單片機(jī)概述河北大學(xué)

1單片機(jī)原理及應(yīng)用

河北大學(xué)電信工程學(xué)院2課程簡介本課程是涉電的工科專業(yè)均開課，屬于寬口徑的技術(shù)基礎(chǔ)課。目前，國內(nèi)的所有高等學(xué)校和職業(yè)技術(shù)學(xué)院的電類專業(yè)工科和部分理科，均開設(shè)了單片機(jī)課程。由于單片機(jī)在生產(chǎn)實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用，該課程學(xué)的好壞已成為了同學(xué)們畢業(yè)后求職難易的一個(gè)重要因素。

由于單片機(jī)的迅速發(fā)展與普及，世界上一些著名的廠家已投放市場的產(chǎn)品就有數(shù)百個(gè)品種。美國Intel公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機(jī)是最早進(jìn)入中國市場的單片機(jī)產(chǎn)品之一，已為我國廣大的工程技術(shù)人員所熟悉并得到廣泛的應(yīng)用。所以，目前在中國各大學(xué)的單片機(jī)課中絕大多數(shù)講授的都是MCS-51系列以及世界其它各大公司生產(chǎn)的與其兼容的各種增強(qiáng)型、擴(kuò)展型的單片機(jī)。單片機(jī)課程已被各個(gè)學(xué)校放在十分重要的位置，且大多數(shù)都在講授51系列。全國大學(xué)生電子競賽以及畢業(yè)設(shè)計(jì)的許多題目，都涉及到有關(guān)單片機(jī)方面的內(nèi)容。34通過本課程的學(xué)習(xí)（1）掌握有關(guān)單片機(jī)技術(shù)的基本概念；（2）掌握片內(nèi)功能部件的工作原理與軟件編程；（3）掌握系統(tǒng)擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)與編程；（4)具有一定的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟硬件開發(fā)能力，為

將來從事單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；（5）為進(jìn)一步學(xué)習(xí)DSP、嵌入式微處理器技術(shù)等課程

奠定堅(jiān)實(shí)的理論與技術(shù)基礎(chǔ)，也為進(jìn)一步深造攻

讀碩士學(xué)位做好技能與技術(shù)的準(zhǔn)備。培養(yǎng)目標(biāo)5

第1章緒論

1.1什么是單片機(jī)1.2單片機(jī)的發(fā)展過程1.3單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域1.4單片機(jī)的發(fā)展趨勢1.5單片機(jī)型號(hào)簡介1.6其它嵌入式處理器簡介1.7單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)簡介

6單片機(jī)的定義在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上集成：中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM、ROM)、并行I/O、串行I/O、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等具有微機(jī)的屬性（運(yùn)行程序），因而被稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)。1.1什么是單片機(jī)7STC89C52AT89C2051AT89S5189PC機(jī)框圖MCU(1)數(shù)據(jù)總線(DataBus,DB)。用來在微處理器（CPU)和存儲(chǔ)器之間以及微處理器和輸入輸出接口之間傳送數(shù)據(jù)。(2)地址總線(AddressBus,AB)。在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)器的每一個(gè)存儲(chǔ)單元和每一個(gè)外部設(shè)備都有一個(gè)編號(hào)，稱作地址。計(jì)算機(jī)對存儲(chǔ)器或外部設(shè)備的訪問都是通過地址來進(jìn)行的。地址總線用來傳輸CPU發(fā)出的地址信息。

(3)控制總線(ControlBus，CB)。用來傳送CPU送出的控制信號(hào)的，也可以傳送其他外部設(shè)備輸入到CPU的信號(hào)。10將CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口電路和總線接口等組裝在一塊主機(jī)板（即微機(jī)主板）上，再通過系統(tǒng)總線和其它多塊外設(shè)適配板卡連接鍵盤、顯示器、打印機(jī)、軟/硬盤驅(qū)動(dòng)器及光驅(qū)等設(shè)備。各種適配板卡插在主機(jī)板的擴(kuò)展槽上并與電源、軟/硬盤驅(qū)動(dòng)器及光驅(qū)等裝在同一機(jī)箱內(nèi)，再配上系統(tǒng)軟件，就構(gòu)成了一臺(tái)完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)機(jī)）。工業(yè)PC機(jī)也屬于多板機(jī)。通用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1112MCS51框圖單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)13主要用于控制領(lǐng)域。通常是處于控制系統(tǒng)的核

心地位并嵌入其中。嵌入到儀器或設(shè)備中，

實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計(jì)算機(jī)，所以國際上稱嵌

入式控制器（EMCU，EmbeddedMicroControllerUnit)或微控制器（MCU，MicroControllerUnit)。是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，標(biāo)

