任務1 微處理器

本任務重點學習微處理器的基本原理，了解微處理器的發展和應用領域。

1.1 學習場景：微處理器有哪些應用

目前，微處理器已滲透到了生活的每個領域，很難找到哪個領域沒有用到微處理器，例如，導彈的導航裝置、飛機上各種儀表的控制、計算機網絡通信與數據傳輸、工業自動化過程的實時控制和數據處理、廣泛使用的各種智能IC卡、汽車的安全保障系統、錄像機、攝影機、全自動洗衣機，以及程控玩具、電子寵物，還有自動控制領域的機器人、智能儀表、醫療器械等，都離不開微處理器。在開發產品時需要對微處理器進行學習、開發與運用。圖1.1所示為飛思卡爾Cortex-A9四核處理器開發板，擁有強大的處理能力和豐富的接口技術。

1.2 學習目標

（1）知識目標：微處理器的定義與組成、微處理器系統的分類、微處理器系統的發展與應用、微處理器與物聯網。

（2）技能要點：了解微處理器的定義與組成；了解微處理器系統的分類；了解微處理器系統的發展與應用；熟悉微處理器與物聯網的關系。

（3）任務目標：能列舉5種以上微處理器應用；熟悉物聯網系統中的微處理器應用。

1.3 原理學習：微處理器發展與應用

1.3.1 微處理器概述

1．微處理器定義

微處理器（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，又稱為單板機、嵌入式計算機或嵌入式微處理器。微處理器采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、多種I/O接口和中斷系統、定時/計數器等功能（有的還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路等）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，廣泛應用在工業控制領域。從20世紀80年代起，由當時的4位、8位微處理器、十幾兆赫的初級微處理器，發展到了現在的64位、上GHz頻率的高性能微處理器。微處理器開發板如圖1.2所示。

2．微處理器的基本結構

根據計算機結構，可將微處理器的基本結構分為三個部分，分別是運算器、控制器和寄存器。

1）運算器

運算器是由算術邏輯單元（Arithmetic Logical Unit, ALU）、累加器和數據寄存器等幾部分組成的。ALU的作用是對傳來的數據進行算術或邏輯運算，輸入來源為兩個8位數據，分別來自累加器和數據寄存器。ALU能完成對這兩個數據進行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結果存入累加器。例如，兩個數6和7相加，在相加之前，操作數6放在累加器中，操作數7放在數據寄存器中，當執行加法指令時，ALU把兩個數相加并把結果13存入累加器，取代累加器原來的內容6。運算器有兩個功能：

● 執行各種算術運算；

● 執行各種邏輯運算，并進行邏輯測試，如零值測試或兩個值的比較。

運算器所執行全部操作都是由控制器發出的控制信號來指揮的，并且一個算術操作產生一個運算結果，一個邏輯操作產生一個判決。

2）控制器

控制器是由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發生器和操作控制器等組成的，協調和指揮整個微機系統的操作。其主要功能有：

● 從內存中取出一條指令，并指出下一條指令在內存中的位置；

● 對指令進行譯碼和測試，并產生相應的操作控制信號，以便執行規定的動作；

● 指揮并控制CPU、內存和輸入/輸出設備之間數據流動的方向。

微處理器內通過內部總線把ALU、計數器、寄存器和控制部分連接起來，并通過外部總線與外部的存儲器、輸入/輸出接口電路連接。外部總線又稱為系統總線，分為數據總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。通過輸入/輸出接口電路，可實現與各種外圍設備連接。

3）主要寄存器

（1）累加器A。累加器A是微處理器中使用最頻繁的寄存器，在進行算術和邏輯運算時它有兩個功能：運算前，用于保存一個操作數；運算后，用于保存所得的運算結果。

（2）數據寄存器。數據寄存器是通過數據總線向存儲器和輸入/輸出（I/O）設備送（寫）或取（讀）數據的暫存單元，它可以保存一條正在譯碼的指令，也可以保存正在送往存儲器中存儲的數據等。

（3）指令寄存器和指令譯碼器。指令包括操作碼和操作數，指令寄存器用來保存當前正在執行的一條指令，當執行一條指令時，先把指令從內存中取到數據寄存器中，然后傳送到指令寄存器。當系統執行給定的指令時，必須對操作碼進行譯碼，以確定所要求的操作，指令譯碼器就是負責這項工作的。其中，指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。

