单片机发展史

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1、单片机发展史单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器(Microcontrollerunit), 常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。由于单 片机在工业控制领域的广泛应用，为使更多的业内人士、学生、爱好者，产品 开发人员掌握单片机这门技术，于是产生单片机开发板，比较有名的例如电子 人DZR-01A单片机开发板。单片机由芯片内仅有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。INTEL的Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机

2、和专用处理器的发展 便分道扬镳。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031,因为简单可 靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了 MCS51系列单片机系 统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要 求的提高,开始出现了 16 位单片机,但因为性价比不理想并未得到很广泛的应 用。 90 年代后随着消费电子产品大发展,单片机技术得到了巨大提高。随着 INTELi960 系列特别是后来的 ARM 系列的广泛应用, 32位单片机迅速取代 16 位 单片机的高端地位,并且进入主流市场。而传统的 8 位单片机的性能也得到了 飞速提高,处理能力比

3、起 80 年代提高了数百倍。目前,高端的 32 位单片机主 频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂 价格跌落至1美元,最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只 在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的 单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用 专用的 Windows 和 Linux 操作系统。是的 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

4、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 算的总和，甚至比人类的数量还要多。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。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机 只缺少了 I/O 设备。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。单片

5、机诞生于 20 世纪 70 年代末，经历了 SCM、MCU、SoC 三大阶段。单片机 作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自单片机诞生至今， 已发展为上百种系列的近千个机种。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向 发展趋势将是进一步向着 CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价 格和外围电路内装化等几个方面发展。关键词微型计算机 8 位单片机发展趋势 一、单片机发展历程(1)SCM即单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)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 SCM 与通用计算机完全不同的发展道路

6、。在开创嵌入式系统独立发展道路上， Intel 公司功不可没。(2) MCU即微控制器(MicroControllerUnit)阶段，主要的技术 发展方向是：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MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看， Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最着名的厂家 当数 Philips 公司。 Philips 公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将 MCS-51 从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统

7、发展道 路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。(3)单片机是嵌入式系统的独立发 展之路，向MCU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 SoC 化趋势。随着微电子技术、 IC 设 计、EDA工具的发展，基于SoC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。 二、以8 位单片机为起点(1) 第一阶段(1976-1978)：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS-48为 代表。MCS - 48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有 Motorola、

8、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单机片” 一词即由此而来。(2) 第二阶段(1978-1982)单片机的完善阶段。Intel公司在MCS-48基础上 推出了完善的、典型的单片机系列MCS-51。它在以下几个方面奠定了典型的 通用总线型单片机体系结构。完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单 片机的总线结构，包括8位数据总线、 16位地址总线、控制总线及具有很多机 通信功能的串行通信接口。CPU外围功能单元的集中管理模式。体现工控 特性的位地址空间及位操作方式。指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许 多突出控制功能的指令。(3)第三阶段(1982-1990)： 8

9、位单片机的巩固发展及 16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的 MCS - 96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、 脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS - 51系列的 广应用，许多电气厂商竞相使用 80C51 为内核，将许多测控系统中使用的电路 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。(4)第四阶段( 1990)：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域 全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的 8位/16位/32

10、 位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。单片机的发展趋势(1) CMOS 化近年，由于 CHMOS 技术的进小，大大地促进了单片机的 CMOS 化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以80C51取代8051为 标准MCU芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用CMOS (金属栅氧化物)半 导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双 极型半导体工艺的 TTL 电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水 平的提高，又出现了 HMOS (高密度、高速度MOS)和CHMOS工艺。CHMOS 和HMO

11、S工艺的结合。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟 时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。因而，在单片机领域CMOS正在 逐渐取代TTL电路。(2)低功耗化单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下； 使用电压在 36V 之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而 且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。（3）低电压化几乎所有的单片机都有 WAIT、STOP 等省电运行方式。允许使用 的电压范围越来越宽，一般在36V范围内工作。低电压供电的单片机电源下限 已可达l2Vo目前供电的单片机已经问世。（4）低噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力

