片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論

1、普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材單片微型計算機原理與接口技術(shù)（第二版） 編著科學(xué)出版社北京片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論第一章 緒 論片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論1.1 單片微機的發(fā)展 1.1.1單片微機的概念單片微機是單片微型計算機SCMC（Single Chip Micro Computer）的譯名簡稱，在國內(nèi)也常簡稱為“ 單片微機” 或“單片機” 。它包括CPU、RAM、ROM、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器、串行口和I/O等。除了工業(yè)控制領(lǐng)域，單片微機在家用電器、電子玩具、通信、高級音響、圖形處理、語言設(shè)備、機器人、計算機等各個領(lǐng)域迅速發(fā)展。 目前單片微機的世界年產(chǎn)量已超過

2、100億片，而在中國大陸地區(qū)的年應(yīng)用量已達6億多片。片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論1970年微型計算機研制成功之后，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展又出現(xiàn)了單片微機，并且按照不同的發(fā)展要求，形成了兩個獨立發(fā)展的分支。美國Intel公司1971年生產(chǎn)的4位單片微機4004和1972年生產(chǎn)的8位單片微機8008，特別是1976年MCS-48單片微機問世以來，在短短的二十幾年間，經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代，其發(fā)展速度大約每二三年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。它已滲透到生產(chǎn)和生活的諸領(lǐng)域，可謂“無孔不入”。1976年Intel公司首先推出MCS48系列單片微型計算機。它包括計算機的三個基本單元，已成為

3、真正意義的單片微機，為單片微機的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，成為單片微機發(fā)展進程中的一個重要階段。片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論許多半導(dǎo)體公司和計算機公司爭相研制和發(fā)展自己的單片微機系列，有Motorola公司的MC68HC05及MC68HC08 系列，Zilog公司的Z8系列，Rockwell公司的6501、6502等，日本的NEC公司、日立公司及EPSON公司等，也都相繼推出了各具特色的單片微機品種。 最具典型性的屬Intel公司的MCS51系列，它具有品種全、兼容性強、軟硬件資料豐富等特點。直到現(xiàn)在MCS51仍不失為單片微機中的主流機型。 片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論 近幾年中國8位單

4、片微機市場一直保持著30%以上的高增長率，2006年8位單片微機占中國單片微機整體市場銷售額的一半以上。8位單片微機應(yīng)用的主力市場汽車電子領(lǐng)域的高速成長，也是帶動這一市場保持主流地位的有力因素。隨著供應(yīng)商不斷提高自身的產(chǎn)品性能，豐富產(chǎn)品的功能，8位單片微機依靠自身的價格優(yōu)勢、較低的功耗及較小的尺寸，進一步搶占了部分16位單片微機的市場份額，從而更加鞏固了主流產(chǎn)品的市場地位。 由于8位單片微機的高性能價格比，估計近十年內(nèi)，8位單片微機將仍是主流機型。 片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論1983年Intel公司推出的MCS96系列，MCS96不但字長增加一倍，而且還具有4路或 8路的10位 A/

5、D 轉(zhuǎn)換功能，在其它性能方面也有一定的提高。 飛利浦公司推出了與80C51在源碼級兼容性的16位單片微機80C51XA(每一條80C51指令可以11地被翻譯成一條XA指令，僅XCHD指令除外) 。 80C51XA具有的高性能包括：執(zhí)行速度快、支持高級級語言(比如C語言) 、支持實時多任務(wù)執(zhí)行、易于形成派生系列產(chǎn)品、地址寬度可變(用戶可以方便地將外部地址線寬度選定為12位、16位、20位、24位等等。應(yīng)用于工業(yè)控制產(chǎn)品、高檔智能儀表、彩色復(fù)印機、錄像機等應(yīng)用領(lǐng)域。片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論 近幾年32位單片微機得到了快速發(fā)展，如ARM處理器系列如Freescale半導(dǎo)體(原Motoro

