探密嵌入式系統(tǒng)核心組件單片機(jī)

摘要：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的相繼出現(xiàn)說明電子系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對單片機(jī)名詞進(jìn)行解釋同時(shí)闡述了單片機(jī)發(fā)展階段，對嵌入式系統(tǒng)做了概述性說明，在此基礎(chǔ)上對單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)的辯證關(guān)系進(jìn)行分析和解密。

關(guān)鍵詞：單片機(jī) 嵌入式系統(tǒng) 關(guān)系

1 單片機(jī)名稱淺析

單片機(jī)，又稱“微控制器”、 “單片微控制器”、“單片微型計(jì)算機(jī)”、“嵌入式微控制器”，英文縮寫MCU，全稱為Micro Controller Unit，隸屬嵌入式計(jì)算機(jī)范疇，是嵌入式系統(tǒng)的核心組件，具有高性價(jià)比、體積小巧、可靠性好、控制能力強(qiáng)、功率消耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)。其應(yīng)用范圍已涵蓋了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科研、民生等多個(gè)領(lǐng)域，為三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)下的各行業(yè)技術(shù)升級和改造以及自動(dòng)化進(jìn)程產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)力。

單片機(jī)早期英文稱法為“Single Chip Microcomputer”，縮寫為SCM。后隨著單片機(jī)技術(shù)的日益完善和進(jìn)步，其體系結(jié)構(gòu)及功能不斷擴(kuò)展，SCM增加了控制模塊，該模塊成為了現(xiàn)今單片機(jī)的主要部件，由此出現(xiàn)MCU的提法并一舉取代了原有稱謂。MCU的確切中文翻譯為微控制器，但單片機(jī)一詞早已在我國業(yè)界留下了不可磨滅的印記，國內(nèi)對MCU的翻譯仍然約定俗成地保留了單片機(jī)這一術(shù)語并沿用至今。

2 單片機(jī)發(fā)展簡史

1976年，8位單片機(jī)首次公開于世，世界由此進(jìn)入了單片機(jī)時(shí)代?？梢哉f，8位單片機(jī)的出現(xiàn)，是單片機(jī)時(shí)代的歷史原點(diǎn)。單片機(jī)在歷史上可分為以下幾個(gè)發(fā)展階段。

2.1 探索階段。此階段主要任務(wù)是對單芯片集成技術(shù)的探索和研究，在工控領(lǐng)域，由Intel、Motorola、Zilog等公司合作推出了首款用于專業(yè)工控的MCS-48系列單片機(jī)，標(biāo)志著單片微型計(jì)算機(jī)正式誕生，并出現(xiàn)了SCM專業(yè)術(shù)語。

2.2 完善階段。此階段Intel公司完善了早期產(chǎn)品MCS-48系列并推出了更具時(shí)代意義和代表性的結(jié)構(gòu)完善的MCS-51系列單片機(jī)，采用了通用總線技術(shù)從而形成了通用總線型單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)。

2.3 轉(zhuǎn)型階段。此階段測控系統(tǒng)所要求的控制能力越來越高，之前只具備處理能力的單片機(jī)在功能上愈發(fā)顯得捉襟見肘，MCS-51系列中的8051單片機(jī)通過外圍電路與接口電路增加了控制模塊，具備了智能化控制能力，單片機(jī)的微控制器特征漸漸顯現(xiàn)。

2.4 成熟階段。此階段單片機(jī)的研制和生產(chǎn)已形成產(chǎn)業(yè)化態(tài)勢，在原來8位單片機(jī)的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力的16位、32位通用型單片機(jī)及各種性價(jià)比極高的小型專用單片機(jī)。從此高集成度的成熟技術(shù)推動(dòng)著單片機(jī)進(jìn)一步朝向低功耗、小體積、大容量、高性能、高可靠性、低成本及混合信號集成化發(fā)展。

3 嵌入式系統(tǒng)概述

微型計(jì)算機(jī)發(fā)展至今已步入了通用計(jì)算機(jī)與嵌入式計(jì)算機(jī)兩大分支并行發(fā)展的時(shí)代。嵌入式計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)標(biāo)志著嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)生，嵌入式系統(tǒng)與嵌入式技術(shù)如今早已融入社會(huì)生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面。

嵌入式系統(tǒng)全稱為“嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同的只是基于嵌入式的存在而異構(gòu)的軟/硬件系統(tǒng)。完整的嵌入式系統(tǒng)融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體工藝和電子技術(shù)等先進(jìn)科技，這些技術(shù)與不同行業(yè)具體應(yīng)用相結(jié)合，形成了面向產(chǎn)品、面向?qū)嶋H應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)，這種系統(tǒng)通常被要求具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。嵌入式系統(tǒng)的定義概括了其基本的三個(gè)特征：嵌入性、專用性、基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。顯然，只要具備了這三個(gè)特征的電子元器件，就可被稱為嵌入式系統(tǒng)。單片機(jī)恰恰成為了嵌入式系統(tǒng)的典型核心組件。

4 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的辯證關(guān)系分析

一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)通常是由嵌入式計(jì)算機(jī)、外設(shè)、操作系統(tǒng)（支持嵌入式應(yīng)用）及應(yīng)用軟件構(gòu)成。其中，嵌入式計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是軟/硬件系統(tǒng)高度專業(yè)化特殊定制的專用計(jì)算機(jī)，其核心部件即為嵌入式處理器。

