1.2 單片機的發展

目前，計算機硬件技術正朝著大容量、高性能、高集成化、高微型化和低功耗等方向發展。單片機代表著計算機技術的一個發展方向。自1975年美國德克薩斯儀器公司（Texas Instruments, TI）研發的第一塊單片機芯片TMS-1000問世以來，在短短的30多年間，單片機技術已發展成為計算機技術的一個非常有活力的分支，并有著自己的技術特征、規范、發展道路和應用環境。隨著電子技術的發展，單片機在集成度、功能、性能、體系結構等方面都得到了飛速發展。

1.2.1 單片機的發展概況

單片機的發展歷史可劃分為四個階段。

第一階段（1974～1976年）：單片機的初級階段。因工藝限制，單片機采用雙片的形式而且功能比較簡單。例如，仙童公司生產的F8單片機，實際上只包括了8位的CPU、64個字節RAM和2個并行口。因此，還需對外擴展程序存儲器ROM、定時/計數器等設備才能組成一臺完整的計算機。

第二階段（1976～1978年）：低性能單片機階段。以Intel公司制造的MCS-48單片機為代表，這種單片機片內集成有8位CPU、并行I/O接口、8位定時/計數器、RAM和ROM等，但是不足之處是無串行口、中斷處理比較簡單、片內存儲器的容量較小且尋址范圍不大于4KB。

第三階段（1978～1983年）：高性能單片機階段。這個階段推出的單片機普遍帶有串行口、多級中斷系統、16位定時/計數器等，片內存儲器容量加大，且尋址范圍可達64K字節，有的片內還帶有A/D轉換器。

第四階段（1983年～現在）：8位單片機鞏固發展及16位、32位和64位單片機陸續推出。此階段的主要特征是一方面發展16位、32位和64位單片機；另一方面不斷完善高檔8位單片機，改善其結構，以滿足不同的用戶需要。例如，1983年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司推出的80C96、美國國家半導體公司推出的HPC16040、NIEC公司推出的783XX系列等。20世紀80年代末推出了32位單片機，如Motorola的MC683XX系列、Intel的80960系列，以及近年來流行的ARM系列單片機。32位單片機是單片機的發展趨勢，隨著技術的發展及開發成本和產品價格的下降，將會與8位單片機并駕齊驅。近年來，推出了64位單片機，其在引擎控制、智能機器人、磁盤控制、語音/圖像通信、算法密集的實時控制等場合已有應用，如英國Inmos公司的Transputer T800是高性能64位單片機。

雖然單片機的發展按先后順序經歷4位、8位、16位、32位、64位的階段，但從實際使用情況看，并沒有出現像微處理器那樣更新換代的局面，這也是單片機發展的一大特點。4位、8位、16位、32位單片機都存在于市場中，各有應用領域。不過，各類單片機為適應市場需求，都在原來的基礎上采取新技術、提高性能、推出新產品。圖1.1是一項近期對單片機選型的市場調查，從中可以看出，8位單片機因其高性價比仍是市場的主流產品，但32位單片機的發展很迅速。

1.2.2 單片機的發展趨勢

從單片機多年的發展歷程可以看到，隨著超大規模集成電路技術的發展，單片機的發展趨勢將是向大容量、高性能化、外圍電路高嵌入化等方面發展。

1.CPU的改進

1）采用多CPU（多核）結構，以提高處理能力。

2）增加數據總線寬度。例如，采用16位數據總線，其數據處理能力明顯優于一般8位單片機。

3）提高主頻，以提高單片機的處理速度。例如，51單片機的工作頻率已從最開始的幾MHz提升到幾十MHz，ARM公司推出的Cortex-A15核心CPU主頻達到2GHz。

4）采用多線程流水線或并行處理結構。例如，TI公司生產的MSP430系列單片機，采用流水線結構后大幅度提高了CPU處理速度，一個時鐘周期可以執行一條指令。

2.存儲器的發展

1）加大存儲容量。隨著應用系統的功能要求多元化，應用程序長度快速增長，為了減少擴展，簡化硬件設計，大部分單片機的片內程序存儲器容量可達64KB或128KB甚至更大，數據存儲器的容量也越來越大。

