第1章單片機概述

第一章單片機概述

一、什么是單片機二、單片機的發(fā)展歷史三、單片機的應(yīng)用四、單片機的主要生產(chǎn)廠家和機型微型計算機硬件結(jié)構(gòu)——常見的微機外形臺式微機便攜式微機立式微機一、什么是單片機1、微型計算機微型計算機硬件結(jié)構(gòu)——微機硬件組成

顯示器主機鍵盤鼠標微型計算機硬件結(jié)構(gòu)——運算器控制器CPU存儲器輸入接口電路輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出接口電路硬件系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)——構(gòu)成微機的實體和裝置軟件系統(tǒng)——微機系統(tǒng)所使用的各種程序的總稱軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)共同構(gòu)成實用的微機系統(tǒng)，兩者是相輔相成、缺一不可的。

軟件系統(tǒng)+微型計算機系統(tǒng)運算器控制器CPU存儲器輸入接口電路輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出接口電路硬件系統(tǒng)微型計算機系統(tǒng)什么是單片機？

將構(gòu)成計算機的五大組成部分集成在一個芯片上就構(gòu)成單芯片微型計算機，簡稱單片機CPU輸入設(shè)備輸出設(shè)備軟件系統(tǒng)+微型計算機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)輸入接口設(shè)備輸出接口設(shè)備運算器控制器存儲器單片微型計算機是指集成在一個芯片上的微型計算機，簡稱單片機——單片機實質(zhì)上就是一個芯片2、單片微型計算機單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

CPU

存儲器定時器/計數(shù)器

中斷系統(tǒng)P0-P3TxDRxD

TINT并行I/O口串行I/O口單片機應(yīng)用系統(tǒng)

單片機應(yīng)用系統(tǒng)單片機＋接口電路及外設(shè)等＋軟件硬件單片機應(yīng)用系統(tǒng):由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成硬件是應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件是在硬件的基礎(chǔ)上對其資源進行合理調(diào)配和使用，從而完成應(yīng)用系統(tǒng)所要求的任務(wù)，二者相互依賴，缺一不可3.分類：通用單片機和專用單片機

通用型單片機是一種基本芯片,例如市場上常見的MCS-51、ATMEL、PHILIPS、AVR、PIC、WINBOND等系列的單片機產(chǎn)品，它們的可用資源比較豐富，性能全面，適用性強，所以在生產(chǎn)、科研等得到廣泛應(yīng)用。本書所介紹的單片機是通用型單片機。

專用型單片機也叫專用微處理器，是專門針對某個特定產(chǎn)品而設(shè)計的,各方面均經(jīng)過最優(yōu)化的考慮，具有十分明顯的綜合優(yōu)勢。例如數(shù)碼相機、手機、洗衣機功能控制器、空調(diào)控制器、IC卡讀寫器中所應(yīng)用的單片機等。

4.單片機名稱1971年Intel公司制造出第一片微型機芯片4004之后，開始了微型機時代。將微處理器、存儲器和外圍設(shè)備集成到一塊芯片上，這就是單片微型計算機（SingleChipMicrocomputer），簡稱單片機。單片機是應(yīng)工業(yè)測控而誕生的，它的結(jié)構(gòu)與指令功能都是按照工業(yè)控制要求設(shè)計的，故也叫單片微控制器（SCMSingleChipMicrocontroller），它在控制領(lǐng)域大顯身手，裝入到各種智能化產(chǎn)品之中，所以又稱為嵌入式微控制器(EMCU：EmbeddedMicrocontrollerUnit)，也有文獻中稱為微控制器單元（MCUMicrocontroller）。

1946年世界上第一臺電子計算機ENIAC誕生，18000個電子管，占地1800平方英尺，耗電180千瓦，其運算速度為每秒5000次。它通過不同部分之間的重新接線編程，還擁有并行計算能力。它使用于1946到1955年，被公認為第一臺成功的高速電子數(shù)字計算機。ENIAC由美國政府和賓夕法尼亞大學(xué)合作開發(fā)，使用了二、單片機的發(fā)展歷史

發(fā)展背景：怎樣改進計算機使其更好地用作控制？70年代初微處理器誕生了！微處理器的問世：

70年代初，“微處理器”問世了，微處理器以及以微處理器為核心部件構(gòu)成的微型計算機的誕生，為電子計算機的普及和應(yīng)用開拓了廣闊的道路。

1971年11月15日:MarcianE.Hoff在INTEL公司開發(fā)成功第一塊微處理器4004。70年代中期，為滿足廣泛應(yīng)用的需要，微型計算機向著兩個不同的方向發(fā)展：高速度、大容量、高性能的高檔微機方向——PC機功能完善、穩(wěn)定可靠、體積小、價格低廉、面向控制的方向——單片機