6、la半導(dǎo)體產(chǎn)品部)推出的ColdFire系列32位機等。片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論 單片微機正朝多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價格、擴大存儲容量和加強I/O功能及結(jié)構(gòu)兼容方向發(fā)展。 多功能 在單片微機中盡可能多的把應(yīng)用系統(tǒng)中所需要的存儲器、各種功能的I/O口都集成在一塊芯片內(nèi)，即外圍器件內(nèi)裝化，如把LED、LCD或VFD顯示驅(qū)動器集成在單片微機中，如把A/D、D/A、乃至多路模擬開關(guān)和采樣/保持器也集成在單片微機中。 高性能使用RISC體系結(jié)構(gòu)、并行流水線操作和DSP等的設(shè)計技術(shù)，使單片微機的指令運行速度得到大大提高，其電磁兼容等性能明顯地優(yōu)于同類型的微處理器。片微型計算機原理與

7、接口技術(shù)第二版緒論 全盤CMOS化趨勢單片微機采用二種半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)，HMOS工藝即高密度短溝道MOS工藝；CHMOS工藝即互補金屬氧化物的HMOS工藝，如8051的功耗為630mw，而80C51的功耗僅120mw。從第三代單片微機起開始淘汰非CMOS工藝。 推行串行擴展總線顯著減少引腳數(shù)量，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。隨著外圍器件串行接口的發(fā)展，單片微機的串行接口的普遍化、高速化，使得并行擴展接口技術(shù)日漸衰退。片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論推出了刪去了并行總線的非總線單片微機，需要外擴器件(存儲器、I/O等) 時，采用串行擴展總線，甚至用軟件虛擬串行總線來實現(xiàn)。由于集成度的進一步提高，有的單片微機的

8、尋址能力已突破64KB的限制，8位、16位的單片微機有的尋址能力已達到 1MB和 16 MB。片內(nèi)ROM的容量可達 62 KB，RAM的容量可達2KB。片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論1.2 80C51系列單片微機 8051是美INTEL公司在1980年推出的MCS-51系列的第一個成員，MCS是INTEL公司的注冊商標。其它公司生產(chǎn)的以8051為核心單元的其它派生單片微機只能稱為8051系列。 8051系列泛指所有公司（也包括INTEL公司）生產(chǎn)的以8051為核心單元的所有單片微機。80C51系列包括Intel公司的MCS-51，又包括了以8051為核心單元的世界許多公司生產(chǎn)的單片微機，

9、比如PHILIPS 的83C552及51LPC系列等、SIEMENS 的SAB80512等、AMD(先進微器件公司) 的8053等、OKI(日本沖電氣公司) 的MSM80C154等、ATMEL公司的89C51等、DALLAS公司的DS5000/DS5001等、華邦公司的W78C51及W77C51等。片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論 從MCS48單片微機發(fā)展到如今的新一代單片微機，大致經(jīng)歷了三代。如以 Intel 8位單片微機為例，第一代：以MCS48系列為代表。屬于低性能單片微機階段。 第二代：以MCS5l系列的8051、8052為代表。主要的技術(shù)特征是為單片微機配置了完善的外部并行總線（

10、AB、DB、CB）和具有多機識別功能的串行通信接口（UART），規(guī)范了功能單元的特殊功能寄存器（SFR）控制模式及適應(yīng)控制器特點的布爾處理系統(tǒng)和指令系統(tǒng)，為發(fā)展具有良好兼容性的新一代單片微機奠定了良好的基礎(chǔ)。片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論 第三代：以80C51系列為代表。它包括了 Intel公司發(fā)展MCS51系列的新一代產(chǎn)品，如 8XC152、80C51FA/FB、80C5lGA/GB、8XC451、8XC452，還包括了 Phlips、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、ATMEL等公司以80C51為核心推出的大量各具特色、與MCS51兼容的單片微機。部分廠家所生產(chǎn)的80C

11、51系列或與之相兼容的單片微機的特點列于表1l、表1一2及表1一3中。片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論80C51系列單片微機保留了MCS51的所有特性，內(nèi)部組成基本相同。80C51系列增設(shè)了兩種可以用軟件進行選擇的低功耗工作方式：空閑方式和掉電方式。 87C51是80C51含EPROM的產(chǎn)品，89C51是80C51含EEPROM的產(chǎn)品。片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論 有的公司型號配備了串行擴展線，比如芯片間的總線(飛利浦公司的I2C總線) 、設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總線(CAN總線) 等，為外部提供了完善的總線結(jié)構(gòu)。采用總線方式的應(yīng)用系統(tǒng)多屬較復(fù)雜的工控系統(tǒng)、智能儀表、監(jiān)測系統(tǒng)，或滿足這些應(yīng)用

