淺析單片機發展歷程及技術進步

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       【摘要】 隨著計算機技術的不斷發展，計算機形成了通用計算機系統和嵌入式計算機系統兩大分支，而單片機的出現無疑是這兩大分支形成的標志。近幾年單片機得到了飛速的發展，單片機最明顯的優勢就是可以嵌入到各種儀器、設備中。目前大量的嵌入式系統均采用單片機，本文分析了單片機的形成及發展過程以及當前的技術進展，同時分析了影響單片機系統可靠性的原因，并論述提高單片機可靠性的措施。

　　【關鍵詞】 嵌入式計算機系統 單片機 技術進步 可靠性

　　一、單片機的發展歷程

　　1946年電子數字計算機誕生，在此后漫長的歷史進程中，計算機始終是供養在特殊的機房中，實現數值計算的大型昂貴設備。直到20世紀70年代，微處理器的出現，計算機才出現了歷史性的變化。以微處理器為核心的微型計算機以其小型、價廉、高可靠性等優勢，迅速走出機房;基于高速數值解算能力的微型機,表現出的智能化水平引起了控制專業人士的興趣。他們將微型機嵌入到一個對象體系中，實現了對象體系的智能化控制。這樣一來，計算機便失去了原來的形態與通用的計算機功能。為了區別于原有的通用計算機系統，把嵌入到對象體系中、實現對象體系智能化控制的計算機，稱作嵌入式計算機系統。由于嵌入式計算機系統要嵌入到對象體系中，實現的是對象的智能化控制，因此。它有著與通用計算機系統完全不同的技術要求與技術發展方向。嵌入式系統雖然起源于微型計算機時代。然而，微型計算機的體積、價位、可靠性都無法滿足大量的對象系統的嵌入式應用要求，因此，嵌入式系統必須走獨立發展道路，這條道路就是芯片化道路。芯片化道路即是將計算機做在一個芯片上，從而開創了嵌入式系統獨立發展的單片機時代。

　　(一)單片機的快速發展

　　單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統集成到一個芯片上。概括地講，一塊芯片就成了一臺計算機。它體積小、質量輕、價格便宜，為學習、應用和開發提供了便利條件。單片機誕生于20世紀70年代末，經歷了SCM、MCU、SOC三大階段。

　　1.SCM (Single Chip Microcomputer) (單片微型計算機)階段，主要是尋求最佳的單片形態嵌入式系統的最佳體系結構。"創新模式"獲得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不同的發展道路。

　　2.MCU (Micro Controller Unit)(微控制器)階段，主要的技術發展方向是：不斷擴展、滿足嵌入式應用時，發展對象系統要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領域都與對象系統相關，因此，發展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術廠家肩上。

　　3.SoC (System on Chip)(片上系統)階段，單片機是嵌入式系統的獨立發展之路。向MCU階段發展的重要推動力，就是尋求應用系統在芯片上的最大化解決;因此，單片專用機的發展自然形成了SoC化趨勢。使用SoC技術設計系統的核心思想，就是要把整個應用電子系統全部集成在一個芯片中。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發展，基于SoC的單片機應用系統設計會有較大的發展。因此，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。

　　(二)數字單片機技術的發展

　　1.內部結構的進步。單片機在內部已集成了越來越多的部件，這些部件包括一般常用的電路，例如定時器、比較器、A/D轉換器、D/A轉換器、串行通信接口、Watchdog電路、LCD控制器等。有的單片機為了構成控制網絡或形成局部網，內部含有局部網絡控制模塊CAN。因此，這類單片機十分容易構成網絡。特別是在控制、系統較為復雜時，構成一個控制網絡十分有用。有的單片機內部設置了專門用于變頻控制的脈寬調制控制電路。特別引人注目的是， 現在有的單片機已采用所謂的三核(TnCore)結構。這是一種建立在系統級芯片(Syste-monachip)概念上的結構。這種單片機由三個核組成： 一個是微控制器和DSP核， 一個是數據和程序存儲器核， 最后一個是外圍專用集成電路(ASIC)。這種單片機的最大特點在于把DSP和微控制器同時做在一個片上，把它和傳統單片機結合集成大大提高了單片機的功能。這是目前單片機最大的進步之一。

　　2.功耗、封裝及電源電壓的進步。現在新的單片機的功耗越來越小， 特別是很多單片機都設置了多種工作方式， 這些工作方式包括等待、暫停、睡眠、空閑、節電等工作方式。現在單片機的封裝水平已大大提高， 隨著貼片工藝的出現， 單片機也大量采用了各種符合貼片工藝的封裝方式出現，以大量減少體積。擴大電源電壓范圍以及在較低電壓下仍然能工作是當今單片機發展的目標之一。目前，一般單片機都可以在3.3～5.5V的條件下工作。而一些廠家，則生產出可以在2.2～6v的條件下工作的單片機。

　　3.工藝上的進步。現在的單片機基本上采用CMOS技術，但已經大多數采用了0.6? m 以上的光刻工藝，有個別的公司，如Motorola公司則已采用0.35?m甚至是0.25?m技術。這些技術的進步大大地提高了單片機的內部密度和可靠性.