1.1單片機及其發(fā)展應(yīng)用計算機能比現(xiàn)在的運算速度快10000倍嗎？要是計算機能放進我的口袋里多好?。纹瑱C系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)的主要區(qū)別

單片機系統(tǒng)最顯著的特點是面對工控領(lǐng)域的測控對象。控制對象對嵌入式計算機系統(tǒng)采集、處理、控制的速度要求是有限的，而對控制方式與控制能力的要求是無限的。為了實現(xiàn)海量高速數(shù)值計算，通用計算機系統(tǒng)對計算機運行速度的要求是無限的，而對計算機的控制功能的要求是有限的。

第一階段（1974～1976年）：單片機初級階段這一階段的單片機采用雙片形式，而且功能簡單。如仙童公司生產(chǎn)的F8單片機，它只有8位CPU、64個字節(jié)的RAM和2個并行口，需加裝一塊3851芯片（含1KBROM、定時器/計數(shù)器和2個并行I/O口）才能完成控制功能。

第二階段（1976～1978年）：低性能單片機階段

代表機型：Intel公司在1976年推出的8位機MCS-48系列，它以其體積小、控制功能全、價格低廉等特點，一經(jīng)推出就獲得了廣泛的應(yīng)用和好評，為單片機的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)，成為單片機發(fā)展史上的一個重要階段。

發(fā)展歷程：2．單片機的發(fā)展歷程——4個階段

第三階段（1978～1982年）：高性能單片機階段普遍帶有串行I/O接口、多級中斷系統(tǒng)、16位定時器/計數(shù)器等，片內(nèi)RAM、ROM的容量加大，尋址范圍增加到64KB。

代表機型：Intel公司推出的MCS-51系列單片機。這仍是當(dāng)前單片機的主流系列。第四階段（1983年～現(xiàn)在）：8位單片機鞏固發(fā)展及

16位、32位單片機推出階段繼8位單片機之后，Intel公司又在1983年推出了16位單片機MCS-96系列，與MCS-51相比，MCS-96不但字長增加一倍，而且在其它性能方面也有很大提高，如在片內(nèi)增加了一個4路或8路的10位A/D轉(zhuǎn)換器，具有A/D轉(zhuǎn)換功能等。這個時期，Mortorola、ATMEL、TI、日立、三菱、LG等公司也開發(fā)了一大批性能優(yōu)越的單片機,極大推動了單片機的應(yīng)用。

需要提及的是，單片機的發(fā)展雖然按先后順序經(jīng)歷了4位、8位、16位的階段，但從實際使用情況看，并沒有出現(xiàn)推陳出新、以新代舊的局面。4位、8位、16位單片機仍各有應(yīng)用領(lǐng)域，如4位單片機在一些簡單家用電器、高檔玩具中仍有應(yīng)用，8位單片機在中、小規(guī)模應(yīng)用場合仍占主流地位，16位單片機在比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中才有應(yīng)用。

CPU的改進（1）采用雙CPU結(jié)構(gòu)，提高處理能力（2）增加數(shù)據(jù)總線寬度，內(nèi)部采用16位數(shù)據(jù)總線。（3）串行總線結(jié)構(gòu)，菲利浦公司的I2C總線（Inter－Icbus）。用兩根信號線代替現(xiàn)行的8位數(shù)據(jù)總線。（4）早期多使用CISC（ComplexInstructionSetComputer）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，近來RISC（ReducedInstructionSetComputer）單片機已大力發(fā)展。RISC單片機中，除指令集精簡外，一般都用單字長指令和流水線操作方法，大大加快了指令的運行速度。

存儲器的發(fā)展（1）加大存儲容量。（2）片內(nèi)EPROM采用E2PROM或閃爍（Flash）存儲器（3）程序保密化。

發(fā)展趨勢：片內(nèi)I/O的改進（1）增加并行口的驅(qū)動能力，能直接輸出大電流和高電壓。（2）增加I/O口的邏輯控制功能。（3）設(shè)置了一些特殊的串行接口功能，構(gòu)成分布式、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)。外圍電路內(nèi)裝化器件集成度的不斷提高，把眾多的外圍功能部件集成在片內(nèi)－－系統(tǒng)的單片化。

發(fā)展趨勢：低功耗化

CMOS化、CHMOS工藝。具有等待狀態(tài)、睡眠狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)等工作方式芯片專用化總之，向高性能、高速、低壓、低功耗、低價格、外圍電路內(nèi)裝化方向發(fā)展。

