單片機(jī)的基本概念

單片機(jī)的基本概念第一頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日1.1單片機(jī)的基本概念圖1.1微機(jī)組成結(jié)構(gòu)框圖第二頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D1.2單片機(jī)組成框圖第三頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日(1)單板機(jī)：將微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、I/O接口電路以及簡(jiǎn)單的輸入/輸出設(shè)備組裝在一塊印刷電路板上，稱其為單板微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單板機(jī)。

(2)單片機(jī)：將微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、I/O接口電路和相應(yīng)實(shí)時(shí)控制器件集成在一塊芯片上，稱其為單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。

(3)微型計(jì)算機(jī)：微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、I/O接口電路由總線有機(jī)地連接在一起的整體，稱為微型計(jì)算機(jī)。

(4)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：微型計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備、電源、系統(tǒng)軟件一起構(gòu)成的系統(tǒng)，稱為微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。第四頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日(1)通用微機(jī)的CPU主要面向數(shù)據(jù)處理，其發(fā)展主要圍繞數(shù)據(jù)處理功能、計(jì)算速度和精度的進(jìn)一步提高。例如，現(xiàn)今微機(jī)的CPU都支持浮點(diǎn)運(yùn)算，采用流水線作業(yè)，并行處理、多級(jí)高速緩沖(Cache)技術(shù)等。CPU的主頻達(dá)到數(shù)百兆赫茲(MHz)，字長(zhǎng)普遍達(dá)到32位。單片機(jī)主要面向控制，控制中的數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單，所以單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能比通用微機(jī)相對(duì)要弱一些，計(jì)算速度和精度也相對(duì)要低一些。例如，現(xiàn)在的單片機(jī)產(chǎn)品的CPU大多不支持浮點(diǎn)運(yùn)算，CPU還采用串行工作方式，其振蕩頻率大多在百兆赫茲范圍內(nèi);在一些簡(jiǎn)單應(yīng)用系統(tǒng)中采用4位字長(zhǎng)的CPU，在中、小規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)合廣泛采用8位字長(zhǎng)單片機(jī)，在一些復(fù)雜的中、大規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)中才采用16位字長(zhǎng)單片機(jī)，32位單片機(jī)產(chǎn)品目前應(yīng)用得還不多。第五頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日(2)通用微機(jī)中存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)主要針對(duì)增大存儲(chǔ)容量和CPU對(duì)數(shù)據(jù)的存取速度。現(xiàn)今微機(jī)的內(nèi)存容量達(dá)到了數(shù)百兆字節(jié)(MB)，存儲(chǔ)體系采用多體、并讀技術(shù)和段、頁(yè)等多種管理模式。單片機(jī)中存儲(chǔ)器的組織結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)器芯片直接掛接在單片機(jī)的總線上，CPU對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)按直接物理地址來(lái)尋址存儲(chǔ)器單元，存儲(chǔ)器的尋址空間一般都為64KB。第六頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日(3)通用微機(jī)中I/O接口主要考慮標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)(如CRT、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、打印機(jī)、硬盤(pán)、光盤(pán)等)。用戶通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)總線連接外設(shè)，能達(dá)到即插即用。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的外設(shè)都是非標(biāo)準(zhǔn)的，且千差萬(wàn)別，種類很多。單片機(jī)的I/O接口實(shí)際上是向用戶提供的與外設(shè)連接的物理界面。用戶對(duì)外設(shè)的連接要設(shè)計(jì)具體的接口電路，需有熟練的接口電路設(shè)計(jì)技術(shù)。第七頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日1.2單片機(jī)的發(fā)展概況1．4位單片機(jī)階段自1975年美國(guó)德克薩斯儀器公司首次推出4位單片機(jī)TMS-1000后，各個(gè)計(jì)算機(jī)生產(chǎn)公司競(jìng)相推出4位單片機(jī)。例如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(NationalSemiconductor)的COP402系列，日本電氣公司(NEC)的μPD75XX系列，美國(guó)洛克威爾公司(Rockwell)的PPS/1系列，日本松下公司的MN1400系列，富士通公司的MB88系列等。

4位單片機(jī)主要用于家用電器、電子玩具等。第八頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日2．8位單片機(jī)階段

1976年9月，美國(guó)Intel公司首先推出了MCS-48系列8位單片機(jī)以后，單片機(jī)發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段，8位單片機(jī)紛紛應(yīng)運(yùn)而生。例如，莫斯特克(Mostek)和仙童(Fairchild)公司共同合作生產(chǎn)的3870(F8)系列，摩托羅拉(Motorola)公司的6801系列等。在1978年以前各廠家生產(chǎn)的8位單片機(jī)，由于受集成度(幾千只管/片)的限制，一般沒(méi)有串行接口，并且尋址空間的范圍小(小于8KB)，從性能上看屬于低檔8位單片機(jī)。第九頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日

