任务1 微处理器

本任务重点学习微处理器的基本原理，了解微处理器的发展和应用领域。

1.1 学习场景：微处理器有哪些应用

目前，微处理器已渗透到了生活的每个领域，很难找到哪个领域没有用到微处理器，例如，导弹的导航装置、飞机上各种仪表的控制、计算机网络通信与数据传输、工业自动化过程的实时控制和数据处理、广泛使用的各种智能IC卡、汽车的安全保障系统、录像机、摄影机、全自动洗衣机，以及程控玩具、电子宠物，还有自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械等，都离不开微处理器。在开发产品时需要对微处理器进行学习、开发与运用。图1.1所示为飞思卡尔Cortex-A9四核处理器开发板，拥有强大的处理能力和丰富的接口技术。

1.2 学习目标

（1）知识目标：微处理器的定义与组成、微处理器系统的分类、微处理器系统的发展与应用、微处理器与物联网。

（2）技能要点：了解微处理器的定义与组成；了解微处理器系统的分类；了解微处理器系统的发展与应用；熟悉微处理器与物联网的关系。

（3）任务目标：能列举5种以上微处理器应用；熟悉物联网系统中的微处理器应用。

1.3 原理学习：微处理器发展与应用

1.3.1 微处理器概述

1．微处理器定义

微处理器（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，又称为单板机、嵌入式计算机或嵌入式微处理器。微处理器采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、多种I/O接口和中断系统、定时/计数器等功能（有的还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路等）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，广泛应用在工业控制领域。从20世纪80年代起，由当时的4位、8位微处理器、十几兆赫的初级微处理器，发展到了现在的64位、上GHz频率的高性能微处理器。微处理器开发板如图1.2所示。

2．微处理器的基本结构

根据计算机结构，可将微处理器的基本结构分为三个部分，分别是运算器、控制器和寄存器。

1）运算器

运算器是由算术逻辑单元（Arithmetic Logical Unit, ALU）、累加器和数据寄存器等几部分组成的。ALU的作用是对传来的数据进行算术或逻辑运算，输入来源为两个8位数据，分别来自累加器和数据寄存器。ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。例如，两个数6和7相加，在相加之前，操作数6放在累加器中，操作数7放在数据寄存器中，当执行加法指令时，ALU把两个数相加并把结果13存入累加器，取代累加器原来的内容6。运算器有两个功能：

● 执行各种算术运算；

● 执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。

运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，并且一个算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。

2）控制器

控制器是由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成的，协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有：

● 从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；

● 对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便执行规定的动作；

● 指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。

微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分连接起来，并通过外部总线与外部的存储器、输入/输出接口电路连接。外部总线又称为系统总线，分为数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）。通过输入/输出接口电路，可实现与各种外围设备连接。

3）主要寄存器

（1）累加器A。累加器A是微处理器中使用最频繁的寄存器，在进行算术和逻辑运算时它有两个功能：运算前，用于保存一个操作数；运算后，用于保存所得的运算结果。

（2）数据寄存器。数据寄存器是通过数据总线向存储器和输入/输出（I/O）设备送（写）或取（读）数据的暂存单元，它可以保存一条正在译码的指令，也可以保存正在送往存储器中存储的数据等。

（3）指令寄存器和指令译码器。指令包括操作码和操作数，指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令，当执行一条指令时，先把指令从内存中取到数据寄存器中，然后传送到指令寄存器。当系统执行给定的指令时，必须对操作码进行译码，以确定所要求的操作，指令译码器就是负责这项工作的。其中，指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。

（4）程序计数器。程序计数器（PC）用于确定下一条指令的地址，以保证程序能够连续执行下去，因此通常又被称为指令地址计数器。在程序开始执行前必须将程序的第一条指令的内存单元地址（即程序的首地址）送入PC，使它总指向下一条要执行指令的地址。

（5）地址寄存器。地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。由于内存与CPU之间存在着速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。

