MCU基本技术原理与发展历史

2007-08-20 13:51:28来源: 电子工程世界

一.单片机与单片微计算机系统

计算机系统已明显地朝巨型化、单片化、网络化三个方向发展。巨型化发展的目的在于不断提高计算机的运算速度和处理能力,以解决复杂系统计算和高速数据处理,比如系统仿真和模拟、实时运算和处理。单片化就是把计算机系统尽可能集成在一块半导体芯片上,其目的在于计算机微型化和提高系统的可靠性,通常把这种单片计算机简称单片机。准确而言,单片机(单片微型计算机)实际上是一种将CPU(中央处理器)、存储器和输入输出接口集成在一个芯片中的微型计算机。单片机的内部硬件结构和指令系统主要是针对自动控制应用而设计的,所以单片机又称微控制器MCU(MicroController Unit),又由于用它可以很容易地将计算机嵌入到各种仪器和现场控制设备中,因此单片机也叫嵌入式微控制器(Embedded MCU)。

单片机要进行工作,必须构成单片机系统。单片机系统实质上就是一个微计算机系统,它主要由硬件和软件两大部分组成,硬件是指构成计算机系统的所有电子、机械和磁性的部件或设备,软件则是各种程序及数据的总称。图1给出单片微计算机系统的具体构成。

二.单片机发展概述

单片机出现的历史并不长,但发展十分迅猛。 它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步,自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来,它的发展到目前为止大致可分为5个阶段。下面以Intel公司的单片机发展为代表加以介绍。

第1阶段(1971~1976): 单片机发展的初级阶段。 1971年11月Intel公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel 4004, 并配有RAM、 ROM和移位寄存器, 构成了第一台MCS—4微处理器, 而后又推出了8位微处理器Intel 8008, 以及其它各公司相继推出的8位微处理器。

第2阶段(1976~1980):低性能单片机阶段。 以1976年Intel公司推出的MCS—48系列为代表, 采用将8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构, 虽然其寻址范围有限(不大于4 KB), 也没有串行I/O, RAM、 ROM容量小, 中断系统也较简单, 但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。

第3阶段(1980~1983):高性能单片机阶段。 这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口, 有多级中断处理系统, 多个16位定时器/计数器。片内RAM、 ROM的容量加大,且寻址范围可达64 KB,个别片内还带有A/D转换接口。

第4阶段(1983~80年代末): 16位单片机阶段。 1983年Intel公司又推出了高性能的16位单片机MCS-96系列, 由于其采用了最新的制造工艺, 使芯片集成度高达12万只晶体管/片。

第5阶段(1990年代):单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。

按照单片机的特点,单片机的应用分为单机应用与多机应用。在一个应用系统中,只使用一片单片机称为单机应用。单片机的单机应用的范围包括:

(1) 测控系统。 用单片机可以构成各种不太复杂的工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等, 达到测量与控制的目的。
(2) 智能仪表。 用单片机改造原有的测量、控制仪表, 促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化方向发展。
(3) 机电一体化产品。单片机与传统的机械产品相结合, 使传统机械产品结构简化, 控制智能化。
(4) 智能接口。 在计算机控制系统, 特别是在较大型的工业测、控系统中, 用单片机进行接口的控制与管理, 加之单片机与主机的并行工作, 大大提高了系统的运行速度。
(5) 智能民用产品。 如在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子秤、收银机、办公设备、厨房设备等许多产品中, 单片机控制器的引入, 不仅使产品的功能大大增强, 性能得到提高, 而且获得了良好的使用效果。

单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、并行多机处理及局部网络系统。

(1) 功能集散系统。 多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。
(2) 并行多机控制系统。 并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速性问题, 以便构成大型实时工程应用系统。
(3) 局部网络系统。

单片机按应用范围又可分成通用型和专用型。专用型是针对某种特定产品而设计的,例如用于体温计的单片机、用于洗衣机的单片机等等。在通用型的单片机中,又可按字长分为4位、8位、16/32位,虽然计算机的微处理器在几乎是32/64位的天下,8位、16位的微处理器已趋于萎缩,但单片机情况却不同,8位单片机成本低,价格廉,便于开发,其性能能满足大部分的需要,只有在航天、汽车、机器人等高技术领域,需要高速处理大量数据时,才需要选用16/32位,而在一般工业领域,8位通用型单片机,仍然是目前应用最广的单片机。

到目前为止,中国的单片机应用和嵌入式系统开发走过了二十余年的历程,随着嵌入式系统逐渐深入社会生活各个方面,单片机课程的教学也有从传统的8位处理器平台向32位高级RISC处理器平台转变的趋势,但8位机依然难以被取代。国民经济建设、军事及家用电器等各个领域,尤其是手机、汽车自动导航设备、PDA、智能玩具、智能家电、医疗设备等行业都是国内目前急需单片机人才的行业。行业高端目前有超过10余万名从事单片机开发应用的工程师,但面对嵌入式系统工业化的潮流和我国大力推动建设“嵌入式软件工厂”的机遇,我国的嵌入式产品要溶入国际市场,形成产业,则必将急需大批单片机应用型人才,这为高职类学生从事这类高技术行业提供了巨大机会。

