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单片机的发展及应用
RevisedbyLiuJingonJanuary12,2021
单片机的发展及应用
单片机的发展与应用
摘要：
本文阐述了单片机基本组成以及一般原理。
通过查阅相关资料认真总结了单片机的原理、应用、发展以及影响等方面的知识，较为详细地介绍当前单片机的应用领域以及发展历程、发展前景。
主要内容包括：
单片机的基本原理、硬件结构、具体的应用以及发展的历史与趋势的介绍。
本文主要目的是想让大家对单片机有一个更为深入、更为全面的了解。
以期，在单片机发展迅速、应用领域不断扩大的当今社会能有一个更好的发展。
通过对本课题的研究发现，近年来。
单片机在国内的发展速度很快，应用领域也在不断扩大。
可见，单片机在国内的发展前景极为广阔。
关键词：
单片机；芯片；发展；应用
Developmentandapplicationofsingle-chip
Abstract:
TheIntelMCS-51seriessingle-chipmodel,thebasiccomponentsofsingle-chip,aswellasgeneralprinciples.Accesstorelevantinformationthroughcarefullysummeduptheprincipleofsingle-chip,application,developmentandimpactofknowledge,amoredetaileddescriptionofthecurrentsingle-chipapplicationsaswellasthedevelopmentprocess,developmentprospects.Themaincontentsinclude:
thebasicprinciplesofsingle-chip,hardwarestructure,andspecificapplicationsandthedevelopmenttrendofthehistoryandintroduction.Themainpurposeofthispaperistomakeeveryonehaveamorein-depthsingle-chip,amorecomprehensiveunderstanding.Withaviewto,therapiddevelopmentinthesingle-chipapplicationsexpandingtoday'ssocietytohaveabetterdevelopment.Thesubjectofthisstudyfoundthatinrecentyears.Single-chipinthedevelopmentofthedomesticfast,applicationsarealsoexpanding.Thisshowsthatsingle-chipprospectsinthecountryareextremelybroad.
Keyword:
single-chip;chip;development;application;
1.引言
我国开始使用单片机是在1982年，短短五年时间里发展极为迅速。
1986年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，有的地区还成立了单片微型计算机应用协会，那是全国形成的第一次高潮。
截止今日，单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一个“单片机”的搜 索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的。
随着微电子技术的高速发展，单片机在国民经济的各个领域得到了广泛的应用。
首先，单片机技术不断进步，出现了许多新的技术和新的产品。
本文以IntelMCS-51系列单片机为模型，阐述单片机的一般原理、应用以及单片机的影响，较为详细地介绍当前主要单片机厂家的产品系列及发展动向。
主要内容包括：
单片机的基本原理、硬件结构、发展趋势以及具体的应用介绍。
本文主要目的是想让大家对单片机有一个更为深入的了解。
科技的进步需要技术不断的提升。
试想，曾经一块大而复杂的模拟电路花费了您巨大的精力，繁多的元器件增加了您的成本。
而现在，只需要一块几厘米见方的单片机，写入简单的程序，就可以使您以前的电路简单很多。
相信您在使用并掌握了单片机技术后，不管在您今后开发或是工作上，一定会带来意想不到的惊喜。
2.概述
2.1单片机的形成背景
1.随着微电子技术的不断创新和发展，大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高。
硅材料与人类智慧的结合，生产出大批量的低成本、高可靠性和高精度的微电子结构模块，推动了一个全新的技术领域和产业的发展。
在此基础上发展起来的器件可编程思想和微处理（器）技术可以用软件来改变和实现硬件的功能。
微处理器和各种可编程大规模集成专用电路、半定制器件的大量应用，开创了一个崭新的应用世界，以至广泛影响着并在逐步改变着人类的生产、生活和学习等社会活动。
2.计算机硬件平台性能的大幅度提高，使很多复杂算法和方便使用的界面得以实现，大大提高了工作效率，给复杂嵌入式系统辅助设计提供了物理基础。
3.高性能的EDA综合开发工具（平台）得到长足发展，而且其自动化和智能化程度不断提高，为复杂的嵌入式系统设计提供了不同用途和不同级别集编辑、布局、布线、编译、综合、模拟、测试、验证和器件编程等一体化的易于学习和方便使用的开发集成环境。
4.硬件描述语言HDL（HardwareDescriptionLanguage）的发展为复杂电子系统设计提供了建立各种硬件模型的工作媒介。
它的描述能力和抽象能力强，给硬件电路，特别是半定制大规模集成电路设计带来了重大的变革。
5.软件技术的进步，特别是嵌入式实时操作系统EOS（EmbeddedOperationSystem）的推出，为开发复杂嵌入式系统应用软件提供了底层支持和高效率开发平台。
EOS是一种功能强大、应用广泛的实时多任务系统软件。
它一般都具有操作系统所具有的各种系统资源管理功能，用户可以通过应用程序接口API调用函数形式来实现各种资源管理。
用户程序可以在EOS的基础上开发并运行。
2.2单片机简介
所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（CenterProcessingUnit,也即常称的CPU和数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。
虽然它内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可。
用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
我们现在用的全自动滚筒洗衣机，排烟罩VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！
它主要是作为控制部分的核心部件。
它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。
单片机是靠程序的，并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。
