關於單片機的種類問題

美國的英特爾(Intel) 公司、摩托羅拉（Motorola）公司、國家辦導體(NS) 公司、Atmel公司、微芯片(Microchip) 公司、洛克威爾(Rockwell)公司、莫斯特克公司(Mostek)、齊洛格(Zilog)公司、仙童(Fairchid)公司、德州儀器(TI)公司等等。日本的電氣(NS)公司、東芝(Toshiba)公司、富士通(Fujitsu)公司、松下公司、日立(Hitachi)公司、日電(NEC)公司、夏普公司等等。荷蘭的飛利浦(Philips)公司。德國的西門子(Siemens)公司等等。

Ⅱ 按字長分（1）4-BIT 單片機

4 位單片機的控制功能較弱,CPU 壹次只能處理4 位二進制數。這類單片機常用於計算器、各種形態的智能單元以及作為家用電器中的控制器。典型產品有NEC 公司的UPD 75××系列、NS 公司的COP400 系列、松下公司的MN1400 系列、ROCKWELL 公司的PPS/1系列、富士通公司的MB88 系列、夏普公司的SM××系列、Toshiba 公司的TMP47×××系列等等。

① 華邦公司的W741系列的4位單片機帶液晶驅動,在線燒錄,保密性高,低操作電壓(1.2V~1.8V)。

② 東芝單片機的4位機在家電領域有很大市場。

（2）8-BIT 單片機

8 位單片機 8 位單片機的控制功能較強，品種最為齊全。和4 位單片機相比，它不僅具有較大的存儲容量和尋址範圍，而且中斷源、並行I/O 接口和定時器/計數器個數都有了不同程度的增加，並集成有全雙工串行通信接口。在指令系統方面，普遍增設了乘除指令和比較指令。特別是8 位機中的高性能增強型單片機，除片內增加了A/D 和D/A 轉換器外，還集成有定時器捕捉/比較寄存器、監視定時器(Watchdog)、總線控制部件和晶體振蕩電路等。這類單片機由於其片內資源豐富和功能強大，主要在工業控制、智能儀表、家用電器和辦公自動化系統中應用。代表產品有Intel 公司的MCS-48 系列和MCS-51 系列 、Microchip 公司的PIC16C××系列和PIC17C××系列以及PIC1400 系列、Motorola 公司的M68HC05 系列和M68HC11 系列、Zilog 公司的Z8 系列、荷蘭Philips 公司的80C51 系列(同MCS-51 兼容)、Atmel公司的AT89 系列(同MCS-51 兼容)、NEC 公司的UPD78××系列等等。

1）51系列單片機

8031/8051/8751是Intel公司早期的產品。應用的早，影響很大，已成為世界上的工業標準。後來很多芯片廠商以各種方式與Intel公司合作，也推出了同類型的單片機，如同壹種單片機的多個版本壹樣，雖都在不斷的改變制造工藝，但內核卻壹樣，也就是說這類單片機指令系統完全兼容，絕大多數管腳也兼容；在使用上基本可以直接互換。人們統稱這些與8051內核相同的單片機為“51系列單片機”。

8031片內不帶程序存儲器ROM，使用時用戶需外接程序存儲器和壹片邏輯電路373，外接的程序存儲器多為EPROM的2764系列。用戶若想對寫入到EPROM中的程序進行修改，必須先用壹種特殊的紫外線燈將其照射擦除，之後再可寫入。寫入到外接程序存儲器的程序代碼沒有什麽保密性可言。

8051片內有4k ROM，無須外接外存儲器和373，更能體現“單片”的簡練。但是所編的程序無法寫入到其ROM中，只有將程序交芯片廠代為寫入，並是壹次性的，不能改寫其內容。

8751與8051基本壹樣，但8751片內有4k的EPROM，用戶可以將自己編寫的程序寫入單片機的EPROM中進行現場實驗與應用，EPROM的改寫同樣需要用紫外線燈照射壹定時間擦除後再寫入。

在眾多的51系列單片機中，要算 ATMEL 公司的AT89C51、AT89S52更實用，因他不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，壹般專為 ATMEL AT89xx 做的編程器均帶有這些功能。顯而易見，這種單片機對開發設備的要求很低，開發時間也大大縮短。寫入單片機內的程序還可以進行加密，這又很好地保護了妳的勞動成果。而且，AT89C51、AT89S51目前的售價比8031還低，市場供應也很充足。

