第1章單片機(jī)概述

1、第1章 單片機(jī)概述第1章 單片機(jī)概述讀者可能都知道電腦是什么，能做什么。但是你知道什么是微電腦嗎？當(dāng)今各種設(shè)備中總會(huì)冠以“微電腦控制”一詞，那么這個(gè)微電腦是什么呢？它與電腦有什么關(guān)系和區(qū) 別呢？微電腦實(shí)際上是商家為了便于大眾理解而給單片機(jī)起的別名。微電腦實(shí)際上就是單片機(jī)（Single Chip Microcomputer）。目前國際上統(tǒng)稱為微控制器（Micro Controller Unit，MCU）。單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路

2、、脈寬調(diào)制電路、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。本章簡單講解了單片機(jī)的歷史與發(fā)展現(xiàn)狀；介紹了什么是單片機(jī)系統(tǒng)、單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域、常用單片機(jī)產(chǎn)品；概要講解了PIC單片機(jī)的特點(diǎn)。1.1 單片機(jī)的歷史在計(jì)算機(jī)的發(fā)展史上，運(yùn)算和控制一直是計(jì)算機(jī)功能實(shí)施的兩條主線。運(yùn)算功能主要體現(xiàn)在巨型機(jī)、大型機(jī)、服務(wù)器和個(gè)人電腦上，承擔(dān)高速、海量技術(shù)數(shù)據(jù)的處理和分析，一般以計(jì)算能力（即運(yùn)算速度）為重要標(biāo)志。而控制功能則主要體現(xiàn)在單片機(jī)中，主要與控制對(duì)象耦合，能與控制對(duì)象互動(dòng)和實(shí)時(shí)控制。單片機(jī)以低成本、小體積、高可靠、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，極大地豐富了該項(xiàng)研究領(lǐng)域新的內(nèi)涵。自從美國英

3、特爾公司出品了4位的邏輯控制器4004以后，各大半導(dǎo)體公司紛紛投入對(duì)單片機(jī)的研發(fā)，各類單片機(jī)如雨后春筍般相繼出現(xiàn)，其功能不斷改善，以適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域。一般而言，將其發(fā)展史分為以下4個(gè)階段。第一代：20世紀(jì)70年代后期，4位邏輯控制器件發(fā)展到8位。使用NMOS工藝（速度低、功耗大、集成度低）。代表產(chǎn)品有摩托羅拉公司的MC6800、Intel公司的Intel 8048、Zilog公司的Z80。 第二代：20世紀(jì)80年代初，采用CMOS工藝，并逐漸被高速低功耗的HMOS工藝代替。代表產(chǎn)品有摩托羅拉公司的MC146805、Intel公司的Intel 8051。 第三代：20世紀(jì)90年代初，單片機(jī)由可

4、擴(kuò)展總線型向純單片型發(fā)展，通過內(nèi)置存儲(chǔ)器使外圍電路更加簡潔，即只工作在單片方式。單片機(jī)的擴(kuò)展方式從并行總線型發(fā)展出各種串行總線，其外部表現(xiàn)形式與個(gè)人計(jì)算機(jī)差別越來越大。單片機(jī)的功耗越來越低，其工作電壓已降至3.3V。代表產(chǎn)品有德州儀器（TI）公司的MSP430。 第四代：Flash的使用使MCU技術(shù)進(jìn)入了第四代。代表產(chǎn)品有微芯公司的PIC16F877、Atmel公司的AT89C52。1.2 單片機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀單片機(jī)的飛速發(fā)展和性能的日益完善，實(shí)際上是對(duì)傳統(tǒng)控制技術(shù)的一場革命，其開創(chuàng)了微控制技術(shù)的新天地。現(xiàn)代控制理念的核心內(nèi)涵就是嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。通過不斷提高控制功能和拓展外圍接口功能，使單片