当CPU向存储器存储数据、内存读取数据，以及从内存读取指令时，都要用到地址寄存器和数据寄存器。同样，如果把外围设备的地址当成内存地址单元的话，那么当CPU和外围设备交换信息时，也需要用到地址寄存器和数据寄存器。

3．处理器两大结构的区别

哈佛结构（见图1.3）是一种将程序指令存储和数据存储分开的结构，中央处理器首先在程序指令寄存器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据寄存器中读取数据，并进行下一步的操作。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度。

目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有Microchip公司的PIC系列芯片、摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11, MCS-51单片机也属于哈佛结构。

冯·诺依曼结构也称为普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同，如Intel公司的8086中央处理器的程序指令和数据都是16位。冯·诺依曼结构如图1.4所示。

目前使用冯·诺依曼结构的中央处理器和微控制器有很多，除了Intel公司的8086, ARM公司的ARM7、MIPS公司的MIPS处理器等也采用了冯·诺依曼结构。

MCS-51单片机有着嵌入式处理器经典的哈佛结构，这种体系结构在当前嵌入式处理器的高端ARM系列上仍然在延续。相对于冯·诺依曼结构，哈佛结构的知名度显然逊色许多，但在嵌入式应用领域，哈佛结构却拥有优势。两种结构的最大区别在于冯·诺依曼结构的计算机采用代码与数据的统一编址，而哈佛结构是独立编址的，代码空间与数据空间完全分开。

在通用计算机系统中，应用软件的多样性使得计算机要不断地变化所执行的代码的内容，并且频繁地对数据与代码占有的存储器进行重新分配，这种情况下，冯·诺依曼结构占有优势，因为统一编址可以最大限度地利用资源。

在嵌入式应用中，系统要执行的任务相对单一，程序一般固化在硬件中。冯·诺依曼结构也完全可以做到代码区和数据区在编译时一次性分配好，但是其灵活性得不到体现，所以现在大部分的单片机还在沿用冯·诺依曼结构，如TI的MSP430系列、Freescale的HCS08系列等。

为什么说哈佛结构有优势呢？嵌入式微处理器在工作时与通用计算机有区别：嵌入式微处理器在工作期间的绝大部分时间是无人值守的，而通用计算机工作期间一般是有人操作的；嵌入式微处理器的故障可能会导致灾难性的后果。

对于冯·诺依曼结构的计算机，程序空间不封闭，程序空间的数据在运行期理论上讲是可以被修改的，程序一旦跑飞也有可能运行到数据区。基于哈佛结构的MCS-51单片机，不需要可以对代码段进行写操作的指令，所以不会有代码区被改写的问题；程序只能在封闭的代码区中运行，不可能跑到数据区，这也是跑飞的概率减少并且跑飞后的行为有规律的原因，所以，相对于冯·诺依曼结构，哈佛结构更加适合那些程序固化、任务相对简单的控制系统。

1.3.2 微处理器的发展与应用

1．微处理器的发展

从20世纪70年代微处理器的出现到目前各式各样的微处理器的大规模应用，嵌入式系统已经有40多年的发展历史，并且是以硬件和软件相互交替、螺旋式发展的。由于微处理器要嵌入对象体系中，实现对象的智能化控制，因此它有着与通用计算机完全不同的技术要求及技术发展方向。通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算，技术发展方向是总线速度越来越快，存储容量越来越大。嵌入式计算机系统的技术要求是对象的智能化控制能力，技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。正是由于技术发展方向的不同，从而形成了计算机技术发展的两大分支——通用计算机系统和嵌入式计算机系统。其中，嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统。嵌入式系统走上了一条与通用计算机系统完全不同的发展道路，这条独立的发展道路就是单芯片化的道路。

