针对国内外单片机的现况与发展研究综述

针对国内外单片机的现况与发展研究综述
（太原理工大学，电气与动力工程学院）
摘 要
单片机是一种将微处理器、存储器、定时器、输入输出接口等集成在一块芯片上的微型计算机系统，具有体积小、功耗低、可靠性高、功能强等特点。单片机技术自从1971年诞生以来，已经在工业控制、仪器仪表、家用电器、通信设备、医疗器械等各个领域得到了广泛的应用，实现了电子产品的智能化和数字化。本文首先介绍了单片机技术的背景和意义，然后对国内外不同厂家不同型号的单片机在发展现状、性能优劣以及应用场景等方面进行了比较分析，接着总结了不同单片机的硬件结构、整体架构、指令系统、工作原理以及编程开发工具等，最后展望了单片机在未来社会的应用领域及发展前景。
关键字: 微型计算机；工业控制；单片机；指令系统；现况；发展
Abstract
A microcontroller is a microcomputer system that integrates a microprocessor, memory, timer, input/output interface, etc. on a single chip. It has the characteristics of small size, low power consumption, high reliability, and strong functionality. Since its birth in 1971, microcontroller technology has been widely used in various fields such as industrial control, instrumentation, household appliances, communication equipment, medical equipment, etc., realizing the intelligence and digitalization of electronic products. This paper first introduces the background and significance of microcontroller technology, then compares and analyzes the development status, performance advantages and disadvantages, and application scenarios of different types and models of microcontrollers from different manufacturers at home and abroad, then summarizes the hardware structure, overall architecture.
Key words: microcomputer; Industrial control; Single chip microcomputer; Instruction system; The present situation; development

目录
摘 要 - 2 -
Abstract - 2 -
一、 单片机技术的发展现状 - 4 -
1.1. 国外单片机技术的发展现状 - 4 -
1.2. 国内单片机技术的发展现状 - 4 -
二、 单片机技术的应用 - 4 -
2.1 工业控制领域的应用 - 5 -
2.2 家庭设备领域的应用 - 5 -
2.3 汽车领域的应用 - 6 -
三、 单片机的硬件结构、整体架构、指令系统总结 - 6 -
四、 国内外不同厂家不同型号的单片机比较分析 - 7 -
五、 单片机技术的发展前景 - 8 -
5.1 单片机技术应用的意义 - 8 -
5.2 发展前景 - 8 -
六、 结论 - 8 -

一、 单片机技术的发展现状
1.1. 国外单片机技术的发展现状
国外单片机技术起源于1971年，当时Intel公司推出了世界上第一款8位单片机4004，标志着单片机技术的诞生。此后，国外各大芯片厂商纷纷投入到单片机技术的研发和生产中，推出了各种不同位数、不同架构、不同功能的单片机产品[1]，形成了一个竞争激烈的市场。目前，国外主要的单片机厂商有微芯科技（ST）、德州仪器（TI）、瑞萨电子（Renesas）、安森美（Analog Devices）、英特尔（Intel）、飞思卡尔（Freescale）、恩智浦（NXP）、意法半导体（STMicroelectronics）、西门子（Siemens）、爱特梅尔（Atmel）、赛普拉斯（Cypress）等。这些厂商生产的单片机涵盖了4位、8位、16位、32位甚至64位等不同字长，采用了MCS-51、AVR、PIC、ARM等不同指令集和架构，具有了模拟/数字转换器（ADC/DAC）、脉宽调制器（PWM）、通用串行总线（USB）、以太网控制器（Ethernet Controller）、无线通信模块（Wi-Fi/Bluetooth/ZigBee）等不同功能模块，能够满足各种不同领域和应用场合的需求。国外单片机技术在性能上具有较高的水平，尤其是在高速处理能力、低功耗设计、多功能集成等方面具有优势。
1.2. 国内单片机技术的发展现状
国内单片机技术起步较晚，主要是从20世纪80年代开始引进和仿制国外的单片机产品[7]，如MCS-51、Z80、MC6800等。随着国内电子信息产业的发展和市场需求的增长，国内也逐渐形成了一批具有自主知识产权和创新能力的单片机厂商，如中科院微电子所、华为海思、中兴微电子、上海贝岭、北京兆易创新、广州芯源、深圳先进技术研究院等。这些厂商生产的单片机主要采用了ARM、MIPS、RISC-V等架构，具有了高性能、低功耗、高集成度等特点，能够应用于物联网、智能家居、工业控制、汽车电子、医疗设备等领域。国内单片机技术在性能上虽然还有一定的差距，但在成本上具有较大的优势，而且在某些细分市场和应用场景上具有较强的竞争力。
二、 单片机技术的应用
2.1 工业控制领域的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，通信设备基本上都实现了单片机智能控制[2]。现在的通讯工具主要是电话和手机，生活中要联系也离不开电话和手机。单片机的应用也在通讯上发挥了作用，主要在电话录音和手机语音上有明显的体现。在手机语音上发挥重大作用，手机进步到现在其语音功能已经很发达了，目前的语音功能在语音识别技术上取得的成果主要依靠的是单片机，在语音输入时利用单片机系统对语音进行识别和处理。单片机的作用是对输入的音频进行识别，识别后传输给下一部件。在电话录音上也发挥重大的作用，现在的手机和电话都有录音功能，这个录音功能通过单片机这个媒介进行录音，用户在按指令后单片机接到指令马上发送信号，最后实现录音，或是在工业中运用，如图1。

