单片机的应用与发展
[摘要] 单片机的出现是计算机制造技术不断发展的产物,是计算机发展的一个重要分支。如今,单片机的应用越来越广泛,型号也越来越多,分析其应用,嵌入式系统是单片机的主要发展方向。
[关键词] 单片机嵌入式系统应用发展
单片机是在一块芯片上集成了中央处理单元(cpu)、存储器(ram/rom)、定时器/计数器及输入/输出(i/o)接口等元器件的微型计算机系统。单片机的出现是计算机制造技术不断发展的产物,是计算机发展的一个重要分支。就单片机组成而言,虽然它只是一块芯片,但它包含了计算机的基本组成单元,仍由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成,只不过这些都集成在一块芯片上罢了,所谓“麻雀虽小,五脏俱全”,这种结构使得单片机成为具有独特功能和特色的计算机。
单片机的特点有:(1)控制功能强——为了满足工业控制的要求,一般的单片机都是“可编程”的,它有丰富的指令系统以满足不同工作对程序控制的要求;(2)集成度高、体积小、有很高的可靠性——单片机把各功能部件集成在一块芯片上,内部采用总线结构;(3)低电压,低功耗,便于生产便携式产品;(4)易扩展,优异的性能价格比;(5)单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范,容易构成各种规模的应用系统等等。
由于单片机具有了以上这些特点,自从它诞生以后,得到了快速的发展及应用。20世纪80年代以来,单片机的应用已深入到工业、
农业、国防、科研、教育以及日常生活用品等各种领域,概括起来,其应用有以下范围:(1)工业方面——电机控制、物理量的检测与处理、工业机器人、过程控制、教学控制、智能传感器、数据传送等;(2)电讯方面——调制解调器、智能线路运行控制、程控电话交换机等;(3)仪器仪表方面——智能仪器仪表、医疗器械、色谱仪、示波器等;(4)民用方面——电子玩具、游戏机、冰箱、洗衣机、空调机、电子字典、电风扇、防盗控制等;(5)导航方面——鱼雷制导控制、智能武器装置、导弹控制、航天导航系统、电子干扰系统等;(6)数据处理方面——图形终端、复印机、硬盘驱动器、磁带机、打印机、打字机等;(7)汽车方面——点火控制、变速控制、排气控制、保安控制、报警控制、测试设备等。总之,单片机的应用非常广泛,可以说无处不在,并向更广的领域发展。
自1971年intel公司首次宣布4004的4位微处理器以来,单片机的研发厂家越来越多,从4位发展到8位、16位、32位,根据近年来的使用情况看,8位单片机使用率最高,32位其次,其它一般。概括单片机的发展历程,可将其分成三个阶段:单片微型计算机阶段,微控制器阶段,嵌入式系统独立发展阶段。
单片微型计算机阶段:主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统
的最佳体系结构。“创新模式”获得成功,奠定了单片微型计算机与通用计算机完全不同的发展道路。
微控制器阶段:不断扩展满足嵌入式应用时,对象系统要求的各种外围电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力。它所涉及
的领域都与对象系统相关,因此,发展微控制器的重任不可避免地
落在电气、电子技术厂家。
嵌入式系统独立发展阶段:向微控制器阶段发展的重要因素,就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决。因此,专用单片机的发展自然形成了嵌入式系统独立发展趋势。随着微电子技术、ic设计、eda工具的发展,基于嵌入式系统的单片机应用系统设计会有较大
的发展。因此,对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
分析单片机的发展历程,可以看出,嵌入式系统是单片机的主要发展方向。所谓的嵌入式系统,是指面向测控对象,嵌入到实际应用系统中,实现嵌入式应用的计算机系统。根据ieee(国际电机工程师协会)的定义,嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”(devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体,还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍被认同的定义是:以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
通过嵌入式系统的定义,我们可以看出,实际上嵌入式系统是计算机应用在控制领域的产物。当微型计算机诞生之后,控制专业的科研人员为提高控制对象的智能水平,将微型机嵌入到一个对象系统中,例如,安装到大型舰船中构成自动驾驶仪,实现对象系统的智
能化控制。通过对微型计算机经电气加固、机械加固,并配置各种外围接口电路后,计算机便失去了原来的形态与通用的计算机功能。为了与原有的通用计算机系统区别,把嵌入到对象系统中,实现对象系统智能化控制的计算机,称作嵌入式计算机系统,简称嵌入式系统。
嵌入式系统有三个基本要素:嵌入性;专用性;计算机系统。只要满足这三要素的计算机系统,都可称为嵌入式系统。嵌入式系统按所嵌入计算机的特点可分为工控机、通用微处理器、嵌入式微处理器、单片机等几类。在以上这几类中,效果最好的无疑是单片机。单片机以单片器件的形式进入到电子技术领域,主要用于电子系统的智能化。嵌入式系统起源于微型计算机时代,然而微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求,单芯片化就应运而生,从而进入嵌入式系统独立发展的单片机时代。
单片机从体系结构到指令系统都是按照嵌入式系统的应用特点专门设计的,它能很好地满足应用系统的嵌入、面向测控对象、现场可靠运行等方面的要求,因此由单片机构成的系统是发展最快、品种最多、数量最大、应用最广的嵌入式系统。反过来,嵌入式系统,也是单片机发展的主要方向。
随着半导体集成工艺的不断发展,单片机的集成度将更高,体积将更小,功耗将更低,功能将更强,以单片机为主的嵌入式系统,将迅速地把传统的电子系统发展到智能化电子系统时代,从需要高、
精、尖技术的火箭、飞船到日常生活中常见的手机、汽车电子、智能玩具、日用家电等无处不在单片机的身影,单片机的应用与发展将成为人类社会进入全面智能化时代的有力工具。
参考文献:
[1]张迎新.单片机原理及应用.电子工业出版社.
[2]王宜怀.单片机原理及其嵌入式应用教程.北京希望电子出版社.