5、機(jī)成為最典型、最廣泛、最普及的嵌入式微控制系統(tǒng)。單片機(jī)擁有計(jì)算機(jī)的基本核心部件，將其嵌入到電子系統(tǒng)中，可以滿足控制對(duì)象要求，實(shí)現(xiàn)嵌入到非計(jì)算機(jī)產(chǎn)品中應(yīng)用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從而為電子系統(tǒng)高級(jí)智能化奠定了基礎(chǔ)。它的實(shí)現(xiàn)方式要比模擬控制思想簡潔和方便得多。同時(shí)，可以跨越式地實(shí)現(xiàn)對(duì)外部模擬量的高速采集、邏輯分析處理和對(duì)目標(biāo)對(duì)象的智能控制。近二十多年來，計(jì)算機(jī)得到了前所未有的發(fā)展，從航空、航天軍事專用到走入千家萬戶，成為人們生活的必需品。而同樣具有計(jì)算機(jī)的一般功能，價(jià)格低廉的單片機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，并且正在不斷改變?nèi)藗兊纳罘绞健Ｇ度胧较到y(tǒng)源于計(jì)算機(jī)的嵌入應(yīng)用。早期的嵌入式系統(tǒng)的概念就是將通用計(jì)算機(jī)經(jīng)適應(yīng)性配置后嵌

6、入到各種實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，如輪船的自動(dòng)駕駛儀和飛機(jī)的導(dǎo)航儀等系統(tǒng)。與計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)的優(yōu)勢是顯而易見的，尤其是現(xiàn)在單片機(jī)應(yīng)用已滲入到各個(gè)領(lǐng)域，完全不能按照原有的嵌入式的思路去理解和應(yīng)用。例如，控制一個(gè)家用的電子產(chǎn)品（智能電飯煲、模糊智能洗衣機(jī)和手機(jī)等），利用PC計(jì)算機(jī)控制幾乎是不可能的，幾十元或幾百元的電子產(chǎn)品要求配套一臺(tái)幾千元的電腦，這不成為笑話。單片機(jī)是芯片級(jí)的小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以被嵌入到任何應(yīng)用對(duì)象系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)以智能化為主要的控制目的。單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域隨著其功能化外沿的不斷拓展而日益廣泛，已滲入到現(xiàn)場控制、電信手機(jī)、家用電器、儀表儀器、汽車電氣和電子玩具等領(lǐng)域的智能化控制和管理方面。目前

7、，各個(gè)單片機(jī)生產(chǎn)廠家還是立足于8位單片機(jī)的競爭，因?yàn)閺钠浣蹬R以來，一直成為應(yīng)用最廣泛的器件。在這場持久的“戰(zhàn)爭”中，近年，美國Microchip和Motorola兩家公司已占據(jù)著世界8位單片機(jī)產(chǎn)量最高的兩位芯片制造商。Motorola公司的單片機(jī)主要自產(chǎn)自銷，其產(chǎn)品的可靠性高，但開發(fā)成本也很高，其他廠家使用的并不多。Microchip公司的PIC系列單片機(jī)以其物美價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)則被廣泛應(yīng)用。這也是本書選擇PIC為例講解單片機(jī)的原因之一。1.3 單片機(jī)的特點(diǎn)單片機(jī)主要是用來嵌入到具體設(shè)備中的計(jì)算機(jī)，所以其特點(diǎn)與個(gè)人計(jì)算機(jī)截然不同，單片機(jī)的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）高集成度，體積小，高可靠性

8、單片機(jī)將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最小的。芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，內(nèi)部布線很短，其抗工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般通用的CPU。單片機(jī)程序指令、常數(shù)及表格等固化在ROM中不易破壞，許多信號(hào)通道均在一個(gè)芯片內(nèi)，故可靠性高。 （2）控制功能強(qiáng) 單片機(jī)內(nèi)部往往有專用的數(shù)字I/O口，通過指令可以進(jìn)行豐富的邏輯操作和位處理，非常適用于專門的控制功能。單片機(jī)還集成了各種接口，這樣使其可以方便與各種設(shè)備通信，達(dá)到控制目的。 （3）低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品 為了滿足廣泛使用于便攜式系統(tǒng)，許多單片機(jī)內(nèi)的工作電壓僅為1.83.6V，而工作電流僅為數(shù)百微安乃至更低。合理的設(shè)