一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！
但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！
只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。
它由主机、键盘、显示器等组成。
还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。
顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。
因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。
它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。
现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。
现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。
究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。
3.单片机的组成与原理
3.1单片机的组成
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
实际上，当今的单片机的发展主要是基于Intel公司推出的MCS-51系列单片机。
MCS-51系列单片机的系统结构主要包括CPU，存储器，I/O接口，系统总线，引脚，定被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。
单片时器，计数器，中断控制功能等。
3.1.1存储器
存储器主要括只读存储器ROM和随机存储器RAM。
存储器有内存（主存）和外存（辅存）之分。
只读存储器ROM只可读不可写，断电数据不会丢失，主要用于存储程序。
而随机存储器RAM可读也可写，断电数据会丢失，主要用于存储数据。
ROM包括掩膜ROM，可编程ROM以及可擦除ROM.。
RAM包含双极型和MOS型。
事实上，单片机大部分采用MOS型。
3.1.2系统总线
系统总线分为数据总线、地址总线以及控制总线。
器件的数据线也就被称为数据总线，器件所有的控制线被称为控制总线。
在单片机内部或者外部存储器及其它器件中有存储单元，这些存储单元要被分配地址，才能使用，分配地址当然也是以电信号的形式给出的，由于存储单元比较多，所以，用于地址分配的线也较多，这些线被称为地址总线。
数据总线（datebus）为8根线，双向。
地址总线（addressbus）为16根线，单向的。
控制总线（controlbus）为双向总线。
3.1.3引脚
40个引脚按功能大致可分为4个种类：
电源、时钟、控制和I/O引脚。
1.电源:
⑴VCC-芯片电源，接+5V；
⑵VSS-接地端；
2.时钟:
XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。
3.控制线:
控制线共有4根，
⑴ALE/PROG:
地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲
①ALE功能：
用来锁存P0口送出的低8位地址
②PROG功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。
⑵PSEN:
外ROM读选通信号。
⑶RST/VPD:
复位/备用电源。
①RST（Reset）功能：
复位信号输入端。
②VPD功能：
在Vcc掉电情况下，接备用电源。
⑷EA/Vpp:
内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
①EA功能：
内外ROM选择端。
②Vpp功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。
4.I/O线
80C51共有4个8位并行I/O端口：
P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。
P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）
5.P3口第二功能
P30RXD串行输入口
P31TXD串行输出口
P32INT0外部中断0（低电平有效）
P33INT1外部中断1（低电平有效）
P34T0定时计数器0
P35T1定时计数器1
P36WR外部数据存储器写选通（低电平有效）
P37RD外部数据存储器读选通（低电平有效）
3.1.4堆栈
堆栈是一个区域，是用来存放数据的，这个区域本身没有任何特殊之处，就是内部RAM的一部份，特殊的是它存放和取用数据的方式，即所谓的‘先进后出，后进先出’，并且堆栈有特殊的数据传输指令，即‘PUSH’和‘POP’，有一个特殊的专为其服务的单元，即堆栈指针SP，每当执一次PUSH指令时，SP就（在原来值的基础上）自动加1，每当执行一次POP指令，SP就（在原来值的基础上）自动减1。
由于SP中的值可以用指令加以改变，所以只要在程序开始阶段更改了SP的值，就可以把堆栈设置在规定的内存单元中，如在程序开始时，用一条MOVSP，#5FH指令，就时把堆栈设置在从内存单元60H开始的单元中。
一般程序的开头总有这么一条设置堆栈指针的指令，因为开机时，SP的初始值为07H，这样就使堆栈从08H单元开始往后，而08H到1FH这个区域正是8031的第二、三、四工作寄存器区，经常要被使用，这会造成数据的混乱。
当设置好堆栈区后，并不意味着该区域成为一种专用内存，它还是可以象普通内存区域一样使用。
3.2单片机的原理
单片机也只有芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统，它与单板机或个人电脑（PC机）有着本质的区别，单片机的应用属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。
不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。
这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。
软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。
开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件（包含可支持开发应用程序的软件资源）及硬件资源。
4.单片机的发展
4.1单片机的发展历史
20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。
类似的单片机还有Z80微处理器。
1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。
它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。
在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机。
