1、單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展與單片機(jī)應(yīng)用的廣泛選擇北京清華大學(xué)工物系(100084 邵貝貝編者按:1998年12月19日,北京單片機(jī)聯(lián)誼會(huì)在北航出版社舉行第四次專(zhuān)題研討會(huì),主題是單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展與單片機(jī)應(yīng)用的廣泛選擇。出席會(huì)議的有各類(lèi)單片機(jī)的代表、應(yīng)用專(zhuān)家和新聞媒體人士約40人,近20位專(zhuān)家發(fā)言,涉及15個(gè)單片機(jī)廠商的產(chǎn)品。本文由清華大學(xué)邵貝貝教授就以上議題歸納如下,以便為用戶(hù)在單片機(jī)選型上展示更大的空間。1 單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)自單片機(jī)出現(xiàn)至今,單片機(jī)技術(shù)已走過(guò)了近20年的發(fā)展路程。縱觀20年來(lái)單片機(jī)發(fā)展歷程可以看出,單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展以微處理器(M PU技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展為先導(dǎo),以廣泛的應(yīng)

2、用領(lǐng)域拉動(dòng),表現(xiàn)出較微處理器更具個(gè)性的發(fā)展趨勢(shì)。單片機(jī)長(zhǎng)壽命 這里所說(shuō)的長(zhǎng)壽命,一方面指用單片機(jī)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品可以穩(wěn)定可靠地工作十年、二十年,另一方面是指與微處理器相比的長(zhǎng)壽命。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,M PU更新?lián)Q代的速度越來(lái)越快,以386、486、586為代表的M PU,很短的時(shí)間內(nèi)就被淘汰出局,而傳統(tǒng)的單片機(jī)如68HC05、8051等年齡已有15歲,產(chǎn)量仍是上升的。這一方面是由于其對(duì)相應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域的適應(yīng)性,另一方面是由于以該類(lèi)CPU為核心,集成以更多I/O功能模塊的新單片機(jī)系列層出不窮。可以預(yù)見(jiàn),一些成功上市的相對(duì)年輕的CPU核心,也會(huì)隨著I/O功能模塊的不斷豐富,有著相當(dāng)長(zhǎng)的生存周期。新的

3、CPU類(lèi)型的加盟,使單片機(jī)隊(duì)伍不斷壯大,給用戶(hù)帶來(lái)了更多的選擇余地。8位、16位、32位單片機(jī)共同發(fā)展 這是當(dāng)前單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的另一動(dòng)向。長(zhǎng)期以來(lái),單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展是以8位機(jī)為主的。隨著移動(dòng)通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進(jìn)入家庭,32位單片機(jī)應(yīng)用得到了長(zhǎng)足發(fā)展。以Motorola68K為CPU的32位單片機(jī)97年的銷(xiāo)售量達(dá)8千萬(wàn)枚。過(guò)去認(rèn)為由于8位單片機(jī)功能越來(lái)越強(qiáng),32位機(jī)越來(lái)越便宜,使16位單片機(jī)生存空間有限,而16位單片機(jī)的發(fā)展無(wú)論從品種和產(chǎn)量方面,近年來(lái)都有較大幅度的增長(zhǎng)。單片機(jī)速度越來(lái)越快 MPU發(fā)展中表現(xiàn)出來(lái)的速度越來(lái)越快是以時(shí)鐘頻率越來(lái)越高為標(biāo)志的。而單片機(jī)則有所不同,為