志微型計(jì)算機(jī)正式形成了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩大分支。14單片機(jī)按其處理的二進(jìn)制位數(shù)主要分為：4位單片機(jī)、8位單片機(jī)、16位單片機(jī)和32位單片機(jī)。單片機(jī)技術(shù)發(fā)展過程可分為三個(gè)主要階段：

（1）單片機(jī)形成階段（1974年～1978年）1974年12月，仙童公司推出8位單片機(jī)，只包括8位CPU、64BRAM和2個(gè)并行口。1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機(jī)。8位CPU、1K字節(jié)ROM、64字節(jié)RAM、27根I/O線和1個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。特點(diǎn)是：存儲(chǔ)器容量較小，尋址范圍?。ú淮笥?K），無串行接口，指令系統(tǒng)功能不強(qiáng)。

1.2單片機(jī)的發(fā)展過程15

1978年，Zilog公司推出Z8單片機(jī)；1980年，Intel公司推出了MCS-51系列單片機(jī)；Motorola推出6801/02單片機(jī)。單片機(jī)的性能及應(yīng)用躍上新臺(tái)階。

此后，各公司的8位單片機(jī)迅速發(fā)展。推出的單片機(jī)普遍帶有串行I/O口、多級(jí)中斷系統(tǒng)、16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，片內(nèi)ROM\RAM容量加大，尋址范圍可達(dá)64KB，有的片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換器。特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)體系完善，存儲(chǔ)器容量增加，指令功能強(qiáng)大，外圍電路功能增強(qiáng)，面向控制的特點(diǎn)進(jìn)一步突出。（2）性能完善提高階段（1978年～1983年）

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8位單片機(jī)鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)、32位單片機(jī)推出。

16位典型產(chǎn)品Intel公司的MCS-96系列單片機(jī)。而32位單片機(jī)除了具有更高的集成度外，其數(shù)據(jù)處理速度比16位單片機(jī)提高許多，性能比8位、16位單片機(jī)更加優(yōu)越。90年代后，各大半導(dǎo)體公司相繼開發(fā)了功能強(qiáng)大的單片機(jī)。如美國MICROCHIP公司推出RISC的PIC系列單片機(jī)；MOTOROLA公司MC68HC系列單片機(jī)；日本HITACHI、NEC、TOSHIBA等。目前，除8位機(jī)廣泛應(yīng)用外，16位、32位單片機(jī)也得到廣大用戶青睞。

特點(diǎn)是：片內(nèi)面向測控系統(tǒng)外圍電路增強(qiáng)，使單片機(jī)可以方便靈活地用于復(fù)雜的自動(dòng)測控系統(tǒng)及設(shè)備。（3）微控制器全面發(fā)展階段（1983年～現(xiàn)在）

17單片機(jī)是集成電路技術(shù)與微型計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物，是微計(jì)算機(jī)的一種應(yīng)用形態(tài)。體積小、價(jià)格低、應(yīng)用方便、穩(wěn)定可靠，因此，給工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域帶來了一場重大革命和技術(shù)進(jìn)步。由于體積小，很容易嵌入到系統(tǒng)之中，一般微機(jī)很難做到。由于本身就是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，因此只要在單片機(jī)的外部適當(dāng)增加一些必要的外圍擴(kuò)展電路，就可以靈活地構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)。如工業(yè)自動(dòng)化檢測監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能儀器儀表等。1.3單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域1.3.1單片機(jī)的特點(diǎn)為什么應(yīng)用廣泛？單片機(jī)具有的優(yōu)勢：18（1）功能齊全，應(yīng)用可靠，抗干擾能力強(qiáng)。（2）簡單方便，易于普及。單片機(jī)技術(shù)易于掌握。應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試時(shí)可以很快掌握。（3）嵌入容易，用途廣泛，體積小，性價(jià)比高，應(yīng)用靈活等特點(diǎn)，在嵌入式控制系統(tǒng)中具有十分重要的地位。（4）發(fā)展迅速，前景廣闊。短短幾十年，單片機(jī)經(jīng)過4位機(jī)、8位機(jī)、32位機(jī)等幾大發(fā)展階段。尤其是集成度高、功能日臻完善的單片機(jī)不斷問世，在工業(yè)控制及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域獲得長足發(fā)展和大量應(yīng)用。目前，內(nèi)部結(jié)構(gòu)愈加完美，片內(nèi)外功能部件完善，為向更高層次和更大規(guī)模的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。19

單片機(jī)出現(xiàn)前，制作一套測控系統(tǒng)，大量的模擬電路、數(shù)字電路分立元件完成。系統(tǒng)的體積龐大，線路復(fù)雜，連接點(diǎn)多，易出故障。

