針對國內(nèi)外單片機(jī)的現(xiàn)況與發(fā)展研究綜述
（太原理工大學(xué)，電氣與動(dòng)力工程學(xué)院）
摘 要
單片機(jī)是一種將微處理器、存儲(chǔ)器、定時(shí)器、輸入輸出接口等集成在一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有體積小、功耗低、可靠性高、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。單片機(jī)技術(shù)自從1971年誕生以來，已經(jīng)在工業(yè)控制、儀器儀表、家用電器、通信設(shè)備、醫(yī)療器械等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了電子產(chǎn)品的智能化和數(shù)字化。本文首先介紹了單片機(jī)技術(shù)的背景和意義，然后對國內(nèi)外不同廠家不同型號的單片機(jī)在發(fā)展現(xiàn)狀、性能優(yōu)劣以及應(yīng)用場景等方面進(jìn)行了比較分析，接著總結(jié)了不同單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、整體架構(gòu)、指令系統(tǒng)、工作原理以及編程開發(fā)工具等，最后展望了單片機(jī)在未來社會(huì)的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展前景。
關(guān)鍵字: 微型計(jì)算機(jī)；工業(yè)控制；單片機(jī)；指令系統(tǒng)；現(xiàn)況；發(fā)展
Abstract
A microcontroller is a microcomputer system that integrates a microprocessor, memory, timer, input/output interface, etc. on a single chip. It has the characteristics of small size, low power consumption, high reliability, and strong functionality. Since its birth in 1971, microcontroller technology has been widely used in various fields such as industrial control, instrumentation, household appliances, communication equipment, medical equipment, etc., realizing the intelligence and digitalization of electronic products. This paper first introduces the background and significance of microcontroller technology, then compares and analyzes the development status, performance advantages and disadvantages, and application scenarios of different types and models of microcontrollers from different manufacturers at home and abroad, then summarizes the hardware structure, overall architecture.
Key words: microcomputer; Industrial control; Single chip microcomputer; Instruction system; The present situation; development

目錄
摘 要 - 2 -
Abstract - 2 -
一、 單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 - 4 -
1.1. 國外單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 - 4 -
1.2. 國內(nèi)單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 - 4 -
二、 單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用 - 4 -
2.1 工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用 - 5 -
2.2 家庭設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用 - 5 -
2.3 汽車領(lǐng)域的應(yīng)用 - 6 -
三、 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、整體架構(gòu)、指令系統(tǒng)總結(jié) - 6 -
四、 國內(nèi)外不同廠家不同型號的單片機(jī)比較分析 - 7 -
五、 單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展前景 - 8 -
5.1 單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用的意義 - 8 -
5.2 發(fā)展前景 - 8 -
六、 結(jié)論 - 8 -