12、而構(gòu)成的多機與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 根據(jù)應(yīng)用的需要，部分產(chǎn)品對總線結(jié)構(gòu)作了重大改進，推出了非總線型單片微機，其對外部不存在并行三總線(AB、DB、CB) ，必要時可以通過串行總線進行擴展。片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論1.3單片微機的應(yīng)用 單片微機應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分成總線方式和非總線方式。 總線方式的應(yīng)用系統(tǒng)中，單片微機具有完善的外部擴展總線，如并行總線（AB、DB、CB）、串行通信總線（如 UART），通過這些總線可方便地擴展外圍單元、外設(shè)接口等?？偩€方式的單片微機在不使用外部并行總線時，外部并行總線引腳可作為I/O口用。 非總線方式的應(yīng)用系統(tǒng)（如 80C51系列中的 83C751、87C751，

13、83C752、WC752，Motorol的MC68HC05系列中的許多產(chǎn)品）省去了外部并行總線，可構(gòu)成各種小封裝芯片，有限的引腳可提供更多的用戶I/O口。片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論 l 家用電器領(lǐng)域 國內(nèi)各種家用電器已普遍采用單片微機控制取代傳統(tǒng)的控制電路，做成單片微機控制系統(tǒng)，如洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、微波爐、電飯堡、電視機、錄像機及其它視頻音像設(shè)備的控制器。 片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論2辦公自動化領(lǐng)域 比如一臺PC機可能嵌入了10個單片微機，如控制鍵盤、鼠標、顯示器、CD-ROM、聲卡、打印機、軟/硬盤驅(qū)動器、調(diào)制解調(diào)器等。辦公室中所使用的大量通信、信息產(chǎn)品，如繪圖儀、

14、復(fù)印機、電話、傳真機等，多數(shù)都采用了單片微機。 片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論 3工業(yè)自動化領(lǐng)域的在線應(yīng)用 如工業(yè)過程控制、過程監(jiān)測、工業(yè)控制器及機電一體化控制系統(tǒng)等，許多都是以單片微機為核心的單機或多機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)是由中央控制器、感覺系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、擒拿系統(tǒng)等節(jié)點構(gòu)成的多機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。而其中每一個小系統(tǒng)都是由單片微機進行控制的。片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論4. 智能儀器儀表與集成智能傳感器領(lǐng)域 應(yīng)用單片微機來對傳統(tǒng)的儀器儀表行業(yè)的產(chǎn)品進行“ 更新?lián)Q代” ，提供了非常理想的的條件。目前各種變送器、電氣測量儀表普遍采用單片微機應(yīng)用系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)，使測量系統(tǒng)

15、具有各種智能化功能，如存儲、數(shù)據(jù)處理、查找、判斷、聯(lián)網(wǎng)和語音功能等。片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論5汽車電子與航空航天電子系統(tǒng)通常在這些電子系統(tǒng)中的集中顯示系統(tǒng)、動力監(jiān)測控制系統(tǒng)、自動駕馭系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及運行監(jiān)視器（黑匣子）等，都要構(gòu)成冗余的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。比如一臺RMW-7系列寶馬轎車就用了63個單片微機。片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論 單片微機的應(yīng)用正從根本上改變著傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分控制功能，現(xiàn)在已能使用單片微機通過軟件方法實現(xiàn)了。這種以軟件取代硬件，并能提高系統(tǒng)性能的控制技術(shù)，稱之為微控制技術(shù)。這標志著一種全新概念的建立。片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版緒論1.4 本教程的教學(xué)安排 80C51硬件結(jié)構(gòu)簡潔明了、特殊功能寄存器功能規(guī)范、軟件指令系統(tǒng)易于掌握，是一種既便于講授又便于學(xué)習(xí)、理解和掌握的單片微機。 以80C51系列為典型，來介紹單片微機硬件結(jié)構(gòu)和軟件知識。硬件知識則是指 80C51的硬件資源，如 I/O口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。軟