4、提高單片機(jī)抗干擾能力,降低噪聲,降低時(shí)鐘頻率而不犧牲運(yùn)算速度是單片機(jī)技術(shù)發(fā)展之追求。一些8051單片機(jī)兼容廠商改善了單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)序,在不提高時(shí)鐘頻率的條件下,使運(yùn)算速度提高了很多,Motorola 單片機(jī)則使用了瑣相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)使內(nèi)部總線(xiàn)速度大大高于時(shí)鐘產(chǎn)生器的頻率。68HC08單片機(jī)使用4.9M外部振蕩器而內(nèi)部時(shí)鐘達(dá)32M,而M68K系列32位單片機(jī)使用32K的外部振蕩器頻率內(nèi)部時(shí)鐘可達(dá)16M Hz以上。低電壓與低功耗 自80年代中期以來(lái),NM OS工藝單片機(jī)逐漸被CM OS工藝代替,功耗得以大幅度下降,隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)由3 m工藝發(fā)展到1.5、1.2、0.8、0.5、0.

5、35近而實(shí)現(xiàn)0.2 m工藝,全靜態(tài)設(shè)計(jì)使時(shí)鐘頻率從直流到數(shù)十兆任選,都使功耗不斷下降。Motorola 最近推出任選的M.CORE可在1.8V電壓下以50M/ 48M IPS全速工作,功率約為20mW。幾乎所有的單片機(jī)都有Wait、Stop等省電運(yùn)行方式。允許使用的電源電壓范圍也越來(lái)越寬。一般單片機(jī)都能在3到6V范圍內(nèi)工作,對(duì)電池供電的單片機(jī)不再需要對(duì)電源采取穩(wěn)壓措施。低電壓供電的單片機(jī)電源下限已由2.7V降至2.2V、1. 8V。0.9V供電的單片機(jī)已經(jīng)問(wèn)世。低噪聲與高可靠性技術(shù) 為提高單片機(jī)系統(tǒng)的抗電磁干擾能力,使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境,滿(mǎn)足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求,各單片機(jī)商家在單

6、片機(jī)內(nèi)部電路中采取了一些新的技術(shù)措施。如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體NS的COP8單片機(jī)內(nèi)部增加了抗EM I電路,增強(qiáng)了 看門(mén)狗的性能。M otorola也推出了低噪聲的LN系列單片機(jī)。OT P與掩膜 OT P是一次性寫(xiě)入的單片機(jī)。過(guò)去認(rèn)為一個(gè)單片機(jī)產(chǎn)品的成熟是以投產(chǎn)掩膜型單片機(jī)為標(biāo)志的。由于掩膜需要一定的生產(chǎn)周期,而OT P型單片機(jī)價(jià)格不斷下降,使得近年來(lái)直接使用OT P完成最終產(chǎn)品制造更為流行。它較之掩膜具有生產(chǎn)周期短、風(fēng)險(xiǎn)小的特點(diǎn)。近年來(lái),OT P型單片機(jī)需量大幅度上揚(yáng),為適應(yīng)這種需求許多單片機(jī)都采用了在片編程技術(shù)(In Syst em Programming。未編程的OT P芯片可采用裸片Bondi

7、ng 技術(shù)或表面貼技術(shù),先焊在印刷板上,然后通過(guò)單片機(jī)上引出的編程線(xiàn)、串行數(shù)據(jù)、時(shí)鐘線(xiàn)等對(duì)單片機(jī)編程。解決了批量寫(xiě)OTP芯片時(shí)容易出現(xiàn)的芯片與寫(xiě)入器接觸不4西安科興工控研華加值商電話(huà):(0292234544/2225544 !電子技術(shù)應(yīng)用1999年第3期好的問(wèn)題。使OTP的裸片得以廣泛使用,降低了產(chǎn)品的成本。編程線(xiàn)與I/O線(xiàn)共用,不增加單片機(jī)的額外引腳。而一些生產(chǎn)廠商推出的單片機(jī)不再有掩膜型,全部為有ISP功能的OT P。MT P向OT P挑戰(zhàn) M T P是可多次編程的意思。一些單片機(jī)廠商以MT P的性能、OT P的價(jià)位推出他們的單片機(jī),如ATM EL AV R單片機(jī),片內(nèi)采用FLASH,可多

