单片机的发展

第1章绪论1单片机的发展2单片机的类别3PIC系列单片机的种类与特点§1.1单片机的发展•1.1.1什么是单片机•单片机是单片微计算机（Single-ChipMicrocomputer）的简称，也称为微处理（μP：Microprocessor）或微控制器（μC：Micro-controller），通常统称为微型处理部件（MCU：MicroControllerUnit）。1.1.2单片机的组成•高度集成；构成一个最小然而完善的计算机系统•至少包括微处理器(CPU)，随机存取数据存储器(RAM)，只读程序存储器(ROM)，输入输出电路(I/O口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD或LED驱动电路)，脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换器及A/D转换器等电路。1.1.3单片机的发展•Intel-4004是历史上第一颗单片机，由Intel公司1971年生产出来的。自从Intel4004诞生后，CPU遵从摩尔定律在运行速度、数据位数和存储器等方面迅速发展。•单片机大致经历了三个发展阶段。–第一阶段以MCS-48系列为代表，它将CPU和计算机外围电路集成到一个芯片上，构成新型工业微控制器，取得了很大的成功。–第二阶段以MCS系列中的8031为代表，它将单片机配置了完善的外部并行总线和具有多机识别功能的串行通讯接口，规范了功能单元的特殊功能寄存器(SFR)控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统，为发展具有较好兼容性的新一代单片机奠定了良好的基础。–第三阶段以80C51系列为代表，它扩展了外部接口电路，在总线方面配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的手段。1.1.3单片机的发展(续1)•从当前各系列单片机产品的特性可以看出单片机正朝着两个方向发展–一方面，单片机的性能不断提高，功能越来越强，如带有Ａ/Ｄ、ＰＷＭ、ＰＣＡ、ＷＤＴ、或带有大量高速I/O口、计数器捕获/比较逻辑、增强型通讯接口等，其内部结构、指令系统及开发工具均较为完善、复杂。该类产品以INTEL公司的MCS-96系列、MOTOROLA公司的MC68HC11系列为代表，它们可以满足各种复杂应用系统的需求。1.1.4单片机发展方向–另一方面，单片机朝着超小型、超低功耗、低成本、多品种等方向发展。它们不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能价格比，发展多种型号来满足各种中小型智能化产品，尤其是消费类电子产品的应用，这些产品以美国MICROCHIP公司的PIC系列、ZILOG公司的CCP系列为代表，而PIC系列以推出低价格一次性用户可编程OTP型单片机而构成了单片机家族中的后起之秀。近年来，它象旋风一样横扫全球，将单片机的应用扩大到电子产品的几乎每一个领域。1.1.4单片机发展方向(续1)•从技术的角度看，单片机的进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级、制造工艺以及高可靠性设计上。–在内部结构方面，单片机集成了越来越多的部件，这些部件除包括一般常用的电路（例如：定时器，比较器，A/D转换器，D/A转换器，串行通信接口，Watchdog电路，LCD控制器等）外，还包括一些专用的部件，如局部网络控制模块CAN和脉宽调制控制电路。1.1.4单片机发展方向(续2)–在功耗、封装及电源电压等方面，自80年代中期以来NMOS工艺单片机逐渐被CMOS工艺代替，功耗得以大幅度下降。全静态设计使时钟频率从直流到数十兆任选，也使功耗不断下降。新单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待、暂停、睡眠、空闲、节电等工作方式。–在工艺方面，现在的单片机基本上采用CMOS技术，随着超大规模集成电路技术由3μm工艺发展到1.5μm、1.2μm、0.8μm、0.5μm、0.35μm，甚至实现了0.2μm光刻工艺，有个别的公司，如Motorola公司则已采用0.35μm甚至是0.25μm技术。这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性，也进一步降低单片机的功耗。1.1.4单片机发展方向(续3)–在可靠性方面，生产厂家在单片机设计上采用了多种提高可靠性的新技术，目的是为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求。这些新技术包括：EFT(ElectricalFastTransient)技术、低噪声布线技术与驱动技术以及低频时钟技术。EFT技术是一种抗干扰技术，它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时，其波形上会迭加各种毛刺信号，如果使用施密特电路对其整形，则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟。采用交替使用施密特电路和RC滤波电路方法，可以消除这些毛刺而令其作用失效，从而保证系统的时钟信号正常工作。这样，就提高了单片机工作的可靠性。Motorola公司的MC68HC08系列单片机就采用了这种技术。1.1.4单片机发展方向(续4)–在传统的单片机中，电源及地线是在集成电路外壳的对称引脚上，一般是在左上、右下或右上、左下的两对对称点上。