1.5 基于單片機的嵌入式系統

1.5.1 單片機開創了嵌入式系統獨立發展道路

嵌入式系統雖然起源于微型計算機時代，然而，微型計算機的體積、價位、可靠性都無法滿足廣大對象系統的嵌入式應用要求，因此，嵌入式系統必須走獨立發展道路。這條道路就是芯片化道路。將計算機做在一個芯片上，從而開創了嵌入式系統獨立發展的單片機時代。

在探索單片機的發展道路時，有過兩種模式，即“Σ模式”與“創新模式”。“Σ模式”本質上是通用計算機直接芯片化的模式，它將通用計算機系統中的基本單元進行裁剪后，集成在一個芯片上，構成單片微型計算機；“創新模式”則完全按嵌入式應用要求設計全新的、滿足嵌入式應用要求的體系結構、微處理器、指令系統、總線方式、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照創新模式發展起來的單片形態的嵌入式處理器（單片微型計算機）。MCS-51是在MCS-48探索基礎上，進一步完善了的單片機處理器。歷史證明，“創新模式”是嵌入式系統獨立發展的正確道路，MCS-51的體系結構也因此成為單片機嵌入式系統的典型結構體系。

1.5.2 單片機的技術發展史

單片機作為微型計算機的一個重要分支，應用面很廣，發展很快。自單片機誕生至今，已發展為上百種系列的近千個機種。如果將8位單片機的推出作為起點，那么單片機的發展歷史大致可分為以下幾個階段。

（1）第一階段（1976—1978年）：單片機的探索階段。以Intel公司的MCS-48為代表。MCS-48的推出是在工控領域的探索，參與這一探索的公司還有Motorola、Zilog等，都取得了滿意的效果。這就是SCM的誕生年代，“單片機”一詞即由此而來。

（2）第二階段（1978—1982年）：單片機的完善階段。Intel公司在MCS-48的基礎上推出了完善的、典型的單片機系列MCS-51。它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片機體系結構：

① 完善的外部總線。MCS-51設置了經典的8位單片機的總線結構，包括8位數據總線、16位地址總線、控制總線及具有多機通信功能的串行通信接口。

② CPU外圍功能單元的集中管理模式。

③ 體現工控特性的位地址空間及位操作方式。

④ 指令系統趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。

（3）第三階段（1982—1990年）：8位單片機的鞏固發展及16位單片機的推出階段，也是單片機向微控制器發展的階段。Intel公司推出的MCS-96系列單片機，TI公司的MSP430 Flash系列單片機，將一些用于測控系統的A/D轉換器、D/A轉換器、程序運行監視器、脈寬調制器等納入片中，體現了單片機的微控制器特征。隨著MCS-51系列的廣泛應用，許多電氣廠商競相使用80C51（兼容MCS-51）為內核，將許多測控系統中使用的電路技術、接口技術、多通道A/D轉換部件、可靠性技術等應用到單片機中，增強了外圍電路的功能，強化了智能控制的特征。

（4）第四階段（1990年至今）：微控制器的全面發展階段。隨著單片機在各個領域全面深入的發展和應用，出現了高速、大尋址范圍、強運算能力的8位/16位/32位通用型單片機，以及小型廉價的專用型單片機。

1.5.3 嵌入式系統應用的高低端

由于嵌入式系統走過很長的一段單片機的獨立發展道路，大多是基于8位單片機的，實現最底層的嵌入式系統應用，帶有明顯的電子系統設計模式特點。因此，不少從事單片機應用的人，不了解單片機與嵌入式系統的關系，在談到“嵌入式系統”領域時，往往理解成計算機專業領域的，基于32位嵌入式處理器的從事網絡、通信、多媒體等的應用。這樣，“單片機”與“嵌入式系統”形成了嵌入式系統中常見的兩個獨立的名詞。但由于“單片機”是典型的、獨立發展起來的嵌入式系統，從學科建設的角度出發，應該把它統一成“嵌入式系統”。考慮到原來單片機的電子系統底層應用特點，可以把嵌入式系統應用分成高端與低端，把原來的單片機應用理解成嵌入式系統的低端應用，含義為它的底層性以及與對象系統的緊耦合。

1.高端：基于32/64位微處理器的嵌入式硬件系統

由微處理器構成的嵌入式硬件系統必須在其外部添加ROM、RAM、I/O端口和定時器等，使得系統完整可用。如圖1.3所示，雖然添加ROM、RAM、I/O端口和定時器使得系統變得復雜，成本變得更高，但這種方式提供了更多的靈活性。可以選擇ROM和RAM的容量大小，多少個I/O端口，以便適應所需的用途。

2.低端：基于8/16位單片機的嵌入式硬件系統

單片機內部包含微處理器，還有固定數量的ROM、RAM、I/O端口和定時器等，都集成到一個芯片上，功耗更低，可靠性更高。只需要簡單的外圍電路即可組成系統，如圖1.4所示。對于許多嵌入式應用，它們所占用的空間、所消耗的功率以及單位成本比起計算能力來說，都是更關鍵的考慮因素。單片機則是較好的選擇。目前許多單片機片內除了有固定數量的ROM、RAM、I/O端口和定時器外，也提供外部擴展接口，使用更為靈活。

在嵌入式技術領域，這種高低端的劃分并不是絕對的，基于微處理器的嵌入式系統以運算性能和速度為發展目標，基于單片機或微控制器的嵌入式系統則以其強大的控制功能為發展目標。它們互相區別，但又互相融合、互相促進。基于單片機的嵌入式系統MCU也不只局限于8位與16位的單片機，隨著技術的進步與發展，32位和64位的高性能的MCU也不斷被推出。

1.5.4 單片機嵌入式系統的特點

單片機嵌入式系統除了具備體積小、價格低、性能強大、速度快、用途廣、靈活性強、可靠性高等優點外，它與通用微型計算機系統相比，在硬件結構和指令設置上還具有以下獨特之處。

① 存儲器ROM和RAM是有嚴格分工的。ROM用做程序存儲器，只存放程序、常數和數據表格，而RAM用做數據存儲器，存放臨時數據和變量。這樣的設計方案使單片機更適用于實時控制（也稱為現場控制或過程控制）系統。配置較大程序存儲空間的ROM，將已調試好的程序固化（即對ROM編程，也稱燒錄或燒寫），這樣不僅掉電時程序不會丟失，還避免了程序被破壞，從而確保了程序的安全性。實時控制僅需容量較小的RAM，用于存放少量隨機數據，這樣有利于提高單片機的操作速度。

② 采用面向控制的指令系統。在實時控制方面，尤其是在位操作方面，單片機有著不俗的表現。

③ 輸入/輸出（I/O）端口引腳通常設計有多種功能。在設計時，究竟使用多功能引腳的哪一種功能，可以由用戶編程確定。

④ 品種規格的系列化。屬于同一個產品系列、不同型號的單片機，通常具有相同的內核、相同或兼容的指令系統，其主要的差別僅在于片內配置了一些不同種類或不同數量的功能部件，以適用于不同的被控對象。

⑤ 單片機的硬件功能具有廣泛的通用性。同一種單片機可以用在不同的控制系統中，只是其中所配置的軟件不同而已。換言之，給單片機固化上不同的軟件，便可形成用途不同的專用智能芯片，有時將這種芯片稱為固件（Firmware）。