（4）程序計數器。程序計數器（PC）用于確定下一條指令的地址，以保證程序能夠連續執行下去，因此通常又被稱為指令地址計數器。在程序開始執行前必須將程序的第一條指令的內存單元地址（即程序的首地址）送入PC，使它總指向下一條要執行指令的地址。

（5）地址寄存器。地址寄存器用于保存當前CPU所要訪問的內存單元或I/O設備的地址。由于內存與CPU之間存在著速度上的差異，所以必須使用地址寄存器來保持地址信息，直到內存讀/寫操作完成為止。

當CPU向存儲器存儲數據、內存讀取數據，以及從內存讀取指令時，都要用到地址寄存器和數據寄存器。同樣，如果把外圍設備的地址當成內存地址單元的話，那么當CPU和外圍設備交換信息時，也需要用到地址寄存器和數據寄存器。

3．處理器兩大結構的區別

哈佛結構（見圖1.3）是一種將程序指令存儲和數據存儲分開的結構，中央處理器首先在程序指令寄存器中讀取程序指令內容，解碼后得到數據地址，再到相應的數據寄存器中讀取數據，并進行下一步的操作。程序指令存儲和數據存儲分開，可以使指令和數據有不同的數據寬度。

目前使用哈佛結構的中央處理器和微控制器有Microchip公司的PIC系列芯片、摩托羅拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11, MCS-51單片機也屬于哈佛結構。

馮·諾依曼結構也稱為普林斯頓結構，是一種將程序指令存儲器和數據存儲器合并在一起的結構。程序指令存儲地址和數據存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置，因此程序指令和數據的寬度相同，如Intel公司的8086中央處理器的程序指令和數據都是16位。馮·諾依曼結構如圖1.4所示。

目前使用馮·諾依曼結構的中央處理器和微控制器有很多，除了Intel公司的8086, ARM公司的ARM7、MIPS公司的MIPS處理器等也采用了馮·諾依曼結構。

MCS-51單片機有著嵌入式處理器經典的哈佛結構，這種體系結構在當前嵌入式處理器的高端ARM系列上仍然在延續。相對于馮·諾依曼結構，哈佛結構的知名度顯然遜色許多，但在嵌入式應用領域，哈佛結構卻擁有優勢。兩種結構的最大區別在于馮·諾依曼結構的計算機采用代碼與數據的統一編址，而哈佛結構是獨立編址的，代碼空間與數據空間完全分開。

在通用計算機系統中，應用軟件的多樣性使得計算機要不斷地變化所執行的代碼的內容，并且頻繁地對數據與代碼占有的存儲器進行重新分配，這種情況下，馮·諾依曼結構占有優勢，因為統一編址可以最大限度地利用資源。

在嵌入式應用中，系統要執行的任務相對單一，程序一般固化在硬件中。馮·諾依曼結構也完全可以做到代碼區和數據區在編譯時一次性分配好，但是其靈活性得不到體現，所以現在大部分的單片機還在沿用馮·諾依曼結構，如TI的MSP430系列、Freescale的HCS08系列等。

為什么說哈佛結構有優勢呢？嵌入式微處理器在工作時與通用計算機有區別：嵌入式微處理器在工作期間的絕大部分時間是無人值守的，而通用計算機工作期間一般是有人操作的；嵌入式微處理器的故障可能會導致災難性的后果。

對于馮·諾依曼結構的計算機，程序空間不封閉，程序空間的數據在運行期理論上講是可以被修改的，程序一旦跑飛也有可能運行到數據區。基于哈佛結構的MCS-51單片機，不需要可以對代碼段進行寫操作的指令，所以不會有代碼區被改寫的問題；程序只能在封閉的代碼區中運行，不可能跑到數據區，這也是跑飛的概率減少并且跑飛后的行為有規律的原因，所以，相對于馮·諾依曼結構，哈佛結構更加適合那些程序固化、任務相對簡單的控制系統。

1.3.2 微處理器的發展與應用

1．微處理器的發展

從20世紀70年代微處理器的出現到目前各式各樣的微處理器的大規模應用，嵌入式系統已經有40多年的發展歷史，并且是以硬件和軟件相互交替、螺旋式發展的。由于微處理器要嵌入對象體系中，實現對象的智能化控制，因此它有著與通用計算機完全不同的技術要求及技術發展方向。通用計算機系統的技術要求是高速、海量的數值計算，技術發展方向是總線速度越來越快，存儲容量越來越大。嵌入式計算機系統的技術要求是對象的智能化控制能力，技術發展方向是與對象系統密切相關的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性。正是由于技術發展方向的不同，從而形成了計算機技術發展的兩大分支——通用計算機系統和嵌入式計算機系統。其中，嵌入式計算機系統簡稱為嵌入式系統。嵌入式系統走上了一條與通用計算機系統完全不同的發展道路，這條獨立的發展道路就是單芯片化的道路。

