1.1.4 单片机的发展趋势

纵观30多年的发展过程，单片嵌入式系统的核心——单片机，正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强I/O功能等方向发展。其进一步的发展趋势是多方面的。

（1）全盘互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）化。CMOS电路具有许多优点，如极宽的工作电压范围、极佳的低功耗及功耗管理特性等。CMOS化已成为目前单片机及其外围器件流行的趋势。

（2）采用精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）体系结构。早期的单片机大多采用CISC体系结构，指令复杂，指令代码、周期数不统一，指令运行很难实现流水线操作，大大阻碍了运行速度的提高。如MCS-51系列单片机，当外部时钟频率为12MHz时，其单周期指令运行速度仅为1MIPS。采用RISC体系结构和精简指令后，单片机的指令绝大部分成为单周期指令，而通过增加程序存储器的指令宽度（如从8位增加到16位），实现了一个地址单元存放一条指令。在这种体系结构中，很容易实现并行流水线操作，可大大提高指令运行速度。目前，一些RISC体系结构的单片机，如美国爱特梅尔半导体（Atmel）公司的AVR系列单片机已实现了在一个时钟周期执行一条指令。与MCS-51相比，在相同的12MHz外部时钟频率下，单周期指令运行速度可达12MIPS，一方面可获得很高的指令运行速度；另一方面，在相同的运行速度下，可大大降低时钟频率，有利于获得良好的电磁兼容效果。

（3）多功能集成化。单片机在内部已集成了越来越多的部件，如定时器/计数器、模拟比较器、模数转换器、模数转换器、串行通信接口、WDT、LCD控制器等。还有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块CAN总线。为了能在变频控制中方便地使用单片机，需形成最具经济效益的嵌入式控制系统。有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制电路。

（4）片内存储器的改进与发展。目前新型的单片机一般在片内集成两种类型的存储器：静态随机存储器（Static Random Access Memory，SRAM），作为临时数据存储器存放工作数据；只读存储器ROM，作为程序存储器存放系统控制程序和固定不变的数据。片内存储器的改进与发展的方向是扩大容量、加强ROM数据的易写和保密等特性。一般新型的单片机在片内集成的SRAM的容量在128B～1KB，ROM的容量一般为4KB～8KB。为了适应网络、音视频等高端产品的需要，单片机在片内集成了更大容量的RAM和ROM，如Atmel公司的ATmega16，片内的SRAM为1KB，FlashROM为16KB。而该系列的高端产品ATmega256片内集成了8KB的SRAM，256KB的FlashROM和4KB的EEPROM。

● 片内程序存储器由EPROM型向FlashROM型发展。早期的单片机在片内往往没有程序存储器或片内集成EPROM型的程序存储器。将程序存储器集成在单片机内可以大大提高单片机的抗干扰性能、提高程序的保密性、减少硬件设计的复杂性等，因此片内程序存储器已成为新型单片机的标准方式。但由于EPROM需要使用12V电压编程写入，具有紫外线擦除、重写入次数有限等特点，给使用带来了不便。新型的单片机则采用FlashROM、MaskROM、OTPROM作为片内的程序存储器。FlashROM在常用电压（如5V/3V）下就可以实现编程写入和擦除操作，重写次数在10 000次以上，并可实现在线系统可编程（In System Programmable，ISP）技术的优点，为使用带来极大的方便。采用MaskROM的微控制器称为掩模芯片，它是在芯片制造过程中就将程序“写入”了，并且永远不能改写。采用OTPROM的微控制器，其芯片出厂时片内的程序存储器是“空的”，它允许用户将自己编写好的程序一次性地编程写入，之后便再也无法修改了。后两种类型的单片机适合大批量产品生产，而前两种类型的微控制器适合产品的设计开发、批量生产以及学习培训的应用。

● 程序保密化。一个单片嵌入式系统的系统程序是系统的最重要的部分，是知识产权保护的核心。为了防止片内的程序被非法读出并复制，新型的单片机往往对片内的程序存储器采用加锁保密措施。系统程序编程写入片内的程序存储器后，可以再对加密保护单元编程，给芯片加锁。加锁加密后，从芯片的外部无法读取片内的系统程序代码，若将加密单元擦除，则片内的程序同时被擦除，这样便达到了程序保密的目的。

（5）ISP、IAP及基于ISP、IAP技术的开发和应用。微控制器在片内集成EEPROM、FlashROM的发展，导致了ISP技术在单片机中的应用。首先实现了系统程序的串行编程写入（下载），使得我们不必将焊接在印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）上的芯片取下，就可直接将程序下载到单片机的程序存储器，淘汰了专用的程序下载写入设备。其次，基于ISP技术的实现，模拟仿真开发技术重新兴起。在单时钟、单指令运行的RISC结构的单片机中，可实现PC通过串行电缆对目标系统进行在线仿真调试。在ISP技术应用的基础上，又发展了在线程序可编程（In Application Programmable，IAP）技术，也称在线应用可编程技术。利用IAP技术，可实现用户随时根据需要在线对原有的系统方便地更新软件、修改软件，还能实现对系统软件的远程诊断、远程调试和远程更新。

（6）实现全面功耗管理。采用CMOS工艺后，单片机具有极佳的低功耗和功耗管理功能。它包括以下几个方面。

● 传统的CMOS单片机的低功耗运行方式，即闲置方式（Idle Mode）、掉电方式（Power Down Mode）。

● 双时钟技术。配置有高速（主）和低速（子）两个时钟系统。在不需要高速运行时，则转入低速时钟系统的控制下，以节省功耗。

● 片内外围电路的电源管理。对集成在片内的外围接口电路实行供电管理，当该外围电路不运行时，关闭其供电。

● 低电压节能技术。CMOS电路的功耗与电源电压有关，降低系统的供电电压，能大幅度降低器件的功耗。新型的单片机往往具有宽电压（3V～5V）或低电压（3V）运行的特点。低电压、低功耗是手持便携式系统重要的追求目标，也是绿色电子的发展方向。

（7）以串行总线方式为主的外围扩展。目前，单片机与外围器件接口技术发展的一个重要方向是由并行外围总线接口向串行外围总线接口的发展。采用串行总线方式为主的外围扩展技术具有方便、灵活、电路系统简单、占用I/O资源少等特点。虽然采用串行接口比采用并行接口数据传输速度慢，但随着半导体集成电路技术的发展，大批采用标准串行总线通信协议（如SPI、I2C、1-Wire等）的外围芯片器件的出现，串行传输速度不断提高（可达到1Mbit/s～10Mbit/s的速率），可片内集成程序存储器而不必外部并行扩展程序存储器，加上单片嵌入式系统有限速的要求，使得以串行总线方式为主的外围扩展方式能够满足大多数系统的需求，从而成为流行的扩展方式，而采用并行接口的扩展技术成为辅助方式。

（8）单片机向单片系统的发展。单片系统（System on a Chip，SoC）是一种高度集成化、固件化的芯片级集成技术，其核心思想是把除了无法集成的某些外部电路和机械部分之外的所有电子系统等电路全部集成在一片芯片。现在，一些新型的单片机（如AVR系列单片机）已经具有SoC的雏形，在一片芯片集成了各种类型和更大容量的存储器、更多性能更加完善和强大的功能电路接口，这使得原来需要几片甚至十几片芯片组成的系统，现在只用一片芯片就可以实现。其优点是不仅减小了系统的体积和降低了成本，而且大大提高了系统硬件的可靠性和稳定性。