8、次編程。華邦公司生產(chǎn)的與8051兼容的單片機(jī)也采用了M T P性能,OTP的價(jià)位。這些單片機(jī)都使用了ISP 技術(shù),等安裝到印刷線(xiàn)路板上以后再下載程序。2 單片機(jī)的廣泛選擇Motorola單片機(jī) Motorola是世界上最大的單片機(jī)廠商。品種全、選擇余地大、新產(chǎn)品多是其特點(diǎn),在8位機(jī)方面有68HC05和升級(jí)產(chǎn)品68HC08,68HC05有三十多個(gè)系列,二百多個(gè)品種,產(chǎn)量已超過(guò)20億片。8位增強(qiáng)型單片機(jī)68HC11也有三十多個(gè)品種,年產(chǎn)量在1億片以上。升級(jí)產(chǎn)品有68HC12。16位機(jī)68HC16也有十多個(gè)品種。32位單片機(jī)的683XX系列也有幾十個(gè)品種。近年來(lái),以PowerPC、Coldf ire

9、、M.CORE等為CPU。將DSP做為輔助模塊集成的單片機(jī)也紛紛推出。目前仍是單片機(jī)的首選牌品。M otorola單片機(jī)特點(diǎn)之一是在同樣速度下所用的時(shí)鐘頻率較Intel類(lèi)單片機(jī)低很多,因而使得高頻噪聲低,抗干擾能力強(qiáng),更適合用于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境。M otorola8位單片機(jī)過(guò)去的策略是以掩膜為主的,最近推出OTP計(jì)劃以適應(yīng)單片機(jī)發(fā)展新趨勢(shì),在32位機(jī)上,M.CORE在性能和功耗方面都勝過(guò)ARM7。M icrochip單片機(jī) M icroship單片機(jī)是市場(chǎng)份額增長(zhǎng)最快的單片機(jī)。它的主要產(chǎn)品是16C系列8位單片機(jī), CPU采用RISC結(jié)構(gòu),僅33條指令,運(yùn)行速度快,且以低價(jià)位著稱(chēng),一般單片機(jī)

10、價(jià)格都在一美元以下。M icroship 單片機(jī)沒(méi)有掩膜產(chǎn)品,全部是OT P器件,M ic roship強(qiáng)調(diào)節(jié)約成本的最優(yōu)化設(shè)計(jì),適于用量大、檔次低、價(jià)格敏感的產(chǎn)品。Scenix單片機(jī) Scenix單片機(jī)I/O模塊有新意 I/O模塊的集成與組合技術(shù)是單片機(jī)技術(shù)不可缺少的重要方面。除傳統(tǒng)的I/O功能模塊如并行I/O、URT、SPI、I2C、A/D、PWM、PLL、DT M F等,新的I/O模塊不斷出現(xiàn),如USB、CAN、J1850,最具代表性的是M otorola32位單片機(jī),它集成了包括各種通訊協(xié)議在內(nèi)的I/O模塊,而Scenix單片機(jī)在I/O模塊的處理上引入了虛擬I/O的新概念。Sc eni

11、x采用了RISC結(jié)構(gòu)的CPU,使CPU最高工作頻率達(dá)50MHz。運(yùn)算速度接近50M IPS。有了強(qiáng)有力的CPU,各種I/O功能便可以用軟件的辦法模擬。單片機(jī)的封裝采用20/28引腳。公司提供各種I/O的庫(kù)函數(shù),用于實(shí)現(xiàn)各種I/O模塊的功能。這些用軟件完成的模塊包括多路UART、多路A/D、PWM、SPI、DT MF、FSK、L CD驅(qū)動(dòng)等,這些都是通常用硬件實(shí)現(xiàn)起來(lái)也相當(dāng)復(fù)雜的模塊。N EC單片機(jī) N EC單片機(jī)自成體系,以8位單片機(jī)78K 系列產(chǎn)量最高,也有16位、32位單片機(jī)。16位以上單片機(jī)采用內(nèi)部倍頻技術(shù),以降低外時(shí)鐘頻率。有的單片機(jī)采用內(nèi)置操作系統(tǒng)。NEC的銷(xiāo)售策略著重于服務(wù)大客戶(hù),