隨著微電子工藝水平的提高，集成電路制造商開始把嵌入式應用中所需要的微處理器、I/O接口、A/D轉換器、D/A轉換器、串行接口，以及RAM、ROM等部件統統集成到一個VLSI中，從而制造出面向I/O設計的微處理器，也就是人們俗稱的微處理器，成為嵌入式系統異軍突起的一支新秀。8位微處理器的代表產品為Intel公司開發的MCS-51系列8位微處理器，16位微處理器的典型產品為TI公司的MSP430系列，32位微處理器的典型產品為ST公司的STM32系列。其后發展的DSP產品則進一步提升了嵌入式系統的技術水平，并迅速地滲入消費電子、醫用電子、智能控制、通信電子、儀器儀表、交通運輸等各個領域。

嵌入式系統軟件開發也從循環輪詢系統發展到實時多任務系統，實時操作系統被越來越多地應用到嵌入式系統中。1981年開發的世界上第一個商業嵌入式實時內核（VTRX32），內核中包含了許多傳統操作系統的特征，如任務管理、任務間通信、同步與相互排斥、中斷支持、內存管理等功能。隨后，出現了各種嵌入式操作系統，目前嵌入式（實時操作系統）已經在全球形成了一個產業。

未來嵌入式系統將向微處理器的SOC化、多處理器內核、超低功耗、超小型化的方向發展。網絡化、信息化的要求隨著Internet技術的成熟、帶寬的加大而日益提高，網絡互連成為必然趨勢。21世紀，嵌入式系統將無所不在，它將為人類生產帶來革命性的發展。

2．微處理器應用特點

根據微處理器應用場合的特性，可以將其應用特點分為四個方面，這四個方面分別是控制系統的在線應用、軟/硬件結合、現場應用環境惡劣，以及應用的廣泛性和重要性。

1）控制系統的應用

微處理器的控制應用范圍十分廣泛，可概括地分為兩個方面。

（1）微處理器在控制系統中的離線應用。微處理器的離線應用包括利用微處理器實現對控制系統總體的分析、設計、仿真及建模等工作，也可以把這類微處理器應用稱為控制系統的微處理器輔助設計，簡稱控制系統CAD。離線控制應用是針對大型復雜的控制系統的，對微處理器性能要求較高，需要微處理器的軟/硬件資源較多，因此常使用高性能的微處理器實現。

（2）微處理器在控制系統中的在線應用。微處理器的在線應用就是以微處理器代替常規的模擬或數字控制電路，使微處理器位于其中并成為控制系統、測試系統或信號處理系統的一個組成部分。通常把這種帶微處理器的控制系統稱為微處理器控制系統。由于微處理器要身處其中，因此對微處理器有體積小、功耗低、價格廉價以及控制功能強等要求。在線控制應用中，由于微處理器與控制對象聯系密切，所以不但對微處理器的性能要求高，而且對設計者的要求也很高，不但要熟練掌握微處理器，還要了解控制對象，懂得傳感器技術。

2）軟/硬件結合

雖然微處理器的引入使操作系統大大“軟化”，但與其他計算機應用問題相比，微處理器控制應用中的硬件仍然較多，所以微處理器控制應用具有軟/硬件相結合的特點。因此，在微處理器的應用設計中需要軟、硬件統籌考慮，設計者不但要熟練掌握微處理器編程技術，而且還要具有較扎實的微處理器硬件方面的理論和實踐知識。

3）現場應用環境惡劣

通常微處理器的現場應用環境比較惡劣，電磁干擾、電源波動、沖擊振動、高/低溫等因素都會影響系統工作的穩定；此外，無人值守環境對微處理器系統的穩定性和可靠性也提出了更高的要求，所以穩定性和可靠性在微處理器的應用中具有重要的意義。在微處理器芯片方面，大規模系統集成和總線結構是微處理器穩定可靠的根本保證。除此之外，為提高穩定性，微處理器的允許電壓變化范圍很寬。通常微處理器使用5 V或3.3 V電壓，但有些特殊用途微處理器芯片能在2.2 V，甚至0.9～1.2 V的低電壓下正常工作。至于微處理器的溫度特性，按能適應的環境溫度范圍劃分為三個等級，即民用級為0～+70℃、工業級為-40～+85℃、軍用級為-65～+125℃。