随着微电子工艺水平的提高，集成电路制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I/O接口、A/D转换器、D/A转换器、串行接口，以及RAM、ROM等部件统统集成到一个VLSI中，从而制造出面向I/O设计的微处理器，也就是人们俗称的微处理器，成为嵌入式系统异军突起的一支新秀。8位微处理器的代表产品为Intel公司开发的MCS-51系列8位微处理器，16位微处理器的典型产品为TI公司的MSP430系列，32位微处理器的典型产品为ST公司的STM32系列。其后发展的DSP产品则进一步提升了嵌入式系统的技术水平，并迅速地渗入消费电子、医用电子、智能控制、通信电子、仪器仪表、交通运输等各个领域。

嵌入式系统软件开发也从循环轮询系统发展到实时多任务系统，实时操作系统被越来越多地应用到嵌入式系统中。1981年开发的世界上第一个商业嵌入式实时内核（VTRX32），内核中包含了许多传统操作系统的特征，如任务管理、任务间通信、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。随后，出现了各种嵌入式操作系统，目前嵌入式（实时操作系统）已经在全球形成了一个产业。

未来嵌入式系统将向微处理器的SOC化、多处理器内核、超低功耗、超小型化的方向发展。网络化、信息化的要求随着Internet技术的成熟、带宽的加大而日益提高，网络互连成为必然趋势。21世纪，嵌入式系统将无所不在，它将为人类生产带来革命性的发展。

2．微处理器应用特点

根据微处理器应用场合的特性，可以将其应用特点分为四个方面，这四个方面分别是控制系统的在线应用、软/硬件结合、现场应用环境恶劣，以及应用的广泛性和重要性。

1）控制系统的应用

微处理器的控制应用范围十分广泛，可概括地分为两个方面。

（1）微处理器在控制系统中的离线应用。微处理器的离线应用包括利用微处理器实现对控制系统总体的分析、设计、仿真及建模等工作，也可以把这类微处理器应用称为控制系统的微处理器辅助设计，简称控制系统CAD。离线控制应用是针对大型复杂的控制系统的，对微处理器性能要求较高，需要微处理器的软/硬件资源较多，因此常使用高性能的微处理器实现。

（2）微处理器在控制系统中的在线应用。微处理器的在线应用就是以微处理器代替常规的模拟或数字控制电路，使微处理器位于其中并成为控制系统、测试系统或信号处理系统的一个组成部分。通常把这种带微处理器的控制系统称为微处理器控制系统。由于微处理器要身处其中，因此对微处理器有体积小、功耗低、价格廉价以及控制功能强等要求。在线控制应用中，由于微处理器与控制对象联系密切，所以不但对微处理器的性能要求高，而且对设计者的要求也很高，不但要熟练掌握微处理器，还要了解控制对象，懂得传感器技术。

2）软/硬件结合

虽然微处理器的引入使操作系统大大“软化”，但与其他计算机应用问题相比，微处理器控制应用中的硬件仍然较多，所以微处理器控制应用具有软/硬件相结合的特点。因此，在微处理器的应用设计中需要软、硬件统筹考虑，设计者不但要熟练掌握微处理器编程技术，而且还要具有较扎实的微处理器硬件方面的理论和实践知识。

3）现场应用环境恶劣

通常微处理器的现场应用环境比较恶劣，电磁干扰、电源波动、冲击振动、高/低温等因素都会影响系统工作的稳定；此外，无人值守环境对微处理器系统的稳定性和可靠性也提出了更高的要求，所以稳定性和可靠性在微处理器的应用中具有重要的意义。在微处理器芯片方面，大规模系统集成和总线结构是微处理器稳定可靠的根本保证。除此之外，为提高稳定性，微处理器的允许电压变化范围很宽。通常微处理器使用5 V或3.3 V电压，但有些特殊用途微处理器芯片能在2.2 V，甚至0.9～1.2 V的低电压下正常工作。至于微处理器的温度特性，按能适应的环境温度范围划分为三个等级，即民用级为0～+70℃、工业级为-40～+85℃、军用级为-65～+125℃。

除了芯片本身的因素，为提高微处理器应用系统的稳定性和可靠性，还要在系统的设计和工艺中，有针对性地采用一些提高稳定性和可靠性的技术，如接地技术、屏蔽技术、隔离技术、滤波技术，以及抑制反电势干扰技术等。

