簡述單片機未來的發(fā)展趨勢

　　1、關(guān)于單片機編程語言的未來發(fā)展趨勢

　　單片微型計算機以下簡稱單片機是計算機的一種，眾所周知計算機的運行需要系統(tǒng)軟件和操作軟件，而單片機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制文件（HEX文件）燒寫到單片機，為單片機的運行提供指令。單片機編程與計算機軟件編程是一脈相承的，現(xiàn)在主流的單片機編程語言有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)單片機編程比較困難，所以單片機編程環(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）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行簡單的單片機開發(fā)，對單片機和編程進行初步的認識。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)單片機程序開發(fā)，我認為開發(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C/C++眾多的開發(fā)環(huán)境還是太小眾。我認為現(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大的Visual Studio加入編譯HEX功能后可以簡化單片機程序開發(fā)的過程，這也應(yīng)該是未來發(fā)展的趨勢。

　　2、關(guān)于單片機硬件電路的未來發(fā)展趨勢

　　單片機正常工作需要外部電路的支持，異于個人電腦單片機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，進行模擬電壓比較時需要外圍穩(wěn)壓電路輸入標準信號源。但是回顧單片機的發(fā)展歷史，單片機硬件電路已經(jīng)得到了很好的優(yōu)化。比如中國第一家本土單片機公司STC宏晶科技推出的STC15F100系列單片機內(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。另外單片機供電門檻也不斷降低。ST公司的STM32系列單片機只需2.6V就可啟動，耐壓也達到了5.5V。

　　由于從初中開始接觸51單片機和編程，對51單片機具有獨特的情感。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)上單片機才能正常運行程序。單片機開發(fā)需要開發(fā)者精通數(shù)字電路、模擬電路、計算機編程，技術(shù)門檻要求比較高。因此未來單片機硬件的發(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)提高單片機運算速度，就目前來看ARM單片機速度最快，72MHz主頻明顯優(yōu)于51單片機的12MHz主頻6、進一步降低單片機功耗尤其是待機功耗（大多是單片機應(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、單片機開發(fā)系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢

　　單片機開發(fā)系統(tǒng)分為軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)。而硬件系統(tǒng)則指的就是單片機及其外圍電路我們稱之為單片機開發(fā)板，單片機開發(fā)板包括：單片機（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，最具有進步意義的是將博世六軸陀螺儀也一起集成到單片機中，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大，并且?guī)в?a target="_blank">HDMI輸出可適配普通顯示器。因此單片機硬件將向低體積、高集成度方面發(fā)展。

　　單片機軟件系統(tǒng)則指的是：開發(fā)環(huán)境、上位機編寫、下位機編寫。當(dāng)前主流單片機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準不一。雖說都是通過串口或SPI進行燒寫但相對比較麻煩，并且單片機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才能進行調(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運算資源降低錯誤率和開發(fā)失敗的風(fēng)險。

　　下位機指在單片機中運行的程序我們再熟悉不過，而上位機在單片機調(diào)試和數(shù)據(jù)采集方面起著很重要的作用。單片機通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至電腦再通過上位機軟件呈現(xiàn)在屏幕上并可以繪制成曲線等圖標方便數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計。但現(xiàn)在的上位機大多屬于第三方對單片機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軟件很浪費時間和精力。在未來編譯環(huán)境中集成上位機是必然，當(dāng)然作為開發(fā)者也不能一味依賴上位機所提供的數(shù)據(jù)。經(jīng)驗和外部儀器的檢測是必要的。

　　4、單片機運用領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢

　　由于單片微型計算機為可編程控制器，在早期單片微型計算機主要運用于自動控制領(lǐng)域。隨著單片微型計算機運算能力、穩(wěn)定性的提高而體積、功耗的降低，單片微型計算機在未來將廣泛運用于人機交互、可穿戴式設(shè)備、無人機飛行控制器、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)備并不需要非常強大的運算能力，并且現(xiàn)在的單片機種類非常多，也有運算能力比較強的可以用于少數(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。

　　在無人機領(lǐng)域，尤其是多旋翼無人機飛行控制器是單片機配合陀螺儀以及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、爆槳保護等等功能。由于對單片機運算能力和抗干擾行有一定要求多位嵌入式單片機。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。可穿戴式產(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)。

　　單片機的發(fā)展趨勢

　　縱觀單片機的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機的發(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630mW，而現(xiàn)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(xiàn)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(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發(fā)展的主要途徑。

　　2.微型單片化

　　現(xiàn)在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器（CPU）、隨機存取數(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，增強型的單片機集成了如A/D轉(zhuǎn)換器、PMW（脈寬調(diào)制電路）、WDT（看門狗）、有些單片機將LCD（液晶）驅(qū)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(jù)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(xiàn)在的產(chǎn)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?，F(xiàn)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(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)在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以80C51為核心的單片機占主流，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。所以C8051為核心的單片機占據(jù)了半壁江山。而Microchip公司的PIC精簡指令集（RISC）也有著強勁的發(fā)展勢頭，中國臺灣的HOLTEK公司近年的單片機產(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。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。