簡述單片機(jī)未來的發(fā)展趨勢

　　簡述單片機(jī)未來的發(fā)展趨勢

　　1、關(guān)于單片機(jī)編程語言的未來發(fā)展趨勢

　　單片微型計算機(jī)以下簡稱單片機(jī)是計算機(jī)的一種，眾所周知計算機(jī)的運行需要系統(tǒng)軟件和操作軟件，而單片機(jī)也不例外它需要一些指令才能運行。這些指令被編譯為十六進(jìn)制文件（HEX文件）燒寫到單片機(jī)，為單片機(jī)的運行提供指令。單片機(jī)編程與計算機(jī)軟件編程是一脈相承的，現(xiàn)在主流的單片機(jī)編程語言有C語言、匯編語言、Python等。

　　但是在全民創(chuàng)客的時代對于一個沒有編程語言基礎(chǔ)的人特別是中學(xué)一下的學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)編程比較困難，所以單片機(jī)編程環(huán)境在非專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)該是基于圖形化操作界面，類似于PLC編程。在這方面樂高積木推出的NXT控制器（基于AVR單片機(jī)）和圖形化編程開發(fā)平臺LabView平臺，將編程全部圖形化、模塊化適合沒有編程語言的人進(jìn)行簡單的單片機(jī)開發(fā)，對單片機(jī)和編程進(jìn)行初步的認(rèn)識。Arduino公司推出的Ardunio IDE雖然沒有圖形化界面但它將編程簡單化，將程序分為三大部分第一是庫函數(shù)，第二是初始化函數(shù)，第三是循環(huán)函數(shù)。與C/C++的庫函數(shù)+主函數(shù)比較有一定差異。其次Arduino將常用傳感器的驅(qū)動程序封裝起來做成庫，使用傳感器時非常方便直接調(diào)用庫函數(shù)并在初始化函數(shù)進(jìn)行簡單初始化就可以使用。但這樣做局限性也比較大，將庫封裝起來雖然調(diào)用方便，但開發(fā)者大多不會去研究傳感器的工作方式與單片機(jī)的通訊方式（數(shù)字傳感器），更不會去編寫類似的庫。并且IDE的開發(fā)環(huán)境無法勝任復(fù)雜的程序編寫，因此在未來開發(fā)環(huán)境的模塊化和模塊化程度值得商榷。

　　而對于專業(yè)單片機(jī)程序開發(fā)，我認(rèn)為開發(fā)語言應(yīng)該更加多樣化JAVA等目前程序員使用比較多的語言也應(yīng)該加入其中。目前單片機(jī)程序開發(fā)環(huán)境主要有ARM公司的Keil和Arduino公司推出的Arduino IDE但是相對于計算機(jī)C/C++眾多的開發(fā)環(huán)境還是太小眾。我認(rèn)為現(xiàn)在主流的開發(fā)環(huán)境應(yīng)當(dāng)加入HEX文件編譯功能，像微軟公司推出的強(qiáng)大的Visual Studio加入編譯HEX功能后可以簡化單片機(jī)程序開發(fā)的過程，這也應(yīng)該是未來發(fā)展的趨勢。

　　2、關(guān)于單片機(jī)硬件電路的未來發(fā)展趨勢

　　單片機(jī)正常工作需要外部電路的支持，異于個人電腦單片機(jī)它不僅僅需要外部電源供電，它還需要外部晶振電路、復(fù)位電路，如果需要控制大功率器件還需要外圍的驅(qū)動電路，進(jìn)行模擬電壓比較時需要外圍穩(wěn)壓電路輸入標(biāo)準(zhǔn)信號源。但是回顧單片機(jī)的發(fā)展歷史，單片機(jī)硬件電路已經(jīng)得到了很好的優(yōu)化。比如中國第一家本土單片機(jī)公司STC宏晶科技推出的STC15F100系列單片機(jī)內(nèi)部就集成高精度R\C時鐘無需外圍晶振電路。ST意法半導(dǎo)體公司推出的STM32系列32位嵌入式單片機(jī)內(nèi)部集成了RTC時鐘電路，只需外圍備用電池接入就可實現(xiàn)實時時鐘功能。另外單片機(jī)供電門檻也不斷降低。ST公司的STM32系列單片機(jī)只需2.6V就可啟動，耐壓也達(dá)到了5.5V。

