第1章單片機(特點和應用、基本結構,芯片介紹)(已標)

2023/2/12023/2/11微控制器技術王擊主講電話Q：3890603082023/2/12023/2/12《單片機原理與應用及C51編程技術》高玉芹

主編2023/2/12023/2/13全書目錄第1章單片機概述第2章AT89系列單片機的硬件體系結構第3章單片機匯編程序設計第4章C51程序設計第5章單片機應用系統(tǒng)仿真開發(fā)平臺簡介第6章AT89系列單片機的內部資源及應用第7章單片機存儲器的擴展第8章AT89系列單片機的接口擴展技術第9章串行總線接口技術第10章單片機應用系統(tǒng)設計方法2023/2/142023/2/1單片機原理與應用電子課件第1

章單片機概述2023/2/12023/2/15

課程介紹2023/2/12023/2/16本章主要內容：

1.1單片機的概念及其主要特點1.2單片機的分類及發(fā)展趨勢1.3常見的主流單片機1.4單片機的應用領域

2023/2/1單片機(SingleChipMicrocomputer)是單片微型計算機的簡稱，是指在一塊半導體芯片中集成有中央處理器(CPU)、存儲器(RAM和ROM)、基本I/O接口以及定時器/計數器等必要部件所構成的完整的微型計算機

1.1單片機的概念及其主要特點2023/2/172023/2/12023/2/181.1單片機的概念及其主要特點單片機一詞來源于“SingleChipMicrocomputer”即“SCM”，按照面向對象、突出控制功能，在片內集成了許多外圍電路及外設接口，突破了傳統(tǒng)意義的計算機結構，發(fā)展成microcontroller的體系結構，目前國外已普遍稱之為微控制器MCU（MicroControllerUnit）。鑒于它完全作嵌入式應用，故又稱為嵌入式微控制器EmbeddedMicrocontroller）。

2023/2/12023/2/19主要特點:單片機具有集成度高、體積小、功耗低、可靠性高、使用靈活方便、控制功能強、優(yōu)異的性能價格比和開發(fā)方便簡單等特點。利用單片機可以較方便地構成控制系統(tǒng)。

2023/2/12023/2/1101.2單片機的分類及發(fā)展趨勢1.2.1單片機的分類目前，單片機芯片系列、品種、規(guī)格繁多，先后經歷了4位機、8位機、16位機、新一代8位機、32位機等幾個有代表性的發(fā)展階段。

4位單片機現在主要用在各種規(guī)模較小的家電類消費產品上，在整個單片機市場中所占的比例逐年減少；

8位單片機是目前世界上品種最為豐富、應用最為廣泛的單片機，也是我國單片機市場的主流產品。從國內流行的品種上來看，主要分為51系列及其兼容機型和非51系列單片機。

2023/2/12023/2/1118位單片機的特點是通用性強，但控制功能有限，不能滿足不同應用領域、不同測控系統(tǒng)的要求。在20世紀90年代中后期，各大芯片廠商在原有單片機內核的基礎上，除了進一步強化原有功能外，針對不同的應用領域，將不同功能、用途的外部接口電路嵌入到單片機CPU內，形成了規(guī)格、品種繁多的新一代8位單片機芯片。2023/2/12023/2/112

在今后相當長的一段時間內，8位單片機，尤其是強化了控制接口功能的新一代8位單片機依然是單片機的主流產品。因此，本書后面章節(jié)主要依托ATMEL公司的AT89SXX機來講解8位單片機的原理及應用。2023/2/12023/2/113

16位單片機的數據處理速度和能力比8位單片機有較大的提高，其中TI公司的MSP43016位系列單片機憑借其省電和超低功耗的特性，已在水、電、暖的遠程抄表、IC卡、無線傳感器網絡等對電源功耗有著嚴格要求的行業(yè)中獲得廣泛的應用。盡管16位單片機進入市場已有十余年，但一直未能取代8位機成為主流產品。2023/2/12023/2/114