4）应用的广泛性和重要性

在生活和生产的各个领域中，凡是有自动控制要求的地方通常都会有微处理器的身影出现，从简单到复杂，从空中、地面到地下，凡是能想象到的地方几乎都有使用微处理器的需求。尽管微处理器的应用现在已经很普遍了，但仍有许多可以用微处理器控制而尚未实现的项目，因此，微处理器的应用大有想象和拓展空间。

微处理器的应用有利于产品的小型化、多功能化和智能化，有助于提高劳动效率、减轻劳动强度、提高产品质量、改善劳动环境、减少能源和材料消耗、保证安全等。

微处理器的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法，从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用微处理器通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制系统“软化”技术，称为微控制技术。随着微处理器应用的推广普及，微控制技术必将不断发展、日益完善和更加充实。

3．微处理器的应用领域

微处理器已经渗透到我们生活的各个领域，很难找到哪个领域没有使用微处理器的。例如，导弹的导航装置、飞机上各种仪表的控制、计算机网络通信与数据传输、工业自动化过程的实时控制和数据处理、广泛使用的各种智能IC卡、汽车的安全保障系统、录像机、摄像机、全自动洗衣机，以及程控玩具、电子宠物等，这些都离不开微处理器，更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械和各种智能机械了。因此，微处理器的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

微处理器广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴。

（1）智能仪器。微处理器具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用微处理器控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大，例如精密的测量设备（电压表、功率计、示波器、各种分析仪）。高频示波器如图1.5所示。

（2）工业控制。微处理器具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点，用微处理器可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统，例如工厂流水线的智能化管理、电梯智能化控制、各种报警系统、与计算机连网构成二级控制系统等。通过与微处理器与机器的结合促使了工业生产方式从劳动密集型向自动化的转变。

自动化能使工业系统处于最佳状态、提高经济效益、改善产品质量和减轻劳动强度，广泛应用于机械、电子、电力、石油、化工、纺织、食品等领域中。而在自动化技术中，无论是过程控制技术、数据采集和测控技术，还是生产线上的机器人技术，都离不开微处理器的参与。

在工业自动化的领域中，机电一体化技术将发挥越来越重要的作用，在这种集机械、微电子和计算机技术于一体的综合技术中，微处理器将发挥越来越大的作用。快递分拣机器人如图1.6所示。

（3）家用电器。家用电器广泛采用微处理器控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电到其他音响视频器材，再到电子秤设备和白色家电等。

当前，家用电器产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度，而家电智能化的进一步提高就需要微处理器的参与，所以生产厂家常标榜“电脑控制”以提高其产品的档次，例如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电视机和音像视频设备等，这里所说的“电脑”实际上就是微处理器。

智能化家用电器将给我们带来更大的舒适和方便，进一步提高我们的生活质量，把我们的生活变得更加丰富多彩，例如扫地机器人，如图1.7所示。

（4）网络和通信。现代的微处理器普遍具备通信接口，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硬件条件，通信设备基本上都实现了微处理器智能控制，从电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信，到日常工作中随处可见的移动电话、集群移动通信、无线电对讲机等，例如自动驾驶汽车，如图1.8所示。

（5）设备领域。现代仪器仪表（如测试仪表和医疗仪器等）对自动化和智能化的要求越来越高，微处理器成为系统最好的改造方式，而微处理器的使用又将加速仪器仪表向数字化、智能化、多功能化和柔性化方向发展。此外，微处理器的使用还有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构、减小体积及重量，且易于携带和使用，并具有低成本、抗干扰能力强等优点，便于增加显示、报警和自诊断等功能。

微处理器在医用设备中的用途相当广泛，如医用呼吸机、各种分析仪、监护仪、超声诊断设备及病床呼叫系统等。工业中的数控机床如图1.9所示。

（6）模块化系统。某些专用微处理器设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构，如音乐集成微处理器，看似简单的功能微缩在纯电子芯片中，但需要复杂的、类似于计算机的原理；又如音乐信号以数字的形式保存在存储器中（类似于ROM），由微处理器读出后再转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。