一、 單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
1.1. 國外單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
國外單片機(jī)技術(shù)起源于1971年，當(dāng)時(shí)Intel公司推出了世界上第一款8位單片機(jī)4004，標(biāo)志著單片機(jī)技術(shù)的誕生。此后，國外各大芯片廠商紛紛投入到單片機(jī)技術(shù)的研發(fā)和生產(chǎn)中，推出了各種不同位數(shù)、不同架構(gòu)、不同功能的單片機(jī)產(chǎn)品[1]，形成了一個(gè)競爭激烈的市場。目前，國外主要的單片機(jī)廠商有微芯科技（ST）、德州儀器（TI）、瑞薩電子（Renesas）、安森美（Analog Devices）、英特爾（Intel）、飛思卡爾（Freescale）、恩智浦（NXP）、意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）、西門子（Siemens）、愛特梅爾（Atmel）、賽普拉斯（Cypress）等。這些廠商生產(chǎn)的單片機(jī)涵蓋了4位、8位、16位、32位甚至64位等不同字長，采用了MCS-51、AVR、PIC、ARM等不同指令集和架構(gòu)，具有了模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC/DAC）、脈寬調(diào)制器（PWM）、通用串行總線（USB）、以太網(wǎng)控制器（Ethernet Controller）、無線通信模塊（Wi-Fi/Bluetooth/ZigBee）等不同功能模塊，能夠滿足各種不同領(lǐng)域和應(yīng)用場合的需求。國外單片機(jī)技術(shù)在性能上具有較高的水平，尤其是在高速處理能力、低功耗設(shè)計(jì)、多功能集成等方面具有優(yōu)勢。
1.2. 國內(nèi)單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
國內(nèi)單片機(jī)技術(shù)起步較晚，主要是從20世紀(jì)80年代開始引進(jìn)和仿制國外的單片機(jī)產(chǎn)品[7]，如MCS-51、Z80、MC6800等。隨著國內(nèi)電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和市場需求的增長，國內(nèi)也逐漸形成了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)和創(chuàng)新能力的單片機(jī)廠商，如中科院微電子所、華為海思、中興微電子、上海貝嶺、北京兆易創(chuàng)新、廣州芯源、深圳先進(jìn)技術(shù)研究院等。這些廠商生產(chǎn)的單片機(jī)主要采用了ARM、MIPS、RISC-V等架構(gòu)，具有了高性能、低功耗、高集成度等特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制、汽車電子、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。國內(nèi)單片機(jī)技術(shù)在性能上雖然還有一定的差距，但在成本上具有較大的優(yōu)勢，而且在某些細(xì)分市場和應(yīng)用場景上具有較強(qiáng)的競爭力。
二、 單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用
2.1 工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用
現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制[2]?，F(xiàn)在的通訊工具主要是電話和手機(jī)，生活中要聯(lián)系也離不開電話和手機(jī)。單片機(jī)的應(yīng)用也在通訊上發(fā)揮了作用，主要在電話錄音和手機(jī)語音上有明顯的體現(xiàn)。在手機(jī)語音上發(fā)揮重大作用，手機(jī)進(jìn)步到現(xiàn)在其語音功能已經(jīng)很發(fā)達(dá)了，目前的語音功能在語音識別技術(shù)上取得的成果主要依靠的是單片機(jī)，在語音輸入時(shí)利用單片機(jī)系統(tǒng)對語音進(jìn)行識別和處理。單片機(jī)的作用是對輸入的音頻進(jìn)行識別，識別后傳輸給下一部件。在電話錄音上也發(fā)揮重大的作用，現(xiàn)在的手機(jī)和電話都有錄音功能，這個(gè)錄音功能通過單片機(jī)這個(gè)媒介進(jìn)行錄音，用戶在按指令后單片機(jī)接到指令馬上發(fā)送信號，最后實(shí)現(xiàn)錄音，或是在工業(yè)中運(yùn)用，如圖1。