單片機(jī)問世后，控制功能的絕大部分由單片機(jī)的軟件程序?qū)崿F(xiàn)，其它電子線路則由片內(nèi)的外圍功能部件來替代。CPU、存儲(chǔ)器及I/O接口以及包括ADC、PWM等功能模塊都集成在同一芯片內(nèi)，各部件間的連接緊湊，數(shù)據(jù)在傳送時(shí)受干擾的影響較小，且不易受環(huán)境條件的影響，單片機(jī)的可靠性非常高。20(1)智能儀器儀表

對儀器儀表的自動(dòng)化和智能化要求越來越高。單片機(jī)有助于提高儀器儀表的精度和準(zhǔn)確度，簡化結(jié)構(gòu)，減少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。如各種智能電氣測量儀表、智能傳感器等。1.3.2單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域21

機(jī)電一體化產(chǎn)品是集機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有智能化特征的各種機(jī)電產(chǎn)品。單片機(jī)在機(jī)電一體化產(chǎn)品的開發(fā)中發(fā)揮著巨大的作用。典型產(chǎn)品如機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化生產(chǎn)線、自動(dòng)包裝機(jī)、點(diǎn)鈔機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等。（2）機(jī)電一體化產(chǎn)品22單片機(jī)還可以用于工業(yè)過程控制、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)?。如電流、電壓、溫度、液位、流量、濃度等物理參?shù)的采集和控制均可以利用單片機(jī)方便地實(shí)現(xiàn)。在這類系統(tǒng)中，利用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，可以根據(jù)被控對象的不同特征采用不同的算法，實(shí)現(xiàn)期望的控制指標(biāo)，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。典型應(yīng)用如電機(jī)速度和位置控制、溫度控制、流量與濃度控制等。（3）實(shí)時(shí)工業(yè)控制23（4）分布式多機(jī)系統(tǒng)在較復(fù)雜多節(jié)點(diǎn)測控系統(tǒng)中，常采用分布式多機(jī)系統(tǒng)。一般由若干臺(tái)功能各異的單片機(jī)組成，它們之間通過通信接口相互聯(lián)系、協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)中，單片機(jī)往往作為一個(gè)終端機(jī)，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點(diǎn)上，對現(xiàn)場信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的測量和控制。（5）醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域單片機(jī)在醫(yī)療設(shè)備中的用途也非常廣泛，例如：血糖儀、血壓監(jiān)護(hù)儀、血氧計(jì)、心率監(jiān)護(hù)儀、便攜式心電圖機(jī)、呼吸機(jī)以及可穿戴設(shè)備等等。24（6）消費(fèi)類電子產(chǎn)品例如，洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)、電視機(jī)、微波爐、加濕器、消毒柜、電飯煲、高檔玩具等。嵌入了單片機(jī)后，功能和性能大大提高，并實(shí)現(xiàn)智能化、最優(yōu)化控制。（7）汽車電子設(shè)備已廣泛地應(yīng)用，如汽車電噴ECU、汽車安全系統(tǒng)、汽車空調(diào)控制器、汽車音響、電動(dòng)門窗、汽車防盜系統(tǒng)、防抱死剎車系統(tǒng)（ABS）、行車電腦、胎壓監(jiān)測、倒車?yán)走_(dá)等等。25（6）消費(fèi)類電子產(chǎn)品例如，洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)、電視機(jī)、微波爐、加濕器、消毒柜、電飯煲、高檔玩具等。嵌入了單片機(jī)后，功能和性能大大提高，并實(shí)現(xiàn)智能化、最優(yōu)化控制。（7）汽車電子設(shè)備已廣泛地應(yīng)用，如汽車電噴ECU、汽車安全系統(tǒng)、汽車空調(diào)控制器、汽車音響、電動(dòng)門窗、汽車防盜系統(tǒng)、防抱死剎車系統(tǒng)（ABS）、行車電腦、胎壓監(jiān)測、倒車?yán)走_(dá)等等。26（8）國防工業(yè)在現(xiàn)代化的武器裝備中，如飛機(jī)、軍艦、坦克、導(dǎo)彈、魚雷制導(dǎo)、智能武器裝備、航天飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，都有單片機(jī)嵌入其中?？傊?，從工業(yè)電氣電子（自動(dòng)化、自動(dòng)控制、智能儀器儀表等）、醫(yī)療電子、消費(fèi)類電子（智能家電、多媒體設(shè)備等）、汽車電子等方面，直到國防尖端技術(shù)領(lǐng)域，單片機(jī)都發(fā)揮著十分重要的作用。1.4單片機(jī)的發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢將是向大容量、高性能、外圍電路內(nèi)裝化等方面發(fā)展。為滿足不同用戶要求，各公司競相推出能滿足不同需要的產(chǎn)品。1.CPU改進(jìn)（1）增加CPU數(shù)據(jù)總線寬度。例如，各種16位和32位單片機(jī)。另外，8位單片機(jī)內(nèi)部采用16位數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)處理能力要優(yōu)于8位單片機(jī)（2）采用雙CPU結(jié)構(gòu)，以提高數(shù)據(jù)處理能力。272.存儲(chǔ)器的發(fā)展（1）片內(nèi)程序存儲(chǔ)器普遍采用閃爍（Flash)存儲(chǔ)器?？刹挥猛鈹U(kuò)展程序存儲(chǔ)器，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。（2）加大存儲(chǔ)容量。目前片內(nèi)程序存儲(chǔ)器容量可達(dá)128KB。283.片內(nèi)I/O的改進(jìn)（1）增加并行口驅(qū)動(dòng)能力，以減少外部驅(qū)動(dòng)芯片。有的單片機(jī)可以直接輸出大電流和高電壓，可以直接驅(qū)動(dòng)LED或VFD（熒光顯示器）、繼電器等負(fù)載；（2）有些片內(nèi)設(shè)置了特殊串行I/O功能，為構(gòu)成分布式、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)提供方便。295.外圍電路內(nèi)裝化

