探密嵌入式系統核心組件單片機

摘要：計算機系統、單片機和嵌入式系統的相繼出現說明電子系統和計算機技術的迅猛發展，對單片機名詞進行解釋同時闡述了單片機發展階段，對嵌入式系統做了概述性說明，在此基礎上對單片機及嵌入式系統的辯證關系進行分析和解密。

關鍵詞：單片機 嵌入式系統 關系

1 單片機名稱淺析

單片機，又稱“微控制器”、 “單片微控制器”、“單片微型計算機”、“嵌入式微控制器”，英文縮寫MCU，全稱為Micro Controller Unit，隸屬嵌入式計算機范疇，是嵌入式系統的核心組件，具有高性價比、體積小巧、可靠性好、控制能力強、功率消耗低等諸多優點。其應用范圍已涵蓋了工業、農業、國防、科研、民生等多個領域，為三次產業結構下的各行業技術升級和改造以及自動化進程產生了巨大的推動力。

單片機早期英文稱法為“Single Chip Microcomputer”，縮寫為SCM。后隨著單片機技術的日益完善和進步，其體系結構及功能不斷擴展，SCM增加了控制模塊，該模塊成為了現今單片機的主要部件，由此出現MCU的提法并一舉取代了原有稱謂。MCU的確切中文翻譯為微控制器，但單片機一詞早已在我國業界留下了不可磨滅的印記，國內對MCU的翻譯仍然約定俗成地保留了單片機這一術語并沿用至今。

2 單片機發展簡史

1976年，8位單片機首次公開于世，世界由此進入了單片機時代。可以說，8位單片機的出現，是單片機時代的歷史原點。單片機在歷史上可分為以下幾個發展階段。

2.1 探索階段。此階段主要任務是對單芯片集成技術的探索和研究，在工控領域，由Intel、Motorola、Zilog等公司合作推出了首款用于專業工控的MCS-48系列單片機，標志著單片微型計算機正式誕生，并出現了SCM專業術語。

2.2 完善階段。此階段Intel公司完善了早期產品MCS-48系列并推出了更具時代意義和代表性的結構完善的MCS-51系列單片機，采用了通用總線技術從而形成了通用總線型單片機體系結構。

2.3 轉型階段。此階段測控系統所要求的控制能力越來越高，之前只具備處理能力的單片機在功能上愈發顯得捉襟見肘，MCS-51系列中的8051單片機通過外圍電路與接口電路增加了控制模塊，具備了智能化控制能力，單片機的微控制器特征漸漸顯現。

2.4 成熟階段。此階段單片機的研制和生產已形成產業化態勢，在原來8位單片機的基礎上又出現了高速、大尋址范圍、強運算能力的16位、32位通用型單片機及各種性價比極高的小型專用單片機。從此高集成度的成熟技術推動著單片機進一步朝向低功耗、小體積、大容量、高性能、高可靠性、低成本及混合信號集成化發展。

3 嵌入式系統概述

微型計算機發展至今已步入了通用計算機與嵌入式計算機兩大分支并行發展的時代。嵌入式計算機的出現標志著嵌入式系統的產生，嵌入式系統與嵌入式技術如今早已融入社會生產、生活的各個方面。

嵌入式系統全稱為“嵌入式計算機系統”，與通用計算機系統不同的只是基于嵌入式的存在而異構的軟/硬件系統。完整的嵌入式系統融合了計算機技術、半導體工藝和電子技術等先進科技，這些技術與不同行業具體應用相結合，形成了面向產品、面向實際應用的嵌入式系統，這種系統通常被要求具有較高的可靠性和穩定性。嵌入式系統的定義概括了其基本的三個特征：嵌入性、專用性、基于計算機系統。顯然，只要具備了這三個特征的電子元器件，就可被稱為嵌入式系統。單片機恰恰成為了嵌入式系統的典型核心組件。

4 單片機與嵌入式系統的辯證關系分析

一個完整的嵌入式系統通常是由嵌入式計算機、外設、操作系統（支持嵌入式應用）及應用軟件構成。其中，嵌入式計算機是整個系統的核心，是軟/硬件系統高度專業化特殊定制的專用計算機，其核心部件即為嵌入式處理器。

