單片機原理第1章

1、第1章 概 述第第1 1章章 概概 述述1.1 單片機的基本概念單片機的基本概念1.2 單片機的發(fā)展概況單片機的發(fā)展概況1.3 單片機的特點及應(yīng)用單片機的特點及應(yīng)用1.4 常用單片機系列介紹常用單片機系列介紹第1章 概 述1.1 單片機的基本概念單片機的基本概念圖1.1 微機組成結(jié)構(gòu)框圖 第1章 概 述圖1.2 單片機組成框圖 第1章 概 述 (1) 單板機：將微處理器(CPU)、存儲器、I/O接口電路以及簡單的輸入/輸出設(shè)備組裝在一塊印刷電路板上，稱其為單板微型計算機，簡稱單板機。 (2) 單片機：將微處理器(CPU)、存儲器、I/O接口電路和相應(yīng)實時控制器件集成在一塊芯片上，稱其為單片微型

2、計算機，簡稱單片機。 (3) 微型計算機：微處理器(CPU)、存儲器、I/O接口電路由總線有機地連接在一起的整體，稱為微型計算機。 (4) 微型計算機系統(tǒng)：微型計算機與外圍設(shè)備、電源、系統(tǒng)軟件一起構(gòu)成的系統(tǒng)，稱為微型計算機系統(tǒng)。第1章 概 述 (1) 通用微機的通用微機的CPU主要面向數(shù)據(jù)處理主要面向數(shù)據(jù)處理，其發(fā)展主要圍繞數(shù)據(jù)處理功能、計算速度和精度的進一步提高。例如，現(xiàn)今微機的CPU都支持浮點運算，采用流水線作業(yè)，多核、并行處理、多級高速緩沖(Cache)技術(shù)等。CPU的主頻達到數(shù)千兆赫茲(GHz)，字長普遍達到64位。單片機主要面向控制單片機主要面向控制，控制中的數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)處理相對簡

3、單，所以單片機的數(shù)據(jù)處理功能比通用微機相對要弱一些，計算速度和精度也相對要低一些。例如，現(xiàn)在的單片機產(chǎn)品的CPU大多不支持浮點運算，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);在一些簡單應(yīng)用系統(tǒng)中采用4位字長的CPU，在中、小規(guī)模應(yīng)用場合廣泛采用8位字長單片機，在一些復(fù)雜的中、大規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)中才采用16位字長單片機，32位單片機產(chǎn)品目前應(yīng)用得還不多。第1章 概 述 (2) 通用微機中存儲器組織結(jié)構(gòu)主要針對增大存儲容量和CPU對數(shù)據(jù)的存取速度?，F(xiàn)今微機的內(nèi)存容量達到了數(shù)百兆字節(jié)(MB)，存儲體系采用多體、并讀技術(shù)和段、頁等多種管理模式。單片機中存儲器的組織結(jié)構(gòu)比較簡單，存儲器芯片

4、直接掛接在單片機的總線上，CPU對存儲器的讀寫按直接物理地址來尋址存儲器單元，存儲器的尋址空間一般都為64KB。第1章 概 述 (3) 通用微機中I/O接口主要考慮標準外設(shè)(如CRT、標準鍵盤、鼠標、打印機、硬盤、光盤等)。用戶通過標準總線連接外設(shè)，能達到即插即用。單片機應(yīng)用系統(tǒng)的外設(shè)都是非標準的，且千差萬別，種類很多。單片機的I/O接口實際上是向用戶提供的與外設(shè)連接的物理界面。用戶對外設(shè)的連接要設(shè)計具體的接口電路，需有熟練的接口電路設(shè)計技術(shù)。第1章 概 述1.2 單片機的發(fā)展概況單片機的發(fā)展概況 14位單片機階段位單片機階段 自1975年美國德克薩斯儀器公司（TI）首次推出4位單片機TMS-

5、1000后，各個計算機生產(chǎn)公司競相推出4位單片機。例如美國國家半導(dǎo)體公司(National Semiconductor)的COP402系列，日本電氣公司(NEC)的PD75XX系列，美國洛克威爾公司(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位單片機主要用于家用電器、電子玩具等。第1章 概 述 28位單片機階段位單片機階段 1976年9月，美國Intel公司首先推出了MCS-48系列8位單片機以后，單片機發(fā)展進入了一個新的階段，8位單片機紛紛應(yīng)運而生。例如，莫斯特克(Mostek)和仙童(Fairchild)公司共同合作生產(chǎn)的3870(

