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嵌入式單片機
閱讀�4167時間�2017-09-15 09:33:18

    嵌入式單片機,即嵌入式微控制器,指以微控制器為核心控制單元的嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng),是應用十分廣泛的一種嵌入式系統(tǒng)�(jié)�(gòu)�

基本概念

    無論是嵌入式系統(tǒng)還是單片機都是長時間以來科技領域大家關注的焦�,也是推動科技�(fā)�、提高生活水平的科技�(chǎn)�。嵌入式單片機即指以微控制器為核心的嵌入式系�(tǒng)�
    嵌入式系�(tǒng)
    嵌入式系�(tǒng),廣義上指任何一個包括可編程計算機的設備,且為專用系�(tǒng)。這是相對通用計算機(如個人電腦)來說的�
    國際電氣和電子工程師�(xié)會(IEEE)定�,嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設�、機器和車間運行的裝置”(英文原文:devices used to control, monitor, or assist the operation equipment, machinery or plants��
    普遍認可的一種定義是:以應用為中�,以計算機技術為基礎,軟硬件可裁�,適應應用系�(tǒng)對功�、可靠�、成�、體積和功耗的嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)�
    簡單來說,嵌入式系統(tǒng)就是以各種形�(tài)嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)�
    單片�
    單片�,即微控制器(Microcontroller�,是將微型計算機的主要部分集成在一個芯片上的單芯片微型計算機�
    嵌入式單片機
    嵌入式單片機本質(zhì)上是單片�,即用于嵌入式系�(tǒng)的單片機�

