单片机原理与应用
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1.7 单片机的发展趋势

现在正是单片机类型快速更新的时期,世界上各大芯片制造商都推出了各自的单片机,从4位、8位、16位到32位,应有尽有。有的与主流8051系列兼容,有的不兼容,各具特色,为单片机应用提供了广阔天地。从单片机的发展过程可以预见单片机的发展趋势,大致如下:

1.改进CPU结构

(1)采用双CPU或多CPU结构,提高微处理器的处理能力。

(2)扩展数据总线宽度,内部采用16位数据总线,其数据处理能力明显优于8位数据总线的单片机。

(3)开发串行接口总线结构,用I2C、SPI串行总线代替并行数据总线,大大简化了单片机外部接口的电路连接。

2.低电压、低功耗、CMOS化

MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW,而现在的单片机功耗普遍都在100mW以下。随着对单片机低功耗要求越来越迫切,各制造商基本上都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。例如,80C51采用了HMOS(高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低,但由于其物理特征决定了其工作速度不够快。而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征更适合应用在低功耗要求的场合。例如,采用CHMOS工艺的80C31/80C51在正常运行时(5V/12MHz),工作电流为16mA,在空闲模式下工作电流为3.7mA,在掉电模式下工作电流为50nA,所以这种工艺将是今后一段时期内单片机发展的主要工艺。

几乎所有的单片机都有空闲、掉电等省电运行方式,允许使用的电源电压范围也越来越宽,一般都能够在3~6V范围内工作,用电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。低压供电的单片机电源下限由2.7V降至2.2~1.8V,0.9V供电的单片机也已经问世。

3.改善存储器性能

(1)存储容量扩大化。新型的单片机片内程序存储器容量一般为4~8KB,有的可达128KB。片内数据存储器容量为256B,有的可达1KB以上。

(2)编程在线化。片内程序存储器从原先的EPROM、E2PROM发展到采用Flash或ISP Flash存储器,使单片机编程既有读/写操作简便的静态RAM的优点,又有在线编程的优点,极大地简化了应用系统的结构。

(3)单片机编程保密化。一般写入EPROM中的程序很容易被复制。为了保证程序的保密性,对写入单片机片内E2PROM、Flash或ISP Flash存储器中的程序进行了加锁和加密。加锁后将无法读取单片机内的程序,达到了片内程序保密的目的。

4.改进I/O接口性能

单片机都有较多并行接口,用于满足外围设备或芯片的扩展需要,并配置了串行接口,以满足多机通信的要求。目前单片机并行接口的性能改进如下:

(1)并行I/O接口的驱动能力增强。目前的I/O接口可直接输出大电流(15~25mA),I/O口驱动能力的增强可减少外部驱动芯片,能够直接驱动LED和VFD(荧光显示器)。

(2)并行I/O接口的逻辑控制功能增强。大部分单片机I/O接口都能够进行逻辑操作,中、高档单片机的位处理系统能够对I/O接口进行位寻址及位操作,提高了I/O接口线的控制能力。

(3)增加了特殊串行接口功能,为构建分布式和网络化的系统提供了方便。

5.外围电路内装化

现在常规的单片机普遍都是将微处理器(CPU)、随机数据存储器(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口、中断系统、定时电路和时钟电路集成在一块单一的芯片上。增强型单片机集成了A/D转换器、PWM脉宽调制电路、WDT看门狗等器件。有些单片机将LCD液晶驱动电路也集成在芯片上,单片机包含的单元电路越多,功能就越强大。单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出具有用户特色的单片机芯片。

此外,现在的产品普遍要求体积小、质量轻,这就要求单片机除了功能强和功耗低外,还要追求小体积。现在的很多单片机都具有多种封装形式,其中SMD表面封装形式越来越受欢迎,这使得由单片机构成的系统朝微型化方向发展。

6.片内ROM固化软件

将一些应用软件和系统软件固化于片内ROM中,简化了用户应用程序的编制工作,提供了在线下载与仿真功能,省去了价格不菲的编程器和仿真器,为用户开发和应用提供了方便。

7.主流与多品种共存

现在虽然单片机的种类繁多,各具特色,但以80C51为内核的单片机,占据了单片机应用领域的主要地位。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头,HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增,以其低价、质优的优势,占据了部分市场份额。此外还有Motorola公司的产品,日本几大公司的专用单片机等。在一定时期内,这种情形将得以延续,不会存在某个单片机一统天下的垄断局面,依然走的是依存互补、相辅相成、共同发展的道路。

综观单片机的发展,可以看到,今后单片机将朝着多功能、高性能、高速度、低功耗、低电压、低价格、单片化、大容量、编程在线化等方向发展;并进一步向着多品种、小体积、少引脚和外围电路内装化等方面发展;那些针对单一用途的专用单片机也将越来越普遍。可以预见,今后的单片机将会功能更强、集成度更高、可靠性更好、功耗更低、使用更方便。单片机嵌入式系统的开发正朝着“无所不能、无所不在”的方向迅速发展。