单片机原理与应用：汇编与C语言实践

纵观单片机的发展过程，再结合半导体集成电路技术和微电子设计技术的发展趋势，可以预见，未来单片机将朝着高性能、高速、低压、低功耗、低价格、外围电路内装化方向发展。

1.主流机型

单片机虽然经历了4位、8位、16位、32位或64位的发展阶段，但从实际应用看，并没有出现推陈出新、以新代旧的局面。它们各有应用领域，其中4位单片机在一些简单家用电器、高档玩具中仍有应用；8位单片机在未来较长一段时期内，特别是在中、小规模应用场合仍占主流地位；16位单片机在比较复杂的控制系统中才有应用；32位或64位单片机（如DSP、ARM7～11处理器系列）在满足高速数字处理方面会发挥重要作用。16位单片机空间有可能被8位、32位或64位单片机挤占。

2.高性能CPU

今后单片机内CPU的性能将进一步得到改善，如加快指令运算速度、提高系统控制的可靠性、加强位处理功能、中断与定时控制功能。加快运算速度的主要办法有：采用双或多CPU结构，提高并行处理能力；采用单或多流水线结构，指令以多队列形式出现在CPU中；扩展时钟频率，有的单片机的时钟频率可达40MHz；改进CPU总线结构，降低机器周期来提高指令速度。

3.RISC体系结构

早期单片机都是CISC（Complex Instruction Set Computer）结构体系，这种结构的指令复杂，指令代码、周期数不统一，指令运行难以实现流水线操作，阻碍了运行速度的提高。目前一些单片机已采用RISC体系结构后，绝大部分指令成为单周期指令，而且通过增加程序存储器的宽度，实现了一个地址单元存放一条指令的可能。此结构还易于实现并行流水线操作，提高指令运行速度。

4.ROM的新类型

早期单片机内部的程序存储器主要是无ROM、掩膜ROM和EPROM 3种类型。其中无ROM型的系统电路结构复杂；掩膜ROM程序已经固化，因此缺少灵活性，但成本低；EPROM型的芯片成本高。近年来，EEPROM（简称E2 ROM）和Flash ROM（也称闪存ROM）已在单片机程序存储器上得到广泛使用，它们都可直接采用电信号进行擦除或编程（写入）操作，Flash ROM属于EEPROM的改进产品，Flash ROM属于真正的单电压芯片，它必须按区块（Block）擦除（每个区块包含若干个字节），而EEPROM则可以一次只擦除一个字节。只有在写入时，Flash ROM才以字节为最小单位写入。这两种ROM可多次编程，灵活性好，系统开发阶段使用方便，在小批量应用系统中广泛使用，但成本较高。目前一些单片机系列还提供OTP ROM（简称PROM）型产品，PROM型是介于掩模和Flash产品特性之间的类型，它仅可一次性编程，其价格接近掩模ROM，由于它既有一定的灵活性，成本又不太高，因此迅速占领了市场。

5.存储器的容量

单片机内存储器容量将进一步扩大。早期片内ROM为1KB～8KB，RAM为64B～256B。现在片内ROM可达64KB，片内RAM可达4KB，基本不需外加存储器扩展芯片。PROM与Flash ROM成为主流供应状态。容量小、价格低廉的4位或8位机也是单片机的发展方向之一，其用途是把以往用数字逻辑电路组成的控制电路单片化。

6.基本功能单元的扩展

基本功能单元的扩展主要指在中断系统中相应增加中断源和I/O端口、设置高速I/O端口和增加定时器/计数器数量。

7.外围电路的内装

随着单片机集成度的提高，可以把众多的外围功能器件集成到单片机内。除了CPU、ROM、RAM外，还可把ADC、DAC、PWM、DMAC、WDT监视定时器、声音发生器、液晶驱动电路以及锁相电路等一并集成在芯片内。为了减少外部的驱动芯片，进一步增强单片机的并行驱动能力，一些单片机可直接输出高电压和大电流，以便于直接驱动外部器件。为了进一步加快I/O口的传输速度，有些单片机还设置了高速I/O口，可快速触动外部设备，并可快速响应外部事件。