AT89S51、52是2003年ATMEL推出的新型品種，除了完全兼容8051外，還多了ISP編程和看門狗功能。

ATMEL公司的51系列還有AT89C2051、AT89C1051等品種，這些芯片是在AT89C51的基礎上將壹些功能精簡掉後形成的精簡版。AT89C2051取掉了P0口和P2口，內部的程序FLASH存儲器也小到2K，封裝形式也由51的P40腳改為20腳，相應的價格也低壹些，特別適合在壹些智能玩具，手持儀器等程序不大的電路環境下應用；AT89C1051在2051的基礎上，再次精簡掉了串口功能等，程序存儲器再次減小到1k，當然價格也更低。

51 單片機目前已有多種型號，市場上目前供貨比較足的芯片還要算ATMEL 的51、52 芯片， HYUNDAI 的GMS97 系列，WINBOND 的78e52，78e58，77e58 等。

GMS97 系列是壹次性燒寫，壹般只有大量生產的人才買。at89c51,52 因可以很容易地解密，壹般人們只用它來做實驗，或者用在壹些即使解了密也無關緊要的場合。89c2051 只有20 腿，體積小巧，在壹些簡單應用和體積有限的場合得到廣泛應用。

2）PIC系列單片機

由美國Microchip公司推出的PIC單片機系列產品，首先采用了RISC結構的嵌入式微控制器，其高速度、低電壓、低功耗、大電流LCD驅動能力和低價位OTP技術等都體現出單片機產業的新趨勢。

現在PIC系列單片機在世界單片機市場的份額排名中已逐年升位，尤其在8位單片機市場，據稱已從1990年的第20位上升到目前的第二位。PIC單片機從覆蓋市場出發，已有三種(又稱三層次)系列多種型號的產品問世，所以在全球都可以看到PIC單片機從電腦的外設、家電控制、電訊通信、智能儀器、汽車電子到金融電子各個領域的廣泛應用。現今的PIC單片機已經是世界上最有影響力的嵌入式微控制器之壹。

① PIC 8位單片機的分類

PIC 8位單片機產品***有三個系列，即基本級、中級和高級。

a?基本級系列　該級產品的特點是低價位，如PIC16C5X，適用於各種對成本要求嚴格的家電產品選用。又如PIC12C5XX是世界第壹個8腳的低價位單片機，因其體積很小，完全可以應用在以前不能使用單片機的家電產品的空間。

b?中級系列　該級產品是PIC最豐富的品種系列。它是在基本級產品上進行了改進，並保持了很高的兼容性。外部結構也是多種的，從8引腳到68引腳的各種封裝，如PIC12C6XX。該級產品其性能很高，如內部帶有A/D變換器、E2PROM數據存儲器、比較器輸出、PWM輸出、I2C和SPI等接口。PIC中級系列產品適用於各種高、中和低檔的電子產品的設計中。

c?高級系列　該系列產品如PIC17CXX，其特點是速度快，所以適用於高速數字運算的應用場合中，加之它具備壹個指令周期內(160ns)可以完成8×8(位)二進制乘法運算能力，所以可取代某些DSP產品。再有PIC17CXX具有豐富的I/O控制功能，並可外接擴展EPROM和RAM，使它成為目前8位單片機中性能最高的機種之壹。所以很適用於高、中檔的電子設備中使用。

上述的三層次(級)的PIC 8位單片機還具有很高的代碼兼容性，用戶很容易將代碼從某型號轉換到另壹個型號中。PIC 8位單片機具有指令少、執行速度快等優點，其主要原因是PIC系列單片機在結構上與其它單片機不同。該系列單片機引入了原用於小型計算機的雙總線和兩級指令流水結構。這種結構與壹般采用CISC(復雜指令集計算機)的單片機在結構上是有不同的。

雙總線結構

具有CISC結構的單片機均在同壹存儲空間取指令和數據，片內只有壹種總線。這種總線既要傳送指令又要傳送數據(如圖1－a所示)。因此，它不可能同時對程序存儲器和數據存儲器進行訪問。因與CPU直接相連的總線只有壹種，要求數據和指令同時通過，顯然“亂套”，這正如壹個“瓶頸”，瓶內的數據和指令要壹起倒出來，往往就被瓶頸卡住了。所以具有這種結構的單片機，只能先取出指令，再執行指令(在此過程中往往要取數)，然後，待這條指令執行完畢，再取出另壹條指令，繼續執行下壹條。這種結構通常稱為馮?諾依曼結構，又稱普林斯頓結構。