�(fā)展歷�

    �(xiàn)代計算機�(fā)展史
    1.始于微型機時代的嵌入式應�
    電子�(shù)字計算機誕生�1946�,在其后漫長的歷史進程�,計算機始終是供�(yǎng)在特殊的機房�,實�(xiàn)�(shù)值計算的大型昂貴設備。直�20世紀70年代,微處理器的出現(xiàn),計算機才出�(xiàn)了歷史性的變化。以微處理器為核心的微型計算機以其小型、價�、高可靠性特點,迅速走出機�;基于高速數(shù)值解算能力的微型�,表�(xiàn)出的智能化水平引起了控制人士的興�,要求將微型機嵌入到一個對象體系中,實�(xiàn)對象體系的智能化控制。例�,將微型計算機經(jīng)電氣加固、機械加固,并配置各種外圍接口電�,安裝到大型艦船中構(gòu)成自動駕駛儀或輪機狀�(tài)�(jiān)測系�(tǒng)。這樣一來,計算機便失去了原來的形態(tài)與通用的計算機功能。為了區(qū)別于原有的通用計算機系�(tǒng),把嵌入到對象體系中,實�(xiàn)對象體系智能化控制的計算機,稱作嵌入式計算機系統(tǒng)。因�,嵌入式系統(tǒng)誕生于微型機時代,嵌入式系統(tǒng)的嵌入性本�(zhì)是將一個計算機嵌入到一個對象體系中去,這些是理解嵌入式系統(tǒng)的基本出�(fā)��
    2.�(xiàn)代計算機技術的兩大分支
    由于嵌入式計算機系統(tǒng)要嵌入到對象體系�,實�(xiàn)的是對象的智能化控制,因�,它有著與通用計算機系�(tǒng)完全不同的技術要求與技術發(fā)展方�。通用計算機系�(tǒng)的技術要求是高�、海量的�(shù)值計�;技術發(fā)展方向是總線速度的無限提�,存儲容量的無限擴大。而嵌入式計算機系�(tǒng)的技術要求則是對象的智能化控制能�;技術發(fā)展方向是與對象系�(tǒng)密切相關的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性�
    早期,人們勉為其難地將通用計算機系�(tǒng)進行改裝,在大型設備中實�(xiàn)嵌入式應用。然�,對于眾多的對象系統(tǒng)(如家用電器、儀器儀表、工控單元……),無法嵌入通用計算機系�(tǒng),況且嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系�(tǒng)的技術發(fā)展方向完全不同,因此,必須獨立地�(fā)展通用計算機系�(tǒng)與嵌入式計算機系�(tǒng),這就形成了現(xiàn)代計算機技術發(fā)展的兩大分支�
    如果說微型機的出�(xiàn),使計算機進入到現(xiàn)代計算機�(fā)展階�,那么嵌入式計算機系�(tǒng)的誕�,則標志了計算機進入了通用計算機系�(tǒng)與嵌入式計算機系�(tǒng)兩大分支并行�(fā)展時代,從而導�20世紀�,計算機的高速發(fā)展時��
    3.兩大分支�(fā)展的里程碑事�
    通用計算機系�(tǒng)與嵌入式計算機系�(tǒng)的化分工�(fā)�,導�20世紀��21世紀�,計算機技術的飛速發(fā)�。計算機領域集中精力�(fā)展通用計算機系�(tǒng)的軟、硬件技�,不必兼顧嵌入式應用要求,通用微處理器迅速從286�386�486到奔騰系�;操作系�(tǒng)則迅速擴張計算機基于高速海量的�(shù)�(jù)文件處理能力,使通用計算機系�(tǒng)進入到盡善盡美階��
    嵌入式計算機系統(tǒng)則走上了一條完全不同的道路,這條獨立�(fā)展的道路就是單芯片化道路。它動員了原有的傳統(tǒng)電子系統(tǒng)領域的廠家與人士,接過起源于計算機領域的嵌入式系�(tǒng),承擔起�(fā)展與普及嵌入式系�(tǒng)的歷史任�,迅速地將傳�(tǒng)的電子系�(tǒng)�(fā)展到智能化的�(xiàn)代電子系�(tǒng)時代�
    因此,現(xiàn)代計算機技術發(fā)展的兩大分支的里程碑意義在于:它不僅形成了計算機�(fā)展的化分工,而且將發(fā)展計算機技術的任務擴展到傳�(tǒng)的電子系�(tǒng)領域,使計算機成為進入人類社會全面智能化時代的有力工具�
    嵌入式系�(tǒng)獨立�(fā)展史
    1.單片機開�(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨立�(fā)展道�
    嵌入式系�(tǒng)雖然起源于微型計算機時代,然�,微型計算機的體�、價位、可靠性都無法滿足廣大對象系統(tǒng)的嵌入式應用要求,因此,嵌入式系�(tǒng)必須走獨立發(fā)展道�。這條道路就是芯片化道�。將計算機做在一個芯片上,從而開�(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨立�(fā)展的單片機時代�
    在探索單片機的發(fā)展道路時,有過兩種模式,即“Σ模式”與“創(chuàng)新模式�。“Σ模式”本�(zhì)上是通用計算機直接芯片化的模�,它將通用計算機系�(tǒng)中的基本單元進行裁剪�,集成在一個芯片上,構(gòu)成單片微型計算機;“創(chuàng)新模式”則完全按嵌入式應用要求設計全新�,滿足嵌入式應用要求的體系結(jié)�(gòu)、微處理�、指令系�(tǒng)、總線方�、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照�(chuàng)新模式發(fā)展起來的單片形態(tài)的嵌入式系統(tǒng)(單片微型計算機�。MCS-51是在MCS-48探索基礎�,進行全面完善的嵌入式系統(tǒng)。歷史證�,“創(chuàng)新模式”是嵌入式系�(tǒng)獨立�(fā)展的正確道路,MCS-51的體系結(jié)�(gòu)也因此成為單片嵌入式系統(tǒng)的典型結(jié)�(gòu)體系�
    2.單片機的技術發(fā)展史
    單片機誕生于20世紀70年代�,經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段�
    1.SCM即單片微型計算機(Single Chip Microcomputer)階�,主要是尋求的單片形�(tài)嵌入式系�(tǒng)的體系結(jié)�(gòu)。“創(chuàng)新模式”獲得成�,奠定了SCM與通用計算機完全不同的�(fā)展道�。在開創(chuàng)嵌入式系�(tǒng)獨立�(fā)展道路上,Intel公司功不可沒�
    2.MCU即微控制器(Micro Controller Unit)階�,主要的技術發(fā)展方向是:不斷擴�?jié)M足嵌入式應用�,對象系�(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路,突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領域都與對象系�(tǒng)相關,因此,�(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術廠�。從這一角度來看,Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在�(fā)展MCU方面,最的廠家當�(shù)Philips公司�
    Philips公司以其在嵌入式應用方面的巨大優(yōu)�,將MCS-51從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此,當我們回顧嵌入式系統(tǒng)�(fā)展道路時,不要忘記Intel和Philips的歷史功��
    3.單片機是嵌入式系�(tǒng)的獨立發(fā)展之路,向MCU階段�(fā)展的重要因素,就是尋求應用系�(tǒng)在芯片上的化解決;因�,專用單片機的發(fā)展自然形成了SoC化趨�。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發(fā)�,基于SoC的單片機應用系統(tǒng)設計會有較大的發(fā)展。因�,對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應用系統(tǒng)�

特點和組�

    嵌入式單片機本質(zhì)上是單片�,目的是�(gòu)成嵌入式系統(tǒng),所以其組成和特點遵循單片機和嵌入式系統(tǒng)的組成和特點�
    單片機的特點
    單片機就是微控制器,其特點主要有�
    ①以控制為主要目��
    ②集成度高,體積�,可靠性高�
    ③工作電壓低,功耗低,待機時間長�
    ④擴展度高,組成靈活�
    ⑤成本低,性價比高�
    單片機的架構(gòu)
    單片機的組成架構(gòu)靈活,一般主要包含:運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備等�
    體系�(jié)�(gòu)分為馮·諾依曼體系�(jié)�(gòu)和哈佛體系結(jié)�(gòu)�
    硬件�(jié)�(gòu)主要由處理器、數(shù)�(jù)儲存�、程序儲存器、定時器/計數(shù)�、串并行接口等�
    嵌入式系�(tǒng)的特�
    按照歷史�、本�(zhì)�、普遍性要求,嵌入式系�(tǒng)應定義為:“嵌入到對象體系中的專用計算機系�(tǒng)�?!扒度胄�?、“專用性”與“計算機系統(tǒng)”是嵌入式系�(tǒng)的三個基本要�。對象系�(tǒng)則是指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系�(tǒng)�
    嵌入式系�(tǒng)的特點可以由定義中的三個基本要素衍生而來�
    ①與“嵌入性”的相關特點:由于是嵌入到對象系�(tǒng)�,必須滿足對象系�(tǒng)的環(huán)境要求,如物理環(huán)境(小型�、電�/氣氛�(huán)境(可靠)、成本(價廉)等要求�
    ②與“專用性”的相關特點:軟、硬件的裁剪�;滿足對象要求的最小軟、硬件配置等�
    ③與“計算機系統(tǒng)”的相關特點:嵌入式系統(tǒng)必須是能滿足對象系統(tǒng)控制要求的計算機系統(tǒng),并且必須配置有與對象系�(tǒng)相適應的接口電路�
    也可以總�(jié)為:實時�、多速率、可剪裁、低功�、低成本、環(huán)境相關等�
    另外,在理解嵌入式系�(tǒng)定義�,不要與嵌入式設備相混淆。嵌入式設備是指�(nèi)部有嵌入式系�(tǒng)的產(chǎn)品、設�,例如,�(nèi)含單片機的家用電�、儀器儀�、工控單�、機器人、手�、PDA��
    嵌入式系�(tǒng)的分�
    嵌入式系�(tǒng)按形�(tài)可分為設備級(工控機�、板級(單板、模塊)、芯片級(MCU、SoC)�
    嵌入式系�(tǒng)按功用分可為工業(yè)�、商�(yè)�、軍用、民用等,不同的使用�(huán)境對嵌入式系�(tǒng)的要求也是不一樣的�
    嵌入式系�(tǒng)典型處理�
    ARM處理�
    ARM處理器由全球�32位RISC微處理器知識�(chǎn)權(IP)供應商ARM公司研發(fā),其主要特點為:體積�、低功�、成本低、性能高�16/32位雙指令�、市場份額大�
    MIPS處理�
    MIPS處理器由設計和制造高性能�32/64位處理器的MIPS技術公司研�(fā),其主要研發(fā)重心在嵌入式系統(tǒng)�。其主要特點是高性能、定位廣�64位指令集�
    PowerPC處理�
    PowerPC是摩托羅拉公司和IBM公司�(lián)合為蘋果公司開發(fā)的處理器芯片,其特點是可伸縮性好、靈活度高、應用廣��
    Intel Atom處理�
    由英特爾公司研發(fā),特點是低功�、體積小、處理能力強,詳見(Atom處理器)�
    嵌入式系�(tǒng)組成
    主要由硬件、軟件和相應開發(fā)工具與開�(fā)系統(tǒng)組成�
    硬件包括嵌入式核心芯�、儲存器系統(tǒng)和外部接口�
    軟件包括操作系統(tǒng)和應用軟��

