【摘　要】 隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)形成了通用計算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)兩大分支，而單片機(jī)的出現(xiàn)無疑是這兩大分支形成的標(biāo)志。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)，本文發(fā)表在《微電子學(xué)與計算機(jī)》上，文章分析了單片機(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】 嵌入式計算機(jī)系統(tǒng) 單片機(jī) 技術(shù)進(jìn)步 可靠性

　　一、單片機(jī)的發(fā)展歷程

　　1946年電子數(shù)字計算機(jī)誕生，在此后漫長的歷史進(jìn)程中，計算機(jī)始終是供養(yǎng)在特殊的機(jī)房中，實現(xiàn)數(shù)值計算的大型昂貴設(shè)備。直到20世紀(jì)70年代，微處理器的出現(xiàn)，計算機(jī)才出現(xiàn)了歷史性的變化。以微處理器為核心的微型計算機(jī)以其小型、價廉、高可靠性等優(yōu)勢，迅速走出機(jī)房;基于高速數(shù)值解算能力的微型機(jī),表現(xiàn)出的智能化水平引起了控制專業(yè)人士的興趣。他們將微型機(jī)嵌入到一個對象體系中，實現(xiàn)了對象體系的智能化控制。這樣一來，計算機(jī)便失去了原來的形態(tài)與通用的計算機(jī)功能。為了區(qū)別于原有的通用計算機(jī)系統(tǒng)，把嵌入到對象體系中、實現(xiàn)對象體系智能化控制的計算機(jī)，稱作嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)。由于嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)要嵌入到對象體系中，實現(xiàn)的是對象的智能化控制，因此。它有著與通用計算機(jī)系統(tǒng)完全不同的技術(shù)要求與技術(shù)發(fā)展方向。嵌入式系統(tǒng)雖然起源于微型計算機(jī)時代。然而，微型計算機(jī)的體積、價位、可靠性都無法滿足大量的對象系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用要求，因此，嵌入式系統(tǒng)必須走獨(dú)立發(fā)展道路，這條道路就是芯片化道路。芯片化道路即是將計算機(jī)做在一個芯片上，從而開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展的單片機(jī)時代。

　　(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)數(shù)字單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展

　　1.內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進(jìn)步。單片機(jī)在內(nèi)部已集成了越來越多的部件，這些部件包括一般常用的電路，例如定時器、比較器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、串行通信接口、Watchdog電路、LCD控制器等。有的單片機(jī)為了構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)或形成局部網(wǎng)，內(nèi)部含有局部網(wǎng)絡(luò)控制模塊CAN。因此，這類單片機(jī)十分容易構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。特別是在控制、系統(tǒng)較為復(fù)雜時，構(gòu)成一個控制網(wǎng)絡(luò)十分有用。有的單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置了專門用于變頻控制的脈寬調(diào)制控制電路。特別引人注目的是， 現(xiàn)在有的單片機(jī)已采用所謂的三核(TnCore)結(jié)構(gòu)。這是一種建立在系統(tǒng)級芯片(Syste-monachip)概念上的結(jié)構(gòu)。這種單片機(jī)由三個核組成： 一個是微控制器和DSP核， 一個是數(shù)據(jù)和程序存儲器核， 最后一個是外圍專用集成電路(ASIC)。這種單片機(jī)的最大特點(diǎn)在于把DSP和微控制器同時做在一個片上，把它和傳統(tǒng)單片機(jī)結(jié)合集成大大提高了單片機(jī)的功能。這是目前單片機(jī)最大的進(jìn)步之一。

　　2.功耗、封裝及電源電壓的進(jìn)步。現(xiàn)在新的單片機(jī)的功耗越來越小， 特別是很多單片機(jī)都設(shè)置了多種工作方式， 這些工作方式包括等待、暫停、睡眠、空閑、節(jié)電等工作方式。現(xiàn)在單片機(jī)的封裝水平已大大提高， 隨著貼片工藝的出現(xiàn)， 單片機(jī)也大量采用了各種符合貼片工藝的封裝方式出現(xiàn)，以大量減少體積。擴(kuò)大電源電壓范圍以及在較低電壓下仍然能工作是當(dāng)今單片機(jī)發(fā)展的目標(biāo)之一。目前，一般單片機(jī)都可以在3.3～5.5V的條件下工作。而一些廠家，則生產(chǎn)出可以在2.2～6v的條件下工作的單片機(jī)。

　　3.工藝上的進(jìn)步。現(xiàn)在的單片機(jī)基本上采用CMOS技術(shù)，但已經(jīng)大多數(shù)采用了0.6? m 以上的光刻工藝，有個別的公司，如Motorola公司則已采用0.35?m甚至是0.25?m技術(shù)。這些技術(shù)的進(jìn)步大大地提高了單片機(jī)的內(nèi)部密度和可靠性.

