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嵌入式单片机阅读:326

    嵌入式单片机单片机 的供应商,即嵌入式微控制器微控制器 的供应商,指以微控制器控制器 的供应商为核心控制单元的嵌入到对象体系中的专用计算机系统,是应用十分广泛的一种嵌入式系统结构。

基本概念

    无论是嵌入式系统还是单片机都是长时间以来科技领域大家关注的焦点,也是推动科技发展、提高生活水平的科技产品。嵌入式单片机即指以微控制器为核心的嵌入式系统。
    嵌入式系统
    嵌入式系统,广义上指任何一个包括可编程计算机的设备,且为专用系统。这是相对通用计算机(如个人电脑)来说的;
    国际电气和电子工程师协会(IEEE)定义,嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”(英文原文:devices used to control, monitor, or assist the operation equipment, machinery or plants)。
    普遍认可的一种定义是:以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁减,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗的严格要求的专用计算机系统。
    简单来说,嵌入式系统就是以各种形态嵌入到对象体系中的专用计算机系统。
    单片机
    单片机,即微控制器(Microcontroller),是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。
    嵌入式单片机
    嵌入式单片机本质上是单片机,即用于嵌入式系统的单片机。

发展历史

    现代计算机发展史
    1.始于微型机时代的嵌入式应用
    电子数字计算机诞生于1946年,在其后漫长的历史进程中,计算机始终是供养在特殊的机房中,实现数值计算的大型昂贵设备。直到20世纪70年代,微处理器的出现,计算机才出现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性特点,迅速走出机房;基于高速数值解算能力的微型机,表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣,要求将微型机嵌入到一个对象体系中,实现对象体系的智能化控制。例如,将微型计算机经电气加固、机械加固,并配置各种外围接口电路,安装到大型舰船中构成自动驾驶仪或轮机状态监测系统。这样一来,计算机便失去了原来的形态与通用的计算机功能。为了区别于原有的通用计算机系统,把嵌入到对象体系中,实现对象体系智能化控制的计算机,称作嵌入式计算机系统。因此,嵌入式系统诞生于微型机时代,嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去,这些是理解嵌入式系统的基本出发点。
    2.现代计算机技术的两大分支
    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。通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算;技术发展方向是总线速度的无限提升,存储容量的无限扩大。而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力;技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。
    早期,人们勉为其难地将通用计算机系统进行改装,在大型设备中实现嵌入式应用。然而,对于众多的对象系统(如家用电器、仪器仪表、工控单元……),无法嵌入通用计算机系统,况且嵌入式系统与通用计算机系统的技术发展方向完全不同,因此,必须独立地发展通用计算机系统与嵌入式计算机系统,这就形成了现代计算机技术发展的两大分支。
    如果说微型机的出现,使计算机进入到现代计算机发展阶段,那么嵌入式计算机系统的诞生,则标志了计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系统两大分支并行发展时代,从而导致20世纪末,计算机的高速发展时期。
    3.两大分支发展的里程碑事件
    通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展,导致20世纪末、21世纪初,计算机技术的飞速发展。计算机专业领域集中精力发展通用计算机系统的软、硬件技术,不必兼顾嵌入式应用要求,通用微处理器迅速从286、386、486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到尽善尽美阶段。
    嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路,这条独立发展的道路就是单芯片化道路。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士,接过起源于计算机领域的嵌入式系统,承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务,迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。
    因此,现代计算机技术发展的两大分支的里程碑意义在于:它不仅形成了计算机发展的专业化分工,而且将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领域,使计算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具。
    嵌入式系统独立发展史
    1.单片机开创了嵌入式系统独立发展道路
    嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代,然而,微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求,因此,嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上,从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。
    在探索单片机的发展道路时,有过两种模式,即“Σ模式”与“创新模式”。“Σ模式”本质上是通用计算机直接芯片化的模式,它将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪后,集成在一个芯片上,构成单片微型计算机;“创新模式”则完全按嵌入式应用要求设计全新的,满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入式系统(单片微型计算机)。MCS-51是在MCS-48探索基础上,进行全面完善的嵌入式系统。历史证明,“创新模式”是嵌入式系统独立发展的正确道路,MCS-51的体系结构也因此成为单片嵌入式系统的典型结构体系。
    2.单片机的技术发展史
    单片机诞生于20世纪70年代末,经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。
    1.SCM即单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)阶段,主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功,奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上,Intel公司功不可没。
    2.MCU即微控制器(Micro Controller Unit)阶段,主要的技术发展方向是:不断扩展满足嵌入式应用时,对象系统要求的各种外围电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关,因此,发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看,Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面,最著名的厂家当数Philips公司。
    Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势,将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此,当我们回顾嵌入式系统发展道路时,不要忘记Intel和Philips的历史功绩。
    3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路,向MCU阶段发展的重要因素,就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决;因此,专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展,基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此,对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

