單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80年代，由當(dāng)時(shí)的4位、8位單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機(jī)。

　　單片機(jī)(Microcontrollers)作為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支領(lǐng)域，根據(jù)發(fā)展情況，從不同角度，單片機(jī)大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。

　　1.通用型

　　這是按單片機(jī)(Microcontrollers)適用范圍來區(qū)分的。例如，80C51式通用型單片機(jī)，它不是為某種專門用途設(shè)計(jì)的；專用型單片機(jī)是針對(duì)一類產(chǎn)品甚至某一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，例如為了滿足電子體溫計(jì)的要求，在片內(nèi)集成ADC接口等功能的溫度測(cè)量控制電路。

　　2.總線型

　　這是按單片機(jī)(Microcontrollers)是否提供并行總線來區(qū)分的?？偩€型單片機(jī)普遍設(shè)置有并行地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以擴(kuò)展并行外圍器件都可通過串行口與單片機(jī)連接，另外，許多單片機(jī)已把所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成一片內(nèi)，因此在許多情況下可以不要并行擴(kuò)展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機(jī)稱為非總線型單片機(jī)。

　　3.控制型

　　這是按照單片機(jī)(Microcontrollers)大致應(yīng)用的領(lǐng)域進(jìn)行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運(yùn)算能力強(qiáng)；用于家電的單片機(jī)多為專用型，通常是小封裝、低價(jià)格，外圍器件和外設(shè)接口集成度高。顯然，上述分類并不是惟一的和嚴(yán)格的。例如，80C51類單片機(jī)既是通用型又是總線型，還可以作工控用。

　　單片機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段。

　　1.SCM即單片微型計(jì)算機(jī)(SingleChipMicrocomputer)階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。“創(chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計(jì)算機(jī)完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展道路上，Intel公司功不可沒。

　　2.MCU即微控制器(MicroControllerUnit)階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時(shí)，對(duì)象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對(duì)象的智能化控制能力。它所涉及的領(lǐng)域都與對(duì)象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展MCU方面，最著名的廠家當(dāng)數(shù)Philips公司。

　　Philips公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢(shì)，將MCS-51從單片微型計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展到微控制器。因此，當(dāng)我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時(shí)，不要忘記Intel和Philips的歷史功績(jī)。

　　3.單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了SoC化趨勢(shì)。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計(jì)、EDA工具的發(fā)展，基于SoC的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)有較大的發(fā)展。因此，對(duì)單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。

　　(一)工業(yè)應(yīng)用

　　1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如今已成為一門專業(yè)，它可以將獲取的溫度、壓力、位移、流量、速度等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而可進(jìn)行存儲(chǔ)、刪除、修改、查詢等操作，整個(gè)過程精度高、可靠性強(qiáng)、速度快。

　　2.煤礦電氣自動(dòng)化

　　礦井自動(dòng)抄表系統(tǒng)是通過智能集中器實(shí)現(xiàn)的，它可以在供電和斷電情況下進(jìn)行遠(yuǎn)程智能抄表，提升了抄表效率。單片機(jī)在煤礦電氣自動(dòng)化中還有一種典型的應(yīng)用就是漏電保護(hù)裝置。井下作業(yè)最重要的就是安全性，低壓漏電保護(hù)措施的實(shí)現(xiàn)使安全問題很大程度上得到了妥善解決。比如：基于單片機(jī)的鋼絲繩監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)傳輸、處理、控制顯示等功能。

　　3.機(jī)車檢測(cè)

　　單片機(jī)在機(jī)車檢測(cè)中的具體應(yīng)用有測(cè)溫線路檢測(cè)儀、機(jī)車速度信號(hào)模擬裝置、機(jī)車功率油耗檢測(cè)儀、機(jī)車負(fù)載實(shí)驗(yàn)微機(jī)監(jiān)測(cè)裝置、輔助交流電源漏電流檢測(cè)保護(hù)裝置等。這些儀器的應(yīng)用可以輕松排除故障、隨機(jī)記錄油耗，節(jié)省人力、物力和時(shí)間。

　　4.汽車應(yīng)用

　　單片機(jī)在汽車領(lǐng)域的專業(yè)應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，汽車內(nèi)部甚至就是多種單片機(jī)的組合。從點(diǎn)火系統(tǒng)、行車電腦、車內(nèi)空調(diào)到倒車?yán)走_(dá)、汽車導(dǎo)航再到安全氣囊、防抱死系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)等，都離不開單片機(jī)。未來汽車隨著單片機(jī)的發(fā)展也將會(huì)越來越智能、越來越安全。

　　(二)家庭應(yīng)用

　　1.家用電器

　　家用電器是單片機(jī)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一，它就像家用電器的智能大腦和心臟一樣，電磁爐、電冰箱、洗衣機(jī)、電飯煲、電動(dòng)窗簾等里面都有鑲嵌的單片機(jī)。拿全自動(dòng)洗衣機(jī)來說，在微處理器的實(shí)時(shí)控制下，它們可以輕松實(shí)現(xiàn)洗滌、烘干、除菌等功能的切換。