8.内部资源的删减

资源扩展的同时为了满足构成小型廉价应用系统的要求，可将内部资源删减。主要是删减并行总线和部分功能单元，减少封装引脚。同时，增强某些功能，如模拟比较器、施密特输入接口或I2 C总线接口等。如大多廉价80C51单片机引脚数在20～28之间。(www.xing528.com)

9.软件的嵌入

随着单片机程序空间的扩大，在空余空间上可嵌入一些工具软件，这些软件可大大提高产品开发效率和单片机性能。单片机中嵌入软件类型主要有：①实时多任务操作系统RTOS（Real Time Operating System），在RTOS支持下可实现按任务分配的规范化应用程序设计；②平台软件，可将通用子程序及函数库嵌入，以供应用程序调用；③虚拟外设软件包；④其他用于系统诊断、管理的软件等。

10.串行扩展总线的推行

由于串行总线接口方式方便，可减少引脚数量，简化系统结构，降低成本。因此，单片机的扩展方式从并行总线发展出各种串行总线，并被工业界接受，形成一些工业标准，如移位寄存器接口、SPI、I2 C、Microwire、1-Wire、USB、CAN、DDB等总线。随着外围电路串行接口的发展，单片机串行扩展设置越来越普遍化、高速化。

11.编程语言的发展

单片机的编程语言很多，大致可分为机器语言、汇编语言、高级语言3类，它们各有各的优缺点。其中机器语言虽然可直接识别和执行，响应速度最快，但它十分繁琐，且不易看懂，不便记忆，容易出错，目前一般用户都不再使用；汇编语言是比较直观、易懂、易用，占用资源少，程序执行效率高，但汇编语言可移植性差，编程难度较大，很啰嗦繁琐；单片机所用的高级语言一般有C语言、PL/M和BASIC语言等，它们易学易懂，通用性强，可读性和可移植性好，但要占用较多存储空间，且执行时间长，程序执行时间难以精确计算。目前采用单片机C语言（C51）进行程序设计已成为单片机软件开发的一个主流。

12.全功耗的管理

低功耗是便携式系统追求的重要目标，低功耗的技术措施会带来许多可靠性效益。实现低功耗的技术有：①单片机的全盘CMOS化，这使单片机本身低功耗和低功耗管理技术的飞速发展。目前单片机都具有等待、暂停、睡眠、空闲、节电、关闭等低功耗工作方式。低功耗技术会提高单片机的可靠性，降低其工作电压，使抗噪声和抗干扰等各方面性能都得到全面提高；②配置高速（主时钟）和低速（子时钟）双时钟系统，在不需要高速运行时，转入子时钟控制下，以节省功耗；③高速时钟下的分频或低速时钟下的倍频控制运行技术；④外围电路的电源管理；⑤低电压节能技术。

13.专用型单片机的发展

单片机有通用型与专用型之分。通用型单片机的用途很广泛，使用不同的接口电路及编制不同的应用程序就可完成不同的功能，但生产成本较高。专用单片机是专门针对某一类产品系统要求而设计的，由于它出厂时程序已一次性固化好，因而不能再修改单片机的程序和功能，但使用专用单片机可最大限度地简化系统结构，提高可靠性，最大化资源利用率。在大批量使用时有可观的经济效益和可靠性效益，如电子表里的单片机就是其中的一种。

14.ASMIC技术的启动与发展

专用单片机的巨大优势会推动ASMIC（Application Specific Microcontroller Integrated Circuit）技术的发展。ASMIC是以MCU为核心的专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuit），与ASIC相比，由于它是基于MCU的系统集成，有较好的柔性特性，因此它是单片机应用系统实现系统集成的重要途径。

15.ISP及其开发环境

Flash ROM的发展推动在系统可编程ISP（In System Programmable）技术的发展。在ISP技术基础上，首先实现了目标程序的串行下载，促使模拟仿真开发方式的重新兴起，在单时钟、单指令运行的RISC结构单片机中，可实现PC通过串行电缆对目标系统的仿真调试。

16.可靠性技术的发展

在单片机应用中，可靠性是首要因素。为了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。近年来，单片机的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术，这些新技术包括EFT（Ellectrical Fast Transient）技术、低噪声布线技术及驱动技术和低频时钟技术等。