目前成型的嵌入式處理器主要有：嵌入式微處理器、微控制器、嵌入式DSP處理器、嵌入式片上系統、片上可編程系統，其中的微控制器即為單片機。上述五種分類根據嵌入式計算機的應用領域及專業化特殊性要求而只選擇其中一種作為嵌入式處理器置于嵌入式計算機中，從而構成嵌入式系統核心組件。單片機是采用超大規模集成電路技術把完整的計算機系統集成到一個芯片上，一個芯片相當于一臺沒有I/O設備的微型計算機。在現代人類生產、生活中所用到的電子和機械產品中幾乎全部集成有單片機，單片機應用已滲透入社會中的各個領域，例如導彈導航裝置、飛機儀表控制、計算機網絡通信與數據傳輸、工業自動化控制及數據處理、智能KC卡、高級汽車的安全保障系統、錄像機、攝像機、VCD、DVD、全自動洗衣機、遙控玩具、電子寵物等等。單片機應用主要分布在智能儀器、工業控制、家用電器、網絡和通信、醫用設備、模塊化系統、汽車電子等幾個領域。因此單片機相比其他四種嵌入式處理器而言具有更加廣泛的普適性和應用范圍，單片機也由此成為了嵌入式系統的核心的核心。

所以，從辯證關系上看，單片機和整個嵌入式系統并不是等同關系，前者只是后者極為重要的一種核心組件。嵌入式系統通常也會如單片機一般被高度集成到一塊芯片上，二者從外觀上并不會看出有什么不同，但單片機與嵌入式系統最本質的區別就在于操作系統的有無。嵌入式系統是包含操作系統的，而當一個處理芯片沒有嵌入操作系統，我們就把它稱為單片機。單片機的編程就是寫裸板程序，編好的程序直接在芯片板上運行。與此相反，嵌入式系統中的編程則是基于操作系統的程序設計過程，嵌入式系統中的程序可以通過統一的借口調用“別人寫好的代碼”，在“別人的基礎上”更快捷地實現自己的功能。

因為操作系統的存在與否導致單片機與嵌入式系統在驅動程序開發上也存在顯著差別：嵌入式系統可以借用已有的驅動資源或者在類似的驅動程序基礎上進行修改；而單片機卻只能在深入了解設備手冊之后從零開始構造驅動運行環境，才能實現各種函數功能以供應用程序調用。再者，雖然一些單片機廠家提供了大量的驅動程序，但因不同單片機芯片接口不一樣而導致驅動無法通用，而基于操作系統的驅動程序因為要遵循統一的接口而讓嵌入式系統避免了此類困擾。

單片機在應用程序開發時，其應用程序和驅動程序之間的間隔并不明顯，這就要求開發者掌握一定的硬件知識，同時可供借用的軟件資源稀缺，而且應用程序中每個任務都是串行執行的，一旦發生程序錯誤，整個軟件系統都會崩潰。與之相反，一個完整的嵌入式系統中的應用編程，不需要懂得硬件知識，同時可從互聯網上找到各種源代碼開放的軟件資源拿來借鑒，而且基于操作系統的應用程序中任務是并行執行的，即使發生程序錯誤，操作系統本身也不會崩潰。

5 嵌入式系統核心解密

嵌入式系統起源于Microcomputer的分支發展，在Single Chip的思想下開創了嵌入式系統獨立發展的MCU時代。單片機的探索研究軌跡中應用過“∑模式”與“創新模式”。兩種模式分別造就了今天的MCU與Embedded System。可以說，單片機是嵌入式系統發展過程中的一個獨立分支，專業單片機的發展自然形成了SoC化趨勢，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應用系統。

嵌入式系統在單片機時代形成了電子系統設計模式，此時主要是基于8位單片機，實現最底層的嵌入式系統應用。隨著后PC時代的到來，嵌入式系統在電子系統設計模式基礎上形成了計算機工程設計模式。兩種應用模式的并存與互補，導致了“單片機”與“嵌入式系統”兩個獨立的名稱出現。實際上，我們可以將單片機理解為一種典型的、獨立發展起來的嵌入式系統，在學科建設層面，建設將二者統一成“嵌入式系統”。如果要考慮電子系統設計模式下單片機應用特點，還可以把單片機應用理解成嵌入式系統的低端應用，單片機也就成了不含操作系統的嵌入式系統，此時的單片機，充分展現出嵌入式系統的底層特性以及與對象系統的緊耦合關系。

參考文獻：

[1]張迎新.單片機（微控制器）原理及應用[M].北京：高等教育出版社，2009.