12、并投入相當(dāng)大的技術(shù)力量幫助大客戶(hù)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。東芝單片機(jī) 東芝單片機(jī)的特點(diǎn)是從4位機(jī)到64位機(jī)門(mén)類(lèi)齊全。4位機(jī)在家電領(lǐng)域仍有較大的市場(chǎng)。8位機(jī)主要有870系列、90系列等,該類(lèi)單片機(jī)允許使用慢模式,采用32K時(shí)鐘時(shí)功耗降至10 A數(shù)量級(jí)。CPU內(nèi)部多組寄存器的使用,使得中斷響應(yīng)與處理更加快捷。東芝的32位單片機(jī)采用M IPS3000A RISC的CPU結(jié)構(gòu),面向VCD、數(shù)字相機(jī)、圖象處理等市場(chǎng)。富士通單片機(jī) 富士通也有8位、16位和32位單片機(jī),但8位機(jī)使用的是16位機(jī)的CPU內(nèi)核。也就是說(shuō)8位機(jī)與16機(jī)所用的指令相同,使得開(kāi)發(fā)比較容易。8位單片機(jī)有著名的M B8900系列,16位機(jī)有M B90系

13、列。富士通公司注重于服務(wù)大公司、大客戶(hù),幫助大客戶(hù)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。Epson單片機(jī) Epson公司以擅長(zhǎng)制造液晶顯示器著稱(chēng),故Epson單片機(jī)主要為該公司生產(chǎn)的LCD配套。其單片機(jī)的特點(diǎn)是LCD驅(qū)動(dòng)部分做得特別好。在低電壓、低功耗方面也很有特點(diǎn)。目前0.9V供電的單片機(jī)已經(jīng)上市,不久的將來(lái),LCD顯示的手表類(lèi)單片機(jī)將使用0.5V 供電。8051類(lèi)單片機(jī) 最早由Int el公司推出的8051/31類(lèi)單片機(jī)也是世界上用量最大的幾種單片機(jī)之一。由于In tel公司在嵌入式應(yīng)用方面將重點(diǎn)放在186、386、奔騰等與PC類(lèi)兼容的高檔芯片的開(kāi)發(fā)上,8051類(lèi)單片機(jī)主要由Philips、三星、華邦等公司接產(chǎn)。這些

14、公司都在保持與8051單片機(jī)兼容的基礎(chǔ)上改善了8051許多特性(如時(shí)序特性。提高了速度、降低了時(shí)鐘頻率,放寬了電源電壓的動(dòng)態(tài)范圍,降低了產(chǎn)品價(jià)格。Zilog單片機(jī) Z8單片機(jī)是Zilog公司的產(chǎn)品,采用多累加器結(jié)構(gòu),有較強(qiáng)的中斷處理能力。產(chǎn)品為OT P型,Z8單片機(jī)的開(kāi)發(fā)工具可稱(chēng)價(jià)廉物美。Z8單片機(jī)以低價(jià)位的優(yōu)勢(shì)面向低端應(yīng)用,以18引腳封裝為主,ROM為0.5 2K。最近Zilog公司又推出了Z86系列單片機(jī),該系列內(nèi)部可集成廉價(jià)的DSP單元。N S單片機(jī) COP8單片機(jī)是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品,該公司以生產(chǎn)先進(jìn)的模擬電路著稱(chēng)。能生產(chǎn)高水平的數(shù)字模擬混合電路。COP8單片機(jī)片內(nèi)集成了16位5