發(fā)展趨勢：三、單片機的應(yīng)用1、工業(yè)控制領(lǐng)域

數(shù)控線切割機床數(shù)控車床機電一體化是機械工業(yè)發(fā)展的方向。機電一體化產(chǎn)品是指集機械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)于一體，具有智能化特征的機電產(chǎn)品，例如微機控制的車床、鉆床等。單片機作為產(chǎn)品中的控制器，能充分發(fā)揮它體積小、可靠性高、功能強等優(yōu)點，可大大提高機器的自動化、智能化程度。單片機廣泛用于導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置、飛機上各種儀表的控制、計算機的網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)傳輸、機器人、工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理。例如，在這些實時控制系統(tǒng)中，都可以用單片機作為控制器，單片機的實時數(shù)據(jù)處理能力和控制功能，可使系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，常采用分布式多機系統(tǒng)。多機系統(tǒng)一般由若干臺功能各異的單片機組成，各自完成特定的任務(wù)，它們通過串行通信相互聯(lián)系、協(xié)調(diào)工作。單片機在這種系統(tǒng)中往往作為一個終端機，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點上，對現(xiàn)場信息進行實時測量和控制。單片機的高可靠性和強抗干擾能力，使它可以置于惡劣環(huán)境的前端工作。

在教育部倡導(dǎo)的全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽中，有一道設(shè)計簡易智能電動車的題目，參賽者用51系列單片機完成了設(shè)計任務(wù)并取得了較好的成績。該設(shè)計采用單片機AT89C51和AT89C2051芯片為核心部件，利用光電檢測技術(shù)、超聲波測距、電渦流檢測技術(shù)并配合一套獨特的軟件實現(xiàn)了電動車識別并選擇正確的行進路線、電機的方向和速度控制、自動尋找光源、判斷并自動躲避障礙物、時間顯示、蜂鳴器報警等功能。電動車控制方案如下圖所示。

智能電動車控制方案

2、家用電器領(lǐng)域

單片機可以廣泛應(yīng)用在我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域，家用電器是單片機應(yīng)用最多的領(lǐng)域之一。由于家用電器體積小、品種多、功能差異也大，因而要求其控制器不僅體積小，以便能夠嵌入家用電器中，同時要求控制器有靈活的控制功能。單片機以微小的體積和編程的靈活性成為家用電器實現(xiàn)智能化的心臟和大腦。手機中有既有32位的單片機，也有16位、8位的單片機。電話中常見8位單片機。電視遙控器中有4位或者8位的單片機。DVD中多數(shù)是32位單片機。MP3中多數(shù)是8-16位單片機。其他諸如空調(diào)、洗衣機、微波爐、冰箱、熱水器、電子稱、電子表、計算器、收音機、鼠標、鍵盤、電動自行車、汽車鑰匙、可視門禁、公交車報站器、公交車刷卡器、紅綠燈控制器、等等等等……

歐美日等國家，一個家庭中所擁有的單片機數(shù)量平均到100-120顆。3、智能儀器儀表數(shù)字式測角儀交直流電壓電流表位移傳感器單片機用于各種儀器儀表，使儀器儀表智能化，可以提高測量的自動化程度和精度；簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，減小體積，提高其性價比。例如：溫度智能控制儀表、醫(yī)用儀表、汽車電子設(shè)備、數(shù)字示波器等。例如，在普通模擬示波器的基礎(chǔ)上用單片機進行改造而成的數(shù)字存儲示波器，克服了普通模擬示波器的缺點，并增加了許多功能，如可以顯示大量的預(yù)觸發(fā)信息，可以長期貯存波形，可以在打印機或繪圖儀上制作硬拷貝以供編制文件使用，可以將采集的波形和操作人員手工或示波器全自動采集的參考波形進行比較，波形信息可用數(shù)學(xué)方法進行處理。

4、辦公自動化領(lǐng)域

5、商業(yè)營銷領(lǐng)域

條碼打印機條碼閱讀器打印機考勤機單片機與通信技術(shù)相結(jié)合促使通信設(shè)備的智能控制水平大大提高，廣泛應(yīng)用于通信的各個領(lǐng)域。例如：調(diào)制解調(diào)器、傳真機、復(fù)印機、打印機、移動電話機、固定電話機等。例如，傳統(tǒng)的電話機只能實現(xiàn)簡單的撥號、響鈴、通話等功能，使用單片機后，可以開發(fā)出來電顯示、存儲電話號碼、時鐘顯示、免提、重撥、聲控等功能。功能更多的無繩電話機、錄音電話機、可視電話機等多功能電話機也已走進人們的生活。

