理解嵌入式系统与单片机的基本概念和发展脉络是学习嵌入式系统的第一课。特别是对单片机的一般组成、嵌入式系统与单片机的关系的理解有助于认识嵌入式系统。同时，重点理解嵌入式产品的一般构成与开发方法，为有目的地学习提供入门导引。
本章作为导引，介绍嵌入式系统及单片机的基本概念、发展历史；嵌入式系统中的一些常用术语；嵌入式产品的一般构成及开发方法；还对如何学习嵌入式应用技术提出了一些建议。
1.1.1 嵌入式系统与单片机
嵌入式系统（Embedded System）一词在我国广泛使用的历史并不长。在2001年中国单片机学会召开的年会上，才把“单片机”与“嵌入式系统”联系在一起。此后，许多高校把单片机原理课程“发展成”嵌入式应用技术课程。是什么原因促使这种改变呢？首先从嵌入式系统的由来说起。
1．嵌入式系统的由来
计算机是应数值计算的要求而诞生的。在计算机发展的早期，电子计算机技术一直是以沿着满足高速数值计算的道路发展的。通俗地说，计算机是因科学家需要一个高速的计算工具而产生的。直到二十世纪七十年代，电子计算机在数字计算、逻辑运算与推理、信息处理以及实际控制方面表现出非凡能力后，在通信、测控、数据传输等领域，人们对计算机技术给予更大的期待。这些领域的应用与单纯的高速海量计算要求不同，主要表现在：①直接面向控制对象；②嵌入到具体的应用体中，而不以计算机的面貌出现；③能在现场可靠地运行；④体积小，应用灵活；⑤突出控制功能，特别是对外部信息的捕捉与丰富的输入输出（I/O）功能等。由此可以看出，满足这些要求的计算机与满足高速数值计算的计算机是不可兼得的，因此，一种称之为单片机或微控制器的技术得以产生并发展。为了区分这两种计算机类型，通常把满足海量高速数值计算的计算机称为通用计算机系统，而面向测控对象，嵌入到实际应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统（Embedded System）。
从总体上说，通用计算机系统主要用于数值计算、信息处理，兼顾控制功能，而嵌入式计算机系统主要用于控制领域，兼顾数据处理。实际上，还有一种被称为数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）的芯片类型，相对于(Microcontroller Unit，MCU)来说，DSP偏重于信号处理与运算，而MCU偏重于控制。实质上，MCU与DSP并没有本质区别，仅仅因为功能有所侧重，目前也几乎同时发展，甚至是同一厂家的不同型号。现在的大多数新型MCU具备DSP功能，而大多数新型DSP芯片也具有控制功能，因此出现“DSP型MCU”、“MCU型DSP”等术语，都是想告诉用户这款芯片运算与控制功能并重而已。本书不再区分DSP与MCU，统一使用MCU一词。在一个综合系统中，会出现通用计算机系统与嵌入式计算机系统的结合，各自扮演不同的角色，共同完成系统任务。
2．单片机的含义
单片机是单片微型计算机的简称，早期的英文名是Single-chip Microcomputer，后来大多数称之为微控制器（Microcontroller Unit，MCU）或嵌入式计算机（Embedded computer）。现在microcontroller已经是计算机中一个常用术语，但十几年前，大部分英文词典并没有这个词。我国学者一般使用中文“单片机”一词，而缩写使用“MCU”，所以本书后面的简写一律以MCU为准。MCU的基本含义是：在一块芯片上集成了中央处理单元（CPU）、存储器（RAM/ROM等）、定时器/计数器及多种输入输出（I/O）接口的比较完整的数字处理系统。图1-1 一个典型的MCU内部框图
MCU是在计算机制造技术发展到一定阶段的背景下出现的，它使计算机从科学计算领域进入到智能化控制领域。从此，计算机技术在两个重要领域——通用计算机领域和嵌入式（Embedded）计算机领域都获得了极其重要的发展，为计算机的应用开辟了更广阔的空间。