32位單片機是單片機的發(fā)展趨勢，隨著技術的發(fā)展、開發(fā)成本和產品價格的下降，將會與8位單片機并駕齊驅并在市場上有趕超8位單片機的趨勢，目前32位單片機主要用在高端產品上。在32位單片機生產廠家中，以32位ARM嵌入式微處理器應用相對廣泛。ARM嵌入式微處理器由英國ARM公司設計，ARM公司是一家以設計半導體技術為主業(yè)的知識產權供應商，自身不生產芯片，以轉讓設計許可由合作伙伴來生產芯片。

2023/2/12023/2/115INTER、IBM、FREESCALE、SAMSUNG、OKI、LG、NEC、SONY、PHILIPS等30多家半導體公司與ARM公司簽定了ARM嵌入式技術使用許可協議。軟件系統(tǒng)合作伙伴包括微軟、Symbian和MRI等一系列當今最具實力的軟件開發(fā)和供應商。因此ARM嵌入式微處理器一上市便在32位單片機市場上成為一枝獨秀的主流產品。2023/2/12023/2/1161.2.2單片機的發(fā)展趨勢1、CPU核仍以CISC為主，但向RISC演化。

CPU核仍以當初Intel確立的哈佛結構(程序和數據存儲器相分立的體系)和復雜指令集系統(tǒng)(CISC)為主。只有少數廠家生產精簡指令集計算機，但仍保留了哈佛的分立存儲器結構。如Microchip的8位PICl2／16／17／18Fxxx微控制器、Atmel的8位AVR微控制器等。

2023/2/12023/2/1172、提高指令的執(zhí)行速度提高單片機的振蕩器頻率或減少每機器周期包含的振蕩器周期數，都可以提高指令的執(zhí)行速度。如Philips公司把12MHz的80C51從每機器周期所含振蕩器周期數由12改為6，獲得2倍速，Winband公司由12改為3，獲得4倍速。目前，8位微控制器的頻率一般可以高至33MHz～40MHz。

2023/2/12023/2/1183、集成大容量片上FLASH存儲器近幾年，8位微控制器競相采用FLASH存儲器，這已成趨勢。因為它集成密度高、價格便宜、技術先進，可以取代PROM、EPROM、OTP和EEPROM等。如STC系列單片機芯片內分別具有4～64KB的FLASH，并利用FLASH可高速讀／寫。

2023/2/12023/2/1194、實現ISP、IAP在線編程技術在線編程目前有兩種實現方法：在系統(tǒng)編程（ISP）和在應用編程（IAP）。

ISP一般是通過單片機專用的串行編程接口對單片機內部的Flash存儲器進行編程,用戶不必把單片機從目標板上取下來，直接對微控制器進行擦除和程序燒錄的先進技術。

IAP就是在系統(tǒng)運行的過程中動態(tài)編程，是從結構上將Flash存儲器映射為兩個存儲體,當運行一個存儲體上的用戶程序時，可對另一個存儲體重新編程，之后將控制從一個存儲體轉向另一個，這種編程是對程序執(zhí)行代碼的動態(tài)修改。這對于工業(yè)實時控制和數據的保存提供了方便。這類產品如SST的89系列。

2023/2/12023/2/1205、普遍使用數字和模擬混合集成技術，性能提高用CMOS工藝將數字和模擬電路集成于同一個片上的技術已經成熟，有力地削減了片外的附加器件，提高了性能和縮短了產品上市時間。如片上集成12位A/D、上電復位/掉電檢測、捕捉/比較/PWM、鎖相環(huán)、8×8硬件乘，以及USB、CAN總線接口等。2023/2/12023/2/121

6、追求低電壓、低功耗、低價位、LPG(少腿芯片)

降低工作電壓可以成指數級地降低功耗，所以出現逐漸顯露出來多電壓供電的微控制器

，CPU部分工作于1.5～2.5V，而I/O口工作于3.3～5V。為實現低功耗，應盡可能多地將片外器件集成于同一個片上，這樣便于與CPU一同進入暫停、休眠或部分運行狀態(tài)。2023/2/12023/2/1221.3常見的主流單片機

