1.2 单片嵌入系统

单片嵌入式系统是以单片机作为控制核心的嵌入式系统。它主要应用于工业控制系统中。

1.2.1 单片嵌入系统简介

单片嵌入式系统的核心部件中的单片机在我国已经有长远的历史。它是中、小型工控领域、智能仪器仪表、家用电器、电子通信设备和电子系统中最重要的工具和最普遍的应用的手段，正是由于单片嵌入式系统的不断发展和广泛应用，加快了嵌入式系统技术前进的步伐。

单片嵌入式系统的特点是：单一的结构和功能、较小存储容量、较低计算能力和效率，简单的用户接口。但单片嵌入式系统功能专一可靠、价格低廉，因此在生活领域中得以应用。它能很好地满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行和优良的控制功能要求。因此，单片嵌入式应用也是发展最快、品种最多、数量最大的系统。

由于单片机具有嵌入式系统的专用体系结构和指令系统，因此在单片嵌入式系统基本体系结构上，可以开发出满足各种不同应用需求的系统和产品。用户可选择最佳型号的单片机应用系统来满足自己的要求和实现需求的功能。

1.2.2 单片嵌入系统的结构

单片嵌入式系统不是仅用一个单片机芯片构成的，它需要外围芯片、器件和控制电路机构有机的结合在一起，才构成了整个系统。把该系统嵌入到应用对象的环境体系中，作为嵌入式应用系统。单片嵌入式系统的结构如图1-2所示。

从图中是可以看出单片嵌入式系统通包括三大部分：应用要求的嵌入式单片机、全硬件电路和系统软件。

1.单片机

单片嵌入式系统的核心控制芯片是单片机，它测控控制对象的运行管理控制系统和处理数据运算等功能。

2.硬件电路

单片嵌入式系统的外围芯片、器件所构成的全部硬件电路。它分以下几部分：

（1）基本系统电路。提供系统运行需要的时钟电路、复位电路、系统供电电路、驱动电路、扩展的存储器等。

（2）前向通道接口电路。它是面向对象的输入接口，也是各种物理量的测量传感器、变换器输入通道。

（3）后向通道接口电路。这是应用系统面向对象的输出控制电路接口。根据应用对象伺服和控制要求，通常有数/模转换器DAC、开关量输出、功率驱动接口、PWM输出控制等。

（4）人机交互通道接口电路。它是人机交互需要的电路，如键盘、拨动开关、发光二极管、数码管、液晶显示器、打印机等。

（5）数据通信接口电路。它是远程数据通信或构成多机网络应用系统的接口。常用的有RS-232、PSI、I2C、CAN总线、USB总线等都是数据通信接口电路。

3.系统软件

它是根据系统功能要求所设计的，一般采用汇编语言、C语言、Basic语言等编写。系统应用软件影响嵌入式系统全部硬件的相互协调工作、智能管理和控制系统。一个系统应用软件的设计决定整个系统的运行情况。

1.2.3 单片机

单片机全称是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer），又称嵌入式微控器或嵌入式控制器。它把一个完整计算机系统集成在一块芯片上。通常包括CPU、内存、I/O口、中断系统、时钟电路、定时/计数器和总线系统等。随着技术的发展，单片机片内集成系统的功能愈加强大。片上系统（SoC）是单片机系统发展的一个趋势。

1.单片机演变史

单片机诞生于20世纪70年代末，下面介绍单片机的发展阶段。

（1）第一阶段（1976—1978）：单片微型计算机SCM起步阶段。主要是寻求最佳的单片形嵌入式系统的最佳体系结构。例如Intel公司的MCS-48，还有Motorola、Zilog等公司，在这方面都取得了成效。

（2）第二阶段（1978—1982）单片机的完善阶段。它主要是完善外部总线、集中管理CPU外围单元、具有工控特性的位地址空间及位操作方式、丰富和完善指令系统，增加突出控制功能的指令。例如Intel公司推出MCS-51系列的单片机。