9、計(jì)使某些應(yīng)用下其待機(jī)時(shí)間可達(dá)幾年。（4）優(yōu)異的性能價(jià)格比 為了提高執(zhí)行速度和運(yùn)行效率，單片機(jī)已開始使用RISC流水線和DSP等技術(shù)。單片機(jī)的尋址能力也已突破64KB的限制，有的已可達(dá)到4GB，片內(nèi)的ROM容量可達(dá)62MB，RAM容量則可達(dá)64MB。由于單片機(jī)的廣泛使用，因而銷量極大，各大公司的商業(yè)競爭更使其價(jià)格十分低廉，其性能價(jià)格比極高。1.4 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域單片機(jī)以高性能、高速度、體積小、價(jià)格低廉、可重復(fù)編程和功能擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)，獲得廣泛的應(yīng)用。其主要應(yīng)用于如下領(lǐng)域：（1）家用電器及玩具由于單片機(jī)價(jià)格低、體積小、控制能力強(qiáng)、功能擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于電視、冰箱、洗衣機(jī)、玩具、家用防

10、盜報(bào)警器等。（2）智能測量設(shè)備以前的測量儀表體積大，功能單一，限制了測量儀表的發(fā)展。選用單片機(jī)改造各種測量控制儀表，可以使其體積減小，功能擴(kuò)展，從而生產(chǎn)新一代的智能化儀表，如各種數(shù)字萬用表、示波器等。（3）機(jī)電一體化產(chǎn)品機(jī)電一體化產(chǎn)品是指將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合在一起，從而產(chǎn)生具有智能化特性的產(chǎn)品，它是機(jī)械工業(yè)的主要發(fā)展方向。單片機(jī)可以作為機(jī)電一體化產(chǎn)品的控制器，從而簡化原機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展其功能。（4）自動(dòng)測控系統(tǒng)使用單片機(jī)可以設(shè)計(jì)各種數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)等，如溫度的自動(dòng)控制、電壓電流的數(shù)據(jù)采集。（5）計(jì)算機(jī)控制及通信技術(shù)51系列單片機(jī)都集成有串行通信接口，可以通過該

11、接口和計(jì)算機(jī)的串行接口進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的程序控制和通信等。1.5 常用的單片機(jī)產(chǎn)品介紹自世界上第一片單片機(jī)誕生以來，單片機(jī)不斷推陳出新，目前已有幾十個(gè)系列、上百種型號(hào)。目前應(yīng)用比較廣、影響比較大的有如下幾種：（1）Microchip單片機(jī)Microchip的8位單片機(jī)的主要產(chǎn)品是PIC16系列、18系列，CPU采用RISC結(jié)構(gòu)，分別僅有35、58條指令，采用哈佛雙總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快，低工作電壓，低功耗，較大的輸入/輸出直接驅(qū)動(dòng)能力，價(jià)格低，一次性編程，小體積。適用于用量大，檔次低，價(jià)格敏感的產(chǎn)品。在辦公自動(dòng)化設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品、電訊通信、智能儀器儀表、汽車電子、金融電子和工業(yè)控制等不同領(lǐng)

12、域都有廣泛的應(yīng)用。PIC系列單片機(jī)目前在世界單片機(jī)市場份額排名第一，發(fā)展非常迅速。（2）Motorola單片機(jī)Motorola目前是世界上僅次于Microchip的第二大的單片機(jī)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(jī)都能生產(chǎn)，其中典型的代表有8位機(jī)M6805、M68HC05系列，8位增強(qiáng)型M68HC11、M68HC12，16位機(jī)M68HC16和32位機(jī)M683XX。Motorola單片機(jī)的特點(diǎn)之一是在同樣的速度下所用的時(shí)鐘頻率較Intel類單片機(jī)低得多，因而使得高頻噪聲低，抗干擾能力強(qiáng)，更適合于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境。（3）8051單片機(jī)8051單片機(jī)最早由