目前世界上單片機的生產廠商很多，如Intel、Atmel、Philip、ST、WinBond、STC、Dallas、SiliconLabs、TI、Motorola等公司，其主流產品有幾十個系列，上千個品種。

Intel公司的MCS-51系列單片機，是目前世界上用量最大的幾種單片機之一。其它公司在保持與51單片機兼容的基礎上，改善了51單片機的許多性能，如在速度提高、功能增強、集成度增大、在系統(tǒng)編程、降低功耗、放寬電源電壓動態(tài)范圍及降低產品的價格等方面都做了大量的研發(fā)。從國內流行的品種來看，主要分為MCS-51系列及其兼容機型和非MCS-51系列單片機。2023/2/12023/2/1231.3.1目前流行的51內核單片機

目前,雖然在國內市場上流行的單片機不下十幾種,但占據主導地位的仍是51內核及其兼容單片機。這些單片機和MCS-51單片機的指令完全兼容,資料和開發(fā)設備比較齊全,價格也比較便宜。目前流行的51內核的單片機主要有以下幾種：2023/2/12023/2/124

1、Intel公司的MCS-51系列單片機

1980年Intel公司推出首款8位單片機8051。1980-1982年又陸續(xù)推出了和8051指令系統(tǒng)完全相同、內部結構基本相同的8031、8052和8032等型號單片機，初步形成MCS-51系列，該系列的單片機以其典型的體系結構和完善的專用寄存器集中管理方式，方便的邏輯位操作功能及豐富的指令系統(tǒng)，堪稱一代“名機”，被奉為“工業(yè)控制單片機標準”，為之后的其它單片機的發(fā)展奠定了基礎。

1984年，Intel公司出售了8051的核心技術給PHILIPS、ATMEL、ADI、CYGNAL等公司，發(fā)展至今形成一個有近千種型號的龐大的51單片機家族。

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MCS-51系列單片機雖種類繁多，但總體來說可分為兩個子系列：MCS-51子系列和MCS-52子系列。MCS-51子系列中典型機型有8031、8051和8751三種產品，而MCS-52子系列中也有8032、8052和87523種典型機型。各子系列的資源配置見表1-12023/2/12023/2/1262023/2/12023/2/127

2．Atmel公司的89系列單片機美國Atmel公司是世界著名的半導體制造公司，除生產各種專用集成電路外，Atmel公司還為通信、家電、儀器儀表、IT行業(yè)及各種應用系統(tǒng)提供性價比高的產品。Atmel公司最引人注目的是它的E2PROM電可擦除技術、Flash存儲器技術和優(yōu)秀的生產工藝與封裝技術。

1994年，Atmel公司率先把MCS-51內核與其擅長的Flash存儲技術相結合，推出了轟動業(yè)界的AT89系列單片機。2023/2/12023/2/128

Atmel公司的這些先進技術用于單片機生產，使單片機在結構和性能等方面更具明顯優(yōu)勢，AT89系列產品進入中國市場十多年來已獲得了巨大成功。至今，AT89系列單片機在51兼容機市場上仍占有很大份額，其產品受到了眾多用戶的喜愛。是目前取代傳統(tǒng)的MCS-51系列單片機的主流單片機之一。2023/2/12023/2/129

Atmel公司的AT89系列單片機以AT89CXX和AT89SXX為代表，其主要單片機品種及其特性見表1-2。它們是低電壓、低功耗、高性能的8位單片機，除了與MCS-51指令系統(tǒng)兼容以外，還具有許多優(yōu)點：

器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術生產，內部含Flash存儲器，可反復擦寫1000次以上，有效地降低了開發(fā)成本；有更寬的工作電壓范圍(可達4.0～6.0V)

,其中AT89S系列產品具有在系統(tǒng)編程（ISP）功能，無須專用編程器，使得單片機的開發(fā)變得更方便和廉價。2023/2/12023/2/1302023/2/12023/2/131