　　二、單片機應用的可靠性技術發展

　　目前，大量的嵌入式系統均采用了單片機，并且這樣的應用正在更進一步擴展;但是多年以來人們一直為單片機系統的可靠性問題所困惑。在一些要求高可靠性的控制系統中，這往往成為限制其應用的主要原因。

　　1.單片機系統的失效分析

　　一個單片機系統的可靠性是其自身軟硬件與其所處工作環境綜合作用的結果，因此系統的可靠性也應從這兩個方面去分析與設計。對于系統自身而言，能不能在保證系統各項功能實現的同時，對系統自身運行過程中出現的各種干擾信號及直接來自于系統外部的干擾信號進行有效的抑制，是決定系統可靠性的關鍵。有缺陷的系統往往只從邏輯上去保證系統功能的實現，而對于系統運行過程中可能出現的潛在的問題考慮欠缺，采取的措施不足，在干擾信號真正襲來的時候，系統就可能會陷入困境。

　　2. 提高可靠性的措施

　　2.1減少引起系統不可靠或影響系統可靠的外界因素：

　　1) EFT (Ellectrical Fast Transient)技術。EFT技術是一種抗干擾技術，它是指在振蕩電路的正弦信號受到外界干擾時，其波形上會迭加各種毛刺信號，如果使用施密特電路對其整形，則毛刺會成為觸發信號干擾正常的時鐘，在交替使用施密特電路和RC濾波電路時， 就可以消除這些毛否則令其作用失效，從而保證系統的時鐘信號正常工作。

　　2) 低噪聲布線技術及驅動技術。在傳統的單片機中，電源及地線是在集成電路外殼的對稱引腳上，一般是在左上、右下或右上、左下的兩對對稱點上。這樣，就使電源噪聲穿過整塊芯片，對單片機的內部電路造成干擾。現在，很多單片機都把地和電源引腳安排在兩條相鄰的引腳上。這樣，不僅降低了穿過整個芯片的電流，而且在印制電路板上容易布置去耦電容，從而降低系統的噪聲。現在為了適應各種應用的需要，很多單片機采用"跳變沿軟化技術"，從而消除大電流瞬變時產生的噪聲。

　　3) 采用低頻時鐘。高頻外時鐘是噪聲源之一，不僅能對單片機應用系統產生干擾，而且還會對外界電路產生干擾，令電磁兼容性不能滿足要求。對于要求可靠性較高的系統，低頻外時鐘有利于降低系統的噪聲。在一些單片機中采用內部瑣相環技術，則在外部時鐘較低時，也能產生較高的內部總線速度，從而保證了速度又降低了噪聲。

　　2.2 提高系統自身抗干擾能力及降低自身運行的不穩定性

　　2.2.1 用監視定時器技術提高系統的可靠性監視定時器(Watchdog)技術現在使用得非常廣泛，技術已較為成熟，這一技術的支持手段也很多。目前，各處理器的生產廠家幾乎都在生產內置有看門狗定時器的單片機產品，市場上還有許多獨立的看門狗定時器芯片可供選擇。采用監視定時器技術后，一旦程序跑飛，系統立即會被監視定時器復位掉，從頭重新啟動系統，從而退出不正常的運行狀態。因此，對于采用了看門狗電路來提高可靠性的系統，必須嚴格保證系統的可重人性。對于與歷史狀態相關的系統，為保證其重人性能，可以把其歷史狀態保存在系統的RAM 中，即在單片機系統的內存或其擴展的外部存儲器中，開辟出專用于保存歷史狀態的緩沖區。在確保系統不掉電的情況下，這些歷史數據在系統重人時可以被重新使用。如果不能保證系統的電源穩定，還必須考慮采用備用電池供電，以保證RAM數據的安全穩定;對于時間不是太敏感的系統，還可以采用E2PR0M 或Flash ROM 來保存歷史數據。

　　2.2.2 軟件抗干擾技術

　　一個系統可能由于存在著各種干擾及不穩定因素而出現運行故障。為解決這一問題，可以從程序的設計方面采取一些措施。傳統的為抑制系統的干擾信號而經常采用的軟件濾波技術、軟件冗余設計就是這一類的典型應用。根據設計經驗，通常還可以采用軟件鎖設計、程序陷阱設計。這一類方法主要是針對程序跑飛的情況而采用的。當系統在干擾信號的作用下發生程序跑飛時，程序指針有可能指向兩個區域：一種可能正好轉到程序區的其他地址進行執行，一種可能轉移到程序空間的盲區進行執行。所謂盲區，就是說那里并沒有存放有效的程序指令。對于第一種情況，可以采取軟件鎖加以抑制。

　　2.2.3 采用備份系統提高可靠性

　　備份系統在許多重要控制系統中已被廣泛使用，但多在工控機中或較大型的系統中采用。備份系統可根據具體的情況分為在線備份系統和后備備份系統。對于在線備份系統，系統中的兩個CPU均處于工作狀態，有可能兩個CPU處在對等的位置，也可能一個處在主CPU 的位置，而另一個處在從CPU的位置。在對等的情況下，兩個CPU共同決定系統對外的操作，任何一個CPU 出錯都將引起對外操作的禁止。對于一主一從的情況，往往是主CPU負責系統控制邏輯的實現，而從CPU負責對主CPU的工作狀態進行監控。當監控到主CPU工作異常時，從CPU通過強行復位主CPU等操作使主CPU恢復正常，同時，為確保從CPU工作正常，從CPU的工作狀態也被主CPU監控;當從CPU 的工作狀態不正常時，主CPU也可采取措施使從CPU恢復正常工作，即實現互相監控的目的。

　　參考文獻

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