醫(yī)用呼吸機6、航空航天等高科技領(lǐng)域四、單片機的主要生產(chǎn)廠家和機型

自單片機誕生以來的近30年中，單片機已有70多個系列的近500個機種。國際上較有名、影響較大的公司及他們的產(chǎn)品如下所述：Intel公司的MCS—48、MCS—51、MCS—96系列；Motorola公司的6801、6802、6803、6805、68HCll系列產(chǎn)；Zilog公司的Z8、Super8系列產(chǎn)品；仙童(Fairchild)公司和Mostek公司的F8、3870系列產(chǎn)品；NEC公司的μCOM—87系列產(chǎn)品；Rockwell公司的6500、6501系列產(chǎn)品。Atmel、PHILIPS、LG等公司的51兼容機。1、產(chǎn)品概況Intel公司的單片機

其產(chǎn)品有MCS-48、MCS-51和MCS-96三大系列幾十個型號的單片機。MCS-51系列單既包括三個基本型號8031（無ROM型）、8051（ROM型）、8751（EPROM型）

8051是世界上產(chǎn)量排名第二的著名單片機CPU。ATMEL公司的單片機

ATMAL公司在1994年以E2PROM技術(shù)和Intel公司的80C31單片機核心技術(shù)進行交換，從而取得80C31核的使用權(quán)。先進的Flash技術(shù)和80C31核相結(jié)合，生產(chǎn)出具有8051結(jié)構(gòu)的Flash型和EEPROM型單片機（尤其是89C51和89C52）

Silicon

Laboratories公司的單片機

C8051F系列是一種典型的高性能單片機,完全集成混合信號系統(tǒng)級芯片（SOCSystemofChip），完全兼容MCS-51。采用流水線（pipe

line）技術(shù)，不再區(qū)分時鐘周期和機器周期，提高了指令執(zhí)行效率。具備控制系統(tǒng)所需的模擬和數(shù)字外設(shè)，包括看門狗、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準輸出、定時器、PWM、定時器捕捉和方波輸出等，并具備多種總線接口，包括UART、SPI、SMBUS（與I2C兼容）總線以及CAN總線。C8051F系列單片機采用Flash

ROM技術(shù)，集成JTAG，支持在線編程。

Motorola公司的單片機

8位機有68HC05、68HC08和68HC11幾種。68HC05是Motorola公司推出的一種采用HCMOS技術(shù)的8位單片機，是世界上產(chǎn)量排名第一的著名單片機CPU。TOSHIBA公司的單片機具有功能強、可靠性高、價格低等特點，特別適合于空調(diào)、電冰箱等家電產(chǎn)品。Philips公司的單片機Philips公司生產(chǎn)8051結(jié)構(gòu)的80C51系列8位單片機、采用8051結(jié)構(gòu)的16位單片機、以68000為核的16位單片機。

2、MCS-51系列和AT89系列單片機

MCS-51是指由美國INTEL公司生產(chǎn)的一系列單片機的總稱，這一系列單片機包括了好些品種，如8031，8051，8751，8951，8032，8052，8752，8952等，其中8051是最早最典型的產(chǎn)品，該系列其它單片機都是在8051的基礎(chǔ)上進行功能的增、減、改變而來的，所以人們習(xí)慣于用8051來稱呼MCS-51系列單片機。（1）MCS-51系列MCS-51系列單片機分類

資源配置子系列

片內(nèi)ROM形式

片內(nèi)

ROM

容量

片內(nèi)RAM

容量定時/計數(shù)器中斷源

無ROMEPROME2PROM51子系列80318051875189514KB128B2×16552子系列80328052875289528KB256B3×166805112345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VssVccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0雙列直插式40腳封裝（DIP40）MCS-51系列單片機配置一覽表系列片內(nèi)存儲器（字節(jié)）定時器計數(shù)器并行I/O串行I/O中斷源片內(nèi)ROM片內(nèi)RAM無有ROM有EPROMIntelMCS-51子系列803180C31805180C51(4K字節(jié))875187C51(4K字節(jié))128字節(jié)2x164x8位15IntelMCS-52子系列803280C32805280C52(8K字節(jié))875287C52(8K字節(jié))256字節(jié)3x164x8位16MCS-51系列單片機的分類功能常用型號基本型8031、8051、80C31、80C51增大存儲器型8032、8052、80C32、80C52低功耗型80C31BH、80C51BH、87C51高級語言型8052AH-BASICPCA型83C51FA、80C51FA、83C51FBA/D型83C51GA、80C51GA、87C51GADMA型83C152JA、80C152JA、80C152JB多并行口型83C451、80C451按功能分類存儲器配置常用型號片內(nèi)ROM型

8051AH、8052AH、80C51BH、83C51FA、83C51GA片內(nèi)EPROM型

8751BH、8752BH、80C51BH、87C51FA、87C51GA外接EPROM型

8031BH、8