15、!電子技術(shù)應(yīng)用1999年第3期 四通工控 研華加值商62626144 62626145A/D,這是單片機(jī)中不多見(jiàn)的。COP8單片機(jī)內(nèi)部使用了抗EM I電路,在看門(mén)狗電路以及ST OP方式下單片機(jī)的喚醒方式上都有獨(dú)到之處。此外,COP8的程序加密控制也做得比較好。三星單片機(jī) 三星單片機(jī)有KS51和KS57系列4位單片機(jī),K S86和KS88系列8位單片機(jī),K S17系列16位單片機(jī)和KS32、32位單片機(jī)。三星單片機(jī)為OT P型1SP 在片編程功能。三星公司以生產(chǎn)存儲(chǔ)器芯片著稱(chēng),在存儲(chǔ)器市場(chǎng)供大于求的形勢(shì)下,涉足參與單片機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)。三星公司在單片機(jī)技術(shù)上以引進(jìn)消化發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)、生產(chǎn)與之兼容的產(chǎn)品

16、,然后以?xún)r(jià)格優(yōu)勢(shì)取勝。例如在4位機(jī)上采用NEC的技術(shù),8位機(jī)上引進(jìn)Zilog公司Z8的技術(shù),在32位機(jī)上購(gòu)買(mǎi)ARM7內(nèi)核,還有DEC的技術(shù)、東芝的技術(shù)等。其單片機(jī)裸片的價(jià)格相當(dāng)有競(jìng)爭(zhēng)力。華邦單片機(jī) 華邦單片機(jī)屬8051類(lèi)單片機(jī),它們的W78系列與標(biāo)準(zhǔn)的8051兼容,W77系列位增強(qiáng)型51系列,對(duì)8051的時(shí)序作了改進(jìn)。同樣時(shí)鐘頻率下速度提高2.5倍,FLASH容量從4K到64K,有ISP功能。在4位單片機(jī)方面華邦有921系列和帶LCD驅(qū)動(dòng)的741系列。在32K機(jī)方面,華邦使用惠普公司PA-RISC單片機(jī)技術(shù),生產(chǎn)低位的32位RISC單片機(jī)。3 結(jié)束語(yǔ)以上提到的單片機(jī)廠商是進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的單片機(jī)廠

17、商的一部分,還有很多著名的單片機(jī)制造商如三菱、日立、T I等本文沒(méi)有提到。總體上看,美國(guó)著名公司的單片機(jī)技術(shù)仍處在領(lǐng)先的地位,特別是在高端產(chǎn)品方面,高性能的單片機(jī)新產(chǎn)品不斷推出。而日本在單片機(jī)制造業(yè)方面有也相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì),也在積極爭(zhēng)奪家電產(chǎn)品的大客戶(hù)。韓國(guó)及我國(guó)臺(tái)灣省的一些公司在引進(jìn)消化美國(guó)技術(shù)的基礎(chǔ)上,以低價(jià)位的兼容產(chǎn)品搶占中國(guó)市場(chǎng)。而至今還沒(méi)有一家中國(guó)大陸的公司能在如此浩大的單片機(jī)市場(chǎng)上占有一席之地,這不能不說(shuō)是我國(guó)電子工業(yè)的悲哀。另一方面如此琳瑯滿(mǎn)目、讓人眼花繚亂的單片機(jī)品種,著實(shí)給單片機(jī)應(yīng)用的工程師提供了巨大的選擇空間。這么多種單片機(jī)能進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng),這一實(shí)事就說(shuō)明了我們的應(yīng)用工程師已經(jīng)能夠綜合各類(lèi)單片機(jī)的性能、價(jià)格等方面的因素并結(jié)合應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行選擇。較過(guò)去以剖析、。復(fù)制外國(guó)產(chǎn)品為主的思路有了相當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增長(zhǎng),開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的思路上過(guò)去那種過(guò)多注重價(jià)格因素而使新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上不了檔次的弱點(diǎn)有所改善,開(kāi)始注意使用當(dāng)前最先進(jìn)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)高檔次