　　由于從初中開始接觸51單片機(jī)和編程，對51單片機(jī)具有獨特的情感。在接觸之初對最小系統(tǒng)的搭建印象比較深刻，只有在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上單片機(jī)才能正常運行程序。單片機(jī)開發(fā)需要開發(fā)者精通數(shù)字電路、模擬電路、計算機(jī)編程，技術(shù)門檻要求比較高。因此未來單片機(jī)硬件的發(fā)展應(yīng)該是：1、集成更多的外圍電路力圖只需電源就可正常運行2、降低供電電壓（就現(xiàn)在來看0.9V的單片機(jī)已經(jīng)問世）3、內(nèi)部集成AD\DA高速轉(zhuǎn)換電路省區(qū)外圍AD\DA芯片的不穩(wěn)定性4、提高單片機(jī)的抗干擾能力使其在復(fù)雜電磁環(huán)境下仍可以正常運行5、通過優(yōu)化架構(gòu)提高單片機(jī)運算速度，就目前來看ARM單片機(jī)速度最快，72MHz主頻明顯優(yōu)于51單片機(jī)的12MHz主頻6、進(jìn)一步降低單片機(jī)功耗尤其是待機(jī)功耗（大多是單片機(jī)應(yīng)用于移動設(shè)備靠電池供電）7、縮小體積（尤其運用于可穿戴式領(lǐng)域）

　　3、單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢

　　單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)分為軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)。而硬件系統(tǒng)則指的就是單片機(jī)及其外圍電路我們稱之為單片機(jī)開發(fā)板，單片機(jī)開發(fā)板包括：單片機(jī)（MCU）、晶振電路、實時時鐘電路、邏輯器電路、口燒寫電路、I\O口、SPI接口、I2C總線接口等等，以為開發(fā)提供硬件準(zhǔn)備。在未來集成化的趨勢下一些外圍電路將被集成入單片機(jī)內(nèi)部有效縮小開發(fā)板體積、降低成本。

　　在這方面國外幾家廠商做的不錯。包括意大利Arduino公司在2016年底推出的Arduino 101居里開發(fā)板同時具有X86核心和Intel的夸克核心，最具有進(jìn)步意義的是將博世六軸陀螺儀也一起集成到單片機(jī)中，此開發(fā)板將廣泛運用于可穿戴設(shè)備的開發(fā)中。早在2013年英特爾也推出了屬于自己的單片機(jī)開發(fā)板“愛迪生開發(fā)板”這款開發(fā)板首次將通信芯片、電源管理芯片、聲卡芯片、GPU全部集成到郵票大小的硅片上外界內(nèi)存和對應(yīng)的顯示器就相當(dāng)于一臺平板電腦（由于此單片機(jī)位X86架構(gòu)可運行Windows系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)）。英國樹莓派公司近期也推出了第三代嵌入式開發(fā)板“樹莓派3b/3b+”樹莓派開發(fā)板采用博通方案將GPU、WIFI芯片、藍(lán)牙、CPU集成到一起整個開發(fā)板只有身份證大小而且功能強(qiáng)大，并且?guī)в?a target="_blank">HDMI輸出可適配普通顯示器。因此單片機(jī)硬件將向低體積、高集成度方面發(fā)展。

　　單片機(jī)軟件系統(tǒng)則指的是：開發(fā)環(huán)境、上位機(jī)編寫、下位機(jī)編寫。當(dāng)前主流單片機(jī)C語言開發(fā)環(huán)境有ARM公司的Keil、Arduino公司的Arduino IDE。對于STM32系列和Atmel MEGA16/32系列單片機(jī)在同一個軟件可以同時完成編譯和燒寫。問題也出在此，市場上單片機(jī)品牌眾多幾乎所有的程序編寫都是在keil中編寫的單燒錄軟件各個公司標(biāo)準(zhǔn)不一。雖說都是通過串口或SPI進(jìn)行燒寫但相對比較麻煩，并且單片機(jī)編程不想軟件編程可直接在電腦中運行必須燒寫入單片機(jī)才能進(jìn)行調(diào)試，在程序調(diào)試階段會很浪費時間。因此在未來發(fā)展在線調(diào)試功能是必然，雖然已經(jīng)有少數(shù)幾家公司開發(fā)出在線調(diào)試仿真功能但成本太高需要很多外圍設(shè)備。也希望各大單片機(jī)公司可以開發(fā)出自己的編譯環(huán)境，使開發(fā)者更加高效使用單片機(jī)運算資源降低錯誤率和開發(fā)失敗的風(fēng)險。