系統(tǒng)的單片化是目前發(fā)展趨勢之一。例如，美國SiliconLabs公司的C8051F0208位機(jī)，采用流水線結(jié)構(gòu)，大部分指令的完成時(shí)間為1或2個(gè)時(shí)鐘周期，峰值處理能力為25MIPS。片上集成有8通道A/D、兩路D/A、兩路電壓比較器，內(nèi)置溫度傳感器、定時(shí)器、可編程數(shù)字交叉開關(guān)和64個(gè)通用I/O、電源監(jiān)測、看門狗、多種類型的串行接口等。一個(gè)芯片就可以構(gòu)成一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。綜上所述，單片機(jī)正在向多功能、高性能、高速、低電壓（2.7-1.8V都可以工作）、低功耗、高集成度以及片內(nèi)存儲(chǔ)器不斷增大的方向發(fā)展。306.低功耗化

低工作電壓，CMOS化，功耗小，配置有等待狀態(tài)、休眠狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)等工作方式。消耗電流僅在μA或nA量級(jí)，適用于電池供電便攜式、手持式儀器儀表及消費(fèi)類電子產(chǎn)品。1.5單片機(jī)芯片簡介

1.5.1MCS-51系列單片機(jī)31在上世紀(jì)80年代和90年代，MCS-51是應(yīng)用最廣泛的機(jī)型之一。MCS-51系列品種豐富，經(jīng)常使用的是基本型和增強(qiáng)型。

MCS是Intel公司單片機(jī)的系列符號(hào)，MCS-51、MCS-96系列。MCS-51系列實(shí)在MCS-48系列基礎(chǔ)上于20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的，是最早進(jìn)入我國，并在我國得到廣泛應(yīng)用的單片機(jī)主流品種。

32（1）基本型基本型：8031/8051/8071（低功耗型80C31/80C51/87C51）8031內(nèi)部包括1個(gè)8位CPU、128BRAM，21個(gè)特殊功能寄存器（SFR）、4個(gè)8位并行I/O口、1個(gè)全雙工串行口，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器，需外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器。8051是在8031的基礎(chǔ)上，片內(nèi)集成4KB掩膜ROM作為程序存儲(chǔ)器。8751片內(nèi)集成4KBEPROM。3334（2）增強(qiáng)型

Intel公司在基本型的基礎(chǔ)上，推出增強(qiáng)型-52子系列，典型產(chǎn)品：8032/8052/8752。

內(nèi)部RAM增到256B，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展到8KB，16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器增至3個(gè)，6個(gè)中斷源，串行口通信速率提高5倍。3536﹡無ROM（即ROMLess）型，應(yīng)用時(shí)要在片外擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器；﹡掩膜ROM（即MaskROM）型，用戶程序由芯片生產(chǎn)廠寫入；﹡

EPROM型，用戶程序通過寫入裝置寫入，通過紫外線照射擦除；﹡

FlashROM型，用戶程序可以電寫入或擦除（當(dāng)前常用方式）。還有OTPROM型（一次性編程寫入ROM）產(chǎn)品，具有較高的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。片內(nèi)ROM的配置形式：3720世紀(jì)80年代中期以后，Intel公司精力集中在高檔CPU芯片的開發(fā)、研制上，逐漸淡出單片機(jī)的開發(fā)和生產(chǎn)。MCS-51設(shè)計(jì)上成功，及較高的市場占有率，已成為許多廠家、電氣公司競相選用的對象。Intel以專利形式把8051內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給Atmel、ADI、Philips、Maxim等公司。以8051為內(nèi)核，采用CHMOS工藝生產(chǎn)的單片機(jī)產(chǎn)品，統(tǒng)稱為80C51系列單片機(jī)。這些兼容機(jī)型的各種衍生品統(tǒng)稱為8051系列單片機(jī)或簡稱為51單片機(jī)，是在8051的基礎(chǔ)上又增加一些功能模塊（稱其為增強(qiáng)型、擴(kuò)展型子系列單片機(jī)）。1.5.28051系列單片機(jī)