这样，就使电源噪声穿过整块芯片，对单片机的内部电路造成干扰。现在，很多单片机都把地和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。这样，不仅降低了穿过整个芯片的电流，另外还在印制电路板上容易布置去耦电容，从而降低系统的噪声。现在为了适应各种应用的需要，很多单片机的输出能力都有了很大提高，这些电流较大的驱动电路集成到芯片内部在工作时带来了各种噪声，为了减少这种影响，现在单片机采用多个小管子并联等效一个大管子的方法，并在每个小管子的输出端串上不同等效阻值的电阻，以降低电流变化率，这也就是所谓“跳变沿软化技术”，从而消除大电流瞬变时产生的噪声。1.1.4单片机发展方向(续5)–高频外时钟是噪声源之一，不仅能对单片机应用系统产生干扰，还会对外界电路产生干扰，令电磁兼容性不能满足要求。对于要求可靠性较高的系统，低频外时钟有利于降低系统的噪声，使用较低的时钟而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。在一些单片机中采用内部锁相环技术或内部倍频技术，使在外部时钟较低时，也能产生较高的内部总线速度，从而保证了速度又降低了噪声。Motorola公司的MC68HC08系列及其16/32位单片机就采用了这种技术以提高可靠性。1.1.4单片机发展方向(续6)•综观单片机的发展过程，单片机目前的发展表现出几大趋势：–①网络化，单片机作为工业控制器的主力军，直接和互联网连接已是一个必然的发展方向；–②集成化，集成越来越多的功能模块，如语音处理功能，图象处理功能，网络管理功能等，使得单片机的功能越来越强大；–③低功耗和宽电压，追求低功耗是每一个电子产品的发展方向之一；–④数字-模拟化，将数字技术和模拟技术融为一体，形成功能独特的单片机。–⑤多种数据总线单片机共同发展，单片机的数据总线是多种并存，有4位、8位、16位和32位等，它们适应不同领域的需求。1.1.4单片机发展方向(续7)§1.2单片机的类别•从用途上可分成通用型单片机和专用型单片机两大类。–专用型单片机是指用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好，不能再修改的单片机。–通用型单片机的用途很广泛，使用不同的接口电路及编制不同的应用程序就可完成不同的功能。通常所说的都是通用型单片机。通用型单片机是把所有资源（如ROM、I/O等）全部提供给用户使用。§1.2单片机的类别(续1)•按照CPU和存储器的构成，把单片机分成两种架构：冯.诺曼架构(VonNeumann)和哈佛架构(Harvard)。–冯.诺曼架构把指令(程序)和数据存储在共同的存储区，统一寻址，共用数据总线。冯.诺曼架构也称普林斯顿架构(Princeton)。–在哈佛架构中，数据和指令存储在不同的存储区，采用不同的寻址和不同的总线。§1.2单片机的类别(续2)•按指令和它们的执行过程，把单片机也分为两种架构：复杂指令集架构(CISC)和精简指令集架构(RISC)。–复杂指令集架构的特色是复杂任务的指令多样性和指令的变长度；在CISC中，每一条指令都是一个复杂的作业。–精简指令集架构的特色是指令少而简单，指令的长度都一样，以便实现流水线指令操作。RISC架构带来的是少数简单指令的集合，通过流水线交迭在一起，同时实现多种操作。§1.2单片机的类别(续3)•按数据总线的宽度，单片机分4位、8位、16位甚至32位机。–4位单片机的应用范围还是比较有限，8位、16位、32位单片机共同发展。–8位单片机仍以它的价格低廉、品种齐全、应用软件丰富、支持环境充分、开发方便等特点而占着主导地位。–32位单片机主要应用于移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品。表1.1单片机厂家与单片机类型§1.3PIC系列单片机的种类与特点•PIC系列单片机成本低、功耗低、性能高、全静态设计、具有精简指令集RISC结构，指令少，大部分为单周期指令，编程简洁，哈佛结构使得在代码压缩与执行速度方面具有较大的优势。•双向I/O口，每一个I/O引脚高电平输出电路可驱动20mA电流，低电平可吸收25mA电流。•定时/计数器及其预分频器，可十分方便地产生任何频率的时基，PIC的睡眠方式可节省功耗。另外具有片内RC振荡的WDT可使系统工作可靠。•Microchip可提供几款（8位）RISC结构PIC单片机系列，按指令的位数，可分为三个种类：基本级产品、中级产品和高级产品。–1、基本级产品──PIC16C5X/PIC12C5XX：12位指令系列–2、中级产品──PIC12C6XX/PIC16C/FXXX：14位指令字系列–3、高级产品──PIC17CXXH和PIC18CXXX：16位指令字系列PIC单片机种类•PIC系列单片机所有型号都有商用级(0℃～+70℃)、工业级(-40℃～+85℃)和汽车工业级(－40℃～＋125℃)芯片，可以适应各种环境温度。•综上所述，PIC系列单片机以其独特的结构，为产品的设计提供了广阔的选择余地，以其高度的性能价格比极大限度地降低了产品开发的成本。•另外PIC的低价一次性用户可编程OTP型芯片避免了为掩膜而冒风险，或委屈地使用带片外EPROM和RAM的单片机设计应用产品，铺设了一条从产品小批量试产到大批量生产的成功之路。PIC系列单片机是当前控制型应用领域的最优选择。•表1.2列出了PIC单片机类型。PIC单片机种类(续1)表1.2列出了PIC单片机类型。END