圖2.1 單片機(jī)在工業(yè)控制中的使用

2.2 家庭設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用
家用電器中使用單片機(jī)應(yīng)屬于微計(jì)算機(jī)的測量、控制應(yīng)用。微計(jì)算機(jī)是由大規(guī)模集成電路組成的、體積較小的電子計(jì)算機(jī);它的一個(gè)分支是嵌入式計(jì)算機(jī)，應(yīng)用很廣泛，幾乎包括了生活中的所有電器設(shè)備，如計(jì)算器、數(shù)字電視、微波爐、數(shù)字相機(jī)、空調(diào)、安全系統(tǒng)等等。單片機(jī)的體積小和耗能低的優(yōu)勢被用在了家電的設(shè)計(jì)制造中，通過設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)，單片機(jī)被放進(jìn)了家電的內(nèi)部，利用單片機(jī)的優(yōu)勢可實(shí)現(xiàn)一體化和智能化。一體化和智能化可以提高電器的使用方便性，使用性能也得到大大提高。例如，我們家用的洗衣機(jī)現(xiàn)在都可以實(shí)現(xiàn)預(yù)約洗衣時(shí)間，這主要是利用了單片機(jī)，使用者進(jìn)行按鈕操作，單片機(jī)接受到指令再對時(shí)間進(jìn)行控制，最后完成指令實(shí)現(xiàn)預(yù)約。微波爐利用單片機(jī)可以實(shí)時(shí)的控制微波爐的加熱溫度的加熱時(shí)間。在冰箱的應(yīng)用主要是可以根據(jù)食物的特征進(jìn)行智能化的選擇，對冰箱的食物進(jìn)行最大程度的保存。
2.3 汽車領(lǐng)域的應(yīng)用
單片機(jī)在汽車方面的應(yīng)用主要有：汽車娛樂系統(tǒng)、汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)、汽車信息系統(tǒng)、汽車智能駕駛系統(tǒng)、汽車全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車智能化檢驗(yàn)系統(tǒng)、汽車自動(dòng)診斷系統(tǒng)和交通信息接收系統(tǒng)等[3]?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，我們的生活水平提高了，人們會(huì)根據(jù)需要提高對產(chǎn)品精確度的要求，并且產(chǎn)品還要向智能化發(fā)展。很多的行業(yè)在發(fā)展的同時(shí)也提高了使用工具的標(biāo)準(zhǔn)。像在航空行業(yè)，要精準(zhǔn)的知道目標(biāo)方位和所在方位才能比較安全的行駛，保障乘客和駕駛?cè)藛T的安全。這對儀表和儀器的精準(zhǔn)度要求較高。高精確度的儀器和儀表是航空飛行安全必要的條件，利用單片機(jī)可以提高其精確性，因?yàn)閱纹瑱C(jī)有高集成度和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，在航空中可以提高儀器和儀表的處理控制功能，并提升智能化水平，減少事故的發(fā)生。隨著單片機(jī)的進(jìn)步和成熟，單片機(jī)的利用遍布各個(gè)領(lǐng)域。現(xiàn)代自動(dòng)化控制技術(shù)發(fā)展中也少不了單片機(jī)的利用。在一些對人體危害比較大的行業(yè)中，為減少人體傷害，利用機(jī)器自動(dòng)化操作是發(fā)展趨勢。

圖2.1 單片機(jī)在汽車控制中的使用

三、 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、整體架構(gòu)、指令系統(tǒng)、工作原理總結(jié)
不同單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、整體架構(gòu)、指令系統(tǒng)、工作原理以及編程開發(fā)工具是影響單片機(jī)性能和功能的重要因素，也是設(shè)計(jì)和開發(fā)單片機(jī)應(yīng)用程序時(shí)需要了解和掌握的基本知識。以下是一些常見的單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、整體架構(gòu)、指今系統(tǒng)、工作原理以及編程開發(fā)工具的總結(jié): 51系列單片機(jī): 51系列單片機(jī)是最早也是最普遍使用的單片機(jī)之一，它采用CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī))架構(gòu)，內(nèi)部有一個(gè)8位CPU (中央處理器)、一個(gè)4KB或8KB的ROM (只讀存儲(chǔ)器) 、一人128字節(jié)或256字節(jié)的RAM (隨機(jī)存取存儲(chǔ)器) 、四個(gè)8位/0(輸入/輸出)端口以及兩16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等組成。
? 51系列單片機(jī)有一套完整而豐富的指令系統(tǒng)，共有111條指令，其中有70條是字節(jié)指令，41條是位指令。51系列單片機(jī)的工作原理是通過程序計(jì)數(shù)器 (PC) 從ROM中讀取指令，然后通過指令寄存器 (IR)和指令譯碼器 (D) 對指進(jìn)行譯碼和執(zhí)行[4]。
? PIC系列單片機(jī)：單片機(jī)，全稱單片微型計(jì)算機(jī)（英語：single-chip microcomputer），又稱微控制器(microcontroller），與應(yīng)用在個(gè)人計(jì)算機(jī)中的通用型微處理器相比，它更強(qiáng)調(diào)自供應(yīng)（不用外接硬件）和節(jié)約成本。它的最大優(yōu)點(diǎn)是體積小，可放在儀表內(nèi)部，但存儲(chǔ)量小，輸入輸出接口簡單，功能較低。由于其發(fā)展非常迅速，舊的單片機(jī)的定義已不能滿足，所以在很多應(yīng)用場合被稱為范圍更廣的微控制器；由于單片機(jī)微計(jì)算機(jī)常用于當(dāng)控制器故又名single chip microcontroller?！皢涡酒笔桥_灣對單片機(jī)的稱呼；中國大陸主要采用“單片機(jī)”的稱呼，英文縮寫為MCU。
? AVR系列單片機(jī)：AVR單片機(jī)是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡指令集高速8位單片機(jī)。可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。AVR單片機(jī)是 Atmel 公司 1997 年推出的 RISC 單片機(jī)。RISC（精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）是相對于CISC（復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）而言的。RISC 并非只是簡單地去減少指令，而是通過使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡單合理而提高運(yùn)算速度的。