應用模式

    嵌入式系�(tǒng)的嵌入式應用特點,決定了它的多學科交叉特�。作為計算機的內(nèi)�,要求計算機領域人員介入其體系結(jié)�(gòu)、軟件技�、工程應用方面的研究。然�,了解對象系�(tǒng)的控制要求,實現(xiàn)系統(tǒng)控制模式必須具備對象領域的知�。因�,從嵌入式系�(tǒng)�(fā)展的歷史過程,以及嵌入式應用的多樣性中,可以了解到客觀上形成的兩種應用模式�
    1.客觀存在的兩種應用模�
    嵌入式計算機系統(tǒng)起源于微型機時代,但很快就進入到獨立發(fā)展的單片機時�。在單片機時�,嵌入式系統(tǒng)以器件形�(tài)迅速進入到傳�(tǒng)電子技術領域中,以電子技術應用工程師為主�,實�(xiàn)傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的智能化,而計算機隊伍并沒有真正進入單片機應用領域。因�,電子技術應用工程師以自己習慣性的電子技術應用模式,從事單片機的應用開發(fā)。這種應用模式最重要的特點是:軟、硬件的底層性和隨意性;對象系統(tǒng)技術的密切相關�;缺少計算機工程設計方法�
    雖然在單片機時代,計算機淡出了嵌入式系統(tǒng)領域,但隨著后PC時代的到�,網(wǎng)�、通信技術得以發(fā)�;同�,嵌入式系統(tǒng)�、硬件技術有了很大的提升,為計算機人士介入嵌入式系統(tǒng)應用開辟了廣闊天�。計算機人士的介�,形成的計算機應用模式帶有明顯的計算機的工程應用特點,即基于嵌入式系�(tǒng)�、硬件平�,以�(wǎng)�、通信為主的非嵌入式底層應用�
    2.兩種應用模式的并存與互補
    由于嵌入式系�(tǒng)、最�、層的應用是傳統(tǒng)電子技術領域的智能化改造,因此,以通曉對象的電子技術隊伍為�,用最少的嵌入式系�(tǒng)�、硬件開�,以8位機為主,帶有濃重的電子系統(tǒng)設計色彩的電子系�(tǒng)應用模式會長期存在下��
    另外,計算機人士會愈來愈多地介入嵌入式系�(tǒng)應用,但囿于對象知識的隔�,其應用領域會集中在�(wǎng)絡、通信、多媒體、商務電子等方面,不可能替代原來電子工程師在控制、儀器儀�、機械電子等方面的嵌入式應用。因�,客觀存在的兩種應用模式會長期并存下去,在不同的領域中相互補充。電子系�(tǒng)設計模式應從計算機應用設計模式中,學習計算機工程方法和嵌入式系統(tǒng)軟件技術;計算機應用設計模式應從電子系�(tǒng)設計模式�,了解嵌入式系統(tǒng)應用的電路系�(tǒng)特�、基本的外圍電路設計方法和對象系�(tǒng)的基本要求等�
    3.嵌入式系�(tǒng)應用的高低端
    由于嵌入式系�(tǒng)有過很長的一段單片機的獨立發(fā)展道�,大多是基于8位單片機,實�(xiàn)層的嵌入式系�(tǒng)應用,帶有明顯的電子系統(tǒng)設計模式特點。大多數(shù)從事單片機應用開�(fā)人員,都是對象系�(tǒng)領域中的電子系統(tǒng)工程�,加之單片機的出�(xiàn),立即脫離了計算機領�,以“智能化”器件身份進入電子系統(tǒng)領域,沒有帶入“嵌入式系統(tǒng)”概�。因�,不少從事單片機應用的人,不了解單片機與嵌入式系�(tǒng)的關�,在談到“嵌入式系統(tǒng)”領域時,往往理解成計算機領域�,基�32位嵌入式處理�,從事網(wǎng)�、通信、多媒體等的應用。這樣,“單片機”與“嵌入式系統(tǒng)”形成了嵌入式系�(tǒng)中常見的兩個獨立的名詞。但由于“單片機”是典型�、獨立發(fā)展起來的嵌入式系�(tǒng),從學科建設的角度出�(fā),應該把它統(tǒng)一成“嵌入式系統(tǒng)�??紤]到原來單片機的電子系�(tǒng)底層應用特點,可以把嵌入式系�(tǒng)應用分成高端與低�,把原來的單片機應用理解成嵌入式系統(tǒng)的低端應用,含義為它的底層性以及與對象系統(tǒng)的緊耦合�

維庫電子�,電子知�,一查百��

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