隨著集成電路工藝水平的提高，在1978年到1983年期間集成度提高到幾萬(wàn)只管/片，因而一些高性能的8位單片機(jī)相繼問(wèn)世。例如，1978年摩托羅拉公司的MC6801系列，齊洛格(Zilog)公司的Z8系列，1979年NEC公司的μPD78XX系列，1980年Intel公司的MCS-51系列。這類單片機(jī)的尋址能力達(dá)64KB，片內(nèi)ROM容量達(dá)4~8KB，片內(nèi)除帶有并行I/O口外，還有串行I/O口，甚至某些還有A/D轉(zhuǎn)換器功能。因此，把這類單片機(jī)稱為高檔8位單片機(jī)。第十頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日

在高檔8位單片機(jī)的基礎(chǔ)上，單片機(jī)功能進(jìn)一步得到提高，近年來(lái)推出了超8位單片機(jī)。如Intel公司的8X252、UPI-45283C152，Zilog公司的Super8，Motorola公司的MC68HC等，它們不但進(jìn)一步擴(kuò)大了片內(nèi)ROM和RAM的容量，同時(shí)還增加了通信功能、DMA傳輸功能以及高速I(mǎi)/O功能等。自1985年以來(lái)，各種高性能、大存儲(chǔ)容量、多功能的超8位單片機(jī)不斷涌現(xiàn)，它們代表了單片機(jī)的發(fā)展方向，在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。

8位單片機(jī)由于功能強(qiáng)，被廣泛用于工業(yè)控制、智能接口、儀器儀表等各個(gè)領(lǐng)域。第十一頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日3．16位單片機(jī)階段

1983年以后，集成電路的集成度可達(dá)十幾萬(wàn)只管/片，16位單片機(jī)逐漸問(wèn)世。這一階段的代表產(chǎn)品有1983年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司又推出的80C96，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的HPC16040和NEC公司推出的783XX系列等。

16位單片機(jī)把單片機(jī)的功能又推向了一個(gè)新的階段。如MCS-96系列的集成度為12萬(wàn)只管/片，片內(nèi)含16位CPU、8KBROM、232字節(jié)RAM、5個(gè)8位并行I/O口、4個(gè)全雙工串行口、4個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、8級(jí)中斷處理系統(tǒng)。MCS-96系列還具有多種I/O功能，如高速輸入/輸出(HSIO)、脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出、特殊用途的監(jiān)視定時(shí)器(Watchdog)等等。

16位單片機(jī)可用于高速?gòu)?fù)雜的控制系統(tǒng)。第十二頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日4．32位單片機(jī)近年來(lái)，各個(gè)計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠家已進(jìn)入更高性能的32位單片機(jī)研制、生產(chǎn)階段。由于控制領(lǐng)域?qū)?2位單片機(jī)需求并不十分迫切，所以32位單片機(jī)的應(yīng)用并不很多。需要提及的是，單片機(jī)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(shí)際使用情況看，并沒(méi)有出現(xiàn)推陳出新、以新代舊的局面。4位、8位、16位單片機(jī)仍各有應(yīng)用領(lǐng)域，如4位單片機(jī)在一些簡(jiǎn)單家用電器、高檔玩具中仍有應(yīng)用，8位單片機(jī)在中、小規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)合仍占主流地位，16位單片機(jī)在比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中才有應(yīng)用。第十三頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日1.3單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用1.3.1單片機(jī)的特點(diǎn)(1)單片機(jī)的存儲(chǔ)器ROM和RAM是嚴(yán)格區(qū)分的。ROM稱為程序存儲(chǔ)器，只存放程序、固定常數(shù)及數(shù)據(jù)表格。RAM則為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用作工作區(qū)及存放用戶數(shù)據(jù)。這樣的結(jié)構(gòu)主要是考慮到單片機(jī)用于控制系統(tǒng)中，有較大的程序存儲(chǔ)器空間，把開(kāi)發(fā)成功的程序固化在ROM中，而把少量的隨機(jī)數(shù)據(jù)存放在RAM中。這樣，小容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器能以高速RAM形式集成在單片機(jī)內(nèi)，以加速單片機(jī)的執(zhí)行速度。但單片機(jī)內(nèi)的RAM是作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用，而不是當(dāng)作高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)使用。第十四頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日(2)采用面向控制的指令系統(tǒng)。為滿足控制的需要，單片機(jī)有更強(qiáng)的邏輯控制能力，特別是具有很強(qiáng)的位處理能力。

(3)單片機(jī)的I/O引腳通常是多功能的。由于單片機(jī)芯片上引腳數(shù)目有限，為了解決實(shí)際引腳數(shù)和需要的信號(hào)線的矛盾，采用了引腳功能復(fù)用的方法。引腳處于何種功能，可由指令來(lái)設(shè)置或由機(jī)器狀態(tài)來(lái)區(qū)分。