6、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，由于受集成度(幾千只管/片)的限制，一般沒有串行接口，并且尋址空間的范圍小(小于8 KB)，從性能上看屬于低檔8位單片機。第1章 概 述 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只管/片，因而一些高性能的8位單片機相繼問世。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PD78XX系列，1980年Intel公司的MCS-51系列。這類單片機的尋址能力達64 KB，片內(nèi)ROM容量達48 KB，片內(nèi)除帶有

7、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，把這類單片機稱為高檔8位單片機。第1章 概 述 在高檔8位單片機的基礎(chǔ)上，單片機功能進一步得到提高，近年來推出了超8位單片機。如Intel公司的8X252、UPI-45283C152，Zilog公司的Super8，Motorola公司的MC68HC等，它們不但進一步擴大了片內(nèi)ROM和RAM的容量，同時還增加了通信功能、DMA傳輸功能以及高速I/O功能等。自1985年以來，各種高性能、大存儲容量、多功能的超8位單片機不斷涌現(xiàn)，它們代表了單片機的發(fā)展方向，在單片機應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。 8位單片機由于功能強，被廣泛用于工

8、業(yè)控制、智能接口、儀器儀表等各個領(lǐng)域。第1章 概 述 316位單片機階段位單片機階段 1983年以后，集成電路的集成度可達十幾萬只管/片，16位單片機逐漸問世。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，美國國家半導(dǎo)體公司推出的HPC16040和NEC公司推出的783XX系列等。 16位單片機把單片機的功能又推向了一個新的階段。如MCS-96系列的集成度為12萬只管/片，片內(nèi)含16位CPU、8 KB ROM、232字節(jié)RAM、5個8位并行I/O口、4個全雙工串行口、4個16位定時器/計數(shù)器、8級中斷處理系統(tǒng)。MCS-96系列

9、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)視定時器(Watchdog)等等。 16位單片機可用于高速復(fù)雜的控制系統(tǒng)。第1章 概 述 432位單片機位單片機 近年來，各個計算機生產(chǎn)廠家已進入更高性能的32位單片機研制、生產(chǎn)階段。由于控制領(lǐng)域?qū)?2位單片機需求并不十分迫切，所以32位單片機的應(yīng)用并不很多。 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

10、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。第1章 概 述1.3 單片機的特點及應(yīng)用單片機的特點及應(yīng)用1.3.1 單片機的特點單片機的特點 (1) 單片機的存儲器ROM和RAM是嚴格區(qū)分的。ROM稱為程序存儲器，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用于控制系統(tǒng)中，有較大的程序存儲器空間，把開發(fā)成功的程序固化在ROM中，而把少量的隨機數(shù)據(jù)存放在RAM（DRAM）中。這樣，小容量的數(shù)據(jù)存儲器能以高速RAM形式集成在單片機內(nèi)，以加速單片機的執(zhí)行速度。但單片機內(nèi)的RAM是作為數(shù)據(jù)存儲器用，而不是當作高速緩沖存儲器

11、(Cache)使用。第1章 概 述 (2) 采用面向控制的指令系統(tǒng)。為滿足控制的需要，單片機有更強的邏輯控制能力，特別是具有很強的位處理能力。 (3) 單片機的I/O引腳通常是多功能的。由于單片機芯片上引腳數(shù)目有限，為了解決實際引腳數(shù)和需要的信號線的矛盾，采用了引腳功能復(fù)用的方法。引腳處于何種功能，可由指令來設(shè)置或由機器狀態(tài)來區(qū)分。 (4) 單片機的外部擴展能力強。在內(nèi)部的各種功能部分不能滿足應(yīng)用需求時，均可在外部進行擴展(如擴展ROM、RAM，I/O接口，定時器/計數(shù)器，中斷系統(tǒng)等)，與許多通用的微機接口芯片兼容，給應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計帶來極大的方便和靈活性。第1章 概 述1.3.2 單片機的應(yīng)用單

