第1章單片機概述

1第1章單片機概述

23456781.1什么是單片機一片半導體硅片集成：中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、并行I/O、串行I/O、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘電路及系統(tǒng)總線的微型計算機。具有微型計算機的屬性，因而被稱為單片微型計算機，簡稱單片機。9主要應用于測控領域。單片機使用時，通常是處于測控系統(tǒng)的核心地位并嵌入其中，所以國際上通常把單片機稱為嵌入式控制器（EMCU），或微控制器（MCU）。我國習慣于使用“單片機”這一名稱。單片機是計算機技術發(fā)展史上的一個重要里程碑，標志著計算機正式形成了通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)兩大分支。單片機體積小、成本低，嵌入到工業(yè)控制單元、機器人、智能儀器儀表、汽車電子系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、家用電器、辦公自動化設備、金融電子系統(tǒng)、玩具、個人信息終端及通訊產品中。10按照其用途可分為通用型和專用型兩大類。例如:各種家用電器中的控制器等。由于特定用途，單片機芯片制造商常與產品廠家合作，設計和生產“專用”的單片機芯片。由于在設計中，已經對“專用”單片機的系統(tǒng)結構最簡化、可靠性和成本的最佳化等方面都做了全面的綜合考慮，“專用”單片機具有十分明顯的綜合優(yōu)勢。無論“專用”單片機在用途上有多么“?！?，基本結構和工作原理都是以通用單片機為基礎。1.2單片機的發(fā)展歷史按處理的二進制位數(shù)主要分為：4位單片機、8位單片機、16位單片機和32位單片機。發(fā)展大致分為4個階段。第一階段（1974年～1976年）：初級階段。因工藝限制，采用雙片的形式,且功能較簡單。1974年12月，仙童公司推出了8位的F8單片機。第二階段（1976年～1978年）：低性能單片機階段。1976年Intel的MCS-48單片機（8位）。11第三階段（1978年～1983年）：高性能單片機階段。1978年，Zilog公司推出Z8單片機，1980年，Intel公司在MCS-48系列基礎上推出MCS-51系列，Mortorola推出6801單片機。使單片機的性能及應用躍上新的臺階。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、32位單片機推出階段。121.3單片機的特點單片機是集成電路技術與微型計算機技術高速發(fā)展的產物。體積小、價格低、應用方便、穩(wěn)定可靠。由于體積小，很容易地嵌入到系統(tǒng)之中，以實現(xiàn)各種方式的檢測、計算或控制，這一點，一般微機根本做不到。由于單片機本身就是一個微型計算機，因此只要在單片機的外部適當增加一些必要的外圍擴展電路，就可以靈活地構成各種應用系統(tǒng)，如工業(yè)自動檢測監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、智能儀器儀表等。131.4單片機的應用1．工業(yè)檢測與控制主要應用：工業(yè)過程控制、智能控制、設備控制、數(shù)據(jù)采集和傳輸、測試、測量、監(jiān)控等。在工業(yè)自動化的領域中，機電一體化技術將發(fā)揮愈來愈重要的作用，在這種集機械、微電子和計算機技術為一體的綜合技術（如機器人技術）中，單片機發(fā)揮著非常重要的作用。2．儀器儀表單片機的使用有助于提高儀器儀表的精度和準確度，簡化結構，減小體積而易于攜帶和使用，加速儀器儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化方向發(fā)展。143．消費類電子產品例如，洗衣機、電冰箱、空調機、電風扇、電視機、微波爐、加濕機、消毒柜等。