（3）第三阶段（1982—1990）：微控制器（Micro Controller Unit）即MCU发展的阶段。主要发展方向是：满足不断扩展嵌入式应用，外围电路与接口电路满足对象系统需求，智能化控制能力的发展。电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。例如Intel公司逐渐淡出MCU的发展，它推出了MCS-96系列单片机。Philips公司是最著名的MCU发展厂家。

（4）第四阶段（1990—）：单片应用系统发展阶段。即片上系统（SoC），单片机具有高速度、大寻址范围、强运算能力、小型廉价的性能，单片微控制器阶段延伸到单片应用系统阶段。

2.单片机的分类

单片机有不同的分类标准，按存储器的类型可分为六种类型：

（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：可擦写存储器类，如87C51。

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

（4）TPROM类：可一次性写入程序。

（5）FlashROM（MTPROM）类：可多次编程写入存储器，开发调试方便，可重复烧写程序。

（6）FLASH，称之为闪速存储器，具有可擦写功能，它应用比较方便。用电擦除的方法可以擦除，有较长的寿命（可擦除几万到几十万次）。

单片机按数据总线的位数可分为五类：

（1）4位单片机：4位机每次只能处理一位BCD码数据，适用于简单控制场合。但因其低廉的价格，也被家电等消费类产品所应用。其主要应用是：时钟、计算器、游戏机、遥控器等。

（2）8位单片机：8位单片机能同时处理8位数据（1字节）。8位单片机是目前应用最丰富和广泛的单片机。我们熟悉的MCS-51系列占市场主导低位。其主要应用是：显示、终端键盘、打印、字处理、自动化装置、过程控制、智能仪表、通信、家电等。

（3）16位单片机：16位单片机能同时处理16位数据（2字节）。16位单片机有较快的操作速度和较强的数据处理能力。目前应用最广泛的是美国Intel的MCS-96/196系列和美国德州仪器公司的MSP430系列。其主要应用是：智能仪表、工业控制、便携式设备等。

（4）32位单片机：32位单片机能同时处理32位数据（4字节），它具有GB级以上寻址能力、高指令执行速度和快速运算能力等。其主要应用是：光盘、激光打印机、图像与数据实时处理、复杂实时控制、网络服务器、GPS、PDA、HPC、STB、工、ISDN电话、彩色传真机等。

（5）64位单片机：64位单片机能同时处理64位数据（8字节）。它把处理器、高速缓存、64位浮点运算器、存储控制器、串行接口集成于一体，它适用于超高速并行处理。其主要应用是：引擎控制、智能机器人控制、磁盘控制、语音/图像通信、算法密集的实时控制、高阶工作站、多媒体互动系统、高级电视游乐器、高级终端机等。

单片机按商品分类可分为单片机开发板和CPLD/FPGA开发板：

（1）单片机开发板包括：51单片机、AVR单片机、C8051F单片机、PIC单片机、MSP430单片机、编程器/仿真器。

（2）CPLD/FPGA开发板包括：DSP开发板、嵌入式系统、USB开发板、PCI总线开发、CAN总线开发。

单片机按用途分为专用型和通用型2类。按系列分为80C51系列、PIC系列、AVR系列等。

3.单片机的特点

单片机着重工业测控对象、环境、接口，增强控制功能、提高可靠性工业环境、构成方便灵活的计算机系统的界面接口是单片机努力的方向。因此，单片机有着自身的特点。

单片机的特点的如下：

· 具有较强的抗干扰能力和较低的成本，是线式实时控制计算机（现场控制计算机）；

· 体积小、低功耗、集成度高；

· 具有独特、可修改的程序；

· 高智能，高效率，高可靠性；

· 应用配套软件；

· 品种和型号多样性；

· 扩展与配置的系统。

4.单片机应用领域

（1）智能仪器仪表

单片机与传感器结合广泛应用于仪器仪表中，可实现物理量的测量，诸如温度、流量、速度、长度、硬度、电压、功率、频率、湿度、压力等。如：图像传感器测量系统、数据传感器、用超声波测量江河水位、交流电监测仪、消防系统报警监测仪、矿山生产智能监测仪、智能玩具、雷达录取的数据传送等。

