單片微型計(jì)算機(jī)技術(shù)

王仕軒+劉意+丁文林

摘 要：?jiǎn)纹瑱C(jī)（Microcontrollers）是一種當(dāng)今電子產(chǎn)品中應(yīng)用最廣的集成電路芯片之一，是使用大規(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、脈寬調(diào)制器、多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊，相比較之下較為完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：微型計(jì)算機(jī)；單片機(jī)；集成電子芯片

說(shuō)道單片機(jī)，那就不得不提到MCS-51這個(gè)單片機(jī)的型號(hào)了，以它為例：?jiǎn)纹瑱C(jī)中含有CPU、4KB容量的ROM、128B容量的RAM、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、4個(gè)8位并行口這些基本的接口。在這類單片機(jī)中，也具有所有微型計(jì)算機(jī)的共有特性：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，方便實(shí)現(xiàn)模塊化，原件之間的可操作性強(qiáng)；單片機(jī)可靠性以及安全系數(shù)比較高；處理功能強(qiáng)大，速度同比之下快；上電電壓低，低功耗；制作方便，便于生產(chǎn)和攜帶；控制功能強(qiáng)；環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。這些特點(diǎn)，也可說(shuō)是微型計(jì)算機(jī)家族發(fā)展至今，依舊屹立不敗的原因吧。

微型單片機(jī)作為計(jì)算機(jī)發(fā)展領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，我們大致可以將其分為以下幾類：通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。

通用型/專用型：這是按單片機(jī)在實(shí)際領(lǐng)域的適用范圍來(lái)區(qū)分的。例如，89C51是這一類單片機(jī)產(chǎn)品，它不是為某種專用途設(shè)計(jì)的，在許多領(lǐng)域，它都是可以使用的，而專用型單片機(jī)則是針對(duì)一類產(chǎn)品甚至某一個(gè)產(chǎn)品量身定做的，就像你的鑰匙和鎖。

總線型/非總線型：這是按單片機(jī)內(nèi)部是否含有并行總線來(lái)區(qū)分的。總線型單片機(jī)內(nèi)部均設(shè)置了并行地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳通過(guò)串行口與其他類型的單片機(jī)芯片連接，來(lái)達(dá)到擴(kuò)展外圍并行器件的作用，而隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)單片機(jī)的要求越來(lái)越苛刻，要求小，又要要求容量大。因此，許多已知的單片機(jī)在更新?lián)Q代后，都將芯片所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成芯片內(nèi)部，因此就不再依賴并行擴(kuò)展總線，這類單片機(jī)稱為非總線型單片機(jī)。

控制型/家電型：這是按照單片機(jī)大致應(yīng)用的領(lǐng)域進(jìn)行區(qū)分的。對(duì)于尋址范圍大，運(yùn)算能力強(qiáng)的微型計(jì)算機(jī)芯片都是用于工廠控制的；在家用電器中的小封裝、低價(jià)格，外圍器件連接較多和外設(shè)接口集成度高單片機(jī)多為專用型。這個(gè)分類吧，沒(méi)有什么明確的界限，換句話說(shuō)，好的單片機(jī)還是可以完全勝任兩邊的工作。例如，80C51類單片機(jī)。

單片機(jī)誕生于1971年，經(jīng)歷了SCM、MCU、SOC三大階段，早期的SCM單片機(jī)都是8位或4位的。其中在SCM中的領(lǐng)頭羊是INTE8031，該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8004單片機(jī)，后來(lái)隨著Flash Rom技術(shù)的發(fā)展，8004單片機(jī)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，成為應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號(hào)是ATMEL公司的AT89系列，20世紀(jì)90年代后，隨著電子產(chǎn)品的大規(guī)模發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)也進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)期。隨著INTEL i960系列以及ARM系列在電子產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用，我們進(jìn)入了一個(gè)以單片機(jī)硬件為首、軟件為輔的硬件時(shí)代。

