第1章單片機(jī)概述

1第1章單片機(jī)概述

23456781.1什么是單片機(jī)一片半導(dǎo)體硅片集成：中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM、ROM）、并行I/O、串行I/O、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時(shí)鐘電路及系統(tǒng)總線的微型計(jì)算機(jī)。具有微型計(jì)算機(jī)的屬性，因而被稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)。9主要應(yīng)用于測控領(lǐng)域。單片機(jī)使用時(shí)，通常是處于測控系統(tǒng)的核心地位并嵌入其中，所以國際上通常把單片機(jī)稱為嵌入式控制器（EMCU），或微控制器（MCU）。我國習(xí)慣于使用“單片機(jī)”這一名稱。單片機(jī)是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)正式形成了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩大分支。單片機(jī)體積小、成本低，嵌入到工業(yè)控制單元、機(jī)器人、智能儀器儀表、汽車電子系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、家用電器、辦公自動(dòng)化設(shè)備、金融電子系統(tǒng)、玩具、個(gè)人信息終端及通訊產(chǎn)品中。10按照其用途可分為通用型和專用型兩大類。例如:各種家用電器中的控制器等。由于特定用途，單片機(jī)芯片制造商常與產(chǎn)品廠家合作，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)“專用”的單片機(jī)芯片。由于在設(shè)計(jì)中，已經(jīng)對“專用”單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡化、可靠性和成本的最佳化等方面都做了全面的綜合考慮，“專用”單片機(jī)具有十分明顯的綜合優(yōu)勢。無論“專用”單片機(jī)在用途上有多么“?！?，基本結(jié)構(gòu)和工作原理都是以通用單片機(jī)為基礎(chǔ)。1.2單片機(jī)的發(fā)展歷史按處理的二進(jìn)制位數(shù)主要分為：4位單片機(jī)、8位單片機(jī)、16位單片機(jī)和32位單片機(jī)。發(fā)展大致分為4個(gè)階段。第一階段（1974年～1976年）：初級階段。因工藝限制，采用雙片的形式,且功能較簡單。1974年12月，仙童公司推出了8位的F8單片機(jī)。第二階段（1976年～1978年）：低性能單片機(jī)階段。1976年Intel的MCS-48單片機(jī)（8位）。11第三階段（1978年～1983年）：高性能單片機(jī)階段。1978年，Zilog公司推出Z8單片機(jī)，1980年，Intel公司在MCS-48系列基礎(chǔ)上推出MCS-51系列，Mortorola推出6801單片機(jī)。使單片機(jī)的性能及應(yīng)用躍上新的臺階。第四階段（1983年～現(xiàn)在）：8位單片機(jī)鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)、32位單片機(jī)推出階段。121.3單片機(jī)的特點(diǎn)單片機(jī)是集成電路技術(shù)與微型計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物。體積小、價(jià)格低、應(yīng)用方便、穩(wěn)定可靠。由于體積小，很容易地嵌入到系統(tǒng)之中，以實(shí)現(xiàn)各種方式的檢測、計(jì)算或控制，這一點(diǎn)，一般微機(jī)根本做不到。由于單片機(jī)本身就是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，因此只要在單片機(jī)的外部適當(dāng)增加一些必要的外圍擴(kuò)展電路，就可以靈活地構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)，如工業(yè)自動(dòng)檢測監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能儀器儀表等。131.4單片機(jī)的應(yīng)用1．工業(yè)檢測與控制主要應(yīng)用：工業(yè)過程控制、智能控制、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集和傳輸、測試、測量、監(jiān)控等。在工業(yè)自動(dòng)化的領(lǐng)域中，機(jī)電一體化技術(shù)將發(fā)揮愈來愈重要的作用，在這種集機(jī)械、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的綜合技術(shù)（如機(jī)器人技術(shù)）中，單片機(jī)發(fā)揮著非常重要的作用。2．儀器儀表單片機(jī)的使用有助于提高儀器儀表的精度和準(zhǔn)確度，簡化結(jié)構(gòu)，減小體積而易于攜帶和使用，加速儀器儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化方向發(fā)展。143．消費(fèi)類電子產(chǎn)品例如，洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、電風(fēng)扇、電視機(jī)、微波爐、加濕機(jī)、消毒柜等。4．通信在調(diào)制解調(diào)器、各類手機(jī)、傳真機(jī)、程控電話交換機(jī)、信息網(wǎng)絡(luò)及各種通訊設(shè)備中，單片機(jī)也已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。5．