單片機原理與接口技術(shù)：第一章 單片微型計算機概述

單片機原理與接口技術(shù)第一章單片微型計算機概述

在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、保安、金融、儀器儀表、航空航天、醫(yī)療、通訊、辦公設(shè)備、娛樂休閑、健身、體育競賽、服務(wù)領(lǐng)域……,大量單片機-嵌入式技術(shù)已經(jīng)無處不在。正迅速改變著人們傳統(tǒng)的生產(chǎn)和生活方式。

單片機技術(shù)的應(yīng)用遍布國民經(jīng)濟與人民生活的各個領(lǐng)域

1.1單片微型計算機發(fā)展概況1.什么是單片機？單片機是單片微型計算機的簡稱。它是把組成微型計算機的各功能部件：中央處理器CPU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O接口電路、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器以及串行通信接口等制作在一塊集成芯片中，構(gòu)成一個完整的微型計算機。

單片機主要應(yīng)用于控制領(lǐng)域，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，故又稱為微控制器（MicroControllerUnit）。在國際上，“微控制器”的叫法更通用些，在我國比較習(xí)慣“單片機”這一名稱。

單片微型計算機是20世紀(jì)70年代初期發(fā)展起來的，它是微型計算機發(fā)展中的一個重要分支。

不同生產(chǎn)廠家的不同型號的單片機，由于用途、功能等的不同，具體的結(jié)構(gòu)和性能也有較大的差異，但總的模塊結(jié)構(gòu)是一樣的，因此我們只要掌握了某個型號的單片機的原理及應(yīng)用，就可以觸類旁通，通過自學(xué)很快地掌握其他型號的單片機知識。2.單片機的發(fā)展階段單片機出現(xiàn)的歷史并不長，它的產(chǎn)生與發(fā)展和微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體上同步，經(jīng)歷了4個階段：

第一階段（1971～1974年）：1971年11月美國Intel公司首先設(shè)計出集成度為2000只晶體管/片的4位微處理器Intel4004，并且配有隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM和移位寄存器等芯片，構(gòu)成第一臺MCS-4微型計算機。1972年4月Intel公司又研制成功了處理能力較強的8位微處理器—Intel8008。這些微處理器雖說還不是單片機，但從此拉開了研制單片機的序幕。

第二階段（1974～1978年）：初級單片機階段。以Intel公司的MCS-48為代表。這個系列單片機內(nèi)集成有8位CPU、并行I/O接口、8位定時器/計數(shù)器，尋址范圍不大于4K，且無串行口。第三階段（1978～1983年）：在這一階段推出的單片機普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統(tǒng)、16位定時器/計數(shù)器。片內(nèi)RAM、ROM容量加大，且尋址范圍可達(dá)64KB，有的片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換器接口。這類單片機有Intel公司的MCS-51、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。這類單片機的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，這個系列的各類產(chǎn)品仍然是目前國內(nèi)外產(chǎn)品的主流。其中MCS-51系列產(chǎn)品，以其優(yōu)良的性能價格比，成為我國廣大科技人員的首選。

第四階段（1983年～現(xiàn)在）：8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機推出階段。此階段主要特征是一方面發(fā)展16位單片機及專用單片機；另一方面不斷完善高檔8位單片機，改善其結(jié)構(gòu)，以滿足不同的用戶需要。3.單片機的發(fā)展趨勢當(dāng)前，單片機在以8位機為主流的基礎(chǔ)上正朝著多功能、精簡指令集、高速、低功耗、高可靠性、專用的方向發(fā)展。1.2微型計算機系統(tǒng)的概念1.微型計算機系統(tǒng)

微型計算機系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成的。硬件是組成計算機的物質(zhì)基礎(chǔ)。是指組成計算機的所有機械、電子和磁性部件及裝置。軟件是指為了方便使用和充分發(fā)揮計算機效能的各種程序的總稱，包括各種程序設(shè)計語言、系統(tǒng)程序、應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫等，它們都屬于信息性的東西。2.微型計算機的組裝形式分類微型計算機是由多個功能部件構(gòu)成的一個完整的硬件系統(tǒng)，除核心部件微處理器之外，還配置有相應(yīng)的存儲部件、輸入輸出接口等。按部件的組裝形式可分為單片機、單板機和多板微型計算機三類。（1）單片機