在這裏PIC系列單片機采用了壹種雙總線結構，即所謂哈佛結構。這種結構有兩種總線，即程序總線和數據總線。這兩種總線可以采用不同的字長，如PIC系列單片機是八位機，所以其數據總線當然是八位。但低檔、中檔和高檔的PIC系列機分別有12位、14位和16位的指令總線。這樣，取指令時則經指令總線，取數據時則經數據總線，互不沖突。

② 兩級指令流水線結構

由於PIC系列單片機采用了指令空間和數據空間分開的哈佛結構，用了兩種位數不同的總線。因此，取指令和取數據有可能同時交疊進行，所以在PIC系列微控制器中取指令和執行指令就采用指令流水線結構。當第壹條指令被取出後，隨即進入執行階段，這時可能會從某寄存器取數而送至另壹寄存器，或從壹端口向寄存器傳送數等，但數據不會流經程序總線，而只是在數據總線中流動，因此，在這段時間內，程序總線有空，可以同時取出第二條指令。當第壹條指令執行完畢，就可執行第二條指令，同時取出第3條指令，……如此等等。這樣，除了第壹條指令的取出，其余各條指令的執行和下壹條指令的取出是同時進行的，使得在每個時鐘周期可以獲得最高效率。

在大多數微控制器中，取指令和指令執行都是順序進行的，但在PIC單片機指令流水線結構中，取指令和執行指令在時間上是相互重疊的，所以PIC系列單片機才可能實現單周期指令。

只有涉及到改變程序計數器PC值的程序分支指令(例如GOTO、CALL)等才需要兩個周期。

此外，PIC的結構特點還體現在寄存器組上，如寄存器I/O口、定時器和程序寄存器等都是采用了RAM結構形式，而且都只需要壹個周期就可以完成訪問和操作。而其它單片機常需要兩個或兩個以上的周期才能改變寄存器的內容。上述各項，就是PIC系列單片機能做到指令總數少，且大都為單周期指令的重要原因。

3）AVR系列單片機

AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發出的增強型內置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡指令集高速8位單片機。AVR的單片機可以廣泛應用於計算機外部設備、工業實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電器等各個領域。

①AVR單片機的優勢及特點

a AVR單片機易於入手、便於升級、費用低廉。 單片機初學者只需壹條ISP下載線，把編輯、調試通過的軟件程序直接在線寫入AVR單片機，即可以開發AVR單片機系列中的各種封裝的器件。AVR單片機因此在業界號稱“壹線打天下”。 AVR程序寫入是直接在電路板上進行程序修改、燒錄等操作，這樣便於產品升級。AVR單片機可使用ISP在線下載編程方式(即把PC機上編譯好的程序寫到單片機的程序存儲器中)，不需購買仿真器、編程器、擦抹器和芯片適配器等，即可進行所有AVR單片機的開發應用，這可節省很多開發費用。程序存儲器擦寫可達10000次以上，不會產生報廢品。

b高速、低耗、保密。首先，AVR單片機是高速嵌入式單片機： AVR單片機具有預取指令功能，即在執行壹條指令時，預先把下壹條指令取進來，使得指令可以在壹個時鐘周期內執行。多累加器型，數據處理速度快。AVR單片機具有32個通用工作寄存器，相當於有32條立交橋，可以快速通行。中斷響應速度快。AVR單片機有多個固定中斷向量入口地址，可快速響應中斷。AVR單片機耗能低。對於典型功耗情況，WDT關閉時為100nA，更適用於電池供電的應用設備。有的器件最低1.8 V即可工作。AVR單片機保密性能好。它具有不可破解的位加密鎖Lock Bit技術，保密位單元深藏於芯片內部，無法用電子顯微鏡看到。

c I/O口功能強,具有A/D轉換等電路。AVR單片機的I/O口是真正的I/O口，能正確反映I/O口輸入/輸出的真實情況。工業級產品，具有大電流(灌電流)10mA～40mA,可直接驅動可控矽SSR或繼電器，節省了外圍驅動器件。AVR單片機內帶模擬比較器，I/O口可用作A/D轉換，可組成廉價的A/D轉換器。ATmega48/8/16等器件具有8路10位A/D。部分AVR單片機可組成零外設元件單片機系統，使該類單片機無外加元器件即可工作，簡單方便，成本又低。AVR單片機可重設啟動復位,以提高單片機工作的可靠性。有看門狗定時器實行安全保護,可防止程序走亂(飛),提高了產品的抗幹擾能力。

d 有功能強大的定時器/計數器及通訊接口。定時/計數器T/C有8位和16位,可用作比較器。計數器外部中斷和PWM(也可用作D/A)用於控制輸出，某些型號的AVR單片機有3～4個PWM，是作電機無級調速的理想器件。AVR單片機有串行異步通訊UART接口,不占用定時器和SPI同步傳輸功能,因其具有高速特性，故可以工作在壹般標準整數頻率下,而波特率可達576K。