武器裝備在現(xiàn)代化的武器裝備中，如飛機(jī)、軍艦、坦克、導(dǎo)彈、魚雷制導(dǎo)、智能武器裝備、航天飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，都有單片機(jī)嵌入其中。156．各種終端及計(jì)算機(jī)外部設(shè)備計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端（如銀行終端）以及計(jì)算機(jī)外部設(shè)備（如打印機(jī)、硬盤驅(qū)動(dòng)器、繪圖機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等）中都使用了單片機(jī)作為控制器。7．汽車電子設(shè)備已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種汽車電子設(shè)備中，如汽車安全系統(tǒng)、汽車信息系統(tǒng)、智能自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、衛(wèi)星汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車緊急請求服務(wù)系統(tǒng)、汽車防撞監(jiān)控系統(tǒng)、汽車自動(dòng)診斷系統(tǒng)以及汽車黑匣子等。8．分布式多機(jī)系統(tǒng)在較復(fù)雜多節(jié)點(diǎn)的測控系統(tǒng)中，常采用分布式多機(jī)系統(tǒng)。16MCU銷售額總計(jì)171.5單片機(jī)的發(fā)展趨勢單片機(jī)的發(fā)展趨勢將是向大容量、高性能化，外圍電路內(nèi)裝化等方面發(fā)展。1．CPU的改進(jìn)（1）增加CPU數(shù)據(jù)總線寬度。例如，各種16位單片機(jī)和32位單片機(jī)，數(shù)據(jù)處理能力要優(yōu)于8位單片機(jī)。（2）采用雙CPU結(jié)構(gòu)，以提高數(shù)據(jù)處理能力。182．存儲(chǔ)器的發(fā)展（1）片內(nèi)程序存儲(chǔ)器普遍采用閃爍（Flash）存儲(chǔ)器?？刹挥猛鈹U(kuò)展程序存儲(chǔ)器，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。目前有的單片機(jī)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器容量可達(dá)128KB甚至更多。（2）加大片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，以滿足動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)的需要。193．片內(nèi)I/O的改進(jìn)（1）增加并行口驅(qū)動(dòng)能力，以減少外部驅(qū)動(dòng)芯片。有的單片機(jī)可以直接輸出大電流和高電壓，以便能直接驅(qū)動(dòng)LED和VFD（熒光顯示器）。（2）有些單片機(jī)設(shè)置了一些特殊的串行I/O功能，為構(gòu)成分布式、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)提供方便條件。（3）引入數(shù)字交叉開關(guān)，改變了以往片內(nèi)外設(shè)與外部I/O引腳的固定對應(yīng)關(guān)系。4．低功耗化5．外設(shè)電路內(nèi)裝化6．編程及仿真的簡單化7．實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的使用RTX51:RTX51是一個(gè)針對8051系列的多任務(wù)內(nèi)核。TinyOS:專為嵌入式無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)。uC/OS:嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。1.6MCS-51系列與AT89C5x系列單片機(jī)20世紀(jì)80年代以來，單片機(jī)的發(fā)展非常迅速，世界上一些著名廠商投放市場的產(chǎn)品就有數(shù)百個(gè)機(jī)型，其中Intel公司的MCS-51系列單片機(jī)是一款設(shè)計(jì)成功、易于掌握并在世界范圍得到廣泛使用的機(jī)型。221.6.1MCS-51系列單片機(jī)MCS是Intel公司生產(chǎn)的單片機(jī)的系列符號，MCS-51系列單片機(jī)是Intel公司在MCS-48系列的基礎(chǔ)上于20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的，是最早進(jìn)入我國，并在我國應(yīng)用最為廣泛的單片機(jī)機(jī)型之一，也是單片機(jī)應(yīng)用的主流品種。MCS-51系列單片機(jī)主要包括基本型產(chǎn)品8031、8051、8751（對應(yīng)的低功耗型80C31、80C51、87C51）和增強(qiáng)型產(chǎn)品8032、8052、8752。231.基本型典型產(chǎn)品：8031/8051/8751。8031內(nèi)部包括1個(gè)8位CPU、128BRAM，21個(gè)特殊功能寄存器（SFR）、4個(gè)8位并行I/O口、1個(gè)全雙工串行口，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，但片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器，需外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器芯片。8051是在8031的基礎(chǔ)上，片內(nèi)又集成有4KBROM作為程序存儲(chǔ)器。所以8051是一個(gè)程序不超過4KB的小系統(tǒng)。ROM內(nèi)的程序是公司制作芯片時(shí)，代為用戶燒制的，主要用在程序已定且批量大的單片機(jī)產(chǎn)品中。8751與8051相比，片內(nèi)集成的4KB的EPROM取代了8051的4KB