四、 國內(nèi)外不同廠家不同型號的單片機(jī)比較分析
單片機(jī)技術(shù)是一個(gè)不斷發(fā)展和創(chuàng)新的領(lǐng)域，目前國內(nèi)外有許多不同廠家生產(chǎn)不同型號的單片機(jī)[7]，各有其特點(diǎn)和優(yōu)勢。以下是一些常見的單片機(jī)廠家和型號的簡要介紹和比較:
? 微芯科技(ST): 微芯科技是一家歐洲的半導(dǎo)體公司，其生產(chǎn)的單片機(jī)主要基于ARM架構(gòu)，具有高性能、低功耗、主富的外設(shè)等特點(diǎn)。微芯科技的單片機(jī)系列包括STM32、STM8等，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域
? 德州儀器 (TI): 德儀器是一家美國的半導(dǎo)體公司，其生產(chǎn)的單片機(jī)也主要基于ARM架構(gòu)，具有高集成度、高可靠性、多功能等特點(diǎn)。德州儀器的單片機(jī)系列包括MSP430、TMS320、CCxxxx等，廣泛應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。
? 瑞薩電子 (Renesas): 瑞薩電子是一家日本的半導(dǎo)體公司，其生產(chǎn)的單片機(jī)主要基于RISC架構(gòu)，具有高速度、低成本、易開發(fā)等特點(diǎn)。瑞薩電子的單片機(jī)系列包括RL78、RX、RZ等，廣泛應(yīng)用于智能儀表、家用電器、工業(yè)控制等領(lǐng)域.
? 安森美 (Analog Devices): 安森美是一家美國的半導(dǎo)體公司，其生產(chǎn)的單片機(jī)主要基于DSP架構(gòu)具有高性能、高精度、高靈活性等特點(diǎn)。安森美的單片機(jī)系列包括ADSP-BFxxx、ADSP-CMxxx等，廣泛應(yīng)用于音頻處理、圖像處理、信號處理等領(lǐng)域。
? 英特爾(lntel): 英特爾是一家美國的半導(dǎo)體公司，其生產(chǎn)的單片機(jī)主要基于CISC架構(gòu)，具有高兼容性、高擴(kuò)展性、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。英特爾的單片機(jī)系列包括80C51、80C196、80C251等，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。
? 烽火電子 (Freescale) : 烽火電子是一家美國的半導(dǎo)體公司，其生產(chǎn)的單片機(jī)主要基于HCS08.HCS12、ColdFire等架構(gòu)，具有高性能、高集成度、高可靠性等特點(diǎn)。烽火電子的單片機(jī)系列包括MC9S08、MC9S12、MCF51等，廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。
? 龍芯中科(Loongson): 龍芯中科是一家中國的半導(dǎo)體公司，其生產(chǎn)的單片機(jī)主要基于MIPS架構(gòu)具有高性能、低功耗、高兼容性等特點(diǎn)。龍芯中科的單片機(jī)系列包括LS1A、LS1B、LS1C等，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、教育信息化等領(lǐng)域。
? 中天微(ZTE): 中天微是一家中國的半導(dǎo)體公司，其生產(chǎn)的單片機(jī)主要基于ARM架構(gòu)，具有高性能、低功耗、豐富的外設(shè)等特點(diǎn)。中天微的單片機(jī)系列包括ZT8900、ZT8901、ZT8902等，廣泛應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)、智能穿戴、智能安防等領(lǐng)域。
五、 單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展前景
5.1 單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用的意義
單片機(jī)比專用處理器最適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)[5] [6]，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有 1-2部單片機(jī)。而個(gè)人電腦中也會(huì)有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。汽車上一般配備40 多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機(jī)在同時(shí)工作!單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過 PC機(jī)和其他計(jì)算的綜合，甚至比人類的數(shù)量還要多。因此單片機(jī)地研究前景比較廣闊。
5.2 發(fā)展前景
