摘要：近幾年單片機(jī)得到了飛速的發(fā)展，單片機(jī)最明顯的優(yōu)勢就是可以嵌入到各種儀器、設(shè)備中。目前大量的嵌入式系統(tǒng)均采用單片機(jī)，本文分析了單片機(jī)的形成及發(fā)展過程以及當(dāng)前的技術(shù)進(jìn)展，同時分析了影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠性的原因，并論述提高單片機(jī)可靠性的措施。

　　關(guān)鍵詞：單片機(jī),可靠性技術(shù);發(fā)展趨勢

　　單片機(jī),亦稱單片微電腦或單片微型計算機(jī)。它是把中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、輸入/輸出端口(I/0)等主要計算機(jī)功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機(jī)。現(xiàn)在可以說單片機(jī)是百花齊放的時期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機(jī),從8位、16位到32位,數(shù)不勝數(shù),應(yīng)有盡有,它們各具特色,互成互補(bǔ),為單片機(jī)的應(yīng)用提供廣闊的天地。縱觀單片機(jī)的發(fā)展過程,可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢 。

　　一 、單片機(jī)的快速發(fā)展

　　單片機(jī)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(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括地講，一塊芯片就成了一臺計算機(jī)。它體積小、質(zhì)量輕、價格便宜，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。單片機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU、SOC三大階段。

　　1.SCM (Single Chip Microcomputer) (單片微型計算機(jī))階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。"創(chuàng)新模式"獲得成功，奠定了SCM與通用計算機(jī)完全不同的發(fā)展道路。

　　2.MCU (Micro Controller Unit)(微控制器)階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴(kuò)展、滿足嵌入式應(yīng)用時，發(fā)展對象系統(tǒng)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(lǐng)域都與對象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家肩上。

　　3.SOC (System on Chip)(片上系統(tǒng))階段，單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展之路。向MCU階段發(fā)展的重要推動力，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決;因此，單片專用機(jī)的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢。使用SOC技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的核心思想，就是要把整個應(yīng)用電子系統(tǒng)全部集成在一個芯片中。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計、EDA工具的發(fā)展，基于SOC的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計會有較大的發(fā)展。因此，對單片機(jī)的理解可以從單片微型計算機(jī)、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。

　　二、分析單片機(jī)可靠性限制原因及應(yīng)對措施

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

　　1.單片機(jī)系統(tǒng)的失效分析

　　一個單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性是其自身軟硬件與其所處工作環(huán)境綜合作用的結(jié)果，因此系統(tǒng)的可靠性也應(yīng)從這兩個方面去分析與設(shè)計。對于系統(tǒng)自身而言，能不能在保證系統(tǒng)各項功能實(shí)現(xiàn)的同時，對系統(tǒng)自身運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種干擾信號及直接來自于系統(tǒng)外部的干擾信號進(jìn)行有效的抑制，是決定系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。有缺陷的系統(tǒng)往往只從邏輯上去保證系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，而對于系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)不可靠或影響系統(tǒng)可靠的外界因素：

　　1) EFT (Electrical Fast Transient)技術(shù)。EFT技術(shù)是一種抗干擾技術(shù)，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(fā)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(tǒng)的時鐘信號正常工作。

　　2) 低噪聲布線技術(shù)及驅(qū)動技術(shù)。在傳統(tǒng)的單片機(jī)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(diǎn)上。這樣，就使電源噪聲穿過整塊芯片，對單片機(jī)的內(nèi)部電路造成干擾。現(xiàn)在，很多單片機(jī)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(tǒng)的噪聲。現(xiàn)在為了適應(yīng)各種應(yīng)用的需要，很多單片機(jī)采用"跳變沿軟化技術(shù)"，從而消除大電流瞬變時產(chǎn)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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，而且還會對外界電路產(chǎn)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(tǒng)，低頻外時鐘有利于降低系統(tǒng)的噪聲。在一些單片機(jī)中采用內(nèi)部鎖相環(huán)技術(shù)，則在外部時鐘較低時，也能產(chǎn)生較高的內(nèi)部總線速度，從而保證了速度又降低了噪聲。

　　三、單片機(jī)的發(fā)展趨勢

　　3.1低功耗CMOS化

　　MCS-51系列的8031推出時的功耗達(dá)630mW,而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在100mW左右,隨著對單片機(jī)功耗要求越來越低,現(xiàn)在的各個單片機(jī)制造商基本都采用了CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。80C51就采用了HMOS(即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)和CHMOS(互補(bǔ)高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。CMOS雖然功耗較低,但由于其物理特征決定其工作速度不夠高,而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點(diǎn),這些特征,更適合于在要求低功耗,電池供電的應(yīng)用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機(jī)發(fā)展的主要途徑。

　　3.2微型單片化

　　現(xiàn)在常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口,中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上,增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如A/D轉(zhuǎn)換器、PMW(脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機(jī)將LCD(液晶)驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上,這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多,功能就越強(qiáng)大。甚至單片機(jī)廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做,制造出具有自己特色的單片機(jī)芯片。此外,現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕,這就要求單片機(jī)除了功能強(qiáng)和功耗低外,還要求其體積要小。現(xiàn)在的許多單片機(jī)都具有多種封裝形式,其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎,使得由單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。

　　3.3串行擴(kuò)展技術(shù)

　　在很長一段時間里,通用型單片機(jī)通過三總線結(jié)構(gòu)擴(kuò)展外圍器件成為單片機(jī)應(yīng)用的主流結(jié)構(gòu)。隨著低價位OTP(One-Time Password)及各種特殊類型片內(nèi)程序存儲器的發(fā)展,加之處圍接口不斷進(jìn)入片內(nèi),推動了單片機(jī)“單片”應(yīng)用結(jié)構(gòu)的發(fā)展。特別是I2C、SPI 等串行總線的引入,可以使單片機(jī)的引腳設(shè)計得更少,單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化及規(guī)范化。

　　4、結(jié)語

　　單片機(jī)改變了我們生活,縱觀我們現(xiàn)在生活的各個領(lǐng)域,從導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置,到飛機(jī)上各種儀表的控制,從計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸,到工業(yè)自動化過程的實(shí)時控制和數(shù)據(jù)處理,以及我們生活中廣泛使用的各種智能IC卡、電子寵物等,這些都離不開單片機(jī), 單片機(jī)有著廣闊的應(yīng)用前景。

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