到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列等等,此外,日本的着名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。
80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个全新阶段，应用领域更广泛，许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。
1982年以后，16位单片机问世，代表产品是INTEL公司的MCS-96系列，16位单片机比起8位机，数据宽度增加了一倍，实时处理能力更强，主频更高，集成度达到了12万只晶体管，RAM增加到了232字节，ROM则达到了8kB，并且有8个中断源，同时配置了多路的A/D转换通道，高速的I/O处理单元，适用于更复杂的控制系统。
九十年代以后，单片机获得了飞速的发展，世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机。
美国Microchip公司发布了一种完全不兼容MCS-51的新一代PIC系列单片机，引起了业界的广泛关注，特别它的产品只有33条精简指令集吸引了不少用户，使人们从INTEL的111条复杂指令集中走出来。
PIC单片机获得了快速的发展，在业界中占有一席之地。
随后的事情，熟悉单片机的人士都比较清楚了，更多的单片机种蜂拥而至，MOTOROLA公司相继发布了MC68HC系列单片机，日本的几个着名公司都研制出了性能更强的产品，但日本的单片机一般均用于专用系统控制，而不象INTEL等公司投放到市场形成通用单片机。
例如NEC公司生产的uCOM87系列单片机，其代表作uPC7811是一种性能相当优异的单片机。
MOTOROLA公司的MC68HC05系列其高速低价等特点赢得了不少用户。
1990年美国INTEL公司推出了80960超级32位单片机引起了计算机界的轰动，产品相继投放市场，成为单片机发展史上又一个重要的里程碑。
4.2单片机的发展趋势
纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：
1.低功耗CMOS化
MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在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造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。
象80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。
CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。
所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
2.微型单片化
现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（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的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。
甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。
此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。
现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
5.单片机的应用领域
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。
事实上单片机是世界上数量最多的计算机。
现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。
而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。
汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！
单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
1.在智能仪器仪表上的应用
在各类仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。
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
用单片机实时进行数据处理和控制，使系统保持最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品的质量。
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。
3.在机电一体化中的应用
机电一体化产品是指集机械、微电子技术、计算机技术于一本，具有智能化特征的电子产品。
4.在家用电器中的应用
目前国外各种家用电器已普通采用单片机代替传统的控制电路。
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。
5.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。
6.单片机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。
7.在各种大型电器中的模块化应用
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）。
在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。
6.单片机的影响
事实上，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。
是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。
6.1单片机开创了现代电子系统时代
6.1.1单片机构成的现代电子系统将成为主流电子系统
单片机是器件级计算机系统，它可以嵌入到任何对象体系中去，实现智能化控制。
小到微型机械，如手表、助听器。
集成器件级的低价位，低到几元、十几元，足以使单片机普及到许多民用家电、电子玩具中去。
单片机构成的现代电子系统已深入到各家各户，正改变我们的生活，如家庭中的音响、电视机、洗衣机、微波炉、电话、防盗系统、空调机等。
单片机革新了原有电子系统，如微波炉采用单片机控制后，可方便地进行时钟设置、程序记忆、功率控制；空调机采用单片机后不但遥控参数设置方便，运行状态自动变换，还可实现变频控制。
目前许多家用电器如VCD、DVD只有单片机出现后才可能实现其功能。
6.1.2嵌入式系统带动了整个电子产业
目前电子元器件产业除了微
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