②AVR 8-Bit MCU的最大特點

與其它8-Bit MCU相比，AVR 8-Bit MCU最大的特點是：

（3）16-BIT 單片機

16 位單片機是在1983 年以後發展起來的。這類單片機的特點是：CPU是16 位的，運算速度普遍高於8 位機，有的單片機的尋址能力高達1MB，片內含有A/D 和D/A轉換電路，支持高級語言。這類單片機主要用於過程控制、智能儀表、家用電器以及作為計算機外部設備的控制器等。典型產品有Intel 公司的MCS-96/98 系列、Motorola 公司的M68HC16系列、NS 公司的783××系列、TI公司的MSP430系列等等。

其中，以MSP430系列最為突出。它采用了精簡指令集（ RISC ）結構，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數尋址、 4 種目的操作數尋址）、簡潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅動下指令周期為 125 ns 。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。

在運算速度方面， MSP430 系列單片機能在 8MHz 晶體的驅動下，實現 125ns 的指令周期。 16 位的數據寬度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現乘加）相配合，能實現數字信號處理的某些算法（如 FFT 等）。

MSP430 系列單片機的中斷源較多，並且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統處於省電的備用狀態時，用中斷請求將它喚醒只用 6us 。

超低功耗 MSP430 單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。

首先， MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是 1.8~3.6V 電壓。因而可使其在 1MHz 的時鐘條件下運行時， 芯片的電流會在 200~400uA 左右，時鐘關斷模式的最低功耗只有 0.1uA 。

其次，獨特的時鐘系統設計。在 MSP430 系列中有兩個不同的系統時鐘系統：基本時鐘系統和鎖頻環（ FLL 和 FLL+ ）時鐘系統或 DCO 數字振蕩器時鐘系統。有的使用壹個晶體振蕩器（ 32768Hz ） , 有的使用兩個晶體振蕩器）。由系統時鐘系統產生 CPU 和各功能所需的時鐘。並且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關閉，從而實現對總體功耗的控制。

由於系統運行時打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統中***有壹種活動模式（ AM ）和五種低功耗模式（ LPM0~LPM4 ）。在等待方式下，耗電為 0.7uA ，在節電方式下，最低可達 0.1uA 。

系統工作穩定 上電復位後，首先由 DCOCLK 啟動 CPU ，以保證程序從正確的位置開始執行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩定時間。然後軟件可設置適當的寄存器的控制位來確定最後的系統時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用做 CPU 時鐘 MCLK 時發生故障， DCO 會自動啟動，以保證系統正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復位。

豐富的片上外圍模塊 MSP430 系列單片機的各成員都集成了較豐富的片內外設。它們分別是看門狗（ WDT ）、模擬比較器 A 、定時器 A （ Timer_A ）、定時器 B （ Timer_B ）、串口 0 、 1 （ USART0 、 1 ）、硬件乘法器、液晶驅動器、 10 位 /12 位 ADC 、 I 2 C 總線直接數據存取（ DMA ）、端口 O （ P0 ）、端口 1~6 （ P1~P6 ）、基本定時器（ Basic Timer ）等的壹些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出 A/D 轉換器； 16 位定時器（ Timer_A 和 Timer_B ）具有捕獲 / 比較功能，大量的捕獲 / 比較寄存器，可用於事件計數、時序發生、 PWM 等；有的器件更具有可實現異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現多機通信等應用；具有較多的 I/O 端口，最多達 6*8 條 I/O 口線； P0 、 P1 、 P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入； 12/14 位硬件 A/D 轉換器有較高的轉換速率，最高可達 200kbps ，能夠滿足大多數數據采集應用；能直接驅動液晶多達 160 段；實現兩路的 12 位 D/A 轉換；硬件 I 2 C 串行總線接口實現存儲器串行擴展；以及為了增加數據傳輸速度，而采用直接數據傳輸（ DMA ）模塊。 MSP430 系列單片機的這些片內外設為系統的單片解決方案提供了極大的方便。

