单片机应用系统的结构研究

单片机应用系统的结构研究

周宝

（北京交通大学海滨学院河北黄骅061100）

摘要：近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定向、汽车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上。近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。

关键词：单片机；微处理器；系统

1引言

近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定向、汽车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上。近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。

单片机并没有超脱冯•诺依曼原理下的计算机的结构框架和工作原则，而是着眼于应用到更广阔的范围：工业控制、数字显示、智能仪表、电子设备、汽车电控、农机、家电乃至儿童玩具的控制。它不求规模大，只求小而全。厂家在一个芯片上制成了CPU和一定容量的程序存储器和数据存储器以及一定数量的输入/输出接口（Interface）。在一个大规模集成电路芯片上构造了完整的计算机结构，故称之为单片机[1]。

MCS-51系列中的一片8751芯片，内部构造了完整的计算机硬件系统。从CPU、存储器到输入输出端口，一应俱全。只要写入程序，就可完成中央控制或数据采集、处理及通信传输的信息处理机，MCS-51单片机指令系统中为适应控制的需要设有极强的位处理功能，具有加、减、乘、除指令；CPU时钟高达12MHz，完成单字节乘法或除法运算仅需要4µs；具有多机通信功能，可作为多机系统中的一个子系统。

一般微处理器和有关元器件分军用和民用两级，民用产品主要用于办公室及机房环境，工作温度在0～70℃，军用产品要求在恶劣环境条件下稳定工作，工作温度在-65～+125℃；工业级产品的性能介于以上两者之间，在-40～+85℃温度环境可正常工作。工业产品可靠性比民用产品强，而价格较军用品低。在单片机应用中，可以根据实际工作环境，选择工业级芯片，保证系统可靠性。

近年来，在国际上出现了Mechanics和electronics复合而成的Mechtronics这个新词，我国译为“机电一体化”。这种机械和电子技术、信息技术紧密结合的新的学科领域是先进制造技术研究和普及的结果。机电一体化产品要实现电器控制的实时性、高可靠性、可编程和一定的人工智能。同时追求体积小、价格低，甚至低功耗等。正是针对上述种种要求而设计的单片机自然成为机电一体化控制器的最佳选择[2]。

单片机出现的历史并不长，它的产生与发展与微处理器的产生与发展大体上同步，也经历了四个阶段：

第一阶段：1971～1974年，4位微处理器Intel4004及8位微处理器Intel8008，这些计算机价格便宜、功能有限，只用于消耗类电子产品。

第二阶段：1974～1978年，初级单片机阶段，以Intel公司的MCS-48为代表，8位单片机。

第三阶段：1978～1983年，高性能单片机阶段。以Intel公司的MCS-51，Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等为代表。这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、16位定时器/计数器，有的片内还带有A/D转换器接口，片内RAM、ROM容量加大，寻址范围可达64K字节。广泛应用于工业控制、外部设备控制、宏观控制、局部网络及家用计算机中。

第四阶段：1983年至今，8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。例如Mostek公司的MK6800、Intel公司的MCS-96等。MCS-96集成度为12万只晶体管/片，寻址范围64K字节、5个8位并行口、一个全双工串行口、4个16位定时器、8通道10位A/D转换器等，另外MCS-96指令能处理位、字节、字，有16位乘16位乘法、32位除16位除法指令，一块单片计算机的功能可以和一台多片系统机相媲美。单片机已经进入一个崭新的阶段。

2单片机的性能特点

单片机具有以下特点；

（1）受集成度限制，片内存储容量较小，一般8位单片机的ROM小于4/8K字节，RAM小于256字节，但可在外部扩展，通常ROM、RAM可分别扩展至64K字节。

（2）可靠性好。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声干扰优于一般通用CPU；程序指令及常数、表格固化在ROM中不易破坏；许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。

（3）易扩展。片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。

（4）控制功能强。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中具有极丰富的条件分支转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。一般说来，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。

（5）一般单片机内无监控程序或系统通用管理软件，只放置有用户调试好的应用程序。但近年来也开始出现了在片内固化有BASIC解释程序的单片机。

3单片机应用系统的结构及构成方式

单片机在各个技术领域的迅猛发展，与单片机所构成的计算机应用系统的特点有关：

（1）单片机构成的应用系统有较大的可靠性。（2）系统扩展和系统配置比较典型和规范，容易构成各种规模的应用系统。（3）由于构成的应用系统是一个计算机系统，相当多的测控功能由软件实现，故具有柔性特点。（4）有优异的性能价格比。

对广大的应用型技术人员而言，目前所面临的单片机应用技术是使用单片机和可编程逻辑器件相结合构成的新一代电子，它们通过地址总线、数据总线和控制总线连接起来，通过输入/输出口线与外部设备及外围芯片相连。CPU中配置有指令系统，计算机系统中配置有驻机监控程序、系统操作软件及用户应用软件[3]。

目前用户在构成应用系统时，有三种构成方式可供选择。

（1）专用系统。系统的扩展与配置完全按照应用系统的功能要求设计的。硬件系统的性能/配置比近于1。系统中只配备有应用软件，故系统有最佳配置，系统的软、硬件资源能获得充分利用，但这种系统无自开发能力。采用这种方式要求有较强的硬件开发基础。

（2）模块化系统。鉴于单片机应用系统的系统扩展与配置电路具有典型性，因此，有些厂家将这些典型配置做成用户系列板，供用户选择使用。用户可根据应用系统的需要选择适当的模块板组合成各种测、控系统。有些用户系列板在结构上做成STD总线型。模块化结构是中、大型应用系统发展方向。它可以大大减少用户在硬件开发上投入的力量。但目前系统模块化产品水平尚不高，软硬件配套工作还不完善，有待于进一步发展。

（3）单片单板机系统。受通用CPU单板机的影响，国内有用单片机来构成单片单板机，其硬件按照典型应用系统配置，并配有监控程序，具有自开发能力。但是，单板机的固定结构形式常使应用系统不能获得最佳配置。产品批量大时，软、硬件资源浪费较大，但可大大减少系统研制时的硬件工作量，并具有二次开发能力。

参考文献：

[1]李杏春主编.单片机原理及使用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，1996

[2]孙涵芳主编，Intel16位单片机.北京：北京航空航天出版社

[3]李华主编.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天出版社，1993