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智能的名义——MCU单片机

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发表于 2017-6-6 10:38 | 显示全部楼层 |阅读模式

二十世纪跨越了三个“电”的时代,即电气时代、电子时代和电脑时代。不过,这种电脑,通常是指个人计算机,简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机,大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机(亦称微控制器)。

顾名思义,这种计算机的最小系统只用了一片集成电路,即可进行简单运算和控制。因为它体积小,通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中,起着有如人类头脑的作用。

现在单片机的使用领域已十分广泛,如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机,就能起到使产品升级换代的功效,常在产品名称前冠以形容词——“智能型”。

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什么是MCU

MCU(Micro Control Unit)中文名称为微控制单元,又称单片微型计算机(SingleChip Microcomputer)或者单片机,是指随着大规模集成电路的出现及其发展,将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合控制。

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单片机的结构

单片机最早是被用在工业控制领域。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。
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INTEL的8031

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INTEL i960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,处理能力比起80年代提高了数百倍。

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。

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。

单片机的发展史

单片机诞生于20世纪70年代末,经历了SCM、MCU、SoC三大阶段

1、SCM即单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)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。在开创嵌入式系统独立发展道路上,Intel公司功不可没。  

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Micro ControllerUnit


2、MCU即微控制器(Micro Controller Unit)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,最著名的厂家当数Philips公司。

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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发展道路时,不要忘记Intel和Philips的历史功绩。

3、SoC即微处理系统(System-on-a-Chip)阶段,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。

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MCU单片机的分类

按用途分类:

通用型:将可开发的资源(ROM、RAM、I/O、 EPROM)等全部提供给用户。

专用型:其硬件及指令是按照某种特定用途而设计,例如录音机机芯控制器、打印机控制器、电机控制器等。

按基本操作处理的数据位数分类:

根据总线或数据暂存器的宽度,单片机又分为1位、4位、8位、16位、32位甚至64位单片机。

8位MCU工作频率在16~50MHz之间,强调简单效能、低成本应用,在目前MCU市场总值仍有一定地位,而不少MCU业者也持续为8bit MCU开发频率调节的节能设计,以因应绿色时代的产品开发需求。

16位MCU,则以16位运算、16/24位寻址能力及频率在24~100MHz为主流规格,部分16bit MCU额外提供32位加/减/乘/除的特殊指令。由于32bit MCU出现并持续降价及8bit MCU简单耐用又便宜的低价优势下,夹在中间的16bit MCU市场不断被挤压,成为出货比例中最低的产品。

32位MCU可说是MCU市场主流, 工作频率大多在100~350MHz之间,执行效能更佳,应用类型也相当多元。但32位MCU会因为操作数与内存长度的增加,相同功能的程序代码长度较8/16bit MCU增加30~40%,这导致内嵌OTP/FlashROM内存容量不能太小,而芯片对外脚位数量暴增,进一步局限32bit MCU的成本缩减能力。

MCU按存储器类型分:

可分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。

对于无片内ROM型的芯片,必须外接EPROM才能应用(典型芯片为8031)。带片内ROM型的芯片又分为片内EPROM型(典型芯片为87C51)、MASK片内掩模ROM型(典型芯片为8051)、片内FLASH型(典型芯片为89C51)等类型,一些公司还推出带有片内一次性可编程ROM(One Time Programming, OTP)的芯片(典型芯片为97C51)。

由于MCU强调是最大密集度与最小芯片面积,以有限的程序代码达成控制功能,因此当今MCU多半使用内建的MaskROM、OTP ROM、EEPROM或Flash内存来储存韧体码,MCU内建Flash内存容量从低阶4~64KB到最高阶512KB~2MB不等。

按存储器结构分:

MCU根据其存储器结构可分为哈佛(Harvard)结构和冯▪诺依曼(Von Neumann)结构。

现在的单片机绝大多数都是基于冯·诺伊曼结构的,这种结构清楚地定义了嵌入式系统所必需的四个基本部分:一个中央处理器核心,程序存储器(只读存储器或者闪存)、数据存储器(随机存储器)、一个或者更多的定时/计时器,还有用来与外围设备以及扩展资源进行通信的输入/输出端口,所有这些都被集成在单个集成电路芯片上。

按指令结构分:

MCU根据指令结构又可分为CISC(Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机)和RISC(Reduced Instruction Set Comuter,精简指令集计算机微控制器)

MCU单片机的应用领域

目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理。

广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。

因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

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单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、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,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。

7、单片机在汽车设备领域中的应用

单片机在汽车电子中的应用非常广泛,例如汽车中的发动机控制器,基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器,GPS导航系统,abs防抱死系统,制动系统等等。

此外,单片机在工商,金融,科研、教育,国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

MCU主要发展趋势

汽车电子、物联网是MCU应用的蓝海市场,这两个市场也是MCU厂商必争之地。为应对汽车电子、物联网应用的要求,安全性、稳定性、可靠性等将成为MCU厂商关注的重点。

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1、低成本、低功耗、高集成、高精度、高稳定性MCU占据更大市场份额。除了对传统领域现有MCU系列产品进行更新、升级外, 未来新兴应用领域如低能耗电机控制、便携式医疗设备、高精度工业仪器控制、特殊工作环境电子控制、精细动力控制等,对产品可靠性、鲁棒性、稳定性等都有较高的要求。物联网、节能环保、新能源动力电池、轨道交通等新兴战略性产业也需要大量低成本、低功耗、高集成、高精度、高稳定性MCU。

2、整合各种不同功能的MCU不断涌现。随着智能设备、物联网等产业的快速发展,无线RF、传感器、电源管理等搭配MCU成为一种新趋势。高度整合的MCU不仅可以方便客户开发产品,并且可减少印刷电路板的占用空间,从而能够降低一部分成本,将来非常具有市场潜力。

汽车电子、IoT(物联网)、安全将会是未来MCU增长的重要推动力量。未来嵌入式系统的发展应该会更关注安全、可扩展、高能效。MCU与传感、连接等相融合,共同构建安全互联的终端节点。

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