3．Winbond公司的W78、77系列單片機華邦（WinBond）公司生產的單片機大致分為五大類：4位單片機、8位與MCS-51兼容單片機、監(jiān)控專用單片機、片內集成Flash存儲器的單片機和電話應用單片機。其中與51兼容的單片機有：寬電壓范圍系列的型號以W78L為前綴。主要產品有W78Cxx、W78Lxx等。增強型的有：W77Cxx、W77Lxx等

，其引腳、指令集完全與8051兼容，但每個指令周期只需要4個時鐘周期，速度提高了三倍，工作頻率最高可達40MHz。同時增加了WatchDogTimer，12個外部中斷源，2個UART，雙Datapointer，內部有1024B的SRAM，可通過MOVX指令訪問。2023/2/12023/2/132

4．SST公司的SST89系列單片機美國SST公司生產的SST89系列單片機是一款比較有特色的以51為內核,與MCS-51系列單片機完全兼容的單片機。它具有獨特的FLASH技術和小扇區(qū)結構設計，其最大特點是采用在應用可編程（IAP）和在系統(tǒng)可編程（ISP）技術，在不占用戶資源和無須改動硬件的情況下，可直接通過串口在系統(tǒng)仿真，在線實現遠程升級，無須專用仿真器和編程器。2023/2/12023/2/133

5．PHILIPS公司的增強型80C51單片機飛利浦公司是國際上生產MCS-51兼容單片機種類最多的廠家之一。Philips公司的單片機在原8051的基礎上，增加了：I2C、CAN總線接口、A/D轉換單元、PWM輸出等新的功能，是專為儀器儀表、工業(yè)過程控制、汽車發(fā)動機與傳動控制等實時應用場合而設計的高性能單片機。其主要產品系列包括P80CXX、P87CXX、P89CXX、LPC76、LPC900等系列,型號有上百種，可滿足各個應用領域的需求。2023/2/12023/2/134

在同一時鐘頻率下這類單片機的運行速度是8051的6倍,

在應用編程(IAP)和在線編程(ICP)允許用戶EPROM實現簡單的串行代碼編程,使得程序存儲器可用于非易失性數據的存儲,并配有模擬比較器、WDT、復位電路等。2023/2/12023/2/135

6、SiliconLabs單片機美國SiliconLabs公司推出的C8051F系列單片機把80C51系列單片機從MCU（微控制器）推向SOC（片上系統(tǒng)）時代，它使得以8051為內核的單片機技術又上了一個大臺階。其性能如下：（1)速度比標準的51單片機快15倍以上；（2）內部Flash可大到256KB；（3）有A/D、D/A、PWM、I2C、CAN、UART等接口；（4）引腳從20到100腳均有（I/O多）；（5）可在系統(tǒng)編程。型號有：C8051Fxx、…,全部是工業(yè)級產品。2023/2/12023/2/136

7、STC系列單片機STC系列單片機是美國STC公司最新推出的一種新型51內核的單片機，其性能如下：（1）速度快，比標準的51單片機快10倍以上；（2）內部資源豐富：I2C、E2PROM、A/D、PWM、UART等；（3）可通過普通的UART（串口）下載應用程序；（4）電源范圍寬，功耗極低；（5）價格低廉（適合學生使用）。型號有：STC89Cxx、STC89CxxAD、STC12Cxx、STC12Lxx…等。2023/2/12023/2/137

8、μPSD3xx系列單片機μPSD3xx系列單片機是ST（意法半導體）公司推出的一款新型單片機。它以增強型MCS-51內核單片機8032為基礎，集成了可編程外圍器件PSD模塊。其性能如下：（1)速度快，可在系統(tǒng)編程；（2）內部Flash可大到384M字節(jié)；（3）有A/D、PWM、I2C、CAN、UART、獨立的顯示數據通道（DDC）、可編程邏輯器件（PLD）等接口；（4）是一個典型的具有SOC特征的單片機。型號有：μPSD32xx、μPSD33xx和μPSD35xx系列等。2023/2/12023/2/138