ROM來作為程序存儲(chǔ)器，構(gòu)成了一個(gè)程序不大于4KB的24

小系統(tǒng)。用戶可將程序固化在EPROM中，EPROM中的內(nèi)容可反復(fù)擦寫修改。8031外擴(kuò)一片4KB的EPROM就相當(dāng)于一個(gè)8751。

2.增強(qiáng)型

Intel公司在基本型基礎(chǔ)上，推出增強(qiáng)型-52子系列，典型產(chǎn)品：8032/8052/8752。內(nèi)部RAM增到256B，8052、片內(nèi)程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展到8KB，16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器增至3個(gè)，6個(gè)中斷源，串行口通信速率大大提高。

表1-1列出了基本型和增強(qiáng)型的MCS-51系列單片機(jī)片內(nèi)的基本硬件資源。

251.6.2AT89系列單片機(jī)

MCS-51系列單片機(jī)的代表性產(chǎn)品為8051，其他單片機(jī)都是在8051的基礎(chǔ)上進(jìn)行了功能的增減。20世紀(jì)80年代中期以后，Intel公司逐漸淡出單片機(jī)芯片的開發(fā)和生產(chǎn)。Intel公司以專利轉(zhuǎn)讓或技術(shù)交換的形式把8051的內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了許多半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)廠家，如：ATMEL、Philips、Cygnal、ANALOG、LG、ADI、Maxim、DALLAS等公司28近年來，世界上單片機(jī)芯片生產(chǎn)廠商推出的與8051（80C51）兼容的主要產(chǎn)品如表1-2所示。292023/2/4單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)301.6.3MCS-51系列單片機(jī)命名規(guī)則字母前綴：生產(chǎn)廠家代號，如STC、AT8：8051系列產(chǎn)品0:片內(nèi)掩膜ROM；7：片內(nèi)EPROM；9：片內(nèi)EEPROM；C：CMOS工藝；LV、LE：低電壓（3.3V）；S：可ISP下載。5：不變存儲(chǔ)空間大小，1:4K，2:8K,…RC:片內(nèi)RAM為512B，RD+：片內(nèi)RAM為1280B后綴由最后的“××××”4個(gè)參數(shù)組成，每個(gè)參數(shù)的表示意義不同。在型號與后綴部分由“—”號隔開。后綴中的第1個(gè)“×”表示速度，意義如下：x=12、16、20、24；表示速度為12、16、20、24MHz；后綴中的第2個(gè)“×”表示封裝，意義如下：x=P，表示塑料雙列直插DIP封裝；后綴中的第3個(gè)“×”表示芯片的溫度范圍，意義如下：x=C，表示商業(yè)用產(chǎn)品，溫度范圍為0～+70℃；x=I，表示工業(yè)用產(chǎn)品，溫度范圍為?40～+85℃；x=A，表示汽車用產(chǎn)品，溫度范圍為?40～+125℃；x=M，表示軍用產(chǎn)品，溫度范圍為?55～+150℃；1.7各種衍生品種的51單片機(jī)各廠家推出8051內(nèi)核，各種集成度高、功能強(qiáng)的的增強(qiáng)型單片機(jī)。這些單片機(jī)目前得到廣大設(shè)計(jì)工程師的青睞。1.7.1STC系列單片機(jī)（宏晶科技）具有我國獨(dú)立自主知識產(chǎn)權(quán)，功能與抗干擾性強(qiáng)的增強(qiáng)型51單片機(jī)，多種子系列，幾十個(gè)品種，以滿足不同應(yīng)用需要。1.7.2C8051F×××單片機(jī)美國Cygnal公司的C8051F×××系列單片機(jī)，集成度高，采用8051內(nèi)核，代表性產(chǎn)品為C8051F020。321.7.3ADμC812單片機(jī)ADμC812是美國ADI（AnalogDevicelnc）公司生產(chǎn)的高性能單片機(jī)。