12、片機的應(yīng)用 (1) 體積小，成本低，運用靈活，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，做到機電一體化。 (2) 面向控制，能針對性地解決從簡單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，因而能獲得最佳的性能價格比。 (3) 抗干擾能力強，適用溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠地工作，這是其它類型計算機無法比擬的。 (4) 可以方便地實現(xiàn)多機和分布式控制，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。第1章 概 述 單片機的應(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)控機床、自動生產(chǎn)線控制、電機控制、溫度控制等。 (2) 儀器儀表。如智能儀器、

13、醫(yī)療器械、數(shù)字示波器等。 (3) 計算機外部設(shè)備與智能接口。如圖形終端機、傳真機、復(fù)印機、打印機、繪圖儀、磁盤/磁帶機、智能終端機等。 (4) 商用產(chǎn)品。如自動售貨機、電子收款機、電子秤等。 (5) 家用電器。如微波爐、電視機、空調(diào)、洗衣機、錄像機、音響設(shè)備等。第1章 概 述1.4 常用單片機系列介紹常用單片機系列介紹1.4.1 MCS系列產(chǎn)品系列產(chǎn)品 第一階段(19711976年)：單片機發(fā)展的初級階段。1971年11月，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Intel 4004，并配有RAM、ROM和移位寄存器，構(gòu)成了第一臺MCS-4微處理器。它的推出拉開了單片

14、機研制的序幕。 第二階段(19761980年)：低性能單片機階段。這一階段以1976年Intel公司推出的MCS-48系列為代表產(chǎn)品。第1章 概 述 第三階段(19801983年)：高性能單片機階段。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1章 概 述表1.1 INTEL主要單片機系列第1章 概 述1.4.2 MCS-51系列單片機的結(jié)構(gòu)特點系列單片機的結(jié)構(gòu)特點 就CPU的結(jié)構(gòu)來說，通用微機的CPU內(nèi)部有一定數(shù)量的通用或?qū)Ｓ眉拇嫫?，而MCS-51系列

15、單片機則在數(shù)據(jù)RAM區(qū)開辟了一個工作寄存器區(qū)。該區(qū)共有4組，每組8個寄存器，共計可提供32個工作寄存器，相當于通用微機CPU中的通用寄存器。除此之外，MCS-51系列單片機還有頗具特色的21個特殊功能寄存器SFR。要理解MCS-51系列單片機的工作，就必須對特殊功能寄存器SFR的工作有清楚的了解。SFR使僅具有40條引腳的單片機系統(tǒng)的功能有很大的擴展。由于這些SFR的作用，每個通道在程序控制下，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可完成對定時器、串行口、中斷邏輯的控制，這就使得單片機可以把定時/計數(shù)器、串行口、中斷邏輯等集成在一個芯片上。第1章 概 述 MCS

16、-51系列單片機在存儲器結(jié)構(gòu)上與通用微機也有不同之處，通用微機中程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是一個地址空間，而單片機把程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分成兩個獨立的地址空間，采用不同的尋址方式，使用兩個不同的地址指針，PC指向程序存儲器，DPTR指向數(shù)據(jù)存儲器。采用這種結(jié)構(gòu)主要是考慮到工業(yè)控制的特點。一般工業(yè)控制系統(tǒng)中，需要較大的程序存儲器空間和較小的隨機存儲器空間，不同于通用微機需要較大的數(shù)據(jù)存儲器空間。第1章 概 述 MCS-51系列單片機在輸入輸出接口方面的特點是，通道口引線在程序的控制下都可有第二功能，可由用戶系統(tǒng)設(shè)計者靈活選擇。比如數(shù)據(jù)線和地址線低8位可分時合用通道0，而地址線高8位與其它信號線也可合用通道2。由于存儲器和接口都在片內(nèi)，就給應(yīng)用提供了方便，往往只在其引腳處增加驅(qū)動器即可簡化接口設(shè)計工作，提高單片機與外設(shè)數(shù)據(jù)交換的處理速度。同時，功能變換和選擇由相應(yīng)的指令來控制實現(xiàn)，而不是靠硬件上的跳線短接等方法實現(xiàn)。MCS-51系列單片機I/O引腳一線多功能的特點方便了用戶，但在組成應(yīng)用系統(tǒng)時，也