图2.1 单片机在工业控制中的使用

2.2 家庭设备领域的应用
家用电器中使用单片机应属于微计算机的测量、控制应用。微计算机是由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机;它的一个分支是嵌入式计算机，应用很广泛，几乎包括了生活中的所有电器设备，如计算器、数字电视、微波炉、数字相机、空调、安全系统等等。单片机的体积小和耗能低的优势被用在了家电的设计制造中，通过设计者的设计，单片机被放进了家电的内部，利用单片机的优势可实现一体化和智能化。一体化和智能化可以提高电器的使用方便性，使用性能也得到大大提高。例如，我们家用的洗衣机现在都可以实现预约洗衣时间，这主要是利用了单片机，使用者进行按钮操作，单片机接受到指令再对时间进行控制，最后完成指令实现预约。微波炉利用单片机可以实时的控制微波炉的加热温度的加热时间。在冰箱的应用主要是可以根据食物的特征进行智能化的选择，对冰箱的食物进行最大程度的保存。
2.3 汽车领域的应用
单片机在汽车方面的应用主要有：汽车娱乐系统、汽车防盗报警系统、汽车信息系统、汽车智能驾驶系统、汽车全球卫星定位导航系统、汽车智能化检验系统、汽车自动诊断系统和交通信息接收系统等[3]。科学技术发展到现在，我们的生活水平提高了，人们会根据需要提高对产品精确度的要求，并且产品还要向智能化发展。很多的行业在发展的同时也提高了使用工具的标准。像在航空行業，要精准的知道目标方位和所在方位才能比较安全的行驶，保障乘客和驾驶人员的安全。这对仪表和仪器的精准度要求较高。高精确度的仪器和仪表是航空飞行安全必要的条件，利用单片机可以提高其精确性，因为单片机有高集成度和高可靠性的优点，在航空中可以提高仪器和仪表的处理控制功能，并提升智能化水平，减少事故的发生。随着单片机的进步和成熟，单片机的利用遍布各个领域。现代自动化控制技术发展中也少不了单片机的利用。在一些对人体危害比较大的行业中，为减少人体伤害，利用机器自动化操作是发展趋势。

图2.1 单片机在汽车控制中的使用

三、 单片机的硬件结构、整体架构、指令系统、工作原理总结
不同单片机的硬件结构、整体架构、指令系统、工作原理以及编程开发工具是影响单片机性能和功能的重要因素，也是设计和开发单片机应用程序时需要了解和掌握的基本知识。以下是一些常见的单片机的硬件结构、整体架构、指今系统、工作原理以及编程开发工具的总结: 51系列单片机: 51系列单片机是最早也是最普遍使用的单片机之一，它采用CISC(复杂指令集计算机)架构，内部有一个8位CPU (中央处理器)、一个4KB或8KB的ROM (只读存储器) 、一人128字节或256字节的RAM (随机存取存储器) 、四个8位/0(输入/输出)端口以及两16位定时器/计数器等组成。
 51系列单片机有一套完整而丰富的指令系统，共有111条指令，其中有70条是字节指令，41条是位指令。51系列单片机的工作原理是通过程序计数器 (PC) 从ROM中读取指令，然后通过指令寄存器 (IR)和指令译码器 (D) 对指进行译码和执行[4]。
 PIC系列单片机：单片机，全称单片微型计算机（英语：single-chip microcomputer），又称微控制器(microcontroller），与应用在个人计算机中的通用型微处理器相比，它更强调自供应（不用外接硬件）和节约成本。它的最大优点是体积小，可放在仪表内部，但存储量小，输入输出接口简单，功能较低。由于其发展非常迅速，旧的单片机的定义已不能满足，所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器；由于单片机微计算机常用于当控制器故又名single chip microcontroller。“单芯片”是台湾对单片机的称呼；中国大陆主要采用“单片机”的称呼，英文缩写为MCU。
 AVR系列单片机：AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精简指令集高速8位单片机。可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。AVR单片机是 Atmel 公司 1997 年推出的 RISC 单片机。RISC（精简指令系统计算机）是相对于CISC（复杂指令系统计算机）而言的。RISC 并非只是简单地去减少指令，而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的。

