嵌入式系统与单片机的应用技术

微课：单片机分类及应用

自1946年计算机诞生以来，它始终是用于实现数值计算的大型设备。直到20世纪70年代，微处理器的出现，才使得计算机技术的发展有了历史性的变化。人们以应用为中心，将微型计算机嵌入到一个应用对象体系中，以实现对象智能化控制的要求。这样的计算机就有别于通用的计算机系统，它失去了通用计算机的标准形态和功能。这种以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，针对具体应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统被称为嵌入式系统。

由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。通用计算机的微处理器迅速从286、386、486发展到奔腾系列，操作系统则迅速扩张计算机基于高速海量的数据文件处理能力，使通用计算机系统进入尽善尽美阶段。而嵌入式计算机则走上了芯片化道路，它完全按照嵌入式应用要求设计全新的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式，将计算机做在一个芯片上，这就是嵌入式系统独立发展的单片机时代。随着微电子工艺水平的提高，其后发展的产品DSP迅速提升了嵌入式系统的技术水平，使嵌入式系统无处不在。

今天，嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上PDA、移动计算设备、电视机顶盒、手机、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数码相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、工业自动化仪表与医疗仪器等。

简单地说，一个嵌入式系统就是一个硬件和软件的集合体。硬件包括嵌入式处理器、存储器及外部设备器件、输入/输出端口、图形控制器等；软件包括操作系统和应用程序。

嵌入式系统的核心就是嵌入式处理器。嵌入式处理器对实时和多任务有很强的支持能力、对存储区的保护功能强、具有可扩展的处理器结构及低功耗等特点。据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 000种，流行的体系结构有30多个系列。其中8051体系占多一半，生产这种单片机的半导体厂家有20多个，共有350多种衍生产品，仅Philips公司就有近100种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器。

嵌入式处理器可分成下面几类。

（1）嵌入式微处理器(www.xing528.com)

嵌入式微处理器（Embedded Micro Processor Unit，EMPU）采用“增强型”通用微处理器。对工作温度、电磁兼容性以及可靠性方面的要求较高，在功能方面与标准的微处理器基本上是一样的。嵌入式微处理器组成的系统将嵌入式微处理器及其存储器、总线、外部设备等安装在一块电路主板上，具有体积小、质量轻、成本低、可靠性高的优点，但系统的技术保密性较差。嵌入式微处理器目前主要有80X86系列、Power PC系列及68 000系列等。

（2）微控制器

微控制器（Micro Controller Unit，MCU）又称单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。微控制器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了ROM、EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O口、串行口、脉宽调制输出、A-D、D-A、Flash ROM、E2PROM等各种必要的功能部件和外部设备。为适应不同的应用需求，可对功能的设置和外部设备的配置进行必要的修改和裁减定制。和嵌入式微处理器相比，微控制器使应用系统的体积大大减小、功耗和成本大幅下降、可靠性提高，使得微控制器成为嵌入式系统应用的主流。目前MCU约占嵌入式系统市场份额的70%。最典型的就是MCS-51系列产品。

（3）嵌入式DSP处理器

由于实际应用中对数字信号进行处理的要求，使DSP算法被大量应用于嵌入式系统。DSP应用从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。DSP处理器在系统结构和指令等方面进行了特殊设计，使之更适用于运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多的场合。EDSP（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）处理器比较有代表性的产品是TI公司的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。

（4）片上系统

随着EDA的推广和VLSI设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现一个更为复杂的系统，这就产生了SoC（System on Chip，SoC）技术。除了某些无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简单，对于减小整个应用系统的体积和功耗、提高可靠性非常有利。流行的SoC有Cirrus Logic公司的Maverick系列——EP7312和EP9312，Motorola公司的MC9328MX1，Intel公司的Strong ARM及TI公司的OMAP等。