除了芯片本身的因素，為提高微處理器應用系統的穩定性和可靠性，還要在系統的設計和工藝中，有針對性地采用一些提高穩定性和可靠性的技術，如接地技術、屏蔽技術、隔離技術、濾波技術，以及抑制反電勢干擾技術等。

4）應用的廣泛性和重要性

在生活和生產的各個領域中，凡是有自動控制要求的地方通常都會有微處理器的身影出現，從簡單到復雜，從空中、地面到地下，凡是能想象到的地方幾乎都有使用微處理器的需求。盡管微處理器的應用現在已經很普遍了，但仍有許多可以用微處理器控制而尚未實現的項目，因此，微處理器的應用大有想象和拓展空間。

微處理器的應用有利于產品的小型化、多功能化和智能化，有助于提高勞動效率、減輕勞動強度、提高產品質量、改善勞動環境、減少能源和材料消耗、保證安全等。

微處理器的應用正從根本上改變著傳統的控制系統設計思想和設計方法，從前必須由模擬電路或數字電路實現的大部分控制功能，現在已能使用微處理器通過軟件方法實現了。這種以軟件取代硬件并能提高系統性能的控制系統“軟化”技術，稱為微控制技術。隨著微處理器應用的推廣普及，微控制技術必將不斷發展、日益完善和更加充實。

3．微處理器的應用領域

微處理器已經滲透到我們生活的各個領域，很難找到哪個領域沒有使用微處理器的。例如，導彈的導航裝置、飛機上各種儀表的控制、計算機網絡通信與數據傳輸、工業自動化過程的實時控制和數據處理、廣泛使用的各種智能IC卡、汽車的安全保障系統、錄像機、攝像機、全自動洗衣機，以及程控玩具、電子寵物等，這些都離不開微處理器，更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫療器械和各種智能機械了。因此，微處理器的學習、開發與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。

微處理器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分如下幾個范疇。

（1）智能儀器。微處理器具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現諸如電壓、電流、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用微處理器控制使得儀器儀表數字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數字電路更加強大，例如精密的測量設備（電壓表、功率計、示波器、各種分析儀）。高頻示波器如圖1.5所示。

（2）工業控制。微處理器具有體積小、控制功能強、功耗低、環境適應能力強、擴展靈活和使用方便等優點，用微處理器可以構成形式多樣的控制系統、數據采集系統、通信系統、信號檢測系統、無線感知系統、測控系統、機器人等應用控制系統，例如工廠流水線的智能化管理、電梯智能化控制、各種報警系統、與計算機連網構成二級控制系統等。通過與微處理器與機器的結合促使了工業生產方式從勞動密集型向自動化的轉變。

自動化能使工業系統處于最佳狀態、提高經濟效益、改善產品質量和減輕勞動強度，廣泛應用于機械、電子、電力、石油、化工、紡織、食品等領域中。而在自動化技術中，無論是過程控制技術、數據采集和測控技術，還是生產線上的機器人技術，都離不開微處理器的參與。

在工業自動化的領域中，機電一體化技術將發揮越來越重要的作用，在這種集機械、微電子和計算機技術于一體的綜合技術中，微處理器將發揮越來越大的作用。快遞分揀機器人如圖1.6所示。

（3）家用電器。家用電器廣泛采用微處理器控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電到其他音響視頻器材，再到電子秤設備和白色家電等。

當前，家用電器產品的一個重要發展趨勢是不斷提高其智能化程度，而家電智能化的進一步提高就需要微處理器的參與，所以生產廠家常標榜“電腦控制”以提高其產品的檔次，例如洗衣機、電冰箱、空調機、微波爐、電視機和音像視頻設備等，這里所說的“電腦”實際上就是微處理器。

智能化家用電器將給我們帶來更大的舒適和方便，進一步提高我們的生活質量，把我們的生活變得更加豐富多彩，例如掃地機器人，如圖1.7所示。

（4）網絡和通信?，F代的微處理器普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數據通信，為在計算機網絡和通信設備間的應用提供了極好的硬件條件，通信設備基本上都實現了微處理器智能控制，從電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統、列車無線通信，到日常工作中隨處可見的移動電話、集群移動通信、無線電對講機等，例如自動駕駛汽車，如圖1.8所示。