在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也便于更换。日常生活中高集成度手机主板如图1.10所示。

（7）汽车电子。微处理器在汽车电子中的应用非常广泛，如汽车中的发动机控制器、基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器、GPS导航系统、ABS防抱死系统、制动系统、胎压检测等。车辆导航仪如图1.11所示。

（8）军事装备。科技强军、国防现代化离不开计算机，在现代化的飞机、军舰、坦克、大炮、导弹、火箭和雷达等各种军用装备上，都有微处理器在其中。信息化坦克如图1.12所示。

此外，微处理器在工商、金融、科研、教育、电力、通信、物流和航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

1.3.3 微处理器和物联网

1．物联网

物联网（Internet of Things, IoT）的概念最早于1999年由美国麻省理工学院首次提出。2009年年初，IBM提出了“智慧地球”概念，使得物联网成为时下的热门话题。2009年8月，温家宝总理提出启动“感知中国”建设，随后物联网在中国进一步升温，得到了政府、科研院校、电信运营商及设备提供商等的高度重视。

物联网是指利用各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、无线传感器、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等对现有物品信息进行感知、采集，通过网络支撑下的可靠传输技术，将各种物品的信息汇入互联网，并进行基于海量信息资源的智能决策、安全保障，以及管理技术与服务的全球公共的信息综合服务平台，如图1.13所示。

物联网有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品，物品之间可进行信息交换和通信。因此，物联网运用传感器、射频识别（RFID）、智能嵌入式等技术，使信息传感设备感知任何需要的信息，按照约定的协议，通过可能的网络（如基于Wi-Fi的无线局域网、3G/4G等）接入方式，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换通信，在进行物与物、物与人的泛在连接的基础上，实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、控制和管理。

物联网的架构通常分为感知识别层、网络构建层、信息处理层和综合应用层，如图1.14所示。

其中，感知识别采集数据和设备控制就是在微处理器技术的基础上进行的。物联网作为新一代信息技术的重要组成部分，有三方面的特征：首先，物联网技术具有互联网特征，对需要用物联网技术连网的物体来说一定要有能够实现互连互通的互联网络来支撑；其次，物联网技术具有识别与通信特征，接入物联网的物体一定要具备自动识别和物物通信（M2M）的功能；最后，物联网技术具有智能化特征，使用物联网技术形成的网络应该具有自动化、自我反馈和智能控制的功能。

2．单片机与嵌入式系统

微处理器诞生后，在微处理器基础上的现代计算机有了足够的数值计算能力和对对象系统快捷的实时控制能力。但随后人们发现“数值计算”与“对象系统实时控制”是两个无法兼容的技术发展道路与应用环境，前者要求有一个具有高速海量数值计算能力的通用计算机系统，后者则要求有一个可以嵌入到对象系统中与对象系统紧耦合、实现对象系统实时控制的、高可靠的嵌入式计算机系统。

（1）单片机的发展。在PC诞生前，很早就开始了在微处理器基础上嵌入式应用的单片机道路探索，并取得成功；PC诞生后，又开始了微型机的嵌入式应用探索，却遭遇失败。

单片微处理器的独立发展道路始于1974年诞生的第二代微处理器8088。最初，8080代替电子逻辑电路器件用于各种应用电路和设备上，带有原始的嵌入式应用印记。其后出现了一批嵌入式应用的单片机，其中最典型的是1976年Intel公司推出的MCS-48单片机。1980年，在MCS-48单片机基础上完善的MCS-51单片机成为微处理器的经典体系结构，其后开始了20年单片机的独立发展道路。

