1.1.4 單片機的發展趨勢

縱觀30多年的發展過程，單片嵌入式系統的核心——單片機，正朝著多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價格、擴大存儲容量和加強I/O功能等方向發展。其進一步的發展趨勢是多方面的。

（1）全盤互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）化。CMOS電路具有許多優點，如極寬的工作電壓范圍、極佳的低功耗及功耗管理特性等。CMOS化已成為目前單片機及其外圍器件流行的趨勢。

（2）采用精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）體系結構。早期的單片機大多采用CISC體系結構，指令復雜，指令代碼、周期數不統一，指令運行很難實現流水線操作，大大阻礙了運行速度的提高。如MCS-51系列單片機，當外部時鐘頻率為12MHz時，其單周期指令運行速度僅為1MIPS。采用RISC體系結構和精簡指令后，單片機的指令絕大部分成為單周期指令，而通過增加程序存儲器的指令寬度（如從8位增加到16位），實現了一個地址單元存放一條指令。在這種體系結構中，很容易實現并行流水線操作，可大大提高指令運行速度。目前，一些RISC體系結構的單片機，如美國愛特梅爾半導體（Atmel）公司的AVR系列單片機已實現了在一個時鐘周期執行一條指令。與MCS-51相比，在相同的12MHz外部時鐘頻率下，單周期指令運行速度可達12MIPS，一方面可獲得很高的指令運行速度；另一方面，在相同的運行速度下，可大大降低時鐘頻率，有利于獲得良好的電磁兼容效果。

（3）多功能集成化。單片機在內部已集成了越來越多的部件，如定時器/計數器、模擬比較器、模數轉換器、模數轉換器、串行通信接口、WDT、LCD控制器等。還有的單片機為了構成控制網絡或形成局部網，內部含有局部網絡控制模塊CAN總線。為了能在變頻控制中方便地使用單片機，需形成最具經濟效益的嵌入式控制系統。有的單片機內部設置了專門用于變頻控制的脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）控制電路。

（4）片內存儲器的改進與發展。目前新型的單片機一般在片內集成兩種類型的存儲器：靜態隨機存儲器（Static Random Access Memory，SRAM），作為臨時數據存儲器存放工作數據；只讀存儲器ROM，作為程序存儲器存放系統控制程序和固定不變的數據。片內存儲器的改進與發展的方向是擴大容量、加強ROM數據的易寫和保密等特性。一般新型的單片機在片內集成的SRAM的容量在128B～1KB，ROM的容量一般為4KB～8KB。為了適應網絡、音視頻等高端產品的需要，單片機在片內集成了更大容量的RAM和ROM，如Atmel公司的ATmega16，片內的SRAM為1KB，FlashROM為16KB。而該系列的高端產品ATmega256片內集成了8KB的SRAM，256KB的FlashROM和4KB的EEPROM。

● 片內程序存儲器由EPROM型向FlashROM型發展。早期的單片機在片內往往沒有程序存儲器或片內集成EPROM型的程序存儲器。將程序存儲器集成在單片機內可以大大提高單片機的抗干擾性能、提高程序的保密性、減少硬件設計的復雜性等，因此片內程序存儲器已成為新型單片機的標準方式。但由于EPROM需要使用12V電壓編程寫入，具有紫外線擦除、重寫入次數有限等特點，給使用帶來了不便。新型的單片機則采用FlashROM、MaskROM、OTPROM作為片內的程序存儲器。FlashROM在常用電壓（如5V/3V）下就可以實現編程寫入和擦除操作，重寫次數在10 000次以上，并可實現在線系統可編程（In System Programmable，ISP）技術的優點，為使用帶來極大的方便。采用MaskROM的微控制器稱為掩模芯片，它是在芯片制造過程中就將程序“寫入”了，并且永遠不能改寫。采用OTPROM的微控制器，其芯片出廠時片內的程序存儲器是“空的”，它允許用戶將自己編寫好的程序一次性地編程寫入，之后便再也無法修改了。后兩種類型的單片機適合大批量產品生產，而前兩種類型的微控制器適合產品的設計開發、批量生產以及學習培訓的應用。

● 程序保密化。一個單片嵌入式系統的系統程序是系統的最重要的部分，是知識產權保護的核心。為了防止片內的程序被非法讀出并復制，新型的單片機往往對片內的程序存儲器采用加鎖保密措施。系統程序編程寫入片內的程序存儲器后，可以再對加密保護單元編程，給芯片加鎖。加鎖加密后，從芯片的外部無法讀取片內的系統程序代碼，若將加密單元擦除，則片內的程序同時被擦除，這樣便達到了程序保密的目的。

（5）ISP、IAP及基于ISP、IAP技術的開發和應用。微控制器在片內集成EEPROM、FlashROM的發展，導致了ISP技術在單片機中的應用。首先實現了系統程序的串行編程寫入（下載），使得我們不必將焊接在印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）上的芯片取下，就可直接將程序下載到單片機的程序存儲器，淘汰了專用的程序下載寫入設備。其次，基于ISP技術的實現，模擬仿真開發技術重新興起。在單時鐘、單指令運行的RISC結構的單片機中，可實現PC通過串行電纜對目標系統進行在線仿真調試。在ISP技術應用的基礎上，又發展了在線程序可編程（In Application Programmable，IAP）技術，也稱在線應用可編程技術。利用IAP技術，可實現用戶隨時根據需要在線對原有的系統方便地更新軟件、修改軟件，還能實現對系統軟件的遠程診斷、遠程調試和遠程更新。

（6）實現全面功耗管理。采用CMOS工藝后，單片機具有極佳的低功耗和功耗管理功能。它包括以下幾個方面。

● 傳統的CMOS單片機的低功耗運行方式，即閑置方式（Idle Mode）、掉電方式（Power Down Mode）。

● 雙時鐘技術。配置有高速（主）和低速（子）兩個時鐘系統。在不需要高速運行時，則轉入低速時鐘系統的控制下，以節省功耗。

● 片內外圍電路的電源管理。對集成在片內的外圍接口電路實行供電管理，當該外圍電路不運行時，關閉其供電。

● 低電壓節能技術。CMOS電路的功耗與電源電壓有關，降低系統的供電電壓，能大幅度降低器件的功耗。新型的單片機往往具有寬電壓（3V～5V）或低電壓（3V）運行的特點。低電壓、低功耗是手持便攜式系統重要的追求目標，也是綠色電子的發展方向。

（7）以串行總線方式為主的外圍擴展。目前，單片機與外圍器件接口技術發展的一個重要方向是由并行外圍總線接口向串行外圍總線接口的發展。采用串行總線方式為主的外圍擴展技術具有方便、靈活、電路系統簡單、占用I/O資源少等特點。雖然采用串行接口比采用并行接口數據傳輸速度慢，但隨著半導體集成電路技術的發展，大批采用標準串行總線通信協議（如SPI、I2C、1-Wire等）的外圍芯片器件的出現，串行傳輸速度不斷提高（可達到1Mbit/s～10Mbit/s的速率），可片內集成程序存儲器而不必外部并行擴展程序存儲器，加上單片嵌入式系統有限速的要求，使得以串行總線方式為主的外圍擴展方式能夠滿足大多數系統的需求，從而成為流行的擴展方式，而采用并行接口的擴展技術成為輔助方式。

（8）單片機向單片系統的發展。單片系統（System on a Chip，SoC）是一種高度集成化、固件化的芯片級集成技術，其核心思想是把除了無法集成的某些外部電路和機械部分之外的所有電子系統等電路全部集成在一片芯片?，F在，一些新型的單片機（如AVR系列單片機）已經具有SoC的雛形，在一片芯片集成了各種類型和更大容量的存儲器、更多性能更加完善和強大的功能電路接口，這使得原來需要幾片甚至十幾片芯片組成的系統，現在只用一片芯片就可以實現。其優點是不僅減小了系統的體積和降低了成本，而且大大提高了系統硬件的可靠性和穩定性。