就MCU组成而言，虽然它只是一块芯片，但包含了计算机的基本组成单元，仍由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成，只不过这些都集成在一块芯片上，这种结构使得MCU成为具有独特功能的计算机。
由于MCU具有体积小、价格低、稳定可靠等优点，它的出现与迅速发展，是控制系统领域的一场技术革命。MCU以其较高的性能价格比、灵活性等特点，在嵌入式微控制系统中具有十分重要的地位。在MCU出现之前，人们必须用模拟电路、数字电路实现大部分计算、控制功能，这样使得控制系统体积庞大，易出故障。MCU出现以后，情况就不同了，这些控制功能的绝大部分，已由MCU的软件实现。其它电子线路成为MCU的外围接口电路，承担着输入、输出、执行动作等功能，而计算、比较、判断等原来必须用电路实现的功能，现在用软件取代，大大地提高了系统的性能与稳定性，这种控制技术称之为微控制技术。在微控制技术中，核心是MCU，其它部分以此而展开。
3．MCU与嵌入式系统的关系
MCU从体系结构到指令系统都是按照嵌入式系统的应用特点专门设计的，它能很好地满足应用系统的嵌入、面向测控对象、现场可靠运行等方面的要求。因此由MCU构成的系统是发展最快、品种最多、数量最大、应用最广的嵌入式应用系统。
由于MCU有嵌入式应用的专用体系结构与指令系统，而且具有体积小、可靠性高等特点，又具有各种各样的型号，可以满足不同的需求，实际应用时，开发者可根据具体要求选用最佳型号的MCU嵌入到应用系统中。
1.1.2 MCU的发展简史
嵌入式计算机目前主要有SoC和MCU两种形态。SoC（System on a Chip）即片上系统，将电子系统的几乎全部功能集成在一块芯片上，从而使整机成本、体积都大大降低，顺应了现代通讯、电脑、消费产品向高性能、低成本方向的发展趋势。SoC追求产品系统的最大包容性，是集成电路向超大规模集成电路发展而产生的，主要用于大批量特定产品的设计。MCU是嵌入式计算机的主要形态，应用最广，特别对于大部分嵌入式系统初学者，应该从一种MCU入门。这里简要回顾MCU的发展历史。
1971年11月Intel公司首次宣布4004的4位微处理器，1974年12月Fairchild(仙童)公司即推出了8位MCU F8，开创了MCU的初级阶段。1976年Intel公司推出了MCS-48 MCU，它极大地促进了MCU的变革。1977年GI 公司推出了PIC1650，但此时还处于低性能MCU阶段。1978年，Zilog公司推出Z8 MCU。该公司的与Z8 MCU指令类似的Z80CPU曾在MCU市场流行多年。1980年，Intel公司在MCS-48的基础上，推出了MCS-51，它使MCU的应用跃上了一个新台阶。从此之后，其它公司的8位MCU也迅速发展起来。但迄今为止，由于我国MCU制造能力弱等特殊原因，MCS-51系列MCU以及指令系统与其兼容MCU，仍然是我国许多高校8位MCU或嵌入式系统基础课程的教学蓝本。1983年，Intel公司开始推出MCS-96系列16位MCU。1988年Intel公司推出了MCS-96系列中的8098/8398/8798 MCU，使MCS-96系列得到了一定程度的应用，但远没有8位MCU应用那样广泛。这是因为在MCU的一些应用领域中，8位MCU已能满足要求。但是，随着技术的发展与需求的提高，估计8位MCU、16位MCU、32位MCU将各有自己的应用市场。
Motorola公司于1974年开始推出MC6800微处理器，在此基础上，1979年开始生产MCU MC6801，在1983年前后发展成为较高性能的M68HC05系列，根据Dataquest的资料显示，Motorola公司的MCU在国际市场上占有最大份额。1990年前后，该公司开发了针对简单被控对象的廉价MCU，而廉价MCU在家用电器控制方面具有明显优势。2002年摩托罗拉公司（2004年6月更名为Freescale半导体公司）继68HC12系列MCU之后，推出了HCS12系列MCU，受到了许多中端用户的青睐。2006年推出了RS08系列超低端8位MCU，以满足用户对体积更小、更经济高效解决方案的需求。同时，Freescale半导体公司的8位MCU、16位MCU、32位MCU并行发展，增加了市场份额，也方便了用户的选型。