单片机的独立发展道路不仅表现为单芯片的应用，更重要的是“忠实”于嵌入式应用要求的全新体系结构探索。例如，MCS-51单片机经典体系结构中，突出控制要求的指令系统、能满足外部扩展的I/O接口与完善的串行/并行总线；哈佛结构中，实现了不受病毒侵扰的只读程序存储器，以及满足外围电路不断扩展要求的特殊功能寄存器（SFR）统一调度模式。有些不了解单片机的微处理器本质的人曾一度将单片机称为单片微型计算机，后来单片机才正名为微处理器（或微控制器）。

（2）从单片机到嵌入式系统。1976年诞生的MCS-48单片机，以及1980年在MCS-48单片机基础上完善而成的MCS-51单片机，是专门为嵌入式应用要求设计的、具有全新体系结构的微处理器，由此开始了电子技术领域20多年的单片机独立发展道路。20世纪末，随着后PC时代的到来，大量计算机界人士进入到单片机领域，并以计算机工程方法迅速提升了单片机的应用水平。计算机学科与微电子学科、电子技术学科的交叉融合，突出了单片机的嵌入式应用特征，将微处理器的应用从单片机时代推向嵌入式系统应用时代。

3．微处理器的基本特点

从单片机与嵌入式系统的曲折的发展历史中可以看到，微处理器集单片、嵌入、物联三个基本特点于一身。在微处理器30多年的发展历程中，人们从不同角度来诠释微处理器的时代特征，于是便有了早期的单片机时代、如今的嵌入式系统时代，以及正在进入的物联网时代。无论哪个时代，单片、嵌入、物联都是微处理器不可分离的基本特点，具体表现为单芯片应用形态、嵌入式应用环境、物联的应用本质。

（1）单芯片应用形态。单芯片应用形态表明，微处理器的嵌入式应用必须走单芯片控制器的发展道路，微型机嵌入式应用探索失败是一个最好的证明，走单片机道路不只是满足体积、价位的需求，更重要的是要以单芯片形态创造出全新的微处理器体系结构。最好的例证是MCS-48与MC6801两种单片机的道路探索，MCS-48采用了全新的控制器体系结构，突出控制的指令系统与全新的电路系统设计，获得成功；MC6801则是MC6800微型机删减后的单片化改造，遭遇失败。在MCS-48单片机初步取得成功后，迅速完善成MCS-51单片机。MCS-51单片机成为微处理器经典结构体系，并延续至今，创造了30多年不衰的纪录。

（2）嵌入式应用环境。单片微处理器的诞生，从根本上解决了嵌入式应用中体积、价位、可靠性、控制能力、与对象系统紧耦合的一系列技术难题。

单片微处理器的微小体积与低价位，最大限度地满足了空间环境要求与市场要求；固化的只读程序存储器、突出控制功能的指令系统与体系结构，满足了对象控制的可靠性要求。因此，单片微处理器诞生后，迅速取代经典电子系统，嵌入到对象体系（如家用电器、智能仪器、工控单元等）中实现对象体系的智能化控制。随着微处理器外围电路、接口技术的不断扩展，出现了一个个IT产品的公共平台，衍生出众多的IT产品，如智能手机、平板、PDA、MP3、MP4、电子书、数码伴侣等。这些产品没有明确的嵌入对象，体现了微处理器的内嵌式应用，即它们内部一定嵌有一个微处理器。这样一来，嵌入式应用的概念便从原来“嵌入”扩展到“内嵌”的全面嵌入式应用。

（3）物联的应用本质。微处理器为物联而生，物联是微处理器与生俱来的本质特性。早在微处理器诞生时期，通用处理器与嵌入式处理器（即微处理器）两大分支的历史性分工中，就赋予了嵌入式处理器的物联使命。