　　2.智能家具

　　智能家具是可以接收人們相關(guān)命令，經(jīng)過判斷后進(jìn)行酌情處理的家庭用具，如德國(guó)等國(guó)家開發(fā)的智能書架、智能藥品柜、智能沙發(fā)、智能桌子、智能嬰兒床等等。本文以智能嬰兒床為例來憧憬一下未來單片機(jī)的完美應(yīng)用：床內(nèi)燈光亮度適中，寶寶呼吸著經(jīng)過智能床調(diào)節(jié)的綠色無污染空氣，醒后嬰兒床可以根據(jù)其哭聲喚來家長(zhǎng)或監(jiān)護(hù)人，吃飽喝足后智能嬰兒床可以跟寶寶進(jìn)行簡(jiǎn)單的溝通，還可以根據(jù)寶寶的心情為寶寶播放調(diào)節(jié)心情的音樂，也可根據(jù)寶寶的身體成長(zhǎng)速度調(diào)節(jié)床的長(zhǎng)度和寬度。智能嬰兒床更像是寶寶的朋友一樣，陪伴寶寶的成長(zhǎng)。

　　(三)基于TcP／IP網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)的應(yīng)用

　　TCP／IP協(xié)議應(yīng)用比較廣泛。在TCP／IP協(xié)議下，使用單片機(jī)TCP／IP協(xié)議棧進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，它們?yōu)橛脩籼峁┝松蠈咏涌诤拖聦咏涌凇Ｉ蠈咏涌诎ǔ跏蓟瘏f(xié)議棧和釋放協(xié)議棧函數(shù)接口、提供API函數(shù)、接受連接、接收數(shù)據(jù)、被動(dòng)關(guān)閉處理等功能。下層接口主要是TCP／IP和硬件的對(duì)接。另外，無線通信是通過電磁波來實(shí)現(xiàn)的，具有容易越過障礙、質(zhì)量高、信號(hào)好的優(yōu)勢(shì)。無線通信的實(shí)現(xiàn)離不開集成度高、功率小的無線數(shù)傳模塊應(yīng)用。

　　(四)防盜應(yīng)用

　　防盜系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，在工廠、路上、家庭、商場(chǎng)等很多地點(diǎn)都裝有防盜系統(tǒng)，這些系統(tǒng)就是建立在單片機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)上的，俗稱“天眼”。通過它們的布置實(shí)施可以防護(hù)安全、管理治安、防賊防盜、抓捕案犯等。

　　1.CPU中央處理器的發(fā)展趨勢(shì)

　　CPU是單片機(jī)的核心，他的功能的發(fā)展與提高，勢(shì)必會(huì)帶動(dòng)單片機(jī)的發(fā)展。作為單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能模塊，CPU中央處理器經(jīng)過了多次的變革和改進(jìn)，以不斷的適應(yīng)數(shù)據(jù)處理要求。一般在改進(jìn)過程中，多是通過拓展總線寬度來實(shí)現(xiàn)。最初的單片機(jī)CPU的總線寬度為8位，之后逐漸演變?yōu)?6位、32位，并仍然在不斷地拓寬。當(dāng)然，提高CPU數(shù)據(jù)處理能力的技術(shù)措施不單單有擴(kuò)寬總線寬度這一種，還可以通過優(yōu)化數(shù)據(jù)總線來實(shí)現(xiàn)。目前單片機(jī)內(nèi)大多數(shù)為單CPU結(jié)構(gòu)，未來單片機(jī)將會(huì)采用雙CPU結(jié)構(gòu)，以提高數(shù)據(jù)處理速度與能力，同時(shí)采用流水線結(jié)構(gòu)，提高處理和運(yùn)算速度，以適應(yīng)實(shí)時(shí)控制和處理的需要。

　　2.單片機(jī)微型化趨勢(shì)

　　微型化是單片機(jī)未來發(fā)展的主要趨勢(shì)，因?yàn)槠湟话愣鄳?yīng)用在系統(tǒng)的各個(gè)獨(dú)立模塊中，若體積過大，則不但會(huì)增大設(shè)備功耗，還可能會(huì)影響其運(yùn)行質(zhì)量。因此必須要盡可能的縮小芯片的體積，并對(duì)其功能模塊進(jìn)行擴(kuò)展，在縮小單片機(jī)體積的同時(shí)最大限度的保障單片機(jī)應(yīng)用功能的綜合性及低功耗優(yōu)勢(shì)得到有效實(shí)現(xiàn)。

　　3.單片機(jī)低功耗下的半導(dǎo)體工藝

　　早期的單片機(jī)如MCS一51系列的8031推出時(shí)的功耗達(dá)630MW，而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在100MW左右，隨著對(duì)單片機(jī)功耗要求越來越低，現(xiàn)在的許多單片機(jī)制造商都采用了CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。CMOS雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點(diǎn)，這些特征，更適合于在要求低功耗象電池供電的應(yīng)用場(chǎng)合。所以這種工藝將是今后一段時(shí)期單片機(jī)發(fā)展的主要途徑。

　　4.單片機(jī)中存儲(chǔ)器的發(fā)展趨勢(shì)

　　在單片機(jī)持續(xù)發(fā)展與優(yōu)化的過程當(dāng)中，閃速存儲(chǔ)器應(yīng)當(dāng)成為單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的最主要選擇。借助于電子技術(shù)所發(fā)揮的度持效用，閃速存儲(chǔ)器能夠在+5V模式下進(jìn)行有效的讀寫操作。一方面保留了靜態(tài)RAM隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在讀寫操作方而的簡(jiǎn)便性優(yōu)勢(shì)，另一方面也使得即便是在整個(gè)運(yùn)行環(huán)境出現(xiàn)掉電狀態(tài)的情況下，存儲(chǔ)器當(dāng)中所存儲(chǔ)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息也不會(huì)發(fā)生丟失問題。單片機(jī)通過應(yīng)用片內(nèi)閃速存儲(chǔ)器的方式，還能夠有效簡(jiǎn)化整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，同時(shí)對(duì)于提高單片機(jī)存儲(chǔ)器容量而言同樣有著重要的意義。