四、 国内外不同厂家不同型号的单片机比较分析
单片机技术是一个不断发展和创新的领域，目前国内外有许多不同厂家生产不同型号的单片机[7]，各有其特点和优势。以下是一些常见的单片机厂家和型号的简要介绍和比较:
 微芯科技(ST): 微芯科技是一家欧洲的半导体公司，其生产的单片机主要基于ARM架构，具有高性能、低功耗、主富的外设等特点。微芯科技的单片机系列包括STM32、STM8等，广泛应用于工业控制、汽车电子、物联网等领域
 德州仪器 (TI): 德仪器是一家美国的半导体公司，其生产的单片机也主要基于ARM架构，具有高集成度、高可靠性、多功能等特点。德州仪器的单片机系列包括MSP430、TMS320、CCxxxx等，广泛应用于通信网络、医疗设备、消费电子等领域。
 瑞萨电子 (Renesas): 瑞萨电子是一家日本的半导体公司，其生产的单片机主要基于RISC架构，具有高速度、低成本、易开发等特点。瑞萨电子的单片机系列包括RL78、RX、RZ等，广泛应用于智能仪表、家用电器、工业控制等领域.
 安森美 (Analog Devices): 安森美是一家美国的半导体公司，其生产的单片机主要基于DSP架构具有高性能、高精度、高灵活性等特点。安森美的单片机系列包括ADSP-BFxxx、ADSP-CMxxx等，广泛应用于音频处理、图像处理、信号处理等领域。
 英特尔(lntel): 英特尔是一家美国的半导体公司，其生产的单片机主要基于CISC架构，具有高兼容性、高扩展性、高稳定性等特点。英特尔的单片机系列包括80C51、80C196、80C251等，广泛应用于计算机、通信、网络等领域。
 烽火电子 (Freescale) : 烽火电子是一家美国的半导体公司，其生产的单片机主要基于HCS08.HCS12、ColdFire等架构，具有高性能、高集成度、高可靠性等特点。烽火电子的单片机系列包括MC9S08、MC9S12、MCF51等，广泛应用于汽车电子、工业控制、医疗设备等领域。
 龙芯中科(Loongson): 龙芯中科是一家中国的半导体公司，其生产的单片机主要基于MIPS架构具有高性能、低功耗、高兼容性等特点。龙芯中科的单片机系列包括LS1A、LS1B、LS1C等，广泛应用于物联网、智能家居、教育信息化等领域。
 中天微(ZTE): 中天微是一家中国的半导体公司，其生产的单片机主要基于ARM架构，具有高性能、低功耗、丰富的外设等特点。中天微的单片机系列包括ZT8900、ZT8901、ZT8902等，广泛应用于通信网络、智能穿戴、智能安防等领域。
五、 单片机技术的发展前景
5.1 单片机技术应用的意义
单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统[5] [6]，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40 多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作!单片机的数量不仅远超过 PC机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。因此单片机地研究前景比较广阔。
5.2 发展前景
单片机技术的实用性造就了其极高的融合性，因此走开放化的发展道路是正确且唯一的，开放化的程度越高，就越能与多行业、多领域触碰，衍生新的产品，就像化学元素一样，彼此的触碰可以引发一系列的反应，经过不断地融合，会产生良性的循环，开放度越高，应用范围与潜力越广可实现的跨度更大，而单片机技术木身的技术含量与水准也会得到提升，单片机技术在提升开放度的同时，外部的平台互联也是重要的一方面，多层次，多角度的发展平台与技术互联为单片机技术的发展提供更多实质性的可利用的资源，同时也能为技术发展提供更好的保障。单片机技术已经具备了较高程度的成熟度，制程不断升级，功耗和集成度不断改善。同时，市场对于嵌入式产品运行稳定性和保密性等方面的要求日益提高，装配单片机的环境也变得更加苛刻，因此单片机已经从原来的简单控制器向成熟的嵌入式处理器转变。
未来，单片机在以下几个方面有望突出发展：
首先，应用领域将得到不断拓展。随着各种行业的不断升级，工业自动化、医疗设备、能源管理等领域都需要使用智能单片机来实现信息的集成和处理。同时，在智能制造、智慧医疗、车联网、物联网等领域，单片机还有广阔的应用前景。其次，制程将不断升级，制造工艺和技术以及芯片设计技术也将不断提高，单片机可以做到更小、更强、更可靠。最后，市场需求将继续增长。据统计，未来几年，全球单片机市场规模将会不断增长，特别是在中国和亚太地区，单片机市场的发展前景尤为广阔。综上所述，单片机作为当前嵌入式领域的重要组成部分，其技术水平和市场需求都呈现稳步增长态势，未来发展前景广阔。

六、 结论

单片机是一种集成电路芯片，利用集成电路技术把微处理器 (CPU) 、计时/计数、存储器以及通信部件等集成到一块硅片上，形成了一个完整的微型计算机系统。单片机技术是计算机技术中的一个分支，也是嵌入式系统的重要组成部分。单片机技术目前已经发展相对成熟，并且在很多工业领域和日常生活中都得到了广泛的应用，在工业方面单片机主要应用于工业测控领域，因此也被称作微控器或者嵌入式控制器单片机近年来在科学技术的推动下得到了极大的发展，为世界范围内技术的改革和进步提供了条件本文通过介绍单片机技术应用的背景和意义，对国内外不同厂家不同型号的单片机在发展现状、性能优父以及应用场景等方面进行比较，总结不同单片机的硬件结构、整体架构、指令系统、工作原理以及编程开发工具等，并展望单片机在未来社会发展前景。

参考文献
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