12、，使产品能适应恶劣的 工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电 路中都采用了新的技术措施。大容量化以往单片机内的ROM为1KB4KB, RAM 为64128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩 充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目 前，单片机内ROM最大可达64KB, RAM最大为2KBo （5）高性能化主要是指 进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用 精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度 最高者已达100MIPS （Millionlnst

13、ructionPerSeconds，即兆指令每秒），并加强了 位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高 出10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O功 能，由此引入了虚拟外设的新概念。（6）小容量、低价格化与上述相反，以4 位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。这类单片机的用途是 把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。外 围电路内装化这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高，有可能 把众多的各种处围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、 定时器/计数器等以外，片内集成

14、的部件还有模/数转换器、 DMA 控制器、声音 发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。 串行扩展技术在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件 成为单片机应用的主流结构。随着低价位OTP （ OneTimeProgramble ）及各种类 型片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片” 应用结构的发展。特别是IC、SPI等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计 得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。四、总结 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、功能 将列强。在单片机家族中，80C51系列是其中的

15、佼佼者，加之Intel公司将其MCS -51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多着名 IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51 单片机兼容的基础上改善了 80C51的许多特性。这样，80C51就变成有众多制造 厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。80C51单片机已 成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异， 开发装置也互不兼容，但是客观发展表明， 80C51 可能最终形成事实上的标准 MCU芯片。单片机的用途： 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航

16、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 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

17、，与计算机联网构成二级控制系统 等。3. 在家用电器中的应用 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。4. 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。5. 单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医

18、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。6. 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。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等

19、领域都有着十分广 泛的用途。单片机在嵌入式方面的应用： 单片机有计算机系统内核，嵌入到电子系统中，为电子系统智能化奠定了基础。 因此，当前单片机在电子系统中的广泛使用，使经典电子系统迅速过渡到智能 化的现代电子系统。1、单片机与嵌入式系统 嵌入式系统源于计算机的嵌入式应用，早期嵌入式系统为通用计算机经改装后 嵌入到对象体系中的各种电子系统，如舰船的自动驾驶仪，轮机监测系统等。 嵌入式系统首先是一个计算机系统，其次它被嵌入到对象体系中、在对象体系 中实现对象要求的数据采集、处理、状态显示、输出控制等功能，由于嵌入在 对象体系中，嵌入式系统的计算机没有计算机的独立形式及功能。单片机完全 是按照嵌入

20、式系统要求设计的，因此单片机是最典型的嵌入式系统。早期的单 片机只是按嵌入式应用技术要求设计的计算机单芯片集成，故名单片机。随后， 单片机为满足嵌入式应用要求不断增强其控制功能与外围接口功能，尤其是突 出控制功能，因此国际上已将单片机正名为微控制器（MCU, Microcontrollerunit）。2、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，

21、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。 3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处理器、嵌入式系统器件外，大多是围绕现代电子 系统配套的元器件产业，例如满足人机交互用的按键， LED/LCD 显示驱动、 LED/LCD显示单元、语音集成器件等，满足数据采集通道要求的数字传感器、ADC、 数据釆集模块、信号调制模

22、块等，满足伺服驱动控制的DAC、固体继电器、步 进电机控制器、变频控制单元等，满足通信要求的各种总线驱动器、电平转换 器等。世界电子元器件在嵌入式系统带动下，沿着充分满足嵌入式应用的现代 电子系统要求发展。这就使原来经典电子系统的天地愈来愈小。电子系统中的 各类从业人员应尽早转向现代电子系统的康庄大道。五、总结 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、功能 将列强。在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS- 51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多着名 IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51 单片机兼容的基础上改善了 80C51的许多特性。这样，80C51就变成有众多制造 厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。80C51单片机已 成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的 MCU 品种繁多，功能各异， 开发装置也互不兼容，但是客观发展表明， 80C51 可能最终形成事实上的标准 MCU 芯片。