1.7.4臺灣華邦公司W(wǎng)78系列和W77系列單片機(jī)臺灣華邦公司（Winbond）的產(chǎn)品W77系列、W78系列單片機(jī)與51單片機(jī)完全兼容。1.8AVR系列單片機(jī)與PIC系列單片機(jī)除51單片機(jī)外，某些非51單片機(jī)也得到了較廣泛的應(yīng)用。目前我國使用較為廣泛的是PIC系列與AVR系列單片機(jī)，這兩種單片機(jī)博采眾長，又具獨(dú)特技術(shù)，已占有較大的市場份額。1.8.1PIC系列單片機(jī)美國Microchip公司的產(chǎn)品，主要特性如下。（1）重視性價(jià)比。（2）精簡指令集（RISC），指令執(zhí)行效率大為提高。34（3）具有優(yōu)越開發(fā)環(huán)境。（4）引腳具有防瞬態(tài)能力。（5）保密性好。（6）片內(nèi)有看門狗定時(shí)器，可提高程序運(yùn)行的可靠性。（7）設(shè)有休眠和省電工作方式。PIC單片機(jī)的型號繁多，分為低檔型、中檔型和高檔型。（1）低檔型：PIC12C5×××/16C5×系列。（2）中檔型：PIC12C/PIC16C系列以及PIC18系列。（3）高檔型：PIC17Cxx系列。1.8.2AVR系列單片機(jī)1997年，由Atmel公司挪威設(shè)計(jì)中心的A先生和V先生，利用Atmel公司的Flash新技術(shù)，共同研發(fā)出RISC精簡指令集高速8位單片機(jī)，簡稱AVR。特點(diǎn)如下：（1）高速、高可靠性、功能強(qiáng)、低功耗和低價(jià)位。（2）片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器給用戶程序的開發(fā)帶來方便。（3）豐富的外設(shè)。（4）I/O口功能強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)能力大。（5）低功耗。（6）AVR單片機(jī)支持程序的在系統(tǒng)編程AVR單片機(jī)系列齊全，有3個(gè)檔次，可適用于各種不同場合的要求：● 低檔Tiny系列AVR單片機(jī)：主要有Tiny11/12/13/15/26/28等；● 中檔AT90S系列AVR單片機(jī)：主要有AT90S1200/2313/8515/8535等；● 高檔

Atmega

系列

AVR

單片機(jī)：主要有ATmega8/16/32/64/128（存儲(chǔ)容量為8KB/16KB/32KB/64KB/128KB）以及ATmega8515/8535等。1.9其他的嵌入式處理器簡介目前各類嵌入式處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，已經(jīng)成為當(dāng)今電子信息技術(shù)應(yīng)用的一大熱點(diǎn)。全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，按體系結(jié)構(gòu)主要分為如下幾類：嵌入式微控制器（單片機(jī)）、嵌入式數(shù)字信號處理器（簡稱DSP）及嵌入式微處理器。1.9.1嵌入式DSP處理器(DSP)嵌入式數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessor，DSP)是一種非常擅長于高速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理運(yùn)算（如數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等）的嵌入式處理器。DSP的主要廠商有美國TI、ADI、Motorola、Zilog等公司。TI公司位居榜首，占全球DSP市場約60%。DSP代表性的產(chǎn)品是TI公司的TMS320系列。TMS320系列處理器包括用于控領(lǐng)域的C2000系列，移動(dòng)通信的C5000系列以及應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)、多媒體和數(shù)字圖像處理的C6000系列等。401.9.2嵌入式微處理器嵌入式微處理器（EmbeddedM