(4)單片機(jī)的外部擴(kuò)展能力強(qiáng)。在內(nèi)部的各種功能部分不能滿足應(yīng)用需求時(shí)，均可在外部進(jìn)行擴(kuò)展(如擴(kuò)展ROM、RAM，I/O接口，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，中斷系統(tǒng)等)，與許多通用的微機(jī)接口芯片兼容，給應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的方便和靈活性。第十五頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日1.3.2單片機(jī)的應(yīng)用(1)體積小，成本低，運(yùn)用靈活，易于產(chǎn)品化，它能方便地組成各種智能化的控制設(shè)備和儀器，做到機(jī)電一體化。

(2)面向控制，能針對(duì)性地解決從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，因而能獲得最佳的性能價(jià)格比。

(3)抗干擾能力強(qiáng)，適用溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠地工作，這是其它類型計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的。

(4)可以方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，使整個(gè)控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。第十六頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日

單片機(jī)的應(yīng)用范圍十分廣泛，主要的應(yīng)用領(lǐng)域有：

(1)工業(yè)控制。單片機(jī)可以構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線控制、電機(jī)控制、溫度控制等。

(2)儀器儀表。如智能儀器、醫(yī)療器械、數(shù)字示波器等。

(3)計(jì)算機(jī)外部設(shè)備與智能接口。如圖形終端機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、繪圖儀、磁盤(pán)/磁帶機(jī)、智能終端機(jī)等。

(4)商用產(chǎn)品。如自動(dòng)售貨機(jī)、電子收款機(jī)、電子秤等。

(5)家用電器。如微波爐、電視機(jī)、空調(diào)、洗衣機(jī)、錄像機(jī)、音響設(shè)備等。第十七頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日1.4常用單片機(jī)系列介紹1.4.1MCS系列產(chǎn)品

第一階段(1971~1976年)：?jiǎn)纹瑱C(jī)發(fā)展的初級(jí)階段。1971年11月，Intel公司首先設(shè)計(jì)出集成度為2000只晶體管/片的4位微處理器Intel4004，并配有RAM、ROM和移位寄存器，構(gòu)成了第一臺(tái)MCS-4微處理器。它的推出拉開(kāi)了單片機(jī)研制的序幕。第二階段(1976~1980年)：低性能單片機(jī)階段。這一階段以1976年Intel公司推出的MCS-48系列為代表產(chǎn)品。第十八頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日

第三階段(1980~1983年)：高性能單片機(jī)階段。這一階段以1980年Intel公司推出的MCS-51系列為代表產(chǎn)品。第四階段(1983年至今)：16位單片機(jī)階段。這一階段以1983年Intel公司推出的MCS-96系列為代表產(chǎn)品。第十九頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日表1.1INTEL主要單片機(jī)系列第二十頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日1.4.2MCS-51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

就CPU的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，通用微機(jī)的CPU內(nèi)部有一定數(shù)量的通用或?qū)Ｓ眉拇嫫鳎鳰CS-51系列單片機(jī)則在數(shù)據(jù)RAM區(qū)開(kāi)辟了一個(gè)工作寄存器區(qū)。該區(qū)共有4組，每組8個(gè)寄存器，共計(jì)可提供32個(gè)工作寄存器，相當(dāng)于通用微機(jī)CPU中的通用寄存器。除此之外，MCS-51系列單片機(jī)還有頗具特色的21個(gè)特殊功能寄存器SFR。要理解MCS-51系列單片機(jī)的工作，就必須對(duì)特殊功能寄存器SFR的工作有清楚的了解。SFR使僅具有40條引腳的單片機(jī)系統(tǒng)的功能有很大的擴(kuò)展。由于這些SFR的作用，每個(gè)通道在程序控制下，都可有第二功能，從而使得有限的引腳能衍生出更多的功能。而且，利用SFR可完成對(duì)定時(shí)器、串行口、中斷邏輯的控制，這就使得單片機(jī)可以把定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口、中斷邏輯等集成在一個(gè)芯片上。第二十一頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日MCS-51系列單片機(jī)在存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)上與通用微機(jī)也有不同之處，通用微機(jī)中程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是一個(gè)地址空間，而單片機(jī)把程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分成兩個(gè)獨(dú)立的地址空間，采用不同的尋址方式，使用兩個(gè)不同的地址指針，PC指向程序存儲(chǔ)器，DPTR指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。采用這種結(jié)構(gòu)主要是考慮到工業(yè)控制的特點(diǎn)。一般工業(yè)控制系統(tǒng)中，需要較大的程序存儲(chǔ)器空間和較小的隨機(jī)存儲(chǔ)器空間，不同于通用微機(jī)需要較大的數(shù)