80C51系列單片機(jī)產(chǎn)品繁多，近年來推出的與80C51兼容的主要產(chǎn)品有：

﹡ATMEL公司融入Flash存儲(chǔ)器技術(shù)的AT89系列；

﹡Philips公司的80C51、80C552系列；

﹡

華邦公司的W78C51、W77C51高速低價(jià)系列；

﹡ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列；﹡

Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；

﹡

SiliconLabs公司的C8051F系列高速SOC單片機(jī)；

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宏晶科技的STC89C5X系列。AT89C5X(AT89S5X)系列單片機(jī)39ATMEL公司的技術(shù)優(yōu)勢是閃爍(Flash)存儲(chǔ)器技術(shù),將Flash技術(shù)與80C51內(nèi)核相結(jié)合，形成片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器的AT89C5X/AT89S5X系列單片機(jī)。AT89C5X/AT89S5X系列與MCS-51系列在原有功能、引腳以及指令系統(tǒng)方面完全兼容。某些品種又增加了一些新功能，如看門狗、ISP（在線編程）及SPI串口等。片內(nèi)Flash允許在線（+5V）電擦除、電寫入或使用編程器對其重復(fù)編程。40與AT89C5X系列相比，AT89S5X系列的時(shí)鐘頻率及運(yùn)算速度有了較大的提高，例如，AT89C51工作頻率的上限為24MHz，而AT89S51為33MHz。AT89S51片內(nèi)集成有雙數(shù)據(jù)指針DPTR，看門狗定時(shí)器，具有低功耗空閑工作方式和掉電工作方式，AT89S5X系列已逐漸取代AT89C5X。增強(qiáng)型：AT89C52/AT89S52基本型：AT89C51/AT89S51

與MCS-51的87C51相比，AT89C51/AT89S51片內(nèi)的4KBFlash存儲(chǔ)器取代了87C51片內(nèi)的4KBPROM，且可在線編程或使用編程器重復(fù)編程。41型號(hào)片內(nèi)FlashROM(KB)片內(nèi)RAM(B)最大I/O口（位）定時(shí)/計(jì)數(shù)器串行口最大工作頻率（MHz）工作電壓（V）AT89S205122561521242.7-5.5AT89S405142561521242.7-5.5AT89S5141283221334-5.5AT89S5282563231334-5.5AT89LS5141283221162.7-4.0AT89C51ED264EEPROM(2KB)2K3242其中SPI(1)602.7-5.5表1-2AT89系列單片機(jī)片上資源42

注2：AT89C2052/4051為非總線型單片機(jī)。

非總線型單片機(jī)已經(jīng)將用于外部并行總線擴(kuò)展用的I/O口線和控制功能線去掉，從而使單片機(jī)的引腳數(shù)減少、體積減小。對于不需進(jìn)行并行外圍擴(kuò)展，裝置的體積要求苛刻且程序量不大的系統(tǒng)極其適合。注1：“L”代表低電壓，工作電壓為2.7-4.0V?？梢詰?yīng)用在便攜式、無交流電源供電的環(huán)境中。特別適用于電池供電的儀器儀表或各種野外操作的設(shè)備中。43此外，還有多種擴(kuò)展機(jī)型，比如帶有CAN控制器接口的機(jī)型，如AT89C51CC01：32KFlash、44Pins、40MHz、34PMaxI/O、1UART、1CAN、8通道10位ADC、1.25KBSRAM、2048BEEPROM、4個(gè)定時(shí)器、WatchDog（看門狗）工作電壓3.0-5.5V；AT89C51CC02：

16KFlash、32Pins、40MHz、20PMaxI/O、1UART、1CAN、8通道10位ADC、512BSRAM、2048BEEPROM、4個(gè)定時(shí)器、WatchDog（看門狗）、工作電壓3.0-5.5V；AT89C51CC03：