13、Intel公司推出，其后，多家公司購買了8051的內(nèi)核，使得以8051為內(nèi)核的MCU系列單片機(jī)在世界上產(chǎn)量最大，應(yīng)用也最廣泛。（4）PHILIPS公司的P89LPC900系列單片機(jī)LPC900系列是高性能的增強(qiáng)型80C51單片機(jī)。其指令周期為24個(gè)時(shí)鐘周期，速度為標(biāo)準(zhǔn)80C51器件的6倍。它在28腳TSSOP和HVQFN封裝當(dāng)中集成了多種通信端口和系統(tǒng)監(jiān)控功能。適合于許多要求高集成度、低成本的場合。可以滿足多方面的性能要求。LPC900系列采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，可大大減少外圍元件的數(shù)目和電路板面積。其設(shè)計(jì)用于要求低電壓、高集成度、高性能和低成本的應(yīng)用領(lǐng)域。（5）華邦

14、單片機(jī)華邦公司的W77、W78系列8位單片機(jī)的腳位和指令集與8051兼容，但每個(gè)指令周期只需要4個(gè)時(shí)鐘周期，速度提高了3倍，工作頻率最高可達(dá) 40MHz。同時(shí)增加了看門狗定時(shí)器，6組外部中斷源，兩組UART，兩組Data pointer及Wait state control pin。W741系列的4位單片機(jī)帶液晶驅(qū)動(dòng)，在線燒錄，保密性高，低操作電壓（1.21.8V）。（6）Atmel公司的AVR單片機(jī)它是增強(qiáng)型RISC內(nèi)載Flash的單片機(jī)，芯片上的Flash存儲(chǔ)器附在用戶的產(chǎn)品中，可隨時(shí)編程，再編程，使用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)容易，更新?lián)Q代方便。AVR單片機(jī)采用增強(qiáng)的RISC結(jié)構(gòu)，使其具有高速處理能力

15、，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可執(zhí)行復(fù)雜的指令，每MHz可實(shí)現(xiàn)1MIPS的處理能力。AVR單片機(jī)工作電壓為2.76.0V，可以實(shí)現(xiàn)耗電最優(yōu)化。AVR的單片機(jī)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通信設(shè)備、家用電器和宇航設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域。（7）MDT20XX系列單片機(jī)臺(tái)灣產(chǎn)的工業(yè)級(jí)OTP單片機(jī)，由Micon公司生產(chǎn)，與PIC單片機(jī)管腳完全一致，海爾集團(tuán)的電冰箱控制器、TCL通信產(chǎn)品，長安奧拓鈴木小轎車功率分配器就采用這種單片機(jī)。（8）EM78系列OTP型單片機(jī)臺(tái)灣義隆電子股份有限公司生產(chǎn)，直接替代PIC16CXX，管腳兼容，源程序可通過軟件轉(zhuǎn)換直接使用。（9）EPSON單片機(jī)EPSON單片機(jī)以低電

16、壓、低功耗和內(nèi)置LCD驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)著名于世，尤其是LCD驅(qū)動(dòng)部分做得最好。廣泛用于工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、家用電器、儀器儀表、通信設(shè)備和手持式消費(fèi)類產(chǎn)品等領(lǐng)域。目前EPSON已推出4位單片機(jī)SMC62系列、SMC63系列、SMC60系列和8位單片機(jī)SMC88系列。（10）東芝單片機(jī)東芝單片機(jī)門類齊全，4位機(jī)在家電領(lǐng)域有很大市場，8位機(jī)主要有870系列和90系列，這兩個(gè)系列的單片機(jī)都具有慢模式，即主頻采用32kHz時(shí)，單片機(jī)功耗可降至10A數(shù)量級(jí)。東芝的32位單片機(jī)采用MIPS 3000A RISC的CPU結(jié)構(gòu)，面向VCD、數(shù)字相機(jī)、圖像處理等市場。（11）Zilog單片機(jī)Z8單片機(jī)是Zilog公司的

