AVR单片机发展趋势及开发实例

目前单片机正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强I/O功能等方向发展。其进一步的发展趋势是多方面的。

1.全盘CMOS化

CMOS电路具有许多优点，如极宽的工作电压范围、极佳的低功耗及功耗管理特性等。CMOS化已成为目前单片机及其外围器件流行的半导体工艺。

2.采用RISC体系结构

早期的单片机大多采用CISC结构体系，指令复杂，指令代码、周期数不统一；指令运行很难实现流水线操作，大大阻碍了运行速度的提高。如MCS-51系列单片机，当外部时钟为12MHz时，其单周期指令运行速度也仅为1MIPS。采用RISC体系结构和精简指令后，单片机的指令绝大部分成为单周期指令，而通过增加程序存储器的宽度（如从8位增加到16位），实现了一个地址单元存放一条指令。在这种体系结构中，很容易实现并行流水线操作，大大提高了指令运行速度。目前一些RISC结构的单片机，如美国ATMEL公司的AVR系列单片机已实现了一个时钟周期执行一条指令。与MCS-51相比，在相同的12MHz外部时钟下，单周期指令运行速度可达12MIPS。这一方面可获得很高的指令运行速度，另一方面，在相同的运行速度下，可大大降低时钟频率，有利于获得良好的电磁兼容效果。

3.多功能集成化

单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件不仅包括一般常用的电路，如定时/计数器、模拟比较器、A/D转换器、D/A转换器、串行通信接口、WDT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，内部还含有局部网络控制模块CAN总线，在控制系统较为复杂时，方便地构成一个控制网络。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PWM。

4.片内存储器的改进与发展

目前新型的单片机一般在片内集成两种类型的存储器：随机读写存储器SRAM，作为临时数据存储器存放工作数据用；只读存储器ROM，作为程序存储器存放系统控制程序和固定不变的数据。片内存储器的改进与发展的方向是扩大容量、ROM数据的易写和保密等。

（1）片内存储容量的增加

新型的单片机一般在片内集成的SRAM在128B～1KB，ROM的容量一般为4～8KB。为了适应网络、音视频等高端产品的需要，高档的单片机在片内集成了更大容量的RAM和ROM存储器。如ATMEL公司的ATmega16，片内的SRAM为1KB，FlashROM为16KB。而该系列的高端产品ATmega128片内的SRAM为4KB，FlashROM为128KB。

（2）片内程序存储器由EPROM型向FlashROM发展

早期的单片机在片内往往没有程序存储器或片内集成EPROM型的程序存储器。将程序存储器集成在单片机内可以大大提高单片机的抗干扰性能、提高程序的保密性、减少硬件设计的复杂性和空间等许多优点，因此片内集成程序存储器已成为通用的方式。但由于EPROM存在需要高电压编程写入、紫外线光照擦除、重写入次数有限等缺点，这给使用带来了不便。新型的单片机则采用FlashROM以及MaskROM、OTPROM作为片内的程序存储器。FlashROM具有使用通常电压（如5V/3V）编程写入和擦除，不需要紫外线擦除，重写次数在10000次以上，并可实现ISP技术的优点，这为使用带来了极大的方便。采用Mask_- ROM的微控制器称为掩模芯片，它是在芯片制造过程中就将程序“写入”了，并永远不能改写。采用OTPROM的微控制器，其芯片出厂时片内的程序存储器是“空的”，它允许用户将自己编写好的程序一次性的编程写入，之后便再也无法修改了。后两种类型的单片机适合于大批量产品的生产使用，而前两种类型的微控制器则适合产品的设计开发、批量生产以及学习培训的应用。

（3）程序保密化

一个单片机嵌入式系统的系统程序是系统的最重要的部分，是知识产权保护的核心。为了防止片内的程序被非法读出复制，新型的单片机往往对片内的程序存储器进行加锁保密。系统程序编程写入片内的程序存储器后，可以再编程加密保护单元，使芯片加锁。加密以后，从芯片的外部无法读取片内的系统程序代码，若将加密单元擦除，则片内的程序也同时擦除掉，这样便达到了程序保密的目的。(www.xing528.com)