64KFlash、64Pins、40MHz、37PMaxI/O、1UART、1CAN、1SPI、8通道10位ADC、2.25KSRAM、2048BEEPROM、4個(gè)定時(shí)器、WatchDog（看門狗）、工作電壓3.0-5.5V44美國ADI(AnalogDeviceInc）公司生產(chǎn)的高性能單片機(jī)。如ADμC812：內(nèi)部包含高精度的自校準(zhǔn)8通道12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC），2通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。8位與8051單片機(jī)兼容的MCU內(nèi)核，指令系統(tǒng)與MCS-51系列兼容。片內(nèi)有8KBFlash程序存儲(chǔ)器、640BFlash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、256B數(shù)據(jù)SRAM。集成了WDT、電源監(jiān)視器、溫度監(jiān)控器、基準(zhǔn)電壓源。最大16MHz，3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，2優(yōu)先級(jí)的9個(gè)中斷源，32條可編程的I/O線、包含與I2C兼容的SPI串行接口和標(biāo)準(zhǔn)UART串行接口。

內(nèi)核和數(shù)模轉(zhuǎn)換器均設(shè)有正常、空閑和掉電工作模式，軟件可以控制模式切換，在掉電模式下，消耗總電流約5μΑ。ADμC8XX系列單片機(jī)45美國ADI(AnalogDeviceInc）公司生產(chǎn)的高性能單片機(jī)，ADμC834：內(nèi)部包含雙通道差分輸入24位Σ-Δ主數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC），3通道單端輸入16位輔模數(shù)轉(zhuǎn)換器，兩路PWM輸出，與8051單片機(jī)兼容的MCU內(nèi)核，指令系統(tǒng)與MCS-51系列兼容。片內(nèi)有62KBFlash程序存儲(chǔ)器、4KFlash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、2K數(shù)據(jù)SRAM；集成了精密溫度傳感器、WDT、電源監(jiān)視器、溫度監(jiān)控器、基準(zhǔn)電壓源；3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，2優(yōu)先級(jí)的11個(gè)中斷源；26條可編程的I/O線、包含與I2C、SPI串行接口和標(biāo)準(zhǔn)UART串行接口。應(yīng)用于高精度傳感器、數(shù)據(jù)采集、高精度檢測等系統(tǒng)。C8051FXXX單片機(jī)46美國SiliconLabs公司，8051內(nèi)核。典型產(chǎn)品為C8051F020。內(nèi)部采用流水線結(jié)構(gòu)，大部分指令的完成時(shí)間為1到2個(gè)時(shí)鐘周期，峰值處理能力為25MIPS。高速8位單片機(jī)。

片內(nèi)資源：1個(gè)8通道8位ADC、1個(gè)8通道12位ADC、1個(gè)雙路12位DAC；64KB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，4352BRAM；8組I/O端口64根I/O口線；5個(gè)16位通用定時(shí)器，5路PCA捕捉/比較模塊；2個(gè)UART串口、1個(gè)SMBus（兼容I2C)串口、1個(gè)SPI串口；2路電壓比較器，電源監(jiān)測模塊，內(nèi)置溫度傳感器；2.7-3.6V工作電源。47該結(jié)構(gòu)可通過設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器將片內(nèi)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入、比較器輸出及單片機(jī)內(nèi)部的其它數(shù)字信號(hào)配置在端口I/O引腳，這樣用戶可以根據(jù)自己的需要選擇所需的數(shù)字資源和通用I/O口。C8051F系列單片機(jī)最突出的改進(jìn)是引入了數(shù)字交叉開關(guān)。改變了以往內(nèi)部功能與外部引腳的固定對應(yīng)關(guān)系。它是一個(gè)大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給端口I/O引腳。48是宏晶科技公司生產(chǎn)的系列高性能單片機(jī)。8位與8051單片機(jī)兼容的MCU內(nèi)核，指令系統(tǒng)與MCS-51系列兼容。資源配置和品種豐富，價(jià)格低。產(chǎn)品主要有STC89、90、10、11、12、15這幾大系列。每個(gè)系列又分為幾個(gè)子系列，如STC15系列有ATC15F/L/W幾個(gè)子系列，F(xiàn)：工作電壓3.8-5.5V；L：2.4-3.6V；W：2.4-5.5V.STC系列單片機(jī)49非8051系列單片機(jī)也有很多，在國內(nèi)得到較為廣泛應(yīng)用。1.5.3非8051系列單片機(jī)精簡指令集計(jì)算機(jī)（RISC-ReducedInstructionSetComputer）是相對于復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（CISC-ComplexInstructionSetComputer）來說的，精簡指令集計(jì)算機(jī)廢除機(jī)器周期，拋棄復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)追求指令完備的做法。減少了指令的數(shù)量，只保留了那些常用的指令，以字作為指令長度單位，將操作數(shù)與操作碼安排在一字之中，指令長度固定、指令格式與種類相對較少、尋址方式也相對較少，絕大部分指令都為單周期指令。取值周期短，可以預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。501.5.3非8051系列單片機(jī)AVR系列單片機(jī)美國Atmel公司的高速8位RISC單片機(jī)(High-performanceandLow-powerRISCArchitecture）（1）高速、高可靠性、功能強(qiáng)、低功耗和低價(jià)位。（2）采用片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器給用戶的開發(fā)帶來方便。另外，片內(nèi)大容量RAM不僅能滿足一般場合使用，同時(shí)也更有效的支持使用高級(jí)語言開發(fā)系統(tǒng)程序，并可像8051單片機(jī)那樣擴(kuò)展外部RAM。

