，準(zhǔn)16位機8098已停產(chǎn)。CMOS工藝的單片機以國家半導(dǎo)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(shù)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(fù)雜實時控制、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等領(lǐng)域的應(yīng)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(wù)執(zhí)行。如支持C、Forth語言。嵌入實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。大多數(shù)采用RISC結(jié)構(gòu)。除Motorola的MC68332、國家半導(dǎo)體的NS32CG160等仍用CISC外，均用RISC。


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(yīng)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。