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、使用维护上、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综述,希望能对提高国内单片机技术的应用水平有所促进。
1 单片机的硬件
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。
1.1 单片机的特点
单片机问世以来所走的路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、环境、接口特点出发,向着增强控制功能、提高工业环境下的可靠性、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 〕
1.2 单片机的性能〔3〕
单片机通常按其微处理器字长的位数来分类,如4、8、16、32、64位单片机。
1.2.1 4位机
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位机的侵蚀,4位机在结构和性能上有了很大发展。主要有:
但即使如此,4位机的市场占有率仍然较小。性能如表1(篇幅所限,仅举数种说明)所列。
1.2.2 8位机
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1μs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
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。
1.2.3 16位机
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( 因此又称准16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1~2μs。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,Intel
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。
1.2.4 32位机
随着高技术在智能机器人、光盘、激光打印机、图像与数据实时处理、复杂实时控制、网络服务器等领域的应用发展,16位机已显得无能为力,需要32位机才能满足要求。80年代末推出了多种32位机产品 。如Motorola推出的产品68300、Intel的80960都是1989年出品。其共同特点是: