TPM咨詢公司提出：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用在集成度、功能、性能、體系結(jié)構(gòu)方面都有了飛速發(fā)展，已能集成一個(gè)完整的功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。但目前國(guó)內(nèi)許多單片機(jī)應(yīng)用單位仍停留在采用片內(nèi)無(wú)ROM等低檔單片機(jī)的狀態(tài)，無(wú)論在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上、使用維護(hù)上、經(jīng)濟(jì)效益上這都是不合算的。這種狀況必須改變。本文就單片機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，希望能對(duì)提高國(guó)內(nèi)單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用水平有所促進(jìn)。

　　

　　1　單片機(jī)應(yīng)用的硬件

　　

　　單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)，是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)分支。它是在一塊芯片上集成（嵌入）了CPU、RAM和ROM存儲(chǔ)器、I／O接口等而構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)。因主要用于工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域，故又稱為微控制器或嵌入式控制器。單片機(jī)的核心是中央處理器CPU。用超大規(guī)模集成技術(shù)把CPU集成在一塊芯片上，稱為微處理器。微處理器、微控制器和微型計(jì)算機(jī)三者的關(guān)系十分密切。目前，單片機(jī)在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域中已占重要地位。各電氣廠商、機(jī)電行業(yè)和測(cè)控企業(yè)都把單片機(jī)作為本部門產(chǎn)品更新?lián)Q代、產(chǎn)品智能化的重要工具。全世界單片機(jī)的生產(chǎn)廠家有30多家，能生產(chǎn)60多個(gè)系列，1000多個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品。產(chǎn)量大，僅1996年的產(chǎn)量就達(dá)18億片。

　　

　　1．1　單片機(jī)應(yīng)用的特點(diǎn)

　　

　　單片機(jī)問(wèn)世以來(lái)所走的路與微處理器是不同的。微處理器向著高速運(yùn)算、數(shù)據(jù)分析與處理能力、大規(guī)模容量存儲(chǔ)等方向發(fā)展，以提高通用計(jì)算機(jī)的性能。其接口界面也是為了滿足外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)接口而設(shè)計(jì)的 。單片機(jī)則是從工業(yè)測(cè)控對(duì)象、環(huán)境、接口特點(diǎn)出發(fā)，向著增強(qiáng)控制功能、提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性、靈活方便的構(gòu)成應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的界面接口的方向發(fā)展。因此，單片機(jī)有著自已的特點(diǎn)，主要是：〔1〕〔2 〕

 

單片機(jī)應(yīng)用教程

　　

　　·品種多樣，型號(hào)繁多。品種型號(hào)逐年擴(kuò)充以適應(yīng)各種需要。使系統(tǒng)開發(fā)者有很大的選擇自由。CPU從4、8、16、32到64位，有些還采用RISC技術(shù)；

　　

　　·提高性能，擴(kuò)大容量。集成度已達(dá)200萬(wàn)個(gè)晶體管以上。總線工作速度已達(dá)數(shù)十微秒。工作頻率達(dá)到30MHz甚至40MHz。指令執(zhí)行周期減到數(shù)十微秒。存儲(chǔ)器容量RAM發(fā)展到1K、2K，RO M發(fā)展到32K、64K；

　　

　　·增加控制功能，向外部接口延伸。把原屬外圍芯片的功能集成到本芯片內(nèi)?，F(xiàn)今的單片機(jī)已發(fā)展到在一塊含有CPU的芯片上，除嵌入RAM、ROM存儲(chǔ)器和I／O接口外，還有A／D、PWM、U ART、Timer／Counter、DMA、Watchdog、Serial Port、Sensor、driver、還有顯示驅(qū)動(dòng)、鍵盤控制、函數(shù)發(fā)生器、比較器等，構(gòu)成一個(gè)完整的功能強(qiáng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)；

　　

　　·低功耗。供電電壓從5V降到3V、2V甚至1V左右。工作電流從mA級(jí)降到μA級(jí)。在生產(chǎn)工藝上以CMOS代替NMOS，并向HCMOS過(guò)渡；

　　

　　·單片機(jī)應(yīng)用軟件配套。提供了軟件庫(kù)，包括標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用軟件，示范設(shè)計(jì)方法。使用戶開發(fā)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)更快速、方便。使有可能做到用一周時(shí)間開發(fā)一個(gè)新的應(yīng)用產(chǎn)品；

　　

　　·系統(tǒng)擴(kuò)展與配置。有供擴(kuò)展外部電路用的三總線結(jié)構(gòu)DB、AB、CB，以方便構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)。根據(jù)單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、多機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)專門開發(fā)出單片機(jī)串行總線。此外，還特別配置有傳感器，人機(jī)對(duì)話 、網(wǎng)絡(luò)多通道等接口，以便構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)和多機(jī)系統(tǒng)。

　　

　　1．2　單片機(jī)應(yīng)用的性能〔3〕

　　

　　單片機(jī)通常按其微處理器字長(zhǎng)的位數(shù)來(lái)分類，如4、8、16、32、64位單片機(jī)。

　　

　　1．2．1　4位機(jī)

　　

　　1971年Intel首先推出了4位微處理器芯片4004。此后各廠家相繼推出4位機(jī)產(chǎn)品。因4位機(jī)每次只能處理一位BCD碼數(shù)據(jù)，故只適于簡(jiǎn)單控制場(chǎng)合。但因其價(jià)廉，在家電等消費(fèi)類產(chǎn)品中仍有廣泛應(yīng)用。近年來(lái) ，為了抵御8位機(jī)的侵蝕，4位機(jī)在結(jié)構(gòu)和性能上有了很大發(fā)展。主要有：

　　

　　·采用＜1μm CMOS工藝，使指令執(zhí)行速度達(dá)到1μs．ROM為32～64kB，RAM為4k×4位。這些增強(qiáng)性能已與8位機(jī)相當(dāng)；

　　

　　·將LED、LCD、VFD等顯示驅(qū)動(dòng)集成在單片中。這種增強(qiáng)的I／O功能甚至比一般的8位機(jī)還強(qiáng)；

　　

　　·降低功耗。低于2．2V電壓和μA級(jí)電流也能運(yùn)行。這比一般8位機(jī)還低一些；

　　

　　·采用類似于RISC的結(jié)構(gòu)。使4位機(jī)的性能大幅度提高；

　　

　　·針對(duì)特定的應(yīng)用加入特定的功能。如A／D、D／A、過(guò)零檢測(cè)、比較器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、圖形顯示、遙控等。

　　

　　但即使如此，4位機(jī)的市場(chǎng)占有率仍然較小。性能如表1（篇幅所限，僅舉數(shù)種說(shuō)明）所列。

　　

　　1．2．2　8位機(jī)

　　

　　由于8位機(jī)可以一次處理一個(gè)ASCII字符，因而用途十分廣泛。如顯示、終端鍵盤、打印、字處理、工業(yè)控制等。市場(chǎng)占有率70％以上。功能豐富，品種齊全，通用性強(qiáng)。1972年Intel首先推出了8位微處理器8008，隨后于1976年率先推出8位機(jī)MCS－48系列。1980年又推出MCS－51系列產(chǎn)品，其性能大大超過(guò)48系列產(chǎn)品。如計(jì)算速度為48系列的10倍，時(shí)鐘12MHz時(shí)指令周期可為1μs等。Motorola到78年才推出第一個(gè)單片機(jī)MC6801系列，

　　

　　TPM單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)綜述

　　

　　單片機(jī)應(yīng)用 TPM應(yīng)用技術(shù)

　　

　　單片機(jī)在集成度、功能、性能、體系結(jié)構(gòu)方面都有了飛速發(fā)展，已能集成一個(gè)完整的功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。但目前國(guó)內(nèi)許多單片機(jī)應(yīng)用單位仍停留在采用片內(nèi)無(wú)ROM等低檔單片機(jī)的狀態(tài)，無(wú)論在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上、使用維護(hù)上、經(jīng)濟(jì)效益上這都是不合算的。這種狀況必須改變。本文就單片機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，希望能對(duì)提高國(guó)內(nèi)單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用水平有所促進(jìn)。

　　

　　1　單片機(jī)的硬件

　　

　　單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)，是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)分支。它是在一塊芯片上集成（嵌入）了CPU、RAM和ROM存儲(chǔ)器、I／O接口等而構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)。因主要用于工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域，故又稱為微控制器或嵌入式控制器。單片機(jī)的核心是中央處理器CPU。用超大規(guī)模集成技術(shù)把CPU集成在一塊芯片上，稱為微處理器。微處理器、微控制器和微型計(jì)算機(jī)三者的關(guān)系十分密切。目前，單片機(jī)在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域中已占重要地位。各電氣廠商、機(jī)電行業(yè)和測(cè)控企業(yè)都把單片機(jī)作為本部門產(chǎn)品更新?lián)Q代、產(chǎn)品智能化的重要工具。全世界單片機(jī)的生產(chǎn)廠家有30多家，能生產(chǎn)60多個(gè)系列，1000多個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品。產(chǎn)量大，僅1996年的產(chǎn)量就達(dá)18億片。

　　

　　1．1　單片機(jī)的特點(diǎn)

　　

　　單片機(jī)問(wèn)世以來(lái)所走的路與微處理器是不同的。微處理器向著高速運(yùn)算、數(shù)據(jù)分析與處理能力、大規(guī)模容量存儲(chǔ)等方向發(fā)展，以提高通用計(jì)算機(jī)的性能。其接口界面也是為了滿足外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)接口而設(shè)計(jì)的 。單片機(jī)則是從工業(yè)測(cè)控對(duì)象、環(huán)境、接口特點(diǎn)出發(fā)，向著增強(qiáng)控制功能、提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性、靈活方便的構(gòu)成應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的界面接口的方向發(fā)展。因此，單片機(jī)有著自已的特點(diǎn)，主要是：〔1〕〔2 〕

　　

　　·品種多樣，型號(hào)繁多。品種型號(hào)逐年擴(kuò)充以適應(yīng)各種需要。使系統(tǒng)開發(fā)者有很大的選擇自由。CPU從4、8、16、32到64位，有些還采用RISC技術(shù)；

　　

　　·提高性能，擴(kuò)大容量。集成度已達(dá)200萬(wàn)個(gè)晶體管以上?？偩€工作速度已達(dá)數(shù)十微秒。工作頻率達(dá)到30MHz甚至40MHz。指令執(zhí)行周期減到數(shù)十微秒。存儲(chǔ)器容量RAM發(fā)展到1K、2K，RO M發(fā)展到32K、64K；

　　

　　·增加控制功能，向外部接口延伸。把原屬外圍芯片的功能集成到本芯片內(nèi)。現(xiàn)今的單片機(jī)已發(fā)展到在一塊含有CPU的芯片上，除嵌入RAM、ROM存儲(chǔ)器和I／O接口外，還有A／D、PWM、U ART、Timer／Counter、DMA、Watchdog、Serial Port、Sensor、driver、還有顯示驅(qū)動(dòng)、鍵盤控制、函數(shù)發(fā)生器、比較器等，構(gòu)成一個(gè)完整的功能強(qiáng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)；

　　

　　·低功耗。供電電壓從5V降到3V、2V甚至1V左右。工作電流從mA級(jí)降到μA級(jí)。在生產(chǎn)工藝上以CMOS代替NMOS，并向HCMOS過(guò)渡；

　　

　　·應(yīng)用軟件配套。提供了軟件庫(kù)，包括標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用軟件，示范設(shè)計(jì)方法。使用戶開發(fā)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)更快速、方便。使有可能做到用一周時(shí)間開發(fā)一個(gè)新的應(yīng)用產(chǎn)品；

　　

　　·系統(tǒng)擴(kuò)展與配置。有供擴(kuò)展外部電路用的三總線結(jié)構(gòu)DB、AB、CB，以方便構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)。根據(jù)單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、多機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)專門開發(fā)出單片機(jī)串行總線。此外，還特別配置有傳感器，人機(jī)對(duì)話 、網(wǎng)絡(luò)多通道等接口，以便構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)和多機(jī)系統(tǒng)。

　　

　　1．2　單片機(jī)的性能〔3〕

　　

　　單片機(jī)通常按其微處理器字長(zhǎng)的位數(shù)來(lái)分類，如4、8、16、32、64位單片機(jī)。

　　

　　1．2．1　4位機(jī)

　　

　　1971年Intel首先推出了4位微處理器芯片4004。此后各廠家相繼推出4位機(jī)產(chǎn)品。因4位機(jī)每次只能處理一位BCD碼數(shù)據(jù)，故只適于簡(jiǎn)單控制場(chǎng)合。但因其價(jià)廉，在家電等消費(fèi)類產(chǎn)品中仍有廣泛應(yīng)用。近年來(lái) ，為了抵御8位機(jī)的侵蝕，4位機(jī)在結(jié)構(gòu)和性能上有了很大發(fā)展。主要有：

　　

　　·采用＜1μm CMOS工藝，使指令執(zhí)行速度達(dá)到1μs．ROM為32～64kB，RAM為4k×4位。這些增強(qiáng)性能已與8位機(jī)相當(dāng)；

　　

　　·將LED、LCD、VFD等顯示驅(qū)動(dòng)集成在單片中。這種增強(qiáng)的I／O功能甚至比一般的8位機(jī)還強(qiáng)；

　　

　　　·降低功耗。低于2．2V電壓和μA級(jí)電流也能運(yùn)行。這比一般8位機(jī)還低一些；

　　

　　·采用類似于RISC的結(jié)構(gòu)。使4位機(jī)的性能大幅度提高；

　　

　　·針對(duì)特定的應(yīng)用加入特定的功能。如A／D、D／A、過(guò)零檢測(cè)、比較器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、圖形顯示、遙控等。

　　

　　但即使如此，4位機(jī)的市場(chǎng)占有率仍然較小。性能如表1（篇幅所限，僅舉數(shù)種說(shuō)明）所列。

　　

　　1．2．2　8位機(jī)

　　

　　由于8位機(jī)可以一次處理一個(gè)ASCII字符，因而用途十分廣泛。如顯示、終端鍵盤、打印、字處理、工業(yè)控制等。市場(chǎng)占有率70％以上。功能豐富，品種齊全，通用性強(qiáng)。1972年Intel首先推出了8位微處理器8008，隨后于1976年率先推出8位機(jī)MCS－48系列。1980年又推出MCS－51系列產(chǎn)品，其性能大大超過(guò)48系列產(chǎn)品。如計(jì)算速度為48系列的10倍，時(shí)鐘12MHz時(shí)指令周期可為1μs等。Motorola到78年才推出第一個(gè)單片機(jī)MC6801系列，不過(guò)，功能已相當(dāng)豐富，如嵌入有EEPROM、A／D、LED驅(qū)動(dòng)、PWM輸出等，成為功能很強(qiáng)的工業(yè)控制器。Zilog也在78年推出Z8系列單片機(jī)，它一開始就以一種新面貌出現(xiàn)，不單可用作單片機(jī)，還可作為微處理器用于微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。

　　

　　值得特別提出的是，Atmel公司推出的89C系列單片機(jī)〔4〕，其內(nèi)核與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C51同，即指令集與管腳分布與MCS51產(chǎn)品兼容。它的特點(diǎn)是時(shí)鐘頻率更高 ，可達(dá)33MHz，最高可達(dá)40MHz，因而運(yùn)算速度更快。我國(guó)單片機(jī)主要應(yīng)用領(lǐng)域之一為工業(yè)測(cè)控 ，用于此領(lǐng)域的單片機(jī)多為8位機(jī)，而以MCS－51系列和AT89C5系列用得最多。不少高校的微機(jī)原理或單片機(jī)原理課程都以這種機(jī)型為背景機(jī)。

　　

　　生產(chǎn)8位機(jī)的廠家相當(dāng)多，品種型號(hào)很多。在我國(guó)，主流則是上述幾家公司的派系產(chǎn)品。而每一派系又有多個(gè)廠家及其多種型號(hào)產(chǎn)品。如屬于Intel派系的有Philips／Signetics，Siemens，AMD，OKI，MARTRA－MHS等公司型號(hào)的產(chǎn)品。屬于Motorola派系的有Hitachi，Mitsubish，Rockwell，WDC等公司型號(hào)產(chǎn)品。屬于Zilog派系的有NEC，Hitachi,SGS－Thomson等公司型號(hào)的產(chǎn)品。在這幾個(gè)派系中以Intel的市場(chǎng)占有率最高，Motorola居中，Zilog最低。為了占領(lǐng)市場(chǎng)，Motorola還研制了6804／68HC04芯片，它是介于4位機(jī)與8位機(jī)之間的系列，CPU處理8位數(shù)據(jù)，運(yùn)行8位指令，但數(shù)據(jù)則是每次串行輸出一位，設(shè)計(jì)目標(biāo)是4位機(jī)的價(jià)格，很適于質(zhì)高價(jià)廉的場(chǎng)合。

　　

　　1．2．3　16位機(jī)

　　

　　1978年Intel最先推出16位微處理器868系列，與隨后Motorola的M68000，Zilog的Z8000成為當(dāng)時(shí)的三大系列16位微處理器。由于8位機(jī)應(yīng)用廣泛而且能解決問(wèn)題，使16位單片機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)較晚，到1988年Inte l才推出MCS－96系列機(jī)。此機(jī)具有高速運(yùn)算及高速處理和控制能力,具有16位的CPU，8位的外部總線（ 因此又稱準(zhǔn)16位機(jī)），豐富高效的指令系統(tǒng)，性能價(jià)格比優(yōu)異，其售價(jià)只比8位機(jī)稍微高一些。

　　

　　片內(nèi)有A ／D、PWM、Watchdog及靈活的中斷系統(tǒng)。在工作頻率12MHz時(shí)指令執(zhí)行時(shí)間為1～2μs。由于性能功能均良好，一出現(xiàn)便引起工業(yè)界廣泛注意 。在我國(guó)，早年以MCS－96應(yīng)用最多，近年來(lái)，Intel80C196、80C25 1、80C51XA等有廣泛的應(yīng)用 。生產(chǎn)16位機(jī)的廠家還有Motorola，MATRA－MHS，Mostek（Thomson），NEC ，OKI，Phil ips/Signetic，Sieme ns等。但到目前總產(chǎn)量仍不大，遠(yuǎn)低于8位機(jī)。不過(guò)由于采取了增強(qiáng)功能、提高性能、品種多樣化和不斷降低價(jià)格等措施，近年來(lái)發(fā)展迅速，估計(jì)90年代末期可望趕上8位機(jī)。所采取的措施主要有：

　　

　　·增強(qiáng)運(yùn)算能力，加大容量。片內(nèi)有健全的乘除指令，RAM容量加大到2k，ROM到64k，可直接支持C和Forth語(yǔ)言；

　　

　　·提高數(shù)據(jù)處理與傳輸能力。一般都增加了DMA傳輸和快速I／O功能；

　　

　　·提高速度。如80C51XA工作頻率達(dá)30MHz，HPC系列達(dá)40MHz。指令周期降至數(shù)μs。

　　

　　·采用RISC結(jié)構(gòu)。如Waterscale的PSC1000，Harris的RTX2000等均采用RISC結(jié)構(gòu)。

　　

　　現(xiàn)今16位機(jī)以Intel的8096系列的產(chǎn)量最大，準(zhǔn)16位機(jī)8098已停產(chǎn)。CMOS工藝的單片機(jī)以國(guó)家半導(dǎo)體的HPC系列的性能價(jià)格比最高，Hitachi的H8／500則是目前綜合性能最好的單片機(jī)。

　　

　　1．2．4　32位機(jī)

　　

　　隨著高技術(shù)在智能機(jī)器人、光盤、激光打印機(jī)、圖像與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、復(fù)雜實(shí)時(shí)控制、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，16位機(jī)已顯得無(wú)能為力，需要32位機(jī)才能滿足要求。80年代末推出了多種32位機(jī)產(chǎn)品　。如Motorola推出的產(chǎn)品68300、Intel的80960都是1989年出品。其共同特點(diǎn)是：

　　

　　·尋址能力在GB級(jí)以上（存儲(chǔ)、處理彩色圖像需要特大存儲(chǔ)器）；

　　

　　·高指令執(zhí)行速度。每秒M級(jí)條指令。如Intel的i960A速度為66MIPS；

　　

　　·快速運(yùn)算能力。有的嵌入浮點(diǎn)運(yùn)算部件，運(yùn)算能力大為增強(qiáng)；

　　

　　·直接支持高級(jí)語(yǔ)言和實(shí)時(shí)多任務(wù)執(zhí)行。如支持C、Forth語(yǔ)言。嵌入實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。大多數(shù)采用RISC結(jié)構(gòu)。除Motorola的MC68332、國(guó)家半導(dǎo)體的NS32CG160等仍用CISC外，均用RISC。

　　

　　1．2．5　64位機(jī)

　　

　　64位機(jī)在引擎控制、智能機(jī)器人控制、磁盤控制、語(yǔ)音／圖像通信、算法密集的實(shí)時(shí)控制等場(chǎng)合使用。但國(guó)內(nèi)仍未見有應(yīng)用。下面給出一個(gè)產(chǎn)品例子。

　　

　　英國(guó)Inmos公司的Transputer T800是64位高性能機(jī)。它集成有處理器、高速緩存、64位浮點(diǎn)運(yùn)算器、存儲(chǔ)控制器、串行接口，適用于超高速并行處理。

　　

　　中央處理器為32位，其浮點(diǎn)運(yùn)算速度達(dá)12億次／秒。RAM 4k，I／O鏈接通道4組20Mbit／s，時(shí)鐘頻率25MHz，數(shù)據(jù)傳輸率100MB／s，可尋址外部存儲(chǔ)空間4GB。外存儲(chǔ)器傳輸率33MB／s。

　　

　　2　單片機(jī)的總線

　　

　　一直以來(lái)，單片機(jī)沒(méi)有自己的專門的總線標(biāo)準(zhǔn)，通常是由著名廠家推出自己產(chǎn)品時(shí)配套設(shè)計(jì)的。如MC S－51系列單片機(jī)就設(shè)計(jì)有完善的三總線結(jié)構(gòu)（地址總線AB，數(shù)據(jù)總線DB，控制總線CB），要構(gòu)成不同的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是方便的。雖然，單片機(jī)可以歸結(jié)為工控機(jī)的一種，而工控機(jī)的成熟主流總線是STD總線，但單片機(jī)卻沒(méi)有完全執(zhí)行STD總線標(biāo)（IEEE961），而以控制總線差別較大。

　　

　　這里只論及完全根據(jù)單片機(jī)的特點(diǎn)，按照控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及多機(jī)系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)的串行接口總線。有了此總線，多個(gè)單片機(jī)就能以一定的拓樸結(jié)構(gòu)組成多種系統(tǒng)，彌補(bǔ)了在網(wǎng)絡(luò)控制方面的不足。

　　

　　單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)涉及多種多樣的外部設(shè)備或系統(tǒng)的互連和通信，有必要在單片機(jī)與外部芯片間插入有通信功能的接口。這樣做的好處是：1）串行總線連線少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝調(diào)整方便。在傳送速度不太高的場(chǎng)合，串行總線是可取的；2）總線接口部分已集成到芯片中，系統(tǒng)可以按功能模塊直接聯(lián)接；3）故障診斷排除十分簡(jiǎn)單；4）可利用軟件庫(kù)進(jìn)行安裝，減少軟件開發(fā)時(shí)間；5）取消外部接口電路，外部接線少，體積小，可靠，價(jià)廉。目前已生產(chǎn)出多種產(chǎn)品，但仍未有正式批準(zhǔn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。常見的有以下幾種總線〔5〕〔6〕：

　　

　　·IIC總線（Inter－Integrated Circuit）。這是Philips開發(fā)的一種內(nèi)部雙向二線串行總線。一為串行數(shù)據(jù)總線。另一為串行時(shí)鐘總線。線上設(shè)備可用軟件尋址，且可自動(dòng)沖突仲裁 。標(biāo)準(zhǔn)傳送速率100kbit／s，最大400kbit／s．適于非高速系統(tǒng)。

　　

　　·BIT總線。這是Intel開發(fā)的一種分布式機(jī)間通信的串行總線。通過(guò)RUPI－44系列的串行接口單元，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多點(diǎn)主從、環(huán)形網(wǎng)三種鏈路結(jié)構(gòu)的通信。外同步速率2．4MB／s（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，多點(diǎn)），1．0MB／s（環(huán)形網(wǎng)）。

　　

　　·MicroWire總線。這是國(guó)家半導(dǎo)體開發(fā)的一種三線串行接口總線。一為數(shù)據(jù)輸出線，二為數(shù)據(jù)輸入線，三為時(shí)鐘線。線上只有一臺(tái)機(jī)為主機(jī)，其余為從機(jī)。MicroWire／plus是增強(qiáng)型。各型號(hào)功能各異。

　　

　　·SPI／SCI總線（串行輸入接口／串行通信口）。由Motorola開發(fā)。SPI為并行同步總線（兩條串行數(shù)據(jù)線，一條串行時(shí)鐘線）通過(guò)SPI的互連可構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)。SCI為異步通信接口。

　　

　　·VESA總線（Video Electronics StandardAssociation）。由視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)等多家公司聯(lián)合推出的全開放模塊式的局部總線。又稱VESALocal總線，簡(jiǎn)稱VL。此總線支持高速視頻處理，總線寬32位，數(shù)據(jù)線可擴(kuò)至64位。數(shù)據(jù)傳輸率132MB／s。適于多媒體場(chǎng)合。

　　

　　·CAN總線（Controller Area Network）。這是一種單片機(jī)外部串行總線。采用多元競(jìng)爭(zhēng)式結(jié)構(gòu)。按設(shè)定仲裁字的方式進(jìn)行總線仲裁。是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一種重要總線型式。

　　

　　此外，還有Signetics公司的芯片內(nèi)部的DDB總線等。

　　

　　1995年末，世界上最新開發(fā)的Intel公司的總線產(chǎn)品compact PCI被介紹給我國(guó)的工控〔7〕 〔8〕，而該類產(chǎn)品在我國(guó)目前仍處于初創(chuàng)研發(fā)階段。作為歸結(jié)為工控機(jī)類的單片機(jī)，如何徹底解決設(shè)備共享問(wèn)題 ，從而加入現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)（FCS）中，一直是工控界關(guān)注的問(wèn)題。

　　

　　3　單片機(jī)的軟件

　　

　　通常單片機(jī)開發(fā)中用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是匯編語(yǔ)言。編寫程序后用PE、EDLIN等軟件在計(jì)算機(jī)上編輯，然后編譯成機(jī)器碼文件，再由通信軟件將機(jī)器碼文件送入單片機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)試。隨著單片機(jī)系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和功能的復(fù)雜，用匯編語(yǔ)言編制程序的方法有明顯的缺點(diǎn)。主要是效率低，程序不易維護(hù)，不能移植，很不適應(yīng)要求。有必要尋求一種高效率的結(jié)構(gòu)化的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。這些語(yǔ)言現(xiàn)在有C、PL／M、Forth 、Pascal、Modula－2等〔9〕。

　　

　　C語(yǔ)言是一種介于高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言之間的適于單片機(jī)開發(fā)用的語(yǔ)言。它既有高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，又易與匯編語(yǔ)言接口。原來(lái)用匯編語(yǔ)言寫的程序現(xiàn)在可以用C語(yǔ)言編寫。只是在體現(xiàn)速度的場(chǎng)合如信息的實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)控制，以及和硬件打交道的場(chǎng)合如接口驅(qū)動(dòng)程序，才會(huì)插入?yún)R編語(yǔ)言程序。一些開發(fā)系統(tǒng)都配有C語(yǔ)言調(diào)試程序、編譯器等。

　　

　　PL／M是Intel開發(fā)的一種結(jié)構(gòu)化高級(jí)語(yǔ)言。如PL／M－96是其中一種。其編譯生成的機(jī)器碼就是MCS－96系列單片機(jī)的機(jī)器碼。其編譯、連接、定位程序可以在80386及其兼容機(jī)上運(yùn)行。

　　

　　Forth語(yǔ)言原來(lái)是60年代美國(guó)人CharlesMoore發(fā)明的一種中級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，用于控制天文望遠(yuǎn)鏡，1986年移植到單片機(jī)中。它具有速度快、程序簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)精巧、擴(kuò)充方便、空間節(jié)省等特點(diǎn)。適宜向工控、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)處理、智能機(jī)器人、儀表等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。Forth語(yǔ)言別具一格，與其它高級(jí)語(yǔ)言不同，它以詞典為核心，以堆棧為運(yùn)算場(chǎng)所，把解釋、編譯、調(diào)度、設(shè)備管理等集于一體，能同時(shí)使用For th高級(jí)語(yǔ)言、編語(yǔ)言、機(jī)器語(yǔ)言。因Forth的內(nèi)核只占2k～8k，很容易裝入儀表內(nèi)部。

　　

　　因Modula－2是基于Pascal開發(fā)系統(tǒng)移植來(lái)的，具有Pascal的特點(diǎn)，它們都比C差些。在此不再敘述。

　　

　　4　單片機(jī)的開發(fā)工具

　　

　　因單片機(jī)本身不具備開發(fā)功能，因此，在開發(fā)單片機(jī)時(shí)必須借助某些開發(fā)工具。這些開發(fā)工具通常稱為仿真器或開發(fā)系統(tǒng)?？晒┎捎玫挠小?0〕：

　　

　　·在線仿真器。簡(jiǎn)稱仿真器。仿真器通過(guò)RS－232接口（或并行口）與宿主機(jī)相連。又用電纜線把仿真器與目標(biāo)系統(tǒng)相接。用仿真器中的“仿真單片機(jī)”取代目標(biāo)系統(tǒng)的同類型的“目標(biāo)單片機(jī)”。然后在宿主機(jī)上進(jìn)行各種操作，從而獲得對(duì)仿真單片機(jī)也即對(duì)目標(biāo)單片機(jī)的仿真和控制功能。這是我國(guó)用得最多的一種，其操作平臺(tái)由DOS系統(tǒng)發(fā)展到WINDOWS。

　　

　　·在位仿真式的在線仿真器。與在線仿真器不同的是，把仿真器與目標(biāo)系統(tǒng)間的連接電纜歸并到仿真器的負(fù)載之中，從而不會(huì)影響目標(biāo)系統(tǒng)的性能（如噪聲干擾、穩(wěn)定性等）。北京東方計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所開發(fā)的UD－96／C196仿真器采用了這種技術(shù)。

　　

　　·綜合開發(fā)系統(tǒng)。把在線仿真器、邏輯分析儀、信息發(fā)生器、EPROM寫入器等原來(lái)分開的功能部分有機(jī)地結(jié)合在一起。使開發(fā)工作更有效、方便，但價(jià)格昂貴。

　　

　　·自開發(fā)系統(tǒng)。與在線仿真器不同的是取消用電纜連接另外的目標(biāo)系統(tǒng)。開發(fā)完畢后就將自身作為目標(biāo)系統(tǒng)使用。開發(fā)價(jià)格較低。

　　

　　下面介紹一下國(guó)內(nèi)外的幾種Forth語(yǔ)言開發(fā)系統(tǒng)。

　　

　　·英國(guó)Triangle DigitalServices公司的TDS－9090跟蹤數(shù)據(jù)仿真器（Track Data Simulato r）。通過(guò)RS－232與計(jì)算機(jī)相連，即可用Forth語(yǔ)言編程。然后將程序代碼存入PROM中，生成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。在非易失性RAM支持下獨(dú)立運(yùn)行。TDS的硬件是CMOSHatchi的HD63A03Y 8位單片機(jī)，指令與Motorola的680 0兼容。RAM 30K，ROM16K，EPROM 16K，EEPROM 256B。包含有一個(gè)寫機(jī)器語(yǔ)言的符號(hào)匯編器，可同時(shí)使用Forth及匯編語(yǔ)言。具有全屏幕編輯、多任務(wù)、時(shí)鐘、看門狗、低電源運(yùn)行功能。

　　

　　·加拿大SDS電子技術(shù)公司的SDSForth－51開發(fā)系統(tǒng)。其硬件為Intel的8051系列8位單片機(jī)。包括For th－51軟件和SL－51Kit開發(fā)工具兩部分。將Kit與PC機(jī)連接，即可用Forth或匯編語(yǔ)言編程。可用PC聯(lián)機(jī)調(diào)試。最后生成二進(jìn)制文件裝入仿真器。

　　

　　·單片機(jī)應(yīng)用MCS96－Forth 1．0開發(fā)系統(tǒng)。1996年，國(guó)內(nèi)有人在MCS－96系列單片機(jī)上開發(fā)出一種Fort h系統(tǒng)，命名為MCS96－Forth 1．0，提供一個(gè)實(shí)用的Forth開發(fā)工具，已經(jīng)通過(guò)鑒定。已具備正式投入運(yùn)行條件 。Forth語(yǔ)言已經(jīng)漢化。