第1章 单片机嵌入式系统概述
1.1嵌入式系统简介
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等4个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。图1-1所示为典型嵌入式系统框图。
图1-1 典型嵌入式系统框图
1.1.1 嵌入式计算机
嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了5～10个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、调制解调器、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
1.1.2 单片机嵌入式系统
嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器/微处理器、存储器、外设器件、I/O端口和图形控制器等。软件部分包括操作系统（OS）软件（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运行和行为，而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。
嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下4个特点：
1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务，并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。
2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。
3）可扩展的处理器结构，能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。
4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级。
由此可知，单片机与嵌入式系统是紧密相连、密不可分的。单片机系统与嵌入式系统相比具有开发周期短、成本低、使用灵活等特点，在中小系统设计中具有较强的优势。
1.1.3 单片机的发展历史
单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。①SCM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的道路上，Intel公司功不可没。②MCU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、电子技术厂商。从这一角度来看，Intel公司逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂商当数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，当回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel公司和Philips公司的历史功绩。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（System on a Chip，系统级芯片）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。
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。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（1976—1978）：单片机的探索阶段。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，“单片机”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。它在外部总线完善、外围功能单元的集中管理、位地址空间及位操作方式、丰富和完善指令系统等几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。
3）第三阶段（1982—1990）：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A/D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系列的广泛应用，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，增强了外围电路功能，强化了智能控制的特征。
4）第四阶段（1990—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。
1.1.4 单片机的发展趋势
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向的发展，也就是进一步向着CMOS（Comple-mentary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属物氧化物半导体）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。单片机的主要发展趋势为：
1）CMOS化：近年来，由于CHMOS（互补金属氧化物HMOS）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。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（高性能金属氧化物半导体）和CHMOS工艺。CHMOS工艺、CMOS工艺和HMOS工艺的结合，具有低功耗的特点。目前，生产的CHMOS电路已达到LSTTL（Low-power Schottky TTL，低功耗肖特基TTL）的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已优于TTL（Transistor-Transistor-Logic，晶体管-晶体管逻辑电路）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：单片机的功耗已降到mA级甚至1μA以下，使用电压在3～6V之间，完全适应电池工作。低功耗还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。目前采用0.8V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，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，各单片机厂商在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。
5）大容量化：以往单片机内的ROM（Read Only Memory，只读存储器）为1～4KB，RAM为64～128B。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，必须运用新的工艺，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2KB。
6）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。采用精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，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（Million Instruction Per Second，即每秒百万条指令），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。
7）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。
8）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外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A/D转换器、DMA（直接内存存取）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。
9）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（One Time Programable，一次性可编程）及各种类型片内程序存储器的发展，加之外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。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。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的形式转让给全世界许多著名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、发展出上百个品种的大家族，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。
我国开始使用单片机是在1982年，短短5年时间里发展极为迅速。1986年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，有的地区还成立了单片微型计算机应用协会，那是全国形成的第一次高潮。目前，单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一个“单片机”进行搜索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的。与它相应的专业杂志现在也有很多，比如由单片机界的资深专家何立民主编的《单片机与嵌入式系统应用》杂志现已风靡电子界，91student.com（中国研究生人才网）曾在北京、上海、广州等大城市所做的一次专业人才需求报告中显示，单片机人才的需求量位居第一。