2）片內程序存儲器采用可多次編程的FLASH存儲器，一些單片機也集成了可在線讀寫且掉電不丟失的數據存儲器E2PROM等。

3）程序保密化。為了防止復制，某些公司對片內程序存儲器采用加鎖方式。加鎖后，無法讀取其中的程序。如要去讀，必須抹去原來的程序，從而達到了程序保密的目的。

3.片內I/O的改進

1）增加I/O口的驅動能力。這樣可減少外部驅動芯片。例如，有的單片機可直接輸出大電流和高電壓，以便能直接驅動LED和VFD顯示器。

2）增加I/O接口的邏輯控制功能。大部分單片機的I/O接口能夠進行位尋址和位操作，大大提高了I/O接口線控制的靈活性。

3）增加I2C、SPI等串行接口功能。方便了系統與外圍設備連接，用戶可以通過I2C、SPI等串行接口連接諸如傳感器等設備，完成檢測功能，同時把系統情況通過串行口傳送給上位機管理系統，完成遠程設備的控制。

4.外圍電路內嵌化

隨著集成度的不斷提高，把更多的外圍功能模塊集成在芯片上，以進一步提高單片機的性能。除了一般必須具有的ROM、RAM、定時/計數器、中斷系統等，隨著發展的要求，片內集成的部件還有A/D轉換器、D/A轉換器、DMA控制器、CAN總線控制器、PWM控制器、鎖相環、頻率合成器等。

5.低噪聲與高可靠性技術

為提高單片機系統的抗電磁干擾能力，使產品能適應惡劣的工作環境，滿足電磁兼容性方面更高標準的要求，各單片機商家在單片機內部電路中采取了一些新的技術措施，例如，ST公司的μPSD系列單片機片內增加了看門狗定時器，NS公司的COP8單片機內部增加了抗EMI電路，增強了“看門狗”的功能。

6.低功耗化

幾乎所有的單片機都有Wait、Stop等省電運行方式，允許使用的電源電壓范圍也越來越寬，一般單片機都能在3～6V范圍內工作，對電池供電的單片機不再需要對電源采取穩壓措施。低電壓供電的單片機電源下限已由2.7V降至1.8V，目前，0.9V供電的單片機也已經問世。

7.在線編程技術

使用在線編程技術不需要采用專門的燒錄器對芯片進行程序燒錄，可在用戶應用系統板上直接對單片機進行程序下載燒錄。目前，在線編程主要有兩種不同方式：

1）ISP（In System Programming），即在系統編程。具備ISP的單片機內部集成了FLASH存儲器，用戶可以通過下載線以特定的硬件時序在線編程，但用戶程序自身不可以對內部存儲器做修改。這類產品如OTMEL8990系列。

2）IAP（In Application Programming），即在應用編程。具備IAP的單片機廠家在出廠時向其內部寫入了單片機引導程序，用戶可以通過下載線對它進行在線編程，用戶程序也可以自己對內存進行重新修改。這為工業實時控制和數據的保存提供了方便。這類產品如SST的89系列。

8.在線仿真技術

一些新型的SOC單片機都具有在線仿真功能，這些單片機都配置了JTAG接口。JTAG（Joint Test Action Group，聯合測試行動小組）是一種國際標準測試協議（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片內部測試。JTAG接口的引入使單片機傳統的仿真調試產生了徹底的變革。在上位機軟件的支持下，通過串行的JTAG接口直接對產品系統進行仿真調試。如配置有JTAG接口的C8052F單片機不僅支持Flash ROM的讀/寫操作及非入侵式在線調試，它的JTAG邏輯還為在系統測試提供邊界掃描功能。通過邊界寄存器的編程控制，可對所有器件引腳、寄存器和I/O接口的功能實現觀察和控制。