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日 期 2002-8-9
作 者 广东工业大学计算机系 余永权
关键词 单片机 进展
摘 要 计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展；这三个方向就是：巨型化，单片化，网络化。以解决复杂系统计算和高速数据处理的仍然是巨型机在起作用，故而，巨型机在目前在朝高速及处理能力的方向努力。单片机在出现时，Intel公司就给其单片机取名为嵌入式微控制器(embeddedmicrocontroller)。单片机的最明显的优势，就是可以嵌入到各种仪器、设备中。这一点是巨型机和网络不可能做到的。
在本文，介绍单片机的最新技术进步，包括数字单片机的工艺及技术，模糊单片机的工艺及技术，单片机的可靠性技术，以及以单片机为核心的嵌入式系统。
内 容 计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展；这三个方向就是：巨型化，单片化，网络化。以解决复杂系统计算和高速数据处理的仍然是巨型机在起作用，故而，巨型机在目前在朝高速及处理能力的方向努力。单片机在出现时，Intel公司就给其单片机取名为嵌入式微控制器(embeddedmicrocontroller)。单片机的最明显的优势，就是可以嵌入到各种仪器、设备中。这一点是巨型机和网络不可能做到的。
在本文，介绍单片机的最新技术进步，包括数字单片机的工艺及技术，模糊单片机的工艺及技术，单片机的可靠性技术，以及以单片机为核心的嵌入式系统。
数字单片机的技术发展
数字单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高。下面分别就这四个方面说明单片机的技术进步状况。
1、内部结构的进步
单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，例如：定时器，比较器，A/D转换器，D/A转换器，串行通信接口，Watchdog电路，LCD控制器等。
有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块CAN。例如，Infineon公司的C505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90；Motorola公司的68HC08AZ系列等。特别是在单片机C167CS-32FM中，内部还含有2个CAN。因此，这类单片机十分容易构成网络。特别是在控制，系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。
为了能在变频控制中方便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统。有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路，这些单片机有Fujitsu公司的MB89850系列、MB89860系列；Motorola公司的MC68HC08MR16、MR24等。在这些单片机中，脉宽调制电路有6个通道输出，可产生三相脉宽调制交流电压，并内部含死区控制等功能。
特别引人注目的是：现在有的单片机已采用所谓的三核(TnCore)结构。这是一种建立在系统级芯片(Systemonachip)概念上的结构。这种单片机由三个核组成：一个是微控制器和DSP核，一个是数据和程序存储器核，最后一个是外围专用集成电路(ASIC)。这种单片机的最大特点在于把DSP和微控制器同时做在一个片上。虽然从结构定义上讲，DSP是单片机的一种类型，但其作用主要反映在高速计算和特殊处理如快速傅立叶变换等上面。把它和传统单片机结合集成大大提高了单片机的功能。这是目前单片机最大的进步之一。这种单片机最典型的有Infineon公司的TC10GP；Hitachi公司的SH7410，SH7612等。这些单片机都是高档单片机，MCU都是32位的，而DSP采用16或32位结构，工作频率一般在60MHz以上。
2、功耗、封装及电源电压的进步
现在新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等工作方式。Philips公司的单片机P87LPC762是一个很典型的例子，在空闲时，其功耗为1.5mA，而在节电方式中，其功耗只有0.5mA。而在功耗上最令人惊叹的是TI公司的单片机MSP430系列，它是一个16位的系列，有超低功耗工作方式。它的低功耗方式有LPM1、LPM3、LPM4三种。当电源为3V时，如果工作于LMP1方式，即使外围电路处于活动，由于CPU不活动，振荡器处于1～4MHz，这时功耗只有50μA。在LPM3时，振荡器处于32kHz，这时功耗只有1.3μA。在LPM4时，CPU、外围及振荡器32kHz都不活动，则功耗只有0.1μA。
现在单片机的封装水平已大大提高，随着贴片工艺的出现，单片机也大量采用了各种合符贴片工艺的封装方式出现，以大量减少体积。在这种形势中，Microchip公司推出的8引脚的单片机特别引人注目。这是PIC12CXXX系列。它含有0.5～2K程序存储器，25～128字节数据存储器，6个I/O端口以及一个定时器，有的还含4道A/D，完全可以满足一些低档系统的应用。扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是今天单片机发展的目标之一。目前，一般单片机都可以在3.3～5.5V的条件下工作。而一些厂家，则生产出可以在2.2～6V的条件下工作的单片机。这些单片机有Fujitsu公司的MB89191-89195，MB89121-125A，MB89130系列等，应该说该公司的F2MC-8L系列单片机绝大多数都满足2.2-6V的工作电压条件。而TI公司的MSP430X11X系列的工作电压也是低达2.2V的。
3、工艺上的进步
