单片机综述

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单片机综述

单片机自 20世纪70年代末问世以来，发展极为迅速，凭借其特点和突出的性能被广泛应用于各个领域。随着社会的发展和技术的进步，各种新型单片机层出不穷，片内集成的功能模块越来越多，整体性能也越来越强大。本文介绍了单片机的种类、特点、生产厂家、发展趋势和应用领域等。

一、单片机分类

1.1 根据数据总线的宽度分类

（1） 四位单片机：功能单一，性能较低。如OKI公司的MSM1C、

MSM481，NEC 公司的75006×系列，EPSON公司的SMC62系列等。主要应用于输入装置(鼠标、游戏杆)、电池充电器、带液晶显示的音、视频产品控制器、家用电器的控制及遥控器、玩具控制、记时器、时钟、表、计算器、多功能电话、LCD 游戏机。

（2） 八位单片机：功能强大，品种最为丰富、应用最为广泛。MCS-51 系列及其兼容机型 ：ATMEL、PHILIPS、WINBOND 是MCS-51单片机生产的老牌厂家，ST 新推出的μPSD系列等；MOTOROLA、68HC05/08系列、MICROCHIP 的PIC单片机以及ATMEL的AVR单片机。主要应用于自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器。

（3） 十六位单片机：十六位单片机操作速度及数据吞吐能力在性能上比 8 位机有较大提高。主要应用于工业控制、智能仪器仪表 、便携式设备等场合。 （4） 三十二位单片机：高性能和低功耗。以更低的时钟频率、非常低的功耗，达到很强的运算处理能力。主要应用于DVD、VCD、数码相机(DSC)、数字式电视机DTV、导航系统、便携式信息终端、空调机、洗衣机、电冰箱、打印机等。

根据指令结构分类

（1） 集中指令集（CISC）结构：采用CISC结构的单片机数据线和指令线分时复用，即所谓冯.诺伊曼结构。它的指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格亦高。

（2） 精简指令集（RISC）结构：采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓哈佛结构。这使得取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类CISC单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。同时，这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。

根据程序存储方式的不同分类

（1） MASKROM类：程序在芯片封装过程中用掩膜工艺制作到ROM区中，如80C51，适合于大批量生产。

（2） EPROM类：紫外线可擦写存储器类 ，如87C51（价格较贵）。

（3） ROMless类无ROM存储器，如80C31，电路扩展复杂 ，现在较少用。

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（4） OTPROM类可一次性写入程序。

（5） Flash ROM 类：可多次编程写入存储器 ，如芯片C51、S5等，其成本低，开发调试方便，可重复烧写程序。

根据程序存储器和数据存储器是否分开分类

（1） 哈佛(Harvard)结构：程序存储器和数据存储器分开，INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式。

（2） 普林斯顿(Princeton)结构：采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，INTEL16位的MCS-96系列单片机采用普林斯顿结构。

二、单片机特点

（1） 高集成度、体积小、高可靠性

单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。 （2） 控制功能强

为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。 （3） 低电压，低功耗，便于生产便携式产品

为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为～，而工作电流仅为数百微安。 （4） 易扩展

单片片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 （5） 优异的性能价格比

单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。单片机的寻址能力也已突破KB的，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。

三、 单片机主要生产厂家及其产品 单片机公司众多，在此只选取几个代表性公司

（1） ATMEL公司的单片机

市场上家喻户晓的ATC51、ATC52、ATC2051、ATC4051（目前已经升级换代为ATS51、ATS52的ATS系列单片机，可以采用 ISP在线编程技术）;AVR单片机有3个系列产品：tiny AVR、低功耗AVR和mega AVR 3个系列，分别对应低、中、高3个档次的数十种型号产品。其中mega AVR系 列单片机的性能不仅优越，同时也有非常好的性价比。 （2） Motorola公司的系列单片机

Motorola是世界上最大的单片机厂商。在8位机方面有68HC05和升级产品68HC08，68HC05有30多个系列200多个品种，产量超过20亿片。8位增强型

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单片机68HC11也有30多个品种，年产量1亿片以上，升级产品有68HC12。 16位单片机68HC16也有十多个品种。32位单片机683XX系列也有几十个品种。Motorola单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于工控领域及恶劣的环境。

（3） MicroChip单片机

Microchip单片机是市场份额增长最快的单片机。他的主要产品是16C系列8位单片机，CPU采用RISC结构，仅33条指令，运行速度快，且以低价位著称，一般单片机价格都在1美元以下。Microchip单片机没有掩膜产品，全部都是O