又稱為“微控制器”和“嵌入式計算機”，是單片微型計算機。它是將構(gòu)成微型計算機的各功能部件集成在同一塊大規(guī)模集成電路芯片上，一個芯片就是一臺微型機。單片機的特點是集成度高、體積小、功耗低、可靠性高、使用靈活分別、控制功能強、編程保密化、價格低廉。（2）單板機單板機屬于計算機系統(tǒng)。它將CPU芯片、存儲器芯片、I/O接口芯片及簡單的輸入、輸出設(shè)備組裝在同一塊印刷電路板上。這塊印刷電路板就是一臺完整的微型機。單板機具有完全獨立的操作功能，加上電源就可以獨立工作。（3）多板微型計算機它是單板機的擴展，也常稱系統(tǒng)機。它是把微處理器、存儲器芯片、各種I/O接口芯片和驅(qū)動電路、電源等組裝到不同的印刷電路板上，各印刷電路板插在主機箱內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的總線插槽上，通過系統(tǒng)總線相互連接起來，就構(gòu)成了一個多插件的微型計算機。1.3單片機的特點及應(yīng)用領(lǐng)域1.單片機的特點性價比高單片機體積小、功耗低、集成度高、功能強，它能極方便地嵌入到各種自動化、智能化的測控系統(tǒng)中，且同等條件下，使用單片機能有效地降低應(yīng)用系統(tǒng)的成本。

可靠性高易于擴展及多系統(tǒng)通信具有串行口、I2C或CAN總線等通信接口，可以方便地實行多機、上位機與終端機之間的通信。開發(fā)成本低2.單片機的種類單片機從用途上可分為通用型單片機和專用型單片機。專用型單片機是指用途比較專一，出廠時程序已經(jīng)一次性固化好了，不能在修改的單片機。通用型單片機是把所有資源全部提供給用戶使用。當(dāng)今通用型單片機的生產(chǎn)廠家已有不下幾十家，生產(chǎn)種類有幾百種之多。從生產(chǎn)廠家來說，有Intel公司、美國國家半導(dǎo)體公司、TI公司、Zilog公司、Atmel公司、美國微芯公司、韓國現(xiàn)代公司、韓國三星公司、中國臺灣華邦公司、日本東芝公司、日本EPSON公司等。3.單片機的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)自動化智能化儀表各種機器人民用消費類電子產(chǎn)品汽車、航空、導(dǎo)航和武器裝備數(shù)據(jù)處理及終端設(shè)備通信領(lǐng)域1.常用術(shù)語（1）字長字長是指計算機的運算器能同時處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù),它與計算機的功能和用途有很大關(guān)系。（2）存儲容量存儲容量是指存儲器能夠存儲信息的總字節(jié)數(shù)。

1KB=1024B=210B1MB=1024KB=220B1GB=1024MB=230B1.4單片機的基礎(chǔ)知識

（3）總線總線是信息傳送的公共通道。每一位二進(jìn)制數(shù)由總線中的一根線來傳送。根據(jù)總線傳輸信息的內(nèi)容不同，總線可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。（4）堆棧堆棧是在RAM區(qū)中，按照先進(jìn)后出的原則設(shè)置的專用存儲區(qū)域。（5）數(shù)制二進(jìn)制數(shù)、十進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)2.單片機的軟件系統(tǒng)（1）系統(tǒng)軟件 單片機的系統(tǒng)軟件是由軟件技術(shù)人員開發(fā)的，確保系統(tǒng)運行和用戶使用單片機的一類程序，它主要包括操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、編譯程序、診斷程序等。（2）應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件是用戶利用不同編程語言編寫的，為解決實際問題的而編寫的程序。3.編程語言（1）機器語言是機器能直接識別的二進(jìn)制指令代碼編寫的集合。（2）匯編語言在機器語言的基礎(chǔ)上，用反映指令的特征和功能的助記符代替機器指令，編程人員容易記憶和使用，指令與機器碼一一對應(yīng)。（3）高級語言為方便用戶，應(yīng)使編程語言更接近于實際問題，即不需全面了解機器，而是考慮要解決的問題，這就是面向問題的語言，如BASIC、FORTRAN、PASCAL等，這些語言易學(xué)，易掌握，通用性強。但需要機器中有將高級語言翻譯成機器語言、讓各類機器識別的編譯程序。

1.5單片機與嵌入式系統(tǒng)1.嵌入式系統(tǒng)的定義

IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers

，國際電氣和電子工程師協(xié)會）定義嵌入式系統(tǒng)為：用于控制、監(jiān)視或輔助操作機器和設(shè)備的裝置。國內(nèi)對嵌入式系統(tǒng)的定義：是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，以適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。2.單片機是典型的嵌入式系統(tǒng)單片機具有體積小、性價比高、面向?qū)崟r應(yīng)用的特征，以不求規(guī)模大，力爭小而全為宗旨，以在一塊芯片上集成一臺計算機為目的。單片機擁有這些特點，正好滿足了電子產(chǎn)品在各個領(lǐng)域不斷普及的需求。用單片機作為核心，很容易實現(xiàn)可嵌入到