方便高效的開發環境 目前 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開發手段不同。對於 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開發成功之後在燒寫或掩膜芯片；對於 FLASH 型則有十分方便的開發調試環境，因為器件片內有 JTAG 調試接口，還有可電擦寫的 FLASH 存儲器，因此采用先下載程序到 FLASH 內，再在器件內通過軟件控制程序的運行，由 JTAG 接口讀取片內信息供設計者調試使用的方法進行開發。這種方式只需要壹臺 PC 機和壹個 JTAG 調試器，而不需要仿真器和編程器。開發語言有匯編語言和 C 語言。

MSP430 單片機目前主要以 FLASH 型為主。

（4）32-BIT 單片機

32 位單片機的字長為32 位，是單片機的頂級產品，具有極高的運算速度。近年來，隨著家用電子系統的新發展，32 位單片機的市場前景看好。

繼16 位單片機出現後不久，幾大公司先後推出了代表當前最高性能和技術水平的32 位單片微機系列。32 位單片機具有極高的集成度，內部采用新穎的RISC（精簡指令系統計算機）結構，CPU 可與其他微控制器兼容，主頻頻率可達33MHz 以上，指令系統進壹步優化，運算速度可動態改變，設有高級語言編譯器，具有性能強大的中斷控制系統、定時/事件控制系統、同步/異步通信控制系統。代表產品有Intel 公司的MCS-80960 系列、Motorola 公司的M68300 系列、Hitachi 公司的Super H(簡稱SH)系列等等。

這類單片機主要應用於汽車、航空航天、高級機器人、軍事裝備等方面。它代表著單片機發展中的高、新技術水平。

ARM在32位MCU中的主流地位是毫無疑問的。ARM公司於1991年成立於英國劍橋，主要出售芯片設計技術的授權。目前，采用ARM技術智能財產（IP）核心的處理器，即我們通常所說的ARM處理器，已遍及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網絡系統、無線系統等各類產品市場，基於ARM技術的處理器應用約占據了32位RISC微處理器75％以上的市場，ARM技術不止逐步滲入到我們生活的各個方面，我們甚至可以說，ARM於人類的生活環境中，已經是不可或缺的壹環。　

目前市面上常見的ARM處理器架構，可分為ARM7、ARM9以及ARM11，新推出的Cortex系列尚在進行開發驗證，市面上還未有相關產品推出。ARM也是嵌入式處理器中首先推出多核心架構的廠商。　

ARM首個多核心架構為ARM11 MPCore，架構於原先的ARM11處理器核心之上。ARM11核心是發布於2002年10月份，為了進壹步提升效能，其管線長度擴展到8階，處理單元則增加為預取、譯碼、發送、轉換　／MAC1、執行／MAC2、內存存取／MAC3和寫入等八個單元，體系上屬於ARM V6指令集架構。ARM11采用當時最先進的0.13μm制造制程，運行頻率最高可達500到700MHz。如果采用90nm制程，ARM11核心的工作頻率能夠輕松達到1GHz以上—對於嵌入式處理器來說，這顯然是個相當驚人的程度，不過顯然1GHz在ARM11體系中不算是個均衡的設定，因此幾乎沒有廠商推出達到1GHz的ARM11架構處理器。　

ARM11的邏輯核心也經過大量的改進，其中最重要的當屬“靜／動態組合轉換的預測功能”。ARM11的執行單元包含壹個64位、4種狀態的地址轉換緩沖，它主要用來儲存最近使用過的轉換地址。當采用動態轉換預測機制而無法在尋址緩沖內找到正確的地址時，靜態轉換預測功能就會立刻接替它的位置。在實際測試中，單純采用動態預測的準確率為88％，單純采用靜態預測機制的準確率　只有77％，而ARM11的靜／動態預測組合機制可實現92％的高準確率。針對高時脈速度帶來功耗增加的問題，ARM11采用壹項名為“IEM　（Intelligent Energy Manager）”的智能電源管理技術，該技術可根據任務負荷情況動態調節處理器的電壓，進而有效降低自身的功耗。這壹系列改進讓ARM11的功耗效能比得以繼續提高，平均每MHz只需消耗0.6mW（有快取時為0.8mW）的電力，處理器的最高效能可達到660 Dhrystone MIPS，遠超過上壹代產品。　

Ⅲ 按制造工藝分

① HMOS 工藝 高密度短溝道MOS 工藝,具有高速度、高密度的特點。

② CHMOS(或HCMOS)工藝 互補的金屬氧化物的HMOS 工藝，是CMOS 和HMOS 的結合，具有高密度、高速度、低功耗的特點。Intel 公司產品型號中若帶有字母“C” ，Motorola 公司產品型號中若帶有字母“HC”或“L” ，通常為CHMOS 工藝。

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