1.4 单片微型计算机概述

单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃和颇具生命力的机种。单片微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器CPU、存储器和I/O接口电路等。单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便成为一个单片机控制系统。

1974年，美国仙童公司研制出世界上第一台单片微型计算机F8，该机由两块集成电路芯片组成，结构奇特，具有与众不同的指令系统，深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视，从此，单片机开始迅速发展，应用范围也在不断扩大，现在已经成为微型计算机的重要分支。

如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段。

（1）第一阶段（1971年-1978年）：单片机的探索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。MCS-48的推出是由于工控领域的探索，参与这一探索的公司还有Motorola、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年-1982年）：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。①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通信功能的串行通信接口。②CPU外围功能单元的集中管理模式。③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。④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年-1990年）：8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。

（4）第四阶段（1990年至今）：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位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，主要趋势将是进一步实现CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格、外围电路内装化和串行扩展技术等几个方面。下面是单片机发展趋势的详细介绍。

CMOS化：近年，由于CMOS技术的进步，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，它的综合优势已优于TTL电路。因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。

低功耗化：单片机的功耗已从mA级，降至1μA以下；使用电压为3～6V，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅功耗低，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。

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3～6V范围内工作，低电压供电的单片机电源下限已可达1～2V。目前0.8V供电的单片机已经问世。这些特点便于生产便携式产品。

低噪声与高可靠性：为提高单片机的抗电磁干扰能力，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1～4KB，RAM为64～256B。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可达64KB甚至更高，RAM最大为2KB。

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，并加强位处理功能、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。

小容量、低价格化：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：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：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（One Time Programmable）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I2 C、SPI、CAN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。

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、功能将更强。单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。

单片机具有体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点，故可以广泛应用于国民经济的各个领域，对各行各业的技术改造和产品更新换代起到了重要的推动作用。在工业控制中，单片机直接位于第一线，面大量广，是工厂自动化的关键部件之一。