（2）家庭应用

我们生活中常用的电饭褒、洗衣机、冰箱、各类水表、电表、汽车安全GPS信息处理系统、IC卡、空调机、彩电、音响、电子称重计等都与单片机密切相关的。

（3）工业控制

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。如金属探测仪器、钢的热处理中采用热磁仪测量、电子配料控制仪、霓虹灯控制器、实时信号控制器、工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，二级控制系统等。

（4）网络信息领域

通信接口是单片机必须具备的，可方便的与计算机进行数据通信，因此如今的通信设备普遍都实现了单片机智能控制，如手机，电话机、小型程控交换机、通信呼叫系统、列车无线通信、移动通信、无线电对讲机等。

（5）集成化应用

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）。

同时单片机在医疗、仪器仪表生产单位、石油、化工，纺织、机械的加工等也起着很重要的作用。总之，单片机在各行各业中都被广泛的应用。

5.单片机的发展趋势

现在单片机是最得宠时期，各大芯片制造公司都推出了自己的独特的单片机，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程和应用领域，单片机的发展趋势，大致有以下几个方面：

（1）低功耗

使用者对单片机功耗要求越来越低，现在的单片机的功耗都比较低，如MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机都在100mW左右，静态电流可低于1μA以下。同时这样低功耗的产品具有高可靠性、高抗干扰能力、便于携带等优点。

（2）低电压

一般的单片机都可以操作等待、停止等省电特性。单片机已经允许使用较宽范围的电压。可在3～6V范围内应用。电源供电的电压最低可达到1～2V。

（3）大容量

目前单片机内的ROM已经达到64KB，而RAM达到2KB左右。与以往单片机的1KB～4KB的ROM和64～128B的RAM，有更大的存储容量，来适应不同领域的需求。

（4）集成化

现在的单片机把中央处理器（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芯片上，更有增强型的单片机集成了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）驱动电路也都集成在一起。它体积小、重量轻、功能多是很受欢迎的产品。

（5）多样化

现今的单片机品种繁多，各具特色，有ATMEL公司的产品、中国台湾的HOLTEK公司、PHILIPS公司的产品、Microchip公司的PIC精简指令集、MOTOROLA公司、日本几大公司的专用单片机等占据着中国单片机市场。

（6）CMOS化

现今单片机都采用CMOS技术进行设计和开发。因为CMOS具有低功耗、低速度、低价格、高密度等优势。随着技术的进步，又出现了HMOS和CHMOS技术。它们生产的电路速度已经达到LSTTL的速度，并逐渐取代TTL电路也是单片机领域的发展趋势。

（7）改进的片内存储器

目前新型的单片机都集成两种类型的存储器。随机读写存储器（SRAM）、只读存储器（ROM）。它们分别用做存储临时数据和固定不变的数据。可让读写数据设备变得易写和保密。

（8）应用ISP、IAP技术

ISP（In System Programmable）为在线系统可编程技术。它使系统的程序可以串行编程写入，直接将程序下载到单片机的程序存储器中。结合ISP技术的应用，给使用者代来了便捷，他们可以根据自己的需求来在线更新软件、修改软件，也能实现对系统软件的远程诊断、调试、更新。

（9）扩展串行总线

当今，单片机与外围器件接口技术由并行外围总线接口向串行外围总线接口发展。串行总线方式的外围扩展技术方便、灵活，有简单的电路、占用较少的I/O资源。故此使串行外围总线的扩展成为流行扩展，更能满足大部分系统的需求。而并行接口扩展技术则成为辅助形式。

（10）单片嵌入系统的网络化

随着网络的迅速发展，单片机也要求具有联网的功能，构成智能网络控制系统。目前，许多单片机生产厂家已经进行研究，做到嵌入式系统与Internet相结合，如emWare和TASKING等公司。