特点和组成

    嵌入式单片机本质上是单片机,目的是构成嵌入式系统,所以其组成和特点遵循单片机和嵌入式系统的组成和特点。
    单片机的特点
    单片机就是微控制器,其特点主要有:
    ①以控制为主要目的;
    ②集成度高,体积小,可靠性高;
    ③工作电压低,功耗低,待机时间长;
    ④扩展度高,组成灵活;
    ⑤成本低,性价比高。
    单片机的架构
    单片机的组成架构灵活,一般主要包含:运算器、控制器、存储器、输入输出设备等。
    体系结构分为冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构。
    硬件结构主要由处理器、数据储存器、程序储存器、定时器/计数器、串并行接口等。
    嵌入式系统的特点
    按照历史性、本质性、普遍性要求,嵌入式系统应定义为:“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。
    嵌入式系统的特点可以由定义中的三个基本要素衍生而来。
    ①与“嵌入性”的相关特点:由于是嵌入到对象系统中,必须满足对象系统的环境要求,如物理环境(小型)、电气/气氛环境(可靠)、成本(价廉)等要求。
    ②与“专用性”的相关特点:软、硬件的裁剪性;满足对象要求的最小软、硬件配置等。
    ③与“计算机系统”的相关特点:嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统,并且必须配置有与对象系统相适应的接口电路。
    也可以总结为:实时性、多速率、可剪裁、低功耗、低成本、环境相关等。
    另外,在理解嵌入式系统定义时,不要与嵌入式设备相混淆。嵌入式设备是指内部有嵌入式系统的产品、设备,例如,内含单片机的家用电器、仪器仪表、工控单元、机器人、手机、PDA等。
    嵌入式系统的分类
    嵌入式系统按形态可分为设备级(工控机)、板级(单板、模块)、芯片级(MCU、SoC)。
    嵌入式系统按功用分可为工业用、商业用、军用、民用等,不同的使用环境对嵌入式系统的要求也是不一样的。
    嵌入式系统典型处理器
    ARM处理器
    ARM处理器由全球领先的32位RISC微处理器知识产权(IP)供应商ARM公司研发,其主要特点为:体积小、低功耗、成本低、性能高、16/32位双指令集、市场份额大。
    MIPS处理器
    MIPS处理器由设计和制造高性能、高档32/64位处理器的MIPS技术公司研发,其主要研发重心在嵌入式系统上。其主要特点是高性能、定位广、64位指令集。
    PowerPC处理器
    PowerPC是摩托罗拉公司和IBM公司联合为苹果公司开发的处理器芯片,其特点是可伸缩性好、灵活度高、应用广泛。
    Intel Atom处理器
    由英特尔公司研发,特点是低功耗、体积小、处理能力强,详见(Atom处理器)。
    嵌入式系统组成
    主要由硬件、软件和相应开发工具与开发系统组成。
    硬件包括嵌入式核心芯片、储存器系统和外部接口。
    软件包括操作系统和应用软件。

应用模式

    嵌入式系统的嵌入式应用特点,决定了它的多学科交叉特点。作为计算机的内含,要求计算机领域人员介入其体系结构、软件技术、工程应用方面的研究。然而,了解对象系统的控制要求,实现系统控制模式必须具备对象领域的专业知识。因此,从嵌入式系统发展的历史过程,以及嵌入式应用的多样性中,可以了解到客观上形成的两种应用模式。
    1.客观存在的两种应用模式
    嵌入式计算机系统起源于微型机时代,但很快就进入到独立发展的单片机时代。在单片机时代,嵌入式系统以器件形态迅速进入到传统电子技术领域中,以电子技术应用工程师为主体,实现传统电子系统的智能化,而计算机专业队伍并没有真正进入单片机应用领域。因此,电子技术应用工程师以自己习惯性的电子技术应用模式,从事单片机的应用开发。这种应用模式最重要的特点是:软、硬件的底层性和随意性;对象系统专业技术的密切相关性;缺少计算机工程设计方法。
    虽然在单片机时代,计算机专业淡出了嵌入式系统领域,但随着后PC时代的到来,网络、通信技术得以发展;同时,嵌入式系统软、硬件技术有了很大的提升,为计算机专业人士介入嵌入式系统应用开辟了广阔天地。计算机专业人士的介入,形成的计算机应用模式带有明显的计算机的工程应用特点,即基于嵌入式系统软、硬件平台,以网络、通信为主的非嵌入式底层应用。
    2.两种应用模式的并存与互补
    由于嵌入式系统最大、最广、最底层的应用是传统电子技术领域的智能化改造,因此,以通晓对象专业的电子技术队伍为主,用最少的嵌入式系统软、硬件开销,以8位机为主,带有浓重的电子系统设计色彩的电子系统应用模式会长期存在下去。
    另外,计算机专业人士会愈来愈多地介入嵌入式系统应用,但囿于对象专业知识的隔阂,其应用领域会集中在网络、通信、多媒体、商务电子等方面,不可能替代原来电子工程师在控制、仪器仪表、机械电子等方面的嵌入式应用。因此,客观存在的两种应用模式会长期并存下去,在不同的领域中相互补充。电子系统设计模式应从计算机应用设计模式中,学习计算机工程方法和嵌入式系统软件技术;计算机应用设计模式应从电子系统设计模式中,了解嵌入式系统应用的电路系统特性、基本的外围电路设计方法和对象系统的基本要求等。
    3.嵌入式系统应用的高低端
    由于嵌入式系统有过很长的一段单片机的独立发展道路,大多是基于8位单片机,实现最底层的嵌入式系统应用,带有明显的电子系统设计模式特点。大多数从事单片机应用开发人员,都是对象系统领域中的电子系统工程师,加之单片机的出现,立即脱离了计算机专业领域,以“智能化”器件身份进入电子系统领域,没有带入“嵌入式系统”概念。因此,不少从事单片机应用的人,不了解单片机与嵌入式系统的关系,在谈到“嵌入式系统”领域时,往往理解成计算机专业领域的,基于32位嵌入式处理器,从事网络、通信、多媒体等的应用。这样,“单片机”与“嵌入式系统”形成了嵌入式系统中常见的两个独立的名词。但由于“单片机”是典型的、独立发展起来的嵌入式系统,从学科建设的角度出发,应该把它统一成“嵌入式系统”。考虑到原来单片机的电子系统底层应用特点,可以把嵌入式系统应用分成高端与低端,把原来的单片机应用理解成嵌入式系统的低端应用,含义为它的底层性以及与对象系统的紧耦合。

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