（5）設備領域?，F代儀器儀表（如測試儀表和醫療儀器等）對自動化和智能化的要求越來越高，微處理器成為系統最好的改造方式，而微處理器的使用又將加速儀器儀表向數字化、智能化、多功能化和柔性化方向發展。此外，微處理器的使用還有助于提高儀器儀表的精度和準確度，簡化結構、減小體積及重量，且易于攜帶和使用，并具有低成本、抗干擾能力強等優點，便于增加顯示、報警和自診斷等功能。

微處理器在醫用設備中的用途相當廣泛，如醫用呼吸機、各種分析儀、監護儀、超聲診斷設備及病床呼叫系統等。工業中的數控機床如圖1.9所示。

（6）模塊化系統。某些專用微處理器設計用于實現特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應用，而不要求使用人員了解其內部結構，如音樂集成微處理器，看似簡單的功能微縮在純電子芯片中，但需要復雜的、類似于計算機的原理；又如音樂信號以數字的形式保存在存儲器中（類似于ROM），由微處理器讀出后再轉化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。

在大型電路中，這種模塊化應用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也便于更換。日常生活中高集成度手機主板如圖1.10所示。

（7）汽車電子。微處理器在汽車電子中的應用非常廣泛，如汽車中的發動機控制器、基于CAN總線的汽車發動機智能電子控制器、GPS導航系統、ABS防抱死系統、制動系統、胎壓檢測等。車輛導航儀如圖1.11所示。

（8）軍事裝備。科技強軍、國防現代化離不開計算機，在現代化的飛機、軍艦、坦克、大炮、導彈、火箭和雷達等各種軍用裝備上，都有微處理器在其中。信息化坦克如圖1.12所示。

此外，微處理器在工商、金融、科研、教育、電力、通信、物流和航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。

1.3.3 微處理器和物聯網

1．物聯網

物聯網（Internet of Things, IoT）的概念最早于1999年由美國麻省理工學院首次提出。2009年年初，IBM提出了“智慧地球”概念，使得物聯網成為時下的熱門話題。2009年8月，溫家寶總理提出啟動“感知中國”建設，隨后物聯網在中國進一步升溫，得到了政府、科研院校、電信運營商及設備提供商等的高度重視。

物聯網是指利用各種信息傳感設備，如射頻識別（RFID）裝置、無線傳感器、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等對現有物品信息進行感知、采集，通過網絡支撐下的可靠傳輸技術，將各種物品的信息匯入互聯網，并進行基于海量信息資源的智能決策、安全保障，以及管理技術與服務的全球公共的信息綜合服務平臺，如圖1.13所示。

物聯網有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品，物品之間可進行信息交換和通信。因此，物聯網運用傳感器、射頻識別（RFID）、智能嵌入式等技術，使信息傳感設備感知任何需要的信息，按照約定的協議，通過可能的網絡（如基于Wi-Fi的無線局域網、3G/4G等）接入方式，把任何物體與互聯網相連接，進行信息交換通信，在進行物與物、物與人的泛在連接的基礎上，實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、控制和管理。

物聯網的架構通常分為感知識別層、網絡構建層、信息處理層和綜合應用層，如圖1.14所示。

其中，感知識別采集數據和設備控制就是在微處理器技術的基礎上進行的。物聯網作為新一代信息技術的重要組成部分，有三方面的特征：首先，物聯網技術具有互聯網特征，對需要用物聯網技術連網的物體來說一定要有能夠實現互連互通的互聯網絡來支撐；其次，物聯網技術具有識別與通信特征，接入物聯網的物體一定要具備自動識別和物物通信（M2M）的功能；最后，物聯網技術具有智能化特征，使用物聯網技術形成的網絡應該具有自動化、自我反饋和智能控制的功能。

2．單片機與嵌入式系統

微處理器誕生后，在微處理器基礎上的現代計算機有了足夠的數值計算能力和對對象系統快捷的實時控制能力。但隨后人們發現“數值計算”與“對象系統實時控制”是兩個無法兼容的技術發展道路與應用環境，前者要求有一個具有高速海量數值計算能力的通用計算機系統，后者則要求有一個可以嵌入到對象系統中與對象系統緊耦合、實現對象系統實時控制的、高可靠的嵌入式計算機系統。