TP器件(现已推出LASH型单片机)。Microchip强调节约成本的最优化设计，是使用量大，档次低，价格敏感的产品。 （4） Intel公司的8051单片机

8051单片机最早推出，其后多家公司购买了8051的内核，使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大，应用也最广泛，有人推测8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片。

（5） LG公司及其生产的GMS90系列单片机

与Intel MCS-51系列，Atmel C51/52，C2051等单片机兼容，CMOS技 术，高达40MHZ的时钟频率，应用于:多功能电话，智能传感器，电度表，工业控制，防盗报警装置，各种计费器，各种IC卡装置，DVD，VCD，CD-ROM。

四、 单片机应用领域

（1） 在智能仪器仪表上的应用

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优

点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

（2） 在工业控制中的应用

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智

能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。现在使用最广泛的是电动机的数字控制，用单片机对电动机进行控制是实现电动机数字控制的最常用的手段，使用单片机控制电动机有其独特的优势，由于单片机质量轻，体积小，操作简捷，并且写入程序方便，修改也很方便，着很大的促进了电动机的发展。 （3） 在家用电器中的应用

随着单片机技术日新月异的发展，单片机以其可靠性高、控制功能强、环境适

应性好、体积小等优点在家用电器中得到日益广泛的应用，用单片机取代传统家电中的机械控制部件，正在使传统的家用产品走向智能化，如-能识别衣物种类、脏物程度，自动选择洗涤时间、强度的洗衣机；能识别食物的种类，选择

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加热时间、温度的微波炉；能识别食物种类、保鲜程度，自动选择储藏温度的冰箱等，这类高智能的全自动家用电器充分发挥了单片机和家电系统的融合优势，可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

（4） 在计算机网络和通信领域中的应用

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在

计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

（5） 在医用设备领域中的应用

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护

仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。从医疗仪器领域来看，除了新的传感检测技术不断运用推广之外，对所采集信息的分析、存储和显示也提出了更高的目标。这就要求现代的医疗仪器具备更强大的计算和存储能力以及更稳定可靠的性能。

（6） 在各种大型电器中模块化应用

某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。 （7） 在汽车设备领域中的应用

单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。

五、 单片机发展趋势

（1） 制作工艺CMOS化(全盘CMOS化)

出于对低功耗的普遍要求，目前各大厂商推出的各类单片机产品都采用了CHMOS工艺。MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机广泛都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制作商基本都采用了CMOS (互补金属氧化物半导体工艺)。 （2） 尽量实现单片化—SOC

单片机是将处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一芯片上的微型计算机，但由于工艺和其它方面的原因，很多功能部件并未集成在单片机芯片内部。于是，用户通常的做法是根据系统设计的需要在外围扩展功能芯片。随着集成电路技术的快速发展和“以人为本”思想在单片机设计上的体现，很多单片机生产厂家充分考虑到用户的需求，将一些常用的功能部件，如 A/D(模/数转换器)、D/A(数/模转换器)、PWM(脉冲产生器)以及 LCD(液

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晶)驱动器等集成到芯片内部，这样单片机包含的单元电路就更多，功效就更大。集成微型机系统和应用系统于一体的片上系统也是一个发展方向。 （3） 主流产品与多品种共存

现在虽然单片机的品种繁多，各具特点，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国的Winbond系列单片机，因此以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。

而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国的 HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有 MOTOROLA 公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在可预见的时间内，这种情况将将继续延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，产品市场走的依然是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。 （4） 大容量、高性能

以往单片机内的 ROM为1KB～4KB，RAM 为～128B。但在需要复杂控制的场合 ，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的需求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内ROM最大可达 KB，RAM 最大为 2KB。另外单片机进一步转变CPU的性能，加快指令运算的速度和系统的可靠性。采用精简指令集(RISC)结构和流水线技巧，可以大幅度进步运行速度。现指令速度最高者已达 100MIPS(MillionInstruction Per Seconds， 即兆指令每秒 )，并加强了位处理、中断和定时控制功效。这类单片机的运算

速度比标准的单片机高出 10 倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，可以应用软件模仿其 I/O功效，由此引入了虚拟外设的新概念。 （5） 串行扩大技巧

在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩大外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位 OTP(One Time Programble)及各种特别类型片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”利用结构的

发展。特别是 I2C、SPI 等串行总线的引入 ，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。

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六、参考文献

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