摘要：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：單片機,可靠性技術;發展趨勢

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

　　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、分析單片機可靠性限制原因及應對措施

　　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 (Electrical 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鎖相環技術，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。

　　三、單片機的發展趨勢

　　3.1低功耗CMOS化

　　MCS-51系列的8031推出時的功耗達630mW,而現在的單片機普遍都在100mW左右,隨著對單片機功耗要求越來越低,現在的各個單片機制造商基本都采用了CMOS(互補金屬氧化物半導體工藝)。80C51就采用了HMOS(即高密度金屬氧化物半導體工藝)和CHMOS(互補高密度金屬氧化物半導體工藝)。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,這些特征,更適合于在要求低功耗,電池供電的應用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機發展的主要途徑。

　　3.2微型單片化

　　現在常規的單片機普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機存取數據存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口,中斷系統、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上,增強型的單片機集成了如A/D轉換器、PMW(脈寬調制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機將LCD(液晶)驅動電路都集成在單一的芯片上,這樣單片機包含的單元電路就更多,功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據用戶的要求量身定做,制造出具有自己特色的單片機芯片。此外,現在的產品普遍要求體積小、重量輕,這就要求單片機除了功能強和功耗低外,還要求其體積要小。現在的許多單片機都具有多種封裝形式,其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎,使得由單片機構成的系統正朝微型化方向發展。

　　3.3串行擴展技術

　　在很長一段時間里,通用型單片機通過三總線結構擴展外圍器件成為單片機應用的主流結構。隨著低價位OTP(One-Time Password)及各種特殊類型片內程序存儲器的發展,加之處圍接口不斷進入片內,推動了單片機“單片”應用結構的發展。特別是I2C、SPI 等串行總線的引入,可以使單片機的引腳設計得更少,單片機系統結構更加簡化及規范化。

　　4、結語

　　單片機改變了我們生活,縱觀我們現在生活的各個領域,從導彈的導航裝置,到飛機上各種儀表的控制,從計算機的網絡通訊與數據傳輸,到工業自動化過程的實時控制和數據處理,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, 單片機有著廣闊的應用前景。

　　參考文獻

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