5.ISP、IAP及基于ISP、IAP技术的开发和应用

ISP（InSystem Programmable）称为在线系统可编程技术。微控制器采用片内集成EEP-ROM、FlashROM的发展，促进了ISP技术在单片机中的应用。首先实现了系统程序的串行编程写入（下载），使得不必将焊接在系统电路板上的芯片取下，可直接将程序下载到单片机的程序存储器中，淘汰了专用的程序下载写入设备。其次，基于ISP技术，使模拟仿真开发技术重新兴起。在单时钟、单指令运行的RISC结构的单片机中，可实现PC通过串行电缆对目标系统的在线仿真调试。在ISP技术应用的基础上，用户可随时根据需要对原有的系统方便的在线更新软件、修改软件，还能实现对系统软件的远程诊断、远程调试和远程更新。

6.实现全面功耗管理

采用CMOS工艺后，单片机具有极佳的低功耗和功耗管理功能。它包括：

●传统的CMOS单片机的低功耗运行方式，即闲置方式（Idle Mode）、掉电方式（Power Down Mode）。

●双时钟技术。配置有高速（主）和低速（子）两个时钟系统。在不需要高速运行时，转入子时钟控制，以节省功耗。

●片内外围电路的电源管理。对集成在片内的外围接口电路实行供电管理。在该外围电路不运行时，关闭其供电。

●低电压节能技术。CMOS电路的功耗与电源电压有关，降低系统的供电电压，能大幅度减少器件的功耗。新型的单片机往往具有宽电压（3～5V）或低电压（3V）运行的特点。低电压低功耗是手持便携式系统重要的追求目标，也是绿色电子的发展方向。

7.以串行总线方式为主的外围扩展

目前，单片机与外围器件接口技术发展的一个重要方面是由并行外围总线接口向串行外围总线接口的发展。采用串行总线方式为主的外围扩展技术具有方便、灵活、电路系统简单、占用I/O资源少等特点。采用串行接口虽然比采用并行接口数据传输速度慢，但随着半导体集成电路技术的发展，大批采用标准串行总线通信协议（如：SPI、I²C、1-Wire等）的外围芯片器件的出现，串行传输速度不断提高（可达到1～10Mbit/s的速率）。采用片内集成程序存储器而不需外部并行扩展程序存储器，加之单片机嵌入式系统有限速度的要求，使得以串行总线方式为主的外围扩展方式能够满足大多数系统的需求，成为流行的扩展方式，而并行接口扩展技术则成为辅助方式。

8.单片机嵌入式系统网络化

在计算机网络高速发展的今天，单片机嵌入式系统的联网应用也越来越多。如将若干个分布在不同地点单个的控制系统互相连接起来，构成智能的网络控制系统。特别是随着In-ternet的发展，单片机嵌入式系统和Internet的连接已是一种趋势，网络家电、网络自动售货机已有产品问世。除了继续使用和发展RS-485总线联网外，采用CAN总线的联网应用，通过现有的网络通信线路（电话、GSM）等联网传送数据，特别是接入Internet的应用已大量出现。国际上一些公司已推出了在片内集成了CAN总线、USB总线底层硬件接口电路的单片机。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研究，较为典型的有emWare和TASKING公司。国际上嵌入Internet联盟（Embedded The Internet Consortium，ETI）也在紧密合作，共同开发嵌入式Internet的解决方案。

9.单片机向片上系统SOC的发展

SOC（System On Chip）是一种高度集成化、固件化的芯片级集成技术，其核心思想是把除了无法集成的某些外部电路和机械部分之外的所有电子系统电路全部集成在一片芯片中。现在一些新型的单片机（如AVR系列单片机）已经是SOC的雏形，在一片芯片中集成了各种类型和更大容量的存储器，以及性能更加完善和强大的功能电路接口，这使得原来需要几片甚至十几片芯片组成的系统，现在只用一片就可以实现。其优点不仅是减小了系统的体积和成本，而且也大大提高了系统硬件的可靠性和稳定性。