现在的单片机基本上采用CMOS技术，但已经大多数采用了0.6μm以上的光刻工艺，有个别的公司，如Motorola公司则已采用0.35μm甚至是0.25μm技术。这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性。
以单片机为核心的嵌入式系统
单片机的另外一个名称就是嵌入式微控制器，原因在于它可以嵌入到任何微型或小型仪器或设备中。目前，把单片机嵌入式系统和Internet连接已是一种趋势。但是，Internet一向是一种采用肥服务器，瘦用户机的技术。这种技术在互联上存储及访问大量数据是合适的，但对于控制嵌入式器件就成了“杀鸡用牛刀”了。要实现嵌入式设备和Internet连接，就需要把传统的Internet理论和嵌入式设备的实践都颠倒过来。为了使复杂的或简单的嵌入式设备，例如单片机控制的机床、单片机控制的门锁，能切实可行地和Internet连接，就要求专门为嵌入式微控制器设备设计网络服务器，使嵌入式设备可以和Internet相连，并通过标准网络浏览器进行过程控制。
目前，为了把单片机为核心的嵌入式系统和Internet相连，已有多家公司在进行这方面的较多研究。这方面较为典型的有emWare公司和TASKING公司。
EmWare公司提出嵌入式系统入网的方案——EMIT技术。这个技术包括三个主要部分：即emMicro，emGateway和网络浏览器。其中，emMicro是嵌入设备中的一个只占内存容量1K字节的极小的网络服务器；emGateway作为一个功能较强的用户或服务器，它用于实现对多个嵌入式设备的管理，还有标准的Internet通信接入以及网络浏览器的支持。网络浏览器使用emObjicts进行显示和嵌入式设备之间的数据传输。
如果嵌入式设备的资源足够，则emMicro和emGateway可以同时装入嵌入式设备中，实现Internet的直接接入。否则，将要求emGateway和网络浏览器相互配合。
EmWare的EMIT软件技术使用标准的Internet协议对8位和16位嵌入式设备进行管理，但比传统上的开销小得多。
目前，单片机应用中提出了一个新的问题：这就是如何使8位、16位单片机控制的产品，也即嵌入式产品或设备能实现和互联网互连？
TASKING公司目前正在为解决这个问题提供了途径。该公司已把emWare的EMIT软件包和有关的软件配套集成，形成一个集成开发环境，向用户提供开发方便。嵌入互联网联盟ETI(embedtheInternetConsortium)正在紧密合作，共同开发嵌入式Internet的解决方案。在不久将会有成果公布。
单片机应用的可靠性技术发展
在单片机应用中，可靠性是首要因素为了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。近年来，单片机的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术，这些新技术表现在如下几点：
1、EFT(EllectricalFastTransient)技术
EFT技术是一种抗干扰技术，它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时，其波形上会迭加各种毛刺信号，如果使用施密特电路对其整形，则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟，在交替使用施密特电路和RC滤波电路时，就可以消除这些毛否则令其作用失效，从而保证系统的时钟信号正常工作。这样，就提高了单片机工作的可靠性。Motorola公司的MC68HC08系列单片机就采用了这种技术。
2、低噪声布线技术及驱动技术
在传统的单片机中，电源及地线是在集成电路外壳的对称引脚上，一般是在左上、右下或右上、左下的两对对称点上。这样，就使电源噪声穿过整块芯片，对单片机的内部电路造成干扰。现在，很多单片机都把地和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。这样，不仅降低了穿过整个芯片的电流，另外还在印制电路板上容易布置去耦电容，从而降低系统的噪声。现在为了适应各种应用的需要，很多单片机的输出能力都有了很大提高，Motorola公司的单片机I/O口的灌拉电流可达8mA以上，而Microchip公司的单片机可达25mA。其它公司：AMD，Fujitsu，NEC，Infineon，Hitachi，Ateml，Tosbiba等基本上可达8～20mA的水平。这些电流较大的驱动电路集成到芯片内部在工作时带来了各种噪声，为了减少这种影响，现在单片机采用多个小管子并联等效一个大管子的方法，并在每个小管子的输出端串上不同等效阻值的电阻，以降低di/dt，这也就是所谓“跳变沿软化技术”，从而消除大电流瞬变时产生的噪声。
3、采用低频时钟
高频外时钟是噪声源之一，不仅能对单片机应用系统产生干扰，还会对外界电路产生干扰，令电磁兼容性不能满足要求。对于要求可靠性较高的系统，低频外时钟有利于降低系统的噪声。在一些单片机中采用内部琐相环技术，则在外部时钟较低时，也能产生较高的内部总线速度，从而保证了速度又降低了噪声。Motorola公司的MC68HC08系列及其16/32位单片机就采用了这种技术以提高可靠性
结束语
单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势：
* 可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走向。
* 所集成的部件越来越多；NS(美国国家半导体)公司的单片机已把语音、图象部件也集成到单片机中，也就是说，单片机的意义只是在于单片集成电路，而不在于其功能了；如果从功能上讲它可以讲是万用机。原因是其内部已集成上各种应用电路。
* 功耗越来越低。
* 和模拟电路结合越来越多。
随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化和进步，最终人们可能发现：单片机与微机系统之间的距离越来越小，甚至难以辨认。 |