在Single Chip Microcomputer（SCM，單片微型計(jì)算機(jī)）階段，設(shè)計(jì)者將精力放在了如何構(gòu)成一個(gè)完美的單片形態(tài)的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最佳結(jié)構(gòu)。Intel公司將其開(kāi)創(chuàng)出來(lái)后，單片機(jī)進(jìn)入了Micro Controller Unit（MCU，微控制器）階段。這時(shí)，設(shè)計(jì)者們開(kāi)始考慮的問(wèn)題就是，在擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用的同時(shí)，系統(tǒng)要求的對(duì)其各種外圍電路與接口電路，實(shí)現(xiàn)了智能化控制，在此時(shí)，Philips公司成了這個(gè)時(shí)期的領(lǐng)路人。在目前System on Chip（SOC，嵌入式系統(tǒng)）這個(gè)階段，設(shè)計(jì)者又需要解決應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上如何最大化的問(wèn)題，因此，單片微型計(jì)算機(jī)又成了單片應(yīng)用系統(tǒng)。

在我們使用單片機(jī)的過(guò)程中，單片機(jī)系統(tǒng)有時(shí)會(huì)因某些原因出現(xiàn)運(yùn)行不正常的情況，這時(shí)，我們就需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位操作分為正常復(fù)位和非正常復(fù)位兩種狀態(tài)，正常復(fù)位就是芯片內(nèi)部程序重新啟動(dòng)，進(jìn)入可以正常工作的狀態(tài)；而非正常復(fù)位就是在不正當(dāng)?shù)臈l件下對(duì)芯片進(jìn)行復(fù)位，這樣的操作有可能造成數(shù)據(jù)的丟失。干擾復(fù)位或掉電后復(fù)位均屬非正常復(fù)位，此時(shí)，芯片需要進(jìn)行故障診斷并需要恢復(fù)至自動(dòng)恢復(fù)非正常復(fù)位前的狀態(tài)。

在程序的執(zhí)行中，如果我們學(xué)過(guò)匯編語(yǔ)言（最接近計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言），就知道其運(yùn)行地址總是從0000H開(kāi)始，這也就會(huì)造成以下幾種情況：A、系統(tǒng)開(kāi)機(jī)上電復(fù)位；B、軟件故障復(fù)位；C、看門狗超時(shí)，未喂狗硬件復(fù)位；D、任務(wù)正在執(zhí)行中掉電后來(lái)電復(fù)位。這幾個(gè)情況中，除系統(tǒng)開(kāi)機(jī)上電復(fù)位外均屬非正常復(fù)位，我們要特別注意。

在對(duì)于某些對(duì)程序執(zhí)行順序有著嚴(yán)格要求的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)是否可以正常復(fù)位，決定了這個(gè)程序的生死，一旦程序出現(xiàn)非正常復(fù)位，系統(tǒng)都需要從失控的那一個(gè)模塊或任務(wù)恢復(fù)運(yùn)行。而在此條件下，系統(tǒng)需要作好重要數(shù)據(jù)單元、參數(shù)的備份工作，這極大地消耗了系統(tǒng)的內(nèi)存。這些操作完畢后，再把復(fù)位前的任務(wù)、參數(shù)、運(yùn)行時(shí)間等恢復(fù)，數(shù)據(jù)恢復(fù)成功，我們才可以再使系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。而在實(shí)際中，恢復(fù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)需要特別細(xì)致地對(duì)系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)加以備份，并需要對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行檢查，以保證恢復(fù)的數(shù)據(jù)的正確性。其次，系統(tǒng)還需要從多內(nèi)部的任務(wù)、多進(jìn)程的測(cè)控、數(shù)據(jù)的恢復(fù)來(lái)考慮程序運(yùn)行的次序問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李群芳，肖看，張士軍.單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)（第4版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[2] 張毅剛，王少軍，付寧.單片機(jī)與接口技術(shù)（第2版）[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[3] 張洪潤(rùn)，孫悅，張亞凡.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.