二十世纪九十年代是MCU制造业大发展时期，这个时期的Motorola、Intel、ATMEL、德州仪器、三菱、日立、飞利浦、韩国LG等一批企业开发一批性能优越的MCU，使MCU市场丰富多彩，极大地推动了MCU的应用。
从MCU出现以来，MCU制造技术迅猛发展，各种用途、各种类型的MCU不断出现，据统计，至今已达500多个机种，目前MCU正向①大容量、高性能化；②小容量、低价格化；③外围电路内装化等几个方向快速发展，应用领域也不断地扩大。同时，8位MCU、16位MCU、32位MCU、64位MCU也将拥有各自的应用领域。
1.1.3 MCU在我国的应用与教学简况
二十世纪八十年代前后，单片机在我国开始应用，各理工科院校陆续开设了有关课程。在教学及应用上，Zilog 公司生产的Z80CPU成为我国工业控制的主流，以Z80为CPU组成的TP801单板机在教学上及应用领域发挥过巨大作用。但确切地说，Z80并不是一个单片机，而仅是一个微处理器。Zilog公司1978年推出Z8单片机，其指令功能与Z80类似。但是，当单片机得以迅速发展之时，Z80在工业控制领域的地位被取代了。
二十世纪八十年代末至九十年代初，我国的工业控制领域开始转向使用Intel公司生产的MCS-51，通过这个时期，由于单片机属于高科技产品，西方国家设在巴黎的统筹委员会限制向中国出口单片机，而Intel公司通过香港转口使其产品几乎独占了中国的单片机市场，MCS-51系列单片机在我国成为单片机应用领域的主流品种。这个时期，国内几乎只有Intel一家公司销售、开发与应用单片机，国内单片机的学术论文主要是关于Intel 8051的论述，这样使得8051系列单片机在中国有其牢固的基础。但是，这种情况实际上对单片机的应用与开发是不利的。1990年9月巴黎统筹委员会解除对中国的贸易禁令后，各公司的单片机纷纷进入中国，我国单片机应用的开发呈多样性。特别是在一些领域，实用、低价的单片机也得以较广泛的应用。
从1999年开始，Motorola公司及后来独立出来的Freescale公司在我国推广其新一代单片机HC08系列及增强型HCS08系列，已经对我国的单片机应用产生积极的影响。HC08/S08系列单片机将在我国得到广泛的应用。因此选择HC08系列单片机及HCS08系列单片机进行嵌入式技术基础的教学具有实际意义，因此本书以HC08系列单片机及HCS08系列单片机为蓝本学习嵌入式技术基础。
另外，需要指出的是，由于我国的MCU设计、制造技术与发达国家差距明显，我国高校大多选用国外MCU为嵌入式技术的入门蓝本。选型上，应避免历史上的单一Z80到MCS-51这种情况。实践上，应该提倡动手，提倡软件与硬件的结合，注重嵌入式应用技术综合方法的培养。本书选择Freescale的新型8位MCU用于本科教学或嵌入式应用技术入门，充分考虑到本科教学特点与本科学生的知识结构。主要原因是：①8位MCU本身具有较大应用范围，学生毕业后，可能遇到许多“小”系统需要开发；②目前8位MCU都更好地支持C语言（或C++），便于今后扩展；③8位实验系统容易理解与搭建，有利于学生实践，培养嵌入式应用的综合能力；④如果学生毕业后或研究生阶段仍需进一步学习嵌入式应用技术，容易向32位自然过渡；⑤符合学习渐进规律，有利于打好基础。选择Freescale的8位MCU作为教学蓝本，还考虑到Freescale的8位MCU、16位MCU、32位MCU构成一个品种齐全、自成体系的庞大的MCU系列，有利于进一步学习与开发。不提倡使用体系结构较为复杂的32位MCU作为本科嵌入式系统基础阶段的教学使用，避免初学阶段进入学习误区，忽视打好嵌入式应用的基础。