　　下位機(jī)指在單片機(jī)中運行的程序我們再熟悉不過，而上位機(jī)在單片機(jī)調(diào)試和數(shù)據(jù)采集方面起著很重要的作用。單片機(jī)通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至電腦再通過上位機(jī)軟件呈現(xiàn)在屏幕上并可以繪制成曲線等圖標(biāo)方便數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計。但現(xiàn)在的上位機(jī)大多屬于第三方對單片機(jī)類型和型號限制很大，基本上開發(fā)者為了完成開發(fā)項目需要自己編寫合適的上位機(jī)軟件很浪費時間和精力。在未來編譯環(huán)境中集成上位機(jī)是必然，當(dāng)然作為開發(fā)者也不能一味依賴上位機(jī)所提供的數(shù)據(jù)。經(jīng)驗和外部儀器的檢測是必要的。

　　4、單片機(jī)運用領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢

　　由于單片微型計算機(jī)為可編程控制器，在早期單片微型計算機(jī)主要運用于自動控制領(lǐng)域。隨著單片微型計算機(jī)運算能力、穩(wěn)定性的提高而體積、功耗的降低，單片微型計算機(jī)在未來將廣泛運用于人機(jī)交互、可穿戴式設(shè)備、無人機(jī)飛行控制器、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

　　在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理都是交給云端處理的，終端設(shè)備并不需要非常強(qiáng)大的運算能力，并且現(xiàn)在的單片機(jī)種類非常多，也有運算能力比較強(qiáng)的可以用于少數(shù)要求高運算能力的應(yīng)用，開發(fā)者可以依據(jù)具體應(yīng)用場合來選擇最高效的方案，對于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用應(yīng)該是足以勝任的。單片機(jī)以其較高性價比和較低開發(fā)門檻，將會是今后物聯(lián)網(wǎng)的重要組成元素。

　　在無人機(jī)領(lǐng)域，尤其是多旋翼無人機(jī)飛行控制器是單片機(jī)配合陀螺儀以及PWM波的輸入輸出，通過PID算法和讀取來自接收機(jī)的PWM數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、光流傳感器、超聲波傳感器、視覺傳感器等的數(shù)據(jù)對多旋翼的飛行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整、實現(xiàn)避障、定點環(huán)繞、脫空返航、飛行數(shù)據(jù)和視頻的實時傳輸、爆槳保護(hù)等等功能。由于對單片機(jī)運算能力和抗干擾行有一定要求多位嵌入式單片機(jī)。開源飛行控制器中普遍為STM32方案、MEGA2560方案例如，最近比較火熱的APM飛控和PIX飛控。而像大疆精靈成品機(jī)以及大疆NAZA、A系、N系等非開源飛控則多基于DSP的FPGA嵌入式開發(fā)。

　　從消費電子產(chǎn)品歷史發(fā)展的情況來看，正在經(jīng)歷從移動化、便攜化向穿戴化產(chǎn)品方向發(fā)展，可穿戴式產(chǎn)品在手機(jī)之后正引領(lǐng)一個全新的電子產(chǎn)品時代。各種新的電子器件的應(yīng)用（如MEMS等）帶來了一些創(chuàng)新的產(chǎn)品，給生活工作方方面面帶來了更多的改變和新的體驗?？纱┐魇疆a(chǎn)品在健康、娛樂、醫(yī)療、保健、工業(yè)和企業(yè)等應(yīng)用越來越多。在可以預(yù)見的未來，越來越多的可穿戴式產(chǎn)品將會出現(xiàn)。

　　單片機(jī)的發(fā)展趨勢

　　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，大致有：

　　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（互補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝）。象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，這些特征，更適合于在要求低功耗象電池供電的應(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。

　　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?，F(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.主流與多品種共存

　　現(xiàn)在雖然單片機(jī)的品種繁多，各具特色，但仍以80C51為核心的單片機(jī)占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有PHILIPS公司的產(chǎn)品，ATMEL公司的產(chǎn)品和中國臺灣的Winbond系列單片機(jī)。所以C8051為核心的單片機(jī)占據(jù)了半壁江山。而Microchip公司的PIC精簡指令集（RISC）也有著強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，中國臺灣的HOLTEK公司近年的單片機(jī)產(chǎn)量與日俱增，與其低價質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢，占據(jù)一定的市場分額。此外還有MOTOROLA公司的產(chǎn)品，日本幾大公司的專用單片機(jī)。在一定的時期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個單片機(jī)一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補，相輔相成、共同發(fā)展的道路。