　　二、單片機(jī)應(yīng)用的可靠性技術(shù)發(fā)展

　　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 (Ellectrical 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)部瑣相環(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。

　　2.2 提高系統(tǒng)自身抗干擾能力及降低自身運(yùn)行的不穩(wěn)定性

　　2.2.1 用監(jiān)視定時器技術(shù)提高系統(tǒng)的可靠性監(jiān)視定時器(Watchdog)技術(shù)現(xiàn)在使用得非常廣泛，技術(shù)已較為成熟，這一技術(shù)的支持手段也很多。目前，各處理器的生產(chǎn)廠家?guī)缀醵荚谏a(chǎn)內(nèi)置有看門狗定時器的單片機(jī)產(chǎn)品，市場上還有許多獨(dú)立的看門狗定時器芯片可供選擇。采用監(jiān)視定時器技術(shù)后，一旦程序跑飛，系統(tǒng)立即會被監(jiān)視定時器復(fù)位掉，從頭重新啟動系統(tǒng)，從而退出不正常的運(yùn)行狀態(tài)。因此，對于采用了看門狗電路來提高可靠性的系統(tǒng)，必須嚴(yán)格保證系統(tǒng)的可重人性。對于與歷史狀態(tài)相關(guān)的系統(tǒng)，為保證其重人性能，可以把其歷史狀態(tài)保存在系統(tǒng)的RAM 中，即在單片機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存或其擴(kuò)展的外部存儲器中，開辟出專用于保存歷史狀態(tài)的緩沖區(qū)。在確保系統(tǒng)不掉電的情況下，這些歷史數(shù)據(jù)在系統(tǒng)重人時可以被重新使用。如果不能保證系統(tǒng)的電源穩(wěn)定，還必須考慮采用備用電池供電，以保證RAM數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定;對于時間不是太敏感的系統(tǒng)，還可以采用E2PR0M 或Flash ROM 來保存歷史數(shù)據(jù)。

　　2.2.2 軟件抗干擾技術(shù)

　　一個系統(tǒng)可能由于存在著各種干擾及不穩(wěn)定因素而出現(xiàn)運(yùn)行故障。為解決這一問題，可以從程序的設(shè)計方面采取一些措施。傳統(tǒng)的為抑制系統(tǒng)的干擾信號而經(jīng)常采用的軟件濾波技術(shù)、軟件冗余設(shè)計就是這一類的典型應(yīng)用。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，通常還可以采用軟件鎖設(shè)計、程序陷阱設(shè)計。這一類方法主要是針對程序跑飛的情況而采用的。當(dāng)系統(tǒng)在干擾信號的作用下發(fā)生程序跑飛時，程序指針有可能指向兩個區(qū)域：一種可能正好轉(zhuǎn)到程序區(qū)的其他地址進(jìn)行執(zhí)行，一種可能轉(zhuǎn)移到程序空間的盲區(qū)進(jìn)行執(zhí)行。所謂盲區(qū)，就是說那里并沒有存放有效的程序指令。對于第一種情況，可以采取軟件鎖加以抑制。

　　2.2.3 采用備份系統(tǒng)提高可靠性

　　備份系統(tǒng)在許多重要控制系統(tǒng)中已被廣泛使用，但多在工控機(jī)中或較大型的系統(tǒng)中采用。備份系統(tǒng)可根據(jù)具體的情況分為在線備份系統(tǒng)和后備備份系統(tǒng)。對于在線備份系統(tǒng)，系統(tǒng)中的兩個CPU均處于工作狀態(tài)，有可能兩個CPU處在對等的位置，也可能一個處在主CPU 的位置，而另一個處在從CPU的位置。在對等的情況下，兩個CPU共同決定系統(tǒng)對外的操作，任何一個CPU 出錯都將引起對外操作的禁止。對于一主一從的情況，往往是主CPU負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制邏輯的實現(xiàn)，而從CPU負(fù)責(zé)對主CPU的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)控到主CPU工作異常時，從CPU通過強(qiáng)行復(fù)位主CPU等操作使主CPU恢復(fù)正常，同時，為確保從CPU工作正常，從CPU的工作狀態(tài)也被主CPU監(jiān)控;當(dāng)從CPU 的工作狀態(tài)不正常時，主CPU也可采取措施使從CPU恢復(fù)正常工作，即實現(xiàn)互相監(jiān)控的目的。

　　高級職稱論文發(fā)表須知：《微電子學(xué)與計算機(jī)》雜志創(chuàng)辦于1972年，是2004版北大計算機(jī)核心期刊，我國微電子技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的唯一專業(yè)性國家中文核心期刊，同時也是中國計算機(jī)學(xué)會會刊。《微電子學(xué)與計算機(jī)》報道國內(nèi)外半導(dǎo)體集成電路和微型計算機(jī)的科研、技術(shù)成果。包括微電子技術(shù)在航天事業(yè)中的應(yīng)用、微型計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造、微型計算機(jī)系統(tǒng)軟件及應(yīng)用軟件、微型機(jī)應(yīng)用、計算機(jī)輔助設(shè)計、半導(dǎo)體集成電路設(shè)計與制造工藝等方面。