單片機(jī)技術(shù)的實(shí)用性造就了其極高的融合性，因此走開放化的發(fā)展道路是正確且唯一的，開放化的程度越高，就越能與多行業(yè)、多領(lǐng)域觸碰，衍生新的產(chǎn)品，就像化學(xué)元素一樣，彼此的觸碰可以引發(fā)一系列的反應(yīng)，經(jīng)過不斷地融合，會(huì)產(chǎn)生良性的循環(huán)，開放度越高，應(yīng)用范圍與潛力越廣可實(shí)現(xiàn)的跨度更大，而單片機(jī)技術(shù)木身的技術(shù)含量與水準(zhǔn)也會(huì)得到提升，單片機(jī)技術(shù)在提升開放度的同時(shí)，外部的平臺互聯(lián)也是重要的一方面，多層次，多角度的發(fā)展平臺與技術(shù)互聯(lián)為單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供更多實(shí)質(zhì)性的可利用的資源，同時(shí)也能為技術(shù)發(fā)展提供更好的保障。單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)具備了較高程度的成熟度，制程不斷升級，功耗和集成度不斷改善。同時(shí)，市場對于嵌入式產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定性和保密性等方面的要求日益提高，裝配單片機(jī)的環(huán)境也變得更加苛刻，因此單片機(jī)已經(jīng)從原來的簡單控制器向成熟的嵌入式處理器轉(zhuǎn)變。
未來，單片機(jī)在以下幾個(gè)方面有望突出發(fā)展：
首先，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫讲粩嗤卣?。隨著各種行業(yè)的不斷升級，工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、能源管理等領(lǐng)域都需要使用智能單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)信息的集成和處理。同時(shí)，在智能制造、智慧醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，單片機(jī)還有廣闊的應(yīng)用前景。其次，制程將不斷升級，制造工藝和技術(shù)以及芯片設(shè)計(jì)技術(shù)也將不斷提高，單片機(jī)可以做到更小、更強(qiáng)、更可靠。最后，市場需求將繼續(xù)增長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，未來幾年，全球單片機(jī)市場規(guī)模將會(huì)不斷增長，特別是在中國和亞太地區(qū)，單片機(jī)市場的發(fā)展前景尤為廣闊。綜上所述，單片機(jī)作為當(dāng)前嵌入式領(lǐng)域的重要組成部分，其技術(shù)水平和市場需求都呈現(xiàn)穩(wěn)步增長態(tài)勢，未來發(fā)展前景廣闊。

六、 結(jié)論

單片機(jī)是一種集成電路芯片，利用集成電路技術(shù)把微處理器 (CPU) 、計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)、存儲(chǔ)器以及通信部件等集成到一塊硅片上，形成了一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)中的一個(gè)分支，也是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分。單片機(jī)技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展相對成熟，并且在很多工業(yè)領(lǐng)域和日常生活中都得到了廣泛的應(yīng)用，在工業(yè)方面單片機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)測控領(lǐng)域，因此也被稱作微控器或者嵌入式控制器單片機(jī)近年來在科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下得到了極大的發(fā)展，為世界范圍內(nèi)技術(shù)的改革和進(jìn)步提供了條件本文通過介紹單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用的背景和意義，對國內(nèi)外不同廠家不同型號的單片機(jī)在發(fā)展現(xiàn)狀、性能優(yōu)父以及應(yīng)用場景等方面進(jìn)行比較，總結(jié)不同單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、整體架構(gòu)、指令系統(tǒng)、工作原理以及編程開發(fā)工具等，并展望單片機(jī)在未來社會(huì)發(fā)展前景。

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