51（3）豐富的片內(nèi)外設(shè)。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，WDT，低電壓檢測電路，多個(gè)復(fù)位源（自動(dòng)上下電復(fù)位、外部復(fù)位、看門狗復(fù)位、BOD復(fù)位），可設(shè)置的啟動(dòng)后延時(shí)運(yùn)行程序，增強(qiáng)了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性。具有多種串口：如通用的異步串行口（UART），面向字節(jié)的高速硬件串行接口TWI（與I2C接口兼容），SPI。此外還有ADC、PWM等模塊。（4）I/O口功能強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)能力大。最大驅(qū)動(dòng)電流40mA，可省去功率驅(qū)動(dòng)部件，直接驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器或其它微繼電器。52（5）低功耗。具有省電功能（PowerDown）及休眠功能（Idle）的低功耗工作方式。一般耗電在1-2.5mA；典型功耗，WDT關(guān)閉時(shí)為100nA，適用于電池供電。有的器件1.8V即可工作。（6）支持在系統(tǒng)編程（ISP-InSystemProgram）和在應(yīng)用編程（IAP-InApplicationProgramming）。（7）程序保密性好，不可破解的位加密鎖LockBit技術(shù)，且具有多重密碼保護(hù)鎖死功能，使得用戶編寫的應(yīng)用程序不被讀出。53AVR單片機(jī)系列共分為3個(gè)檔次適于各種不同需求：（1）低檔Tiny系列：Tiny11/12/13/15/26/28等；（2）中檔AT90S系列：AT90S1200/2313/8515/8535等；（3）高檔ATmega系列：有ATmega8/16/32/64/128（存儲(chǔ)容量為（8/16/32/64/128KB）以及ATmega8515/8535等。PIC系列單片機(jī)54美國Microchip公司產(chǎn)品。特性如下：（1）最大特點(diǎn)是從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，重視性價(jià)比，開發(fā)出多種型號(hào)來滿足應(yīng)用需求。品種豐富，便于選型。（2）采用哈弗總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，實(shí)現(xiàn)指令提取和執(zhí)行的流水作業(yè)，指令單字節(jié)化和單周期化；同時(shí)，采用精簡指令集（35條指令），提高代碼壓縮率和CPU運(yùn)行速度。例如，1KB的存儲(chǔ)空間，MCS-51大約存放600條指令，PIC系列可以存放至1024條。

55（3）其引腳具有防瞬態(tài)能力，通過限流電阻可以接至220V交流電源，可直接與繼電器控制電路相連，無須光電耦合器隔離，給帶來極大方便。（4）功耗低，設(shè)有休眠和省電工作方式，可以應(yīng)用在對功耗要求比較嚴(yán)格的應(yīng)用系統(tǒng)中。（5）保密性好。PIC以保密熔絲來保護(hù)代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無法讀出，除非恢復(fù)熔絲。目前，PIC采用熔絲深埋工藝，恢復(fù)熔絲的可能性極小。56PIC單片機(jī)分基礎(chǔ)型、中檔型和高檔型：（1）基礎(chǔ)型8位單片機(jī)PIC10FXXX/12F5XX/16F5X/16F5XXPIC10F220：256wordsflash、16BRAM、6Pins、2通道8位ADC、Max.CPUSpeed4MHz、1個(gè)8位定時(shí)器、工作電壓范圍2.0-5.5V。（2）中檔8位單片機(jī)PIC10F3xx/12F6xx/12F7xx/16F6x/16F6xx/16F7x/16F7xx/16F8x/16F8xx，封裝從8Pins到68Pins。PIC16F877:8位數(shù)據(jù)總線、14位程序總線、8K*14Flash、368BRAM、256BEEPROM、40Pins、3個(gè)定時(shí)器、20MHz、2個(gè)比較器、8通道10位ADC、2路CCP(Capture/Compare/PWM)、14個(gè)中斷源、I2C和SPI接口、UART、WDT。57（3）高性能8位單片機(jī)PIC18F系列引腳從18-100Pins;FlashROM4KB-128KB;低電壓系列工作電壓1.8-3.6V；USB、CAN、Ethernet、ADC、CCP、LCD驅(qū)動(dòng)、串行口等等。（4）16位單片機(jī)PIC24系列（5）32位單片機(jī)PIC32系列MSP430系列單片機(jī)58MSP430單片機(jī)是美國TexasInstruments（TI）公司1996年開始推向市場的超低功耗（1.8-3.6V工作電壓范圍）微控制器。