1.3.2目前流行的非51內核的單片機1．Microchip公司的PIC系列單片機Microchip公司的PIC單片機，其突出的特點是體積小，功耗低，精簡指令集，抗干擾性好，可靠性高，有較強的模擬接口，代碼保密性好。在一些小型的應用中，比傳統(tǒng)的51單片機更加靈活，外圍電路更少，因而得到了廣泛的應用。同時指令少，PIC中低檔系列單片機共有35條指令，非常有利于記憶和掌握,指令為單字節(jié)，占用程序存儲器的空間小。2023/2/12023/2/139

MicroChip單片機的主要產品是PIC16CXX系列和17CXX系列8位單片機。PIC系列從低到高有幾十個型號，可以滿足各種需要。其中，PIC12C508單片機僅有8個引腳，是世界上最小的單片機。該型號有512字節(jié)ROM、25字節(jié)RAM、一個8位定時器、一根輸入線、5根I/O線。PIC的高檔型號，如PIC16C74（尚不是最高檔型號）有40個引腳，其內部資源為ROM共4K、192字節(jié)RAM、8路A/D、3個8位定時器、2個CCP模塊、三個串行口、1個并行口、11個中斷源、33個I/O腳。這樣一個型號可以和其它品牌的高檔型號媲美。2023/2/12023/2/140

2．TI公司的MSP430系列單片機TI公司的MSP430系列單片機是一個超低功耗類型的16位單片機。它采用了RISC內核結構，特別適合于應用電池的場合或手持設備。同時，該系列單片機將大量的外圍模塊(如液晶驅動器、看門狗、A/D轉換器、硬件乘法器、模擬比較器等)集成到片內，特別適合于設計片上系統(tǒng)。

MSP430提供非基于LCD（x2xx和F5xx）和基于LCD的(x4xx)產品系列。其產品系列有MSP430x1xx、MSP430F2xx、MSP430x4xx和MSP430x5xx等。

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3．Atmel公司的AVR系列單片機AVR系列單片機是ATMEL公司的產品，該系列單片機吸收了PIC系列單片機與MCS-51系列單片機的優(yōu)點，充分發(fā)揮了Flash存儲器的特長，是性價比極高的單片機。其顯著的特點為高性能、高速度、低功耗。它取消機器周期，以時鐘周期為指令周期，實行流水作業(yè)，采用增強的RISC結構,使其具有高速處理能力,在一個時鐘周期內可執(zhí)行復雜的指令。AVR單片機工作電壓為2.7～6.0V,可以實現耗電最優(yōu)化。2023/2/12023/2/142

AVR單片機系列齊全,可適用于各種不同場合的要求。AVR單片機有3個檔次:低檔Tiny系列:主要有Tiny11/12/13/15/26/28等；中檔AT90S系列:主要有AT90S1200/2313/8515/8535等(正在淘汰或轉型到Mega中)；高檔ATmega系列:主要有ATmega8/16/32/64/128（存儲容量為8/16/32/64/128KB）以及ATmega8515/8535等。 這3個系列的AVR單片機，其內核都是相同的，指令系統(tǒng)也是兼容的，只是在內部資源的配備及片內集成的外圍接口數量和功能適當有所不同。

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4.Motorola單片機摩托羅拉（已改名飛思卡爾)曾經是世界上最大的單片機廠商，從M6800開始，開發(fā)了廣泛的品種，4位、8位、16位、32位的單片機都能生產、其中典型的代表有:8位機M6805、M68HC05系列；8位增強型M68HC11、M68HC12；16位機M68HC16,；32位機M683XX。Motorola單片機的特點之一是在同樣的速度下所用的時鐘頻率較Intel類單片機低得多，因而使得高頻噪聲低，抗干擾能力強,更適合于工控領域及惡劣的環(huán)境。目前廣泛應用于汽車電子中動力傳動、車身、底盤及安全系統(tǒng)等領域。2023/2/12023/2/144

5．Freescale單片機飛思卡爾（freescale）半導體公司，就是原來的Motorola公司半導體產品部。于2