试论单片机发展历程及技术进步

　　【摘　要】 随着计算机技术的不断发展，计算机形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支，而单片机的出现无疑是这两大分支形成的标志。近几年单片机得到了飞速的发展，单片机最明显的优势就是可以嵌入到各种仪器、设备中。目前大量的嵌入式系统均采用单片机，本文分析了单片机的形成及发展过程以及当前的技术进展，同时分析了影响单片机系统可靠性的原因，并论述提高单片机可靠性的措施。

　　【关键词】 嵌入式计算机系统 单片机 技术进步 可靠性

　　一、单片机的发展历程

　　1946年电子数字计算机诞生，在此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、高可靠性等优势，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。他们将微型机嵌入到一个对象体系中，实现了对象体系的智能化控制。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。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。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、可靠性都无法满足大量的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。芯片化道路即是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。

　　(一)单片机的快速发展

　　单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括地讲，一块芯片就成了一台计算机。它体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。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 (Single Chip Microcomputer) (单片微型计算机)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。

　　2.MCU (Micro Controller Unit)(微控制器)阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展、满足嵌入式应用时，发展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、电子技术厂家肩上。

　　3.SoC (System on Chip)(片上系统)阶段，单片机是嵌入式系统的独立发展之路。向MCU阶段发展的重要推动力，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决;因此，单片专用机的发展自然形成了SoC化趋势。使用SoC技术设计系统的核心思想，就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。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。

　　(二)数字单片机技术的发展

　　1.内部结构的进步。单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，例如定时器、比较器、A/D转换器、D/A转换器、串行通信接口、Watchdog电路、LCD控制器等。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。因此，这类单片机十分容易构成网络。特别是在控制、系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路。特别引人注目的是， 现在有的单片机已采用所谓的三核(TnCore)结构。这是一种建立在系统级芯片(Syste-monachip)概念上的结构。这种单片机由三个核组成： 一个是微控制器和DSP核， 一个是数据和程序存储器核， 最后一个是外围专用集成电路(ASIC)。这种单片机的最大特点在于把DSP和微控制器同时做在一个片上，把它和传统单片机结合集成大大提高了单片机的功能。这是目前单片机最大的进步之一。

　　2.功耗、封装及电源电压的进步。现在新的单片机的功耗越来越小， 特别是很多单片机都设置了多种工作方式， 这些工作方式包括等待、暂停、睡眠、空闲、节电等工作方式。现在单片机的封装水平已大大提高， 随着贴片工艺的出现， 单片机也大量采用了各种符合贴片工艺的封装方式出现，以大量减少体积。扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是当今单片机发展的目标之一。目前，一般单片机都可以在3.3～5.5V的条件下工作。而一些厂家，则生产出可以在2.2～6v的条件下工作的单片机。

　　3.工艺上的进步。现在的单片机基本上采用CMOS技术，但已经大多数采用了0.6? m 以上的光刻工艺，有个别的公司，如Motorola公司则已采用0.35?m甚至是0.25?m技术。这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性.

　　二、单片机应用的可靠性技术发展

　　目前，大量的嵌入式系统均采用了单片机，并且这样的应用正在更进一步扩展;但是多年以来人们一直为单片机系统的可靠性问题所困惑。在一些要求高可靠性的控制系统中，这往往成为限制其应用的主要原因。

　　1.单片机系统的失效分析

　　一个单片机系统的可靠性是其自身软硬件与其所处工作环境综合作用的结果，因此系统的可靠性也应从这两个方面去分析与设计。对于系统自身而言，能不能在保证系统各项功能实现的同时，对系统自身运行过程中出现的各种干扰信号及直接来自于系统外部的干扰信号进行有效的抑制，是决定系统可靠性的关键。有缺陷的系统往往只从逻辑上去保证系统功能的实现，而对于系统运行过程中可能出现的潜在的问题考虑欠缺，采取的措施不足，在干扰信号真正袭来的时候，系统就可能会陷入困境。