采用16位RISC（27條指令）結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理能力（25MIPS），片內(nèi)資源豐富。

根據(jù)存儲(chǔ)器容量和配置的外設(shè)資源的不同，主要有MSP430F1XX、MSP430F2XX/4XX、MSP430F5XX/6XX等系列。廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化、消費(fèi)類電子、便攜式醫(yī)療儀器、儀器儀表、汽車電子等領(lǐng)域。59430x4xx系列低功耗測量和醫(yī)療應(yīng)用的理想選擇。超低功耗低，0.1μARAM（保持模式）200μA/MIPS（工作模式）在6μs之內(nèi)快速從待機(jī)模式喚醒器件參數(shù)：閃存/ROM選項(xiàng)：4kB–120KB；RAM選項(xiàng)：256B–8KB；GPIO選項(xiàng)：14、32、48、56、68、72、80、100引腳；ADC選項(xiàng)：10和12位SAR、16位Σ-ΔADC；

其它集成外設(shè)：定時(shí)/計(jì)數(shù)器、LCD控制器、模擬比較器、12位DAC、DMA、硬件乘法器、集成運(yùn)算放大器、USCI模塊（UART/SPI/I2C/LIN)、WDT、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、電源電壓監(jiān)測（SVS)等。601.6其它嵌入式處理器簡介隨著集成電路技術(shù)及電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種體系結(jié)構(gòu)的處理器品種繁多，且都嵌入到系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和控制功能，嵌入式處理器為核心的控制系統(tǒng)的應(yīng)用，是當(dāng)今電子信息技術(shù)應(yīng)用的一大熱點(diǎn)。

各種不同體系結(jié)構(gòu)的處理器，構(gòu)成了嵌入式處理器家族，是嵌入式系統(tǒng)的核心。全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，按體系結(jié)構(gòu)分為幾類：嵌入式微控制器（單片機(jī)）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、嵌入式微處理器以及片上系統(tǒng)（SOC）等。611.6.1嵌入式微控制器（單片機(jī)）片內(nèi)集成CPU、ROM、RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、WDT、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、等各種必要的功能部件和外設(shè)。一個(gè)系列的單片機(jī)有多種衍生品種，每種衍生品種的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲(chǔ)器、外設(shè)配置和封裝形式。使單片機(jī)與需求相匹配，減少功耗和成本。單片機(jī)最大特點(diǎn)是單片化，價(jià)廉，功耗和成本下降，可靠性提高。是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。621.6.2數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）DSP（DigitalSignalProcessor），非常擅長于高速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算（如數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等）。由于硬件結(jié)構(gòu)和指令的特殊設(shè)計(jì)，使其能夠高速完成各種數(shù)字信號(hào)處理算法。

1981年，TI公司研制的TMS320系列的首片低成本、高性能DSP芯片，使DSP技術(shù)向前跨出意義重大的一步。上世紀(jì)90年代，由于無線通信、各種網(wǎng)絡(luò)通信、多媒體技術(shù)的普及和應(yīng)用，高清晰度數(shù)字電視的研究，極大地推動(dòng)了DSP在工程上的推廣應(yīng)用。63DSP大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域。推動(dòng)DSP快速發(fā)展的是嵌入式系統(tǒng)的智能化，例如各種帶有智能邏輯的消費(fèi)類產(chǎn)品，生物信息識(shí)別終端，醫(yī)療設(shè)備，實(shí)時(shí)語音壓解系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理等。這類智能化算法一般都是運(yùn)算量較大，特別是向量運(yùn)算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP的長處所在。與單片機(jī)相比，DSP的高速運(yùn)算能力和多總線，處理算法的復(fù)雜度和大的數(shù)據(jù)處理流量是單片機(jī)所不能企及的。64主要廠商有美國TI、ADI、Motorola、Zilog等公司。TI公司位居榜首，占全球市場約60%左右。DSP代表性的產(chǎn)品是TI公司的TMS320系列。TMS320系列處理器包括用于控制領(lǐng)域的C2000系列，移動(dòng)通信的C5000系列，以及應(yīng)在通信和數(shù)字圖像處理的C6000系列等。今天，全球信息化和Internet網(wǎng)的普及，多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用，尖端技術(shù)向民用領(lǐng)域迅速的轉(zhuǎn)移，數(shù)字技術(shù)大范圍進(jìn)入消費(fèi)類電子產(chǎn)品，使DSP不斷更新?lián)Q代，性能指標(biāo)不斷提高，價(jià)格不斷下降