4．通信在調制解調器、各類手機、傳真機、程控電話交換機、信息網(wǎng)絡及各種通訊設備中，單片機也已經得到廣泛應用。5．武器裝備在現(xiàn)代化的武器裝備中，如飛機、軍艦、坦克、導彈、魚雷制導、智能武器裝備、航天飛機導航系統(tǒng)，都有單片機嵌入其中。156．各種終端及計算機外部設備計算機網(wǎng)絡終端（如銀行終端）以及計算機外部設備（如打印機、硬盤驅動器、繪圖機、傳真機、復印機等）中都使用了單片機作為控制器。7．汽車電子設備已經廣泛地應用在各種汽車電子設備中，如汽車安全系統(tǒng)、汽車信息系統(tǒng)、智能自動駕駛系統(tǒng)、衛(wèi)星汽車導航系統(tǒng)、汽車緊急請求服務系統(tǒng)、汽車防撞監(jiān)控系統(tǒng)、汽車自動診斷系統(tǒng)以及汽車黑匣子等。8．分布式多機系統(tǒng)在較復雜多節(jié)點的測控系統(tǒng)中，常采用分布式多機系統(tǒng)。16MCU銷售額總計171.5單片機的發(fā)展趨勢單片機的發(fā)展趨勢將是向大容量、高性能化，外圍電路內裝化等方面發(fā)展。1．CPU的改進（1）增加CPU數(shù)據(jù)總線寬度。例如，各種16位單片機和32位單片機，數(shù)據(jù)處理能力要優(yōu)于8位單片機。（2）采用雙CPU結構，以提高數(shù)據(jù)處理能力。182．存儲器的發(fā)展（1）片內程序存儲器普遍采用閃爍（Flash）存儲器?？刹挥猛鈹U展程序存儲器，簡化系統(tǒng)結構。目前有的單片機片內程序存儲器容量可達128KB甚至更多。（2）加大片內數(shù)據(jù)存儲容量，以滿足動態(tài)存儲的需要。193．片內I/O的改進（1）增加并行口驅動能力，以減少外部驅動芯片。有的單片機可以直接輸出大電流和高電壓，以便能直接驅動LED和VFD（熒光顯示器）。（2）有些單片機設置了一些特殊的串行I/O功能，為構成分布式、網(wǎng)絡化系統(tǒng)提供方便條件。（3）引入數(shù)字交叉開關，改變了以往片內外設與外部I/O引腳的固定對應關系。4．低功耗化5．外設電路內裝化6．編程及仿真的簡單化7．實時操作系統(tǒng)的使用RTX51:RTX51是一個針對8051系列的多任務內核。TinyOS:專為嵌入式無線傳感網(wǎng)絡設計的操作系統(tǒng)。uC/OS:嵌入式實時操作系統(tǒng)。1.6MCS-51系列與AT89C5x系列單片機20世紀80年代以來，單片機的發(fā)展非常迅速，世界上一些著名廠商投放市場的產品就有數(shù)百個機型，其中Intel公司的MCS-51系列單片機是一款設計成功、易于掌握并在世界范圍得到廣泛使用的機型。221.6.1MCS-51系列單片機MCS是Intel公司生產的單片機的系列符號，MCS-51系列單片機是Intel公司在MCS-48系列的基礎上于20世紀80年代初發(fā)展起來的，是最早進入我國，并在我國應用最為廣泛的單片機機型之一，也是單片機應用的主流品種。MCS-51系列單片機主要包括基本型產品8031、8051、8751（對應的低功耗型80C31、80C51、87C51）和增強型產品8032、8052、8752。231.基本型典型產品：8031/8051/8751。8031內部包括1個8位CPU、128BRAM，21個特殊功能寄存器（SFR）、4個8位并行I/O口、1個全雙工串行口，2個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源，但片內無程序存儲器，需外擴程序存儲器芯片。8051是在8031的基礎上，片內又集成有4KBROM作為程序存儲器。所以8051是一個程序不超過4KB的小系統(tǒng)。ROM內的程序是公司制作芯片時，代為用戶燒制的，主要用在程序已定且批量大的單片機產品中。8751與8051相比，片內集成的4KB的EPROM取代了8051的4KB