4．微处理器的三个应用时代

从1976年诞生MCS-48单片机算起，微处理器已有40多年的历史了。在40多年的发展进程中，微处理器经历了单片机与嵌入式系统两个时代，如今又进入了物联网时代。

单片机时代、嵌入式系统时代与物联网时代，是微处理器的三个不同的变革时代，在三个时代中不变的是微处理器的三个基本特点，变革的是不同学科介入后产生的巨大飞跃。

单片机的诞生，为电子技术领域提供了一个微处理器形态的归一化智力内核，开始了传统电子系统的智能化改造，开启了微处理器的单片机时代。后PC时代的到来，大量计算机界人士进入单片机领域，电子技术与计算机技术相结合，极大地提升了微处理器的嵌入式应用水平，将单片机时代推进到嵌入式系统时代。如今，借助微处理器的智慧物联，将互联网延伸到物理对象，使微处理器以嵌入式系统的身份进入大有作为的物联网时代。

综上所述，无论是单片机、嵌入式系统还是物联网系统，都是不同时代的同一类事件。在微处理器诞生后，经历了20多年的单片机时代、10多年的嵌入式系统时代，如今又进入物联网系统时代。微处理器的三个时代，展现了微处理器的三个不同历史时期，体现了微处理器的不断深化、不断变革。在这三个历史时期中，微处理器始终保持单片形态、嵌入式应用与物联本质这三个基本特点，形成了微处理器发展史上的两次华丽转身，即从单片机到嵌入式系统的华丽转身，以及从嵌入式系统到物联网的华丽转身。

5．单片机到嵌入式系统发展

1974年，第二代微处理器8080诞生后，半导体产业领域中迅速掀起了一股单片微处理器的应用热潮，出现了众多型号的单片微处理器，为电子技术领域提供一个个智能化改造的智力内核。由于半导体厂商的技术支持，低廉的硬件成本与开发装置，易被电子工程师掌握的汇编语言编程技术，很快便掀起了传统电子系统智能化的改造热潮。

传统电子系统的智能化改造，是专业领域（如自动控制、消费电子、家用电器等）对象系统的智能化改造，是半导体厂商与对象系统领域电子工程师的合作应用模式。计算机界专业人士很难介入这种对象系统的智能化产品开发，形成了电子技术领域电子工程师“单打独斗”的局面。这是一个20多年微处理器应用的缓慢发展期。计算机工程方法的欠缺，电子技术应用模式的局限性，严重制约了微处理器应用技术的发展。

正当单片机时代陷入困境时，计算机专业领域迎来了后PC时代，即以PC为代表的微型计算机技术已进入到大企业（Intel公司和Microsoft公司）垄断性的发展时代，受日益高涨的微处理器市场吸引，大批计算机专业人士进入微处理器领域，改变了微处理器的电子工程技术应用的印记，将微处理器的单片机概念变更到嵌入式系统的概念上来。这不是一般概念上的简易变更，而是体现了微处理器应用技术的变革，即从电子工程应用模式变更到计算机工程应用模式。这是微处理器应用从单片机时代到嵌入式系统时代的第一次华丽转身，这是因为计算机学科介入后，引入的计算机高级语言、操作系统、集成开发环境、计算机工程方法，极大地提高了微处理器的应用水平，嵌入式系统成为多学科的综合应用领域。

6．从嵌入式系统到物联网

微处理器经历了20多年单片机的缓慢发展期后，在10多年的嵌入式系统时代中有了突飞猛进的发展。从单机应用、分布式总线应用到局域网应用，微处理器芯片技术从数字集成、数模混合集成、软件集成到大规模的SoC集成；与此同时，具有TCP/IP协议栈的内嵌式单元与方便外接的互联网接口技术大量涌现，无论是嵌入式系统的单机还是嵌入式系统的局域网，与互联网、GPS的连接成为常态，从而将互联网顺利地延伸到物理对象，变革成物联网。

物联网时代，唯有嵌入式系统可以承担起物联网繁重的物联任务。在物联网应用中，首要任务是嵌入式系统物联基础上的物联网系统建设。大量的物联网系统开发任务与物联网中嵌入式系统复合人才的培养，都要求嵌入式系统迅速转向物联网，积极推动物联网、云计算技术与产业的发展。