三.常用单片机系列

1.8051系列单片机


Intel公司于1980年推出8位的高性能8051单片机,在工业控制领域引起不小的轰动,并迅速确立了其不可动摇的地位。之后不久,Intel公司彻底开放了8051单片机的技术,引来世界上很多半导体厂商加入了开发和改造8051单片机的行列中,这其中贡献最大的有Philipe公司,它着力发展了单片机的控制功能和外围单元;Atmel公司,它在单片机内部植入了Flash ROM,使得单片机应用变得更灵活,在我国拥有大量的用户;ADI公司,它推出的AduC8 xx系列单片机,在单片机向SOC发展的模/数混合集成电路发展过程中扮演了很重要的角色;Cygnai公司,它采用一种全新的流水线设计思路,使单片机的运算速度得到了极大的提高,在向SOC发展的过程中迈出了一大步。

目前8051系列单片机各生产厂商的主流产品有几十个系列,几百个品种。尽管其各具特色,名称各异,但作为集CPU、RAM、ROM(或EPROM)、I/O接口、定时器/计数器、中断系统为一体的单片机,其原理大同小异。现以Intel公司的系列产品为例,说明其各系列之间的区别。

Intel公司从其生产单片机开始,发展到现在,大体上可分为3大系列: MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列。该3大系列的性能简介见表1。

            表1 Intel单片机系列性能简介

这里,我们仅对MCS-51系列作一简要介绍。MCS-51系列单片机虽已有10多种产品,但可分为两大系列:MCS-51子系列与MCS-52子系列。 MCS-51子系列中主要有8031、8051、8751 三种类型。而MCS-52子系列也有3种类型8032、8052、8752。各子系列配置见表1.2所示。

表1.2中列出了MCS-51系列单片机的两个子系列,在4个性能上略有差异。 由此可见,在本子系列内各类芯片的主要区别在于片内有无ROM或EPROM;MCS-51与MCS-52子系列间所不同的是片内程序存储器ROM从4 KB增至8 KB; 片内数据存储器由128个字节增至256个字节;定时器/计数器增加了一个;中断源增加了1~2个。另外,对于制造工艺为CHMOS的单片机,由于采用CMOS技术制造,因此具有低功耗的特点,如8051功耗约为630 mW,而80C51的功耗只有120 mW。

2.其它单片机

当很多公司在改造MCS-51系列单片机的同时,世界上一些有影响力的大公司也在开发自己的单片机,比如Motorola、TI、Microchip、OKI、Epson等。这些单片机的指令系统和内部结构都和MCS-51系列单片机不同,功能也各有千秋。

(1)Motorola的单片机
Motorola是世界上最早开发单片机的著名厂商,是目前全球最大的8位单片机生产商。现在已经拥有8位、16位和32位约十几个系列的单片机,这其中8位机主要有68HC05、68HC08和68HC11等3个系列;16位机主要有HCS12、68HC12、DSP56800和68HC16等4个系列;32位机主要有Coldfire的MC683xx、MCORE、MPC500和MCF5 xxx等系列。Motorola单片机的功能一般都很强,进入我国的时间也很早,在单片机应用领域有很高的威望,但由于其开发工具价格较高,影响了普及率。

(2)Microchip公司的PIC单片机
Microchip公司是当今世界上第二大8位单片机生产商,Microchip单片机在我国也有比较多的用户,近几年随着Microchip不断推出颇具特色的各型单片机,Microchip已越来越受到业界的广泛关注。目前,市面上比较常见的单片机主要有以下3个系列:PIC12C5xxx/16C5x系列,这两个系列的单片机是PIC单片机中的低端产品,其中PIC16C5x系列是最早在市场上得到发展的系列,因其价格较低,且有较完善的开发手段,因此在国内应用最为广泛;而PIC12C5xx是世界上第一个8脚低价位单片机,可用于一些对单片机体积要求较高的简单智能控制领域,前景十分广阔。PIC12C6xx/ PIC16Cxxx系列是PIC中档产品,是Microchip近年来重点发展的系列产品,品种最为丰富,其性能比低档产品有所提高,指令周期可达到200ns,增加了中断功能、带A/D、内部E2PROM数据存储器、双时钟工作、比较输出、捕捉输入、PWM输出、I2C和SPI接口、异步串行通信(USART)、模拟电压比较器及LCD驱动等,其封装从8脚到68脚,可用于高、中、低档的电子产品设计中,适合于高级复杂系统的开发,其性能在中档位单片机的基础上增加了硬件乘法器,指令周期可达成160ns,它是目前世界上8位单片机中性价比最高的机种之一,可用于高、中档产品的开发,如马达控制、音调合成。

(3)TI(Texas Instruments)公司的MSP430单片机
TI公司是闻名全球的DSP制造商,但其前几年才推出的MSP430系列16位单片机同样在业界掀起不小的波澜。MSP430系列单片机最突出的特点是低电压供电和超低功耗,非常适合应用于采用电池长时间工作的场合。电压范围为1.8~3.6V;在1MHZ2.2V下,活动模式功耗为225μA,待机模式功耗为0.8μA、掉电模式功耗为0.1μA。在这个系列中有很多个型号,它们是由一些基本功能模块按照不同的应用目标组合而成的。MSP430系列单片机的CPU采用16位RISC精简指令系统,集成有16位寄存器和常数发生器,发挥了最高代码效率;它采用数字控制振荡器(DCO),使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6μs;内部集成了A/D转换器,工业应用方便;其中MSP430x41x系列设计有一个16位定时器、一个比较器、96段LCD液晶驱动器和48个通用I/O口。

关键字:8051  PIC  指令

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