目前成型的嵌入式處理器主要有：嵌入式微處理器、微控制器、嵌入式DSP處理器、嵌入式片上系統(tǒng)、片上可編程系統(tǒng)，其中的微控制器即為單片機(jī)。上述五種分類根據(jù)嵌入式計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域及專業(yè)化特殊性要求而只選擇其中一種作為嵌入式處理器置于嵌入式計(jì)算機(jī)中，從而構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)核心組件。單片機(jī)是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上，一個(gè)芯片相當(dāng)于一臺沒有I/O設(shè)備的微型計(jì)算機(jī)。在現(xiàn)代人類生產(chǎn)、生活中所用到的電子和機(jī)械產(chǎn)品中幾乎全部集成有單片機(jī)，單片機(jī)應(yīng)用已滲透入社會(huì)中的各個(gè)領(lǐng)域，例如導(dǎo)彈導(dǎo)航裝置、飛機(jī)儀表控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)傳輸、工業(yè)自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)處理、智能KC卡、高級汽車的安全保障系統(tǒng)、錄像機(jī)、攝像機(jī)、VCD、DVD、全自動(dòng)洗衣機(jī)、遙控玩具、電子寵物等等。單片機(jī)應(yīng)用主要分布在智能儀器、工業(yè)控制、家用電器、網(wǎng)絡(luò)和通信、醫(yī)用設(shè)備、模塊化系統(tǒng)、汽車電子等幾個(gè)領(lǐng)域。因此單片機(jī)相比其他四種嵌入式處理器而言具有更加廣泛的普適性和應(yīng)用范圍，單片機(jī)也由此成為了嵌入式系統(tǒng)的核心的核心。

所以，從辯證關(guān)系上看，單片機(jī)和整個(gè)嵌入式系統(tǒng)并不是等同關(guān)系，前者只是后者極為重要的一種核心組件。嵌入式系統(tǒng)通常也會(huì)如單片機(jī)一般被高度集成到一塊芯片上，二者從外觀上并不會(huì)看出有什么不同，但單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)最本質(zhì)的區(qū)別就在于操作系統(tǒng)的有無。嵌入式系統(tǒng)是包含操作系統(tǒng)的，而當(dāng)一個(gè)處理芯片沒有嵌入操作系統(tǒng)，我們就把它稱為單片機(jī)。單片機(jī)的編程就是寫裸板程序，編好的程序直接在芯片板上運(yùn)行。與此相反，嵌入式系統(tǒng)中的編程則是基于操作系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)過程，嵌入式系統(tǒng)中的程序可以通過統(tǒng)一的借口調(diào)用“別人寫好的代碼”，在“別人的基礎(chǔ)上”更快捷地實(shí)現(xiàn)自己的功能。

因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)的存在與否導(dǎo)致單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)上也存在顯著差別：嵌入式系統(tǒng)可以借用已有的驅(qū)動(dòng)資源或者在類似的驅(qū)動(dòng)程序基礎(chǔ)上進(jìn)行修改；而單片機(jī)卻只能在深入了解設(shè)備手冊之后從零開始構(gòu)造驅(qū)動(dòng)運(yùn)行環(huán)境，才能實(shí)現(xiàn)各種函數(shù)功能以供應(yīng)用程序調(diào)用。再者，雖然一些單片機(jī)廠家提供了大量的驅(qū)動(dòng)程序，但因不同單片機(jī)芯片接口不一樣而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)無法通用，而基于操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序因?yàn)橐裱y(tǒng)一的接口而讓嵌入式系統(tǒng)避免了此類困擾。

單片機(jī)在應(yīng)用程序開發(fā)時(shí)，其應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序之間的間隔并不明顯，這就要求開發(fā)者掌握一定的硬件知識，同時(shí)可供借用的軟件資源稀缺，而且應(yīng)用程序中每個(gè)任務(wù)都是串行執(zhí)行的，一旦發(fā)生程序錯(cuò)誤，整個(gè)軟件系統(tǒng)都會(huì)崩潰。與之相反，一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用編程，不需要懂得硬件知識，同時(shí)可從互聯(lián)網(wǎng)上找到各種源代碼開放的軟件資源拿來借鑒，而且基于操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序中任務(wù)是并行執(zhí)行的，即使發(fā)生程序錯(cuò)誤，操作系統(tǒng)本身也不會(huì)崩潰。

5 嵌入式系統(tǒng)核心解密

嵌入式系統(tǒng)起源于Microcomputer的分支發(fā)展，在Single Chip的思想下開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展的MCU時(shí)代。單片機(jī)的探索研究軌跡中應(yīng)用過“∑模式”與“創(chuàng)新模式”。兩種模式分別造就了今天的MCU與Embedded System?？梢哉f，單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展過程中的一個(gè)獨(dú)立分支，專業(yè)單片機(jī)的發(fā)展自然形成了SoC化趨勢，對單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)在單片機(jī)時(shí)代形成了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，此時(shí)主要是基于8位單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)最底層的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。隨著后PC時(shí)代的到來，嵌入式系統(tǒng)在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式基礎(chǔ)上形成了計(jì)算機(jī)工程設(shè)計(jì)模式。兩種應(yīng)用模式的并存與互補(bǔ)，導(dǎo)致了“單片機(jī)”與“嵌入式系統(tǒng)”兩個(gè)獨(dú)立的名稱出現(xiàn)。實(shí)際上，我們可以將單片機(jī)理解為一種典型的、獨(dú)立發(fā)展起來的嵌入式系統(tǒng)，在學(xué)科建設(shè)層面，建設(shè)將二者統(tǒng)一成“嵌入式系統(tǒng)”。如果要考慮電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下單片機(jī)應(yīng)用特點(diǎn)，還可以把單片機(jī)應(yīng)用理解成嵌入式系統(tǒng)的低端應(yīng)用，單片機(jī)也就成了不含操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，此時(shí)的單片機(jī)，充分展現(xiàn)出嵌入式系統(tǒng)的底層特性以及與對象系統(tǒng)的緊耦合關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]張迎新.單片機(jī)（微控制器）原理及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2009.