7．新时代物联网处理器的发展要求

工业和信息化部《物联网发展规划（2016—2020年）》（以下简称《发展规划》）在报告中总结了“十二五”期间我国在物联网关键技术研发、应用示范推广、产业协调发展和政策环境建设等方面取得的成果。

《发展规划》认为，我国物联网将加速进入“跨界融合、集成创新和规模化发展”的新阶段，与我国新型工业化、城镇化、信息化、农业现代化建设深度交汇，面临广阔的发展前景。另一方面，我国物联网发展又面临国际竞争的巨大压力，核心产品全球化、应用需求本地化的趋势将更加凸显，机遇与挑战并存。

（1）万物互联时代开启。物联网将进入万物互联发展新阶段，智能可穿戴设备、智能家电、智能网联汽车、智能机器人等数以万亿计的新设备将接入网络，形成海量数据，应用呈现爆发性的增长，促进生产生活和社会管理方式进一步向智能化、精细化、网络化方向转变，经济社会发展更加智能、高效。第五代移动通信技术（5G）、窄带物联网（NB-IoT）等新技术为万物互联提供了强大的基础设施支撑能力。万物互联的泛在接入、高效传输、海量异构信息处理和设备智能控制，以及由此引发的安全问题等，都对发展物联网技术和应用提出了更高的要求。

（2）应用需求全面升级。物联网万亿级的垂直行业市场正在不断兴起，制造业成为物联网的重要应用领域，相关国家纷纷提触发展“工业互联网”“工业4.0”，我国提出建设制造强国、网络强国，推进供给侧结构性改革，以信息物理系统（CPS）为代表的物联网智能信息技术将在制造业智能化、网络化、服务化等转型升级方面发挥重要作用。车联网、健康、家居、智能硬件、可穿戴设备等消费市场需求更加活跃，驱动物联网和其他前沿技术不断融合，人工智能、虚拟现实、自动驾驶、智能机器人等技术不断取得新突破。智慧城市建设将成为全球热点，物联网是智慧城市构架中的基本要素和模块单元，已成为实现智慧城市“自动感知、快速反应、科学决策”的关键基础设施和重要支撑。

（3）产业生态竞争日趋激烈。物联网成为互联网之后又一个产业竞争制高点，生态构建和产业布局正在全球加速展开。国际企业利用自身优势加快互联网服务、整机设备、核心芯片、操作系统、传感器件等产业链布局，操作系统与云平台一体化成为掌控生态主导权的重要手段，工业制造、车联网和智能家居成为产业竞争的重点领域。我国电信、互联网和制造企业也在加大力度整合平台服务和产品制造等资源，积极构建产业生态体系。

《发展规划》指出需要进一步突破关键核心技术，研究低功耗处理器技术和面向物联网应用的集成电路设计工艺，开展面向重点领域的高性能、低成本、集成化、微型化、低功耗智能传感器技术和产品研发，提升智能传感器设计、制造、封装与集成、多传感器集成与数据融合，以及可靠性领域技术水平。研究面向服务的物联网网络体系架构、通信技术及组网等智能传输技术，加快发展NB-IoT等低功耗广域网技术和网络虚拟化技术。研究物联网感知数据与知识表达、智能决策、跨平台和能力开放处理、开放式公共数据服务等智能信息处理技术，支持物联网操作系统、数据共享服务平台的研发和产业化，进一步完善基础功能组件、应用开发环境和外围模块。发展支持多应用、安全可控的标识管理体系。加强物联网与移动互联网、云计算、大数据等领域的集成创新，重点研发满足物联网服务需求的智能信息服务系统及其关键技术。

1.4 任务小结

通过本项目的学习和实践，读者可以了解微处理器的发展和演变历程。通过对经典计算机的结构认识、了解微处理器的种类，不同种类微处理器的使用环境和场景，了解微处理器微操作系统的功能和用途。

1.5 思考与拓展

（1）微处理器有哪些种类？

（2）微处理器的微操作系统是什么？

（3）微处理器都应用在哪些地方？