1.2.2 单片机技术现状及发展趁势

1.单片机的技术现状

目前单片机芯片系统、品种、规格繁多，先后经历4位机、8位机、16位机、新一代8位机、32位机等几个有代表性的发展阶段。4位机主要用于家用电器，如电视机、空调器、洗衣机中，不过随着8位机价格的下降，在家用电器中已开始大量采用8位机，以便在家用电器中采用一些新技术，如模糊控制、变频调速等，提高家用电器的智能化、自动化程度，并尽可能降低系统的能耗；16位机具有很强的数值运算能力和较快的反应速度，常用在需要实时控制、实时处理的系统中，尽管16位单片机进入市场已十余年，但一直未能取代8位机成为主流产品，目前已被强化了控制接口功能的新一代8位机和数值运算能力极强的32位机的销量也在迅速上升。在今后一段时间内，8位、16位和32位单片机芯片销量的绝对值可能会有不同程度的增长，但在目前，甚至今后相当长的时间，如5年、10年时间内，8位单片机（尤其是强化了控制接口功能的新一代8位机，如80C51，MC68HC11系列）依然是单片机的主流产品。因此，本书主要介绍8位单片机原理及系统组成。

8位单片机先后经历了3个发展阶段。

第一代单片机系统（如Intel公司的MCS-48系列）功能较差，它实际上是8位通用CPU单元电路和基本I/O接口电路、小容量存储器、中断控制系统的简单组合，没有串行通信功能，不带A/D、D/A转换器，中断控制和管理能力也较弱。因此它的应用范围受到很大的限制。

为了提高单片机的控制功能，拓宽其应用领域，在20世纪80年代初期，Intel，Motorola等公司在第一代8位单片机电路基础上，增加通用串行通信控制和管理接口（UART），强化中断控制功能，增加定时器/计数器的个数，扩展存储器容量，更新存储器的种类，部分系统单片机芯片内还集成了A/D、D/A转换接口电路，形成了第二代8位单片机系统，如Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的6801系列、Zilog公司的Z8系列，以及NEC公司的uPD7800等。第二代8位单片机芯片投放市场后，迅速取代了第一代8位单片机成为当时单片机市场的主流，并持续了十余年。

第二代8位单片机的特点是通用性强，但个性还不突出，控制功能也有限，依然不能满足不同应用领域、不同测控系统的要求。在20世纪90年代中后期，各大芯片厂商（如Intel，Philips，Motorola，Temic Seconductor Technology，Microchip等）在第二代单片机CPU内核基础上，除了进一步强化原有的功能（如在串行口部件中增加错误侦测和自动地址识别功能）外，针对不同的应用领域，将不同功能、用途的外部接口电路嵌入第二代单片机CPU内，形成了规格、品种繁多的新一代8位单片机芯片，如Intel，Philips，Atmel公司的8xC5x系列，Motorola公司的68HC05、68HC5X系列、Micro Chip公司的PIC16C系列等。在新一代8位单片机中，以增强型MCS-51为内核的8xC5x系列、以6801为内核的68HC05和68HC11系列目前已成为主流单片机芯片。

2.单片机的发展趋势

单片机的发展趋势是向高性能、大容量、微型化、外围电路内装化等方面发展。

（1）CPU的改进

① 采用双CPU结构，以提高处理速度和处理能力。

② 增加数据总线宽度，以提高数据处理速度和能力。

③ 采用流水线结构。指令以队列形式出现在CPU中，且具有很快的运算速度，尤其适合于实时数字信号处理。

④ 串行总线结构。菲利浦公司开发了一种新型总线—I2C总线（Intel—Icbus），该总线采用3条数据线代替现行的8位数据总线，从而大大减少了单片机的外部引脚，降低了单片机的成本，特别适用于电子仪器设备的微型化。

（2）存储器的发展

① 增大存储容量。新型单片机片内ROM一般可达4～8 KB，有的甚至可达128 KB。片内RAM可达1 KB。片内存储器存储容量的增大有利于外围扩展电路的简化，从而提高产品的稳定性，降低产品的成本。

② 片内EPROM开始EEPROM化。片内EPROM需要高压编程输入、紫外线擦除，使用时存在许多不便。采用电擦除的EEPROM后，不需要紫外线擦除，只需重新写入。特别是能在+5 V下读写的EEPROM，既有静态RAM读写操作简便的优点，又有在掉电时数据不会丢失这一ROM的优点。片内EEPROM的使用不仅会对单片机结构产生影响，而且会大大简化应用系统的组成结构，从而提高产品的稳定性，降低产品的成本。由于EEPROM中数据写入后能永久保持，因此有的单片机将它作为片内RAM使用，甚至有的单片机将EEPROM作为片内通用寄存器使用。

③ 程序保密化。一般EPROM中的程序很容易被复制，为防止复制，某些公司开始采用KEPROM（Keyed access EPROM）编程写入，对片内EPROM或EEPROM采用加锁方式。加锁后无法读出其中的程序，可防止应用系统程序被抄袭。

（3）片内I/O口的改进

一般单片机都有较多的并行口，以满足外围设备、芯片扩展的需要，并配以串行口，以满足对多机通信功能的要求。

① 提高并行口的驱动能力。这样可减少外围驱动芯片。有的单片机直接输出大电流和高电压，以便能直接驱动LED和VFD（荧光显示器）等。

② 增加I/O口的逻辑控制功能。中、高档单片机的位处理系统能够对I/O口线进行位寻址及位操作，这加强了I/O口线控制的灵活性。

③ 特殊的串行接口功能。为单片机构成网络系统提供更便利的条件。

（4）外围电路内装化

随着集成电路集成度的不断提高，有可能把众多的外围功能电路集成到单片机芯片内。除了一般具备的ROM、RAM、定时器/计数器、中断系统外，为满足检测、控制功能更高的要求，片内集成的部件还可有A/D转换器、D/A转换器、DMA控制器、锁相环、频率合成器、字符发生器、语音发生器、CRT控制器等。由于集成工艺在不断地改进和提高，能集成于片内的外围电路也可以是大规模的，把所需要的外围电路全部集成到单片机内（即系统的单片化）是目前单片机发展的趋势。

（5）低功耗与工作电压范围加宽

在8位单片机中有半数以上产品已CMOS化，CMOS单片机具有功耗小的优点。为了充分发挥低功耗的特点，这类单片机普遍设置空闲和掉电两种工作方式。如采用CHMOS工艺的MCS-51系列单片机80C51BH/80C31/87C51，在正常运行时（5V，12MHz），工作电流为16mA；同样条件下空闲工作方式，工作电流为3.7mA；而在掉电方式（2V）工作时，工作电流仅为50nA。

对于采用NMOS工艺制作的单片机，工作电压一般为4.5～5.5 V。采用CMOS工艺的单片机，一般都可以在3～6 V的条件下工作。目前有的单片机工作电压更低，例如，TI公司的MSP430X11X系列单片机的工作电压是2.2 V。

（6）低噪声与高可靠性技术

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，各单片机厂家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。例如，很多系列单片机在片内增加了看门狗定时器，Motorola公司的MC68HC08系列单片机采用了EFT（Electrical Fast Transient）的抗干扰技术。

（7）ISP及IAP

在线编程技术（ISP）及在应用中编程技术（IAP）是通过计算机的并口或串口对单片机进行程序下载编程的。单片机引出的编程线与I/O线共用，不增加单片机的额外引脚。ISP为开发、调试提供了方便，并使单片机系统的远程调试、升级成为现实。IAP可实现单片机在应用中的再编程，为仪器仪表的智能化提供了重要的技术手段。