　　2. 提高可靠性的措施

　　2.1减少引起系统不可靠或影响系统可靠的外界因素：

　　1) EFT (Ellectrical Fast Transient)技术。EFT技术是一种抗干扰技术，它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时，其波形上会迭加各种毛刺信号，如果使用施密特电路对其整形，则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟，在交替使用施密特电路和RC滤波电路时， 就可以消除这些毛否则令其作用失效，从而保证系统的时钟信号正常工作。

　　2) 低噪声布线技术及驱动技术。在传统的单片机中，电源及地线是在集成电路外壳的对称引脚上，一般是在左上、右下或右上、左下的两对对称点上。这样，就使电源噪声穿过整块芯片，对单片机的内部电路造成干扰。现在，很多单片机都把地和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。这样，不仅降低了穿过整个芯片的电流，而且在印制电路板上容易布置去耦电容，从而降低系统的噪声。现在为了适应各种应用的需要，很多单片机采用"跳变沿软化技术"，从而消除大电流瞬变时产生的噪声。

　　3) 采用低频时钟。高频外时钟是噪声源之一，不仅能对单片机应用系统产生干扰，而且还会对外界电路产生干扰，令电磁兼容性不能满足要求。对于要求可靠性较高的系统，低频外时钟有利于降低系统的噪声。在一些单片机中采用内部琐相环技术，则在外部时钟较低时，也能产生较高的内部总线速度，从而保证了速度又降低了噪声。

　　2.2 提高系统自身抗干扰能力及降低自身运行的不稳定性

　　2.2.1 用监视定时器技术提高系统的可靠性监视定时器(Watchdog)技术现在使用得非常广泛，技术已较为成熟，这一技术的支持手段也很多。目前，各处理器的生产厂家几乎都在生产内置有看门狗定时器的单片机产品，市场上还有许多独立的看门狗定时器芯片可供选择。采用监视定时器技术后，一旦程序跑飞，系统立即会被监视定时器复位掉，从头重新启动系统，从而退出不正常的运行状态。因此，对于采用了看门狗电路来提高可靠性的系统，必须严格保证系统的可重人性。对于与历史状态相关的系统，为保证其重人性能，可以把其历史状态保存在系统的RAM 中，即在单片机系统的内存或其扩展的外部存储器中，开辟出专用于保存历史状态的缓冲区。在确保系统不掉电的情况下，这些历史数据在系统重人时可以被重新使用。如果不能保证系统的电源稳定，还必须考虑采用备用电池供电，以保证RAM数据的安全稳定;对于时间不是太敏感的系统，还可以采用E2PR0M 或Flash ROM 来保存历史数据。

　　2.2.2 软件抗干扰技术

　　一个系统可能由于存在着各种干扰及不稳定因素而出现运行故障。为解决这一问题，可以从程序的设计方面采取一些措施。传统的为抑制系统的干扰信号而经常采用的软件滤波技术、软件冗余设计就是这一类的典型应用。根据设计经验，通常还可以采用软件锁设计、程序陷阱设计。这一类方法主要是针对程序跑飞的情况而采用的。当系统在干扰信号的作用下发生程序跑飞时，程序指针有可能指向两个区域：一种可能正好转到程序区的其他地址进行执行，一种可能转移到程序空间的盲区进行执行。所谓盲区，就是说那里并没有存放有效的程序指令。对于第一种情况，可以采取软件锁加以抑制。

　　2.2.3 采用备份系统提高可靠性

　　备份系统在许多重要控制系统中已被广泛使用，但多在工控机中或较大型的系统中采用。备份系统可根据具体的情况分为在线备份系统和后备备份系统。对于在线备份系统，系统中的两个CPU均处于工作状态，有可能两个CPU处在对等的位置，也可能一个处在主CPU 的位置，而另一个处在从CPU的位置。在对等的情况下，两个CPU共同决定系统对外的操作，任何一个CPU 出错都将引起对外操作的禁止。对于一主一从的情况，往往是主CPU负责系统控制逻辑的实现，而从CPU负责对主CPU的工作状态进行监控。当监控到主CPU工作异常时，从CPU通过强行复位主CPU等操作使主CPU恢复正常，同时，为确保从CPU工作正常，从CPU的工作状态也被主CPU监控;当从CPU 的工作状态不正常时，主CPU也可采取措施使从CPU恢复正常工作，即实现互相监控的目的。

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