（1）單片機的發展。在PC誕生前，很早就開始了在微處理器基礎上嵌入式應用的單片機道路探索，并取得成功；PC誕生后，又開始了微型機的嵌入式應用探索，卻遭遇失敗。

單片微處理器的獨立發展道路始于1974年誕生的第二代微處理器8088。最初，8080代替電子邏輯電路器件用于各種應用電路和設備上，帶有原始的嵌入式應用印記。其后出現了一批嵌入式應用的單片機，其中最典型的是1976年Intel公司推出的MCS-48單片機。1980年，在MCS-48單片機基礎上完善的MCS-51單片機成為微處理器的經典體系結構，其后開始了20年單片機的獨立發展道路。

單片機的獨立發展道路不僅表現為單芯片的應用，更重要的是“忠實”于嵌入式應用要求的全新體系結構探索。例如，MCS-51單片機經典體系結構中，突出控制要求的指令系統、能滿足外部擴展的I/O接口與完善的串行/并行總線；哈佛結構中，實現了不受病毒侵擾的只讀程序存儲器，以及滿足外圍電路不斷擴展要求的特殊功能寄存器（SFR）統一調度模式。有些不了解單片機的微處理器本質的人曾一度將單片機稱為單片微型計算機，后來單片機才正名為微處理器（或微控制器）。

（2）從單片機到嵌入式系統。1976年誕生的MCS-48單片機，以及1980年在MCS-48單片機基礎上完善而成的MCS-51單片機，是專門為嵌入式應用要求設計的、具有全新體系結構的微處理器，由此開始了電子技術領域20多年的單片機獨立發展道路。20世紀末，隨著后PC時代的到來，大量計算機界人士進入到單片機領域，并以計算機工程方法迅速提升了單片機的應用水平。計算機學科與微電子學科、電子技術學科的交叉融合，突出了單片機的嵌入式應用特征，將微處理器的應用從單片機時代推向嵌入式系統應用時代。

3．微處理器的基本特點

從單片機與嵌入式系統的曲折的發展歷史中可以看到，微處理器集單片、嵌入、物聯三個基本特點于一身。在微處理器30多年的發展歷程中，人們從不同角度來詮釋微處理器的時代特征，于是便有了早期的單片機時代、如今的嵌入式系統時代，以及正在進入的物聯網時代。無論哪個時代，單片、嵌入、物聯都是微處理器不可分離的基本特點，具體表現為單芯片應用形態、嵌入式應用環境、物聯的應用本質。

（1）單芯片應用形態。單芯片應用形態表明，微處理器的嵌入式應用必須走單芯片控制器的發展道路，微型機嵌入式應用探索失敗是一個最好的證明，走單片機道路不只是滿足體積、價位的需求，更重要的是要以單芯片形態創造出全新的微處理器體系結構。最好的例證是MCS-48與MC6801兩種單片機的道路探索，MCS-48采用了全新的控制器體系結構，突出控制的指令系統與全新的電路系統設計，獲得成功；MC6801則是MC6800微型機刪減后的單片化改造，遭遇失敗。在MCS-48單片機初步取得成功后，迅速完善成MCS-51單片機。MCS-51單片機成為微處理器經典結構體系，并延續至今，創造了30多年不衰的紀錄。

（2）嵌入式應用環境。單片微處理器的誕生，從根本上解決了嵌入式應用中體積、價位、可靠性、控制能力、與對象系統緊耦合的一系列技術難題。

單片微處理器的微小體積與低價位，最大限度地滿足了空間環境要求與市場要求；固化的只讀程序存儲器、突出控制功能的指令系統與體系結構，滿足了對象控制的可靠性要求。因此，單片微處理器誕生后，迅速取代經典電子系統，嵌入到對象體系（如家用電器、智能儀器、工控單元等）中實現對象體系的智能化控制。隨著微處理器外圍電路、接口技術的不斷擴展，出現了一個個IT產品的公共平臺，衍生出眾多的IT產品，如智能手機、平板、PDA、MP3、MP4、電子書、數碼伴侶等。這些產品沒有明確的嵌入對象，體現了微處理器的內嵌式應用，即它們內部一定嵌有一個微處理器。這樣一來，嵌入式應用的概念便從原來“嵌入”擴展到“內嵌”的全面嵌入式應用。