ROM來作為程序存儲器，構成了一個程序不大于4KB的24

小系統(tǒng)。用戶可將程序固化在EPROM中，EPROM中的內容可反復擦寫修改。8031外擴一片4KB的EPROM就相當于一個8751。

2.增強型

Intel公司在基本型基礎上，推出增強型-52子系列，典型產品：8032/8052/8752。內部RAM增到256B，8052、片內程序存儲器擴展到8KB，16位定時器/計數(shù)器增至3個，6個中斷源，串行口通信速率大大提高。

表1-1列出了基本型和增強型的MCS-51系列單片機片內的基本硬件資源。

251.6.2AT89系列單片機

MCS-51系列單片機的代表性產品為8051，其他單片機都是在8051的基礎上進行了功能的增減。20世紀80年代中期以后，Intel公司逐漸淡出單片機芯片的開發(fā)和生產。Intel公司以專利轉讓或技術交換的形式把8051的內核技術轉讓給了許多半導體芯片生產廠家，如：ATMEL、Philips、Cygnal、ANALOG、LG、ADI、Maxim、DALLAS等公司28近年來，世界上單片機芯片生產廠商推出的與8051（80C51）兼容的主要產品如表1-2所示。292023/2/4單片機C語言程序設計301.6.3MCS-51系列單片機命名規(guī)則字母前綴：生產廠家代號，如STC、AT8：8051系列產品0:片內掩膜ROM；7：片內EPROM；9：片內EEPROM；C：CMOS工藝；LV、LE：低電壓（3.3V）；S：可ISP下載。5：不變存儲空間大小，1:4K，2:8K,…RC:片內RAM為512B，RD+：片內RAM為1280B后綴由最后的“××××”4個參數(shù)組成，每個參數(shù)的表示意義不同。在型號與后綴部分由“—”號隔開。后綴中的第1個“×”表示速度，意義如下：x=12、16、20、24；表示速度為12、16、20、24MHz；后綴中的第2個“×”表示封裝，意義如下：x=P，表示塑料雙列直插DIP封裝；后綴中的第3個“×”表示芯片的溫度范圍，意義如下：x=C，表示商業(yè)用產品，溫度范圍為0～+70℃；x=I，表示工業(yè)用產品，溫度范圍為?40～+85℃；x=A，表示汽車用產品，溫度范圍為?40～+125℃；x=M，表示軍用產品，溫度范圍為?55～+150℃；1.7各種衍生品種的51單片機各廠家推出8051內核，各種集成度高、功能強的的增強型單片機。這些單片機目前得到廣大設計工程師的青睞。1.7.1STC系列單片機（宏晶科技）具有我國獨立自主知識產權，功能與抗干擾性強的增強型51單片機，多種子系列，幾十個品種，以滿足不同應用需要。1.7.2C8051F×××單片機美國Cygnal公司的C8051F×××系列單片機，集成度高，采用8051內核，代表性產品為C8051F020。321.7.3ADμC812單片機ADμC812是美國ADI（AnalogDevicelnc）公司生產的高性能單片機。1.7.4臺灣華邦公司W(wǎng)78系列和W77系列單片機臺灣華邦公司（Winbond）的產品W77系列、W78系列單片機與51單片機完全兼容。1.8AVR系列單片機與PIC系列單片機除51單片機外，某些非51單片機也得到了較廣泛的應用。目前我國使用較為廣泛的是PIC系列與AVR系列單片機，這兩種單片機博采眾長，又具獨特技術，已占有較大的市場份額。1.8.1PIC系列單片機美國Microchip公司的產品，主要特性如下。（1）重視性價比。（2）精簡指令集（RISC），指令執(zhí)行效率大為提高。34（3）具有優(yōu)越開發(fā)環(huán)境。（4）引腳具有防瞬態(tài)能力。（5）保密性好。（6）片內有看門狗定時器，可提高程序運行的可靠性。（7）設有休眠和省電工作方式。PIC單片機的型號繁多，分為低檔型、中檔型和高檔型。（1）低檔型：PIC12C5×××/16C5×系列。（2）中檔型：PIC12C/PIC16C系列以及PIC18系列。（3）高檔型：PIC17Cxx系列。1.8.2AVR系列單片機1997年，由Atmel公司挪威設計中心的A先生和V先生，利用Atmel公司的Flash新技術，共同研發(fā)出RISC精簡指令集高速8位單片機，簡稱AVR。特點如下：（1）高速、高可靠性、功能強、低功耗和低價位。（2）片內Flash存儲器給用戶程序的開發(fā)帶來方便。（3）豐富的外設。（4）I/O口功能強、驅動能力大。（5）低功耗。（6）AVR單片機支持程序的在系統(tǒng)編程AVR單片機系列齊全，有3個檔次，可適用于各種不同場合的要求：● 低檔Tiny系列AVR單片機：主要有Tiny11/12/13/15/26/28等；● 中檔AT90S系列AVR單片機：主要有AT90S1200/2313/8515/8535等；● 高檔

Atmega

系列

AVR

單片機：主要有ATmega8/16/32/64/128（存儲容量為8KB/16KB/32KB/64KB/128KB）以及ATmega8515/8535等。1.9其他的嵌入式處理器簡介目前各類嵌入式處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)的應用，已經成為當今電子信息技術應用的一大熱點。全世界嵌入式處理器的品種總量已經超過1000多種，按體系結構主要分為如下幾類：嵌入式微控制器（單片機）、嵌入式數(shù)字信號處理器（簡稱DSP）及嵌入式微處理器。1.9.1嵌入式DSP處理器(DSP)嵌入式數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessor，DSP)是一種非常擅長于高速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理運算（如數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等）的嵌入式處理器。DSP的主要廠商有美國TI、ADI、Motorola、Zilog等公司。TI公司位居榜首，占全球DSP市場約60%。DSP代表性的產品是TI公司的TMS320系列。TMS320系列處理器包括用于控領域的C2000系列，移動通信的C5000系列以及應用在網(wǎng)絡、多媒體和數(shù)字圖像處理的C6000系列等。401.9.2嵌入式微處理器嵌入式微處理器（EmbeddedM