17、產(chǎn)品，采用多累加器結(jié)構(gòu)，有較強(qiáng)的中斷處理能力，開發(fā)工具價(jià)廉物美。Z8單片機(jī)以低價(jià)位面向低端應(yīng)用。直到20世紀(jì)90年代前期，很多國內(nèi)大學(xué)的微機(jī)原理還是講述Z80。（12）NS單片機(jī)COP8單片機(jī)是NS（美國國家半導(dǎo)體公司）的產(chǎn)品，內(nèi)部集成了16位A/D，這是不多見的，在看門狗多路及STOP方式下單片機(jī)的喚醒方式上都有獨(dú)到之處。此外，COP8的程序加密也做得比較好。上面這些產(chǎn)品有很多相同的內(nèi)容，但各有各自的特點(diǎn)，用戶可以根據(jù)需要選擇。如此龐大的單片機(jī)家族，其實(shí)只要熟練掌握一種單片機(jī)的使用方法，便可舉一反三，對(duì)其他型號(hào)的單片機(jī)也能夠快速上手。這里推薦PIC單片機(jī)作為入門選擇。1.6 PIC單片機(jī)概述

18、PIC系列單片機(jī)是美國Microchip公司生產(chǎn)的單片機(jī)系列產(chǎn)品的標(biāo)志產(chǎn)品。它從以前的默默無聞到今天躍居全世界8位單片機(jī)銷量第一，與其過硬的產(chǎn)品質(zhì)量和系統(tǒng)內(nèi)核的設(shè)計(jì)完善不無關(guān)系。本節(jié)簡單介紹PIC單片機(jī)的分類和特點(diǎn)。1.6.1 PIC單片機(jī)種類Microchip公司的PIC系列單片機(jī)有8位單片機(jī)、16位單片機(jī)、32位單片機(jī)和超低功耗單片機(jī)。本書僅以8位單片機(jī)系列為主介紹其8位單片機(jī)的型號(hào)特點(diǎn)。PIC的8位單片機(jī)家族中分低、中、高3檔，對(duì)應(yīng)的內(nèi)部指令寬度分別是12、14、16位。12位指令寬度的低檔單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，適用于一些控制任務(wù)相對(duì)簡單且對(duì)價(jià)格敏感的低端消費(fèi)類產(chǎn)品，代表型號(hào)有PIC

19、16C5x系列的PIC16C54C、PIC16C57C等，PIC12C5xx系列的PIC12C508A、PIC12C509等。14 位指令寬度的中檔單片機(jī)是目前型號(hào)最豐富的一個(gè)系列，其片內(nèi)功能模塊種類其全，組合靈活多變，價(jià)位適中，應(yīng)用領(lǐng)域及其廣闊，代表型號(hào)有PIC16F7x系列的PIC16F73/74/76/77、PIC16F87xA系列的PIC16F873A/ 874A/876A/877A等。16位指令寬度的高檔單片機(jī)在命名上以PIC18開頭，整個(gè)內(nèi)核體系在PIC16系列基礎(chǔ)上有很大提高，最高指令流可達(dá)10MIPS（單條指令執(zhí)行時(shí)間為100ns），達(dá)到部分16位單片機(jī)的性能，一般用于較高端的

20、產(chǎn)品設(shè)計(jì)，是Microchip今后在8位單片機(jī)上發(fā)展的主要方向。dsPIC系列是Microchip最新推出的16位高性能單片機(jī)，其內(nèi)核中包含有一個(gè)完整的定點(diǎn)DSP，數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理能力大大增強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域主要定位于汽車電子、復(fù)雜的電機(jī)控制、數(shù)據(jù)壓縮和信號(hào)分析等高端場合。PIC的8位單片機(jī)的引腳從6針到100針，支持眾多的外設(shè)接口，包括定時(shí)器、比較器、PWM、ADC、I2C、SPI、USB、CAN、LIN等。盡管PIC單片機(jī)分那么多種類，但不同家族、不同型號(hào)間可以很容易移植。這完全得益于PIC單片機(jī)內(nèi)核設(shè)計(jì)的一致性，使其指令上下兼容，具備相同的功能模塊操控方式，更重要的是其表現(xiàn)出的電氣特性也一致。目前