（3）物聯的應用本質。微處理器為物聯而生，物聯是微處理器與生俱來的本質特性。早在微處理器誕生時期，通用處理器與嵌入式處理器（即微處理器）兩大分支的歷史性分工中，就賦予了嵌入式處理器的物聯使命。

4．微處理器的三個應用時代

從1976年誕生MCS-48單片機算起，微處理器已有40多年的歷史了。在40多年的發展進程中，微處理器經歷了單片機與嵌入式系統兩個時代，如今又進入了物聯網時代。

單片機時代、嵌入式系統時代與物聯網時代，是微處理器的三個不同的變革時代，在三個時代中不變的是微處理器的三個基本特點，變革的是不同學科介入后產生的巨大飛躍。

單片機的誕生，為電子技術領域提供了一個微處理器形態的歸一化智力內核，開始了傳統電子系統的智能化改造，開啟了微處理器的單片機時代。后PC時代的到來，大量計算機界人士進入單片機領域，電子技術與計算機技術相結合，極大地提升了微處理器的嵌入式應用水平，將單片機時代推進到嵌入式系統時代。如今，借助微處理器的智慧物聯，將互聯網延伸到物理對象，使微處理器以嵌入式系統的身份進入大有作為的物聯網時代。

綜上所述，無論是單片機、嵌入式系統還是物聯網系統，都是不同時代的同一類事件。在微處理器誕生后，經歷了20多年的單片機時代、10多年的嵌入式系統時代，如今又進入物聯網系統時代。微處理器的三個時代，展現了微處理器的三個不同歷史時期，體現了微處理器的不斷深化、不斷變革。在這三個歷史時期中，微處理器始終保持單片形態、嵌入式應用與物聯本質這三個基本特點，形成了微處理器發展史上的兩次華麗轉身，即從單片機到嵌入式系統的華麗轉身，以及從嵌入式系統到物聯網的華麗轉身。

5．單片機到嵌入式系統發展

1974年，第二代微處理器8080誕生后，半導體產業領域中迅速掀起了一股單片微處理器的應用熱潮，出現了眾多型號的單片微處理器，為電子技術領域提供一個個智能化改造的智力內核。由于半導體廠商的技術支持，低廉的硬件成本與開發裝置，易被電子工程師掌握的匯編語言編程技術，很快便掀起了傳統電子系統智能化的改造熱潮。

傳統電子系統的智能化改造，是專業領域（如自動控制、消費電子、家用電器等）對象系統的智能化改造，是半導體廠商與對象系統領域電子工程師的合作應用模式。計算機界專業人士很難介入這種對象系統的智能化產品開發，形成了電子技術領域電子工程師“單打獨斗”的局面。這是一個20多年微處理器應用的緩慢發展期。計算機工程方法的欠缺，電子技術應用模式的局限性，嚴重制約了微處理器應用技術的發展。

正當單片機時代陷入困境時，計算機專業領域迎來了后PC時代，即以PC為代表的微型計算機技術已進入到大企業（Intel公司和Microsoft公司）壟斷性的發展時代，受日益高漲的微處理器市場吸引，大批計算機專業人士進入微處理器領域，改變了微處理器的電子工程技術應用的印記，將微處理器的單片機概念變更到嵌入式系統的概念上來。這不是一般概念上的簡易變更，而是體現了微處理器應用技術的變革，即從電子工程應用模式變更到計算機工程應用模式。這是微處理器應用從單片機時代到嵌入式系統時代的第一次華麗轉身，這是因為計算機學科介入后，引入的計算機高級語言、操作系統、集成開發環境、計算機工程方法，極大地提高了微處理器的應用水平，嵌入式系統成為多學科的綜合應用領域。

6．從嵌入式系統到物聯網

微處理器經歷了20多年單片機的緩慢發展期后，在10多年的嵌入式系統時代中有了突飛猛進的發展。從單機應用、分布式總線應用到局域網應用，微處理器芯片技術從數字集成、數模混合集成、軟件集成到大規模的SoC集成；與此同時，具有TCP/IP協議棧的內嵌式單元與方便外接的互聯網接口技術大量涌現，無論是嵌入式系統的單機還是嵌入式系統的局域網，與互聯網、GPS的連接成為常態，從而將互聯網順利地延伸到物理對象，變革成物聯網。

物聯網時代，唯有嵌入式系統可以承擔起物聯網繁重的物聯任務。在物聯網應用中，首要任務是嵌入式系統物聯基礎上的物聯網系統建設。大量的物聯網系統開發任務與物聯網中嵌入式系統復合人才的培養，都要求嵌入式系統迅速轉向物聯網，積極推動物聯網、云計算技術與產業的發展。

7．新時代物聯網處理器的發展要求

工業和信息化部《物聯網發展規劃（2016—2020年）》（以下簡稱《發展規劃》）在報告中總結了“十二五”期間我國在物聯網關鍵技術研發、應用示范推廣、產業協調發展和政策環境建設等方面取得的成果。

《發展規劃》認為，我國物聯網將加速進入“跨界融合、集成創新和規模化發展”的新階段，與我國新型工業化、城鎮化、信息化、農業現代化建設深度交匯，面臨廣闊的發展前景。另一方面，我國物聯網發展又面臨國際競爭的巨大壓力，核心產品全球化、應用需求本地化的趨勢將更加凸顯，機遇與挑戰并存。

（1）萬物互聯時代開啟。物聯網將進入萬物互聯發展新階段，智能可穿戴設備、智能家電、智能網聯汽車、智能機器人等數以萬億計的新設備將接入網絡，形成海量數據，應用呈現爆發性的增長，促進生產生活和社會管理方式進一步向智能化、精細化、網絡化方向轉變，經濟社會發展更加智能、高效。第五代移動通信技術（5G）、窄帶物聯網（NB-IoT）等新技術為萬物互聯提供了強大的基礎設施支撐能力。萬物互聯的泛在接入、高效傳輸、海量異構信息處理和設備智能控制，以及由此引發的安全問題等，都對發展物聯網技術和應用提出了更高的要求。

（2）應用需求全面升級。物聯網萬億級的垂直行業市場正在不斷興起，制造業成為物聯網的重要應用領域，相關國家紛紛提觸發展“工業互聯網”“工業4.0”，我國提出建設制造強國、網絡強國，推進供給側結構性改革，以信息物理系統（CPS）為代表的物聯網智能信息技術將在制造業智能化、網絡化、服務化等轉型升級方面發揮重要作用。車聯網、健康、家居、智能硬件、可穿戴設備等消費市場需求更加活躍，驅動物聯網和其他前沿技術不斷融合，人工智能、虛擬現實、自動駕駛、智能機器人等技術不斷取得新突破。智慧城市建設將成為全球熱點，物聯網是智慧城市構架中的基本要素和模塊單元，已成為實現智慧城市“自動感知、快速反應、科學決策”的關鍵基礎設施和重要支撐。

（3）產業生態競爭日趨激烈。物聯網成為互聯網之后又一個產業競爭制高點，生態構建和產業布局正在全球加速展開。國際企業利用自身優勢加快互聯網服務、整機設備、核心芯片、操作系統、傳感器件等產業鏈布局，操作系統與云平臺一體化成為掌控生態主導權的重要手段，工業制造、車聯網和智能家居成為產業競爭的重點領域。我國電信、互聯網和制造企業也在加大力度整合平臺服務和產品制造等資源，積極構建產業生態體系。

《發展規劃》指出需要進一步突破關鍵核心技術，研究低功耗處理器技術和面向物聯網應用的集成電路設計工藝，開展面向重點領域的高性能、低成本、集成化、微型化、低功耗智能傳感器技術和產品研發，提升智能傳感器設計、制造、封裝與集成、多傳感器集成與數據融合，以及可靠性領域技術水平。研究面向服務的物聯網網絡體系架構、通信技術及組網等智能傳輸技術，加快發展NB-IoT等低功耗廣域網技術和網絡虛擬化技術。研究物聯網感知數據與知識表達、智能決策、跨平臺和能力開放處理、開放式公共數據服務等智能信息處理技術，支持物聯網操作系統、數據共享服務平臺的研發和產業化，進一步完善基礎功能組件、應用開發環境和外圍模塊。發展支持多應用、安全可控的標識管理體系。加強物聯網與移動互聯網、云計算、大數據等領域的集成創新，重點研發滿足物聯網服務需求的智能信息服務系統及其關鍵技術。

1.4 任務小結

通過本項目的學習和實踐，讀者可以了解微處理器的發展和演變歷程。通過對經典計算機的結構認識、了解微處理器的種類，不同種類微處理器的使用環境和場景，了解微處理器微操作系統的功能和用途。

1.5 思考與拓展

（1）微處理器有哪些種類？

（2）微處理器的微操作系統是什么？

（3）微處理器都應用在哪些地方？