單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版第1章緒論課件

普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材

單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)（第二版）編著科學(xué)出版社北京第一章

緒論1.1單片微機(jī)的發(fā)展

1.1.1單片微機(jī)的概念

單片微機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)SCMC（SingleChipMicroComputer）的譯名簡(jiǎn)稱，在國(guó)內(nèi)也常簡(jiǎn)稱為“單片微機(jī)”或“單片機(jī)”。它包括CPU、RAM、ROM、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口和I/O等。 除了工業(yè)控制領(lǐng)域，單片微機(jī)在家用電器、電子玩具、通信、高級(jí)音響、圖形處理、語(yǔ)言設(shè)備、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)等各個(gè)領(lǐng)域迅速發(fā)展。目前單片微機(jī)的世界年產(chǎn)量已超過(guò)100億片，而在中國(guó)大陸地區(qū)的年應(yīng)用量已達(dá)6億多片。

許多半導(dǎo)體公司和計(jì)算機(jī)公司爭(zhēng)相研制和發(fā)展自己的單片微機(jī)系列，有Motorola公司的MC68HC05及MC68HC08系列，Zilog公司的Z－8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(jī)品種。 最具典型性的屬Intel公司的MCS－51系列，它具有品種全、兼容性強(qiáng)、軟硬件資料豐富等特點(diǎn)。直到現(xiàn)在MCS－51仍不失為單片微機(jī)中的主流機(jī)型。

近幾年中國(guó)8位單片微機(jī)市場(chǎng)一直保持著30%以上的高增長(zhǎng)率，2006年8位單片微機(jī)占中國(guó)單片微機(jī)整體市場(chǎng)銷售額的一半以上。8位單片微機(jī)應(yīng)用的主力市場(chǎng)——汽車電子領(lǐng)域的高速成長(zhǎng)，也是帶動(dòng)這一市場(chǎng)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(jī)依靠自身的價(jià)格優(yōu)勢(shì)、較低的功耗及較小的尺寸，進(jìn)一步搶占了部分16位單片微機(jī)的市場(chǎng)份額，從而更加鞏固了主流產(chǎn)品的市場(chǎng)地位。由于8位單片微機(jī)的高性能價(jià)格比，估計(jì)近十年內(nèi)，8位單片微機(jī)將仍是主流機(jī)型。

1983年Intel公司推出的MCS－96系列，MCS－96不但字長(zhǎng)增加一倍，而且還具有4路或8路的10位A/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(jí)兼容性的16位單片微機(jī)80C51XA(每一條80C51指令可以1∶1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(jí)級(jí)語(yǔ)言(比如C語(yǔ)言)、支持實(shí)時(shí)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(jī)、錄像機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域。

單片微機(jī)正朝多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價(jià)格、擴(kuò)大存儲(chǔ)容量和加強(qiáng)I/O功能及結(jié)構(gòu)兼容方向發(fā)展。 ⑴多功能 在單片微機(jī)中盡可能多的把應(yīng)用系統(tǒng)中所需要的存儲(chǔ)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(dòng)器集成在單片微機(jī)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(jī)中。 ⑵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(jì)技術(shù)，使單片微機(jī)的指令運(yùn)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。 ⑶全盤CMOS化趨勢(shì) 單片微機(jī)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(bǔ)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(jī)起開始淘汰非CMOS工藝。 ⑷推行串行擴(kuò)展總線 顯著減少引腳數(shù)量，簡(jiǎn)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(jī)的串行接口的普遍化、高速化，使得并行擴(kuò)展接口技術(shù)日漸衰退。

推出了刪去了并行總線的非總線單片微機(jī)，需要外擴(kuò)器件(存儲(chǔ)器、I/O等)時(shí)，采用串行擴(kuò)展總線，甚至用軟件虛擬串行總線來(lái)實(shí)現(xiàn)。 由于集成度的進(jìn)一步提高，有的單片微機(jī)的尋址能力已突破64KB的限制，8位、16位的單片微機(jī)有的尋址能力已達(dá)到1MB和16MB。片內(nèi)ROM的容量可達(dá)62KB，RAM的容量可達(dá)2KB。

從MCS－48單片微機(jī)發(fā)展到如今的新一代單片微機(jī)，大致經(jīng)歷了三代。如以Intel8位單片微機(jī)為例，

第一代：以MCS－48系列為代表。屬于低性能單片微機(jī)階段。

第二代：以MCS－5l系列的8051、8052為代表。 主要的技術(shù)特征是為單片微機(jī)配置了完善的外部并行總線（AB、DB、CB）和具有多機(jī)識(shí)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(diǎn)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(jī)奠定了良好的基礎(chǔ)。

第三代：以80C51系列為代表。 它包括了Intel公司發(fā)展MCS－51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MCS－51兼容的單片微機(jī)。 部分廠家所生產(chǎn)的80C51系列或與之相兼容的單片微機(jī)的特點(diǎn)列于表1－l、表1一2及表1一3中。

80C51系列單片微機(jī)保留了MCS－51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(jìn)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。

1.3單片微機(jī)的應(yīng)用

單片微機(jī)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(jī)具有完善的外部擴(kuò)展總線，如并行總線（AB、DB、CB）、串行通信總線（如UART），通過(guò)這些總線可方便地?cái)U(kuò)展外圍單元、外設(shè)接口等?？偩€方式的單片微機(jī)在不使用外部并行總線時(shí)，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、87C751，83C752、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。

l．家用電器領(lǐng)域

國(guó)內(nèi)各種家用電器已普遍采用單片微機(jī)控制取代傳統(tǒng)的控制電路，做成單片微機(jī)控制系統(tǒng)，如洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、微波爐、電飯堡、電視機(jī)、錄像機(jī)及其它視頻音像設(shè)備的控制器。

2．辦公自動(dòng)化領(lǐng)域 比如一臺(tái)PC機(jī)可能嵌入了10個(gè)單片微機(jī)，如控制鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、CD-ROM、聲卡、打印機(jī)、軟/硬盤驅(qū)動(dòng)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、復(fù)印機(jī)、電話、傳真機(jī)等，多數(shù)都采用了單片微機(jī)。 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(jī)來(lái)對(duì)傳統(tǒng)的儀器儀表行業(yè)的產(chǎn)品進(jìn)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(cè)量?jī)x表普遍采用單片微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)，使測(cè)量系統(tǒng)具有各種智能化功能，如存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、查找、判斷、聯(lián)網(wǎng)和語(yǔ)音功能等。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(dòng)力監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、自動(dòng)駕馭系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及運(yùn)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(tái)RMW-7系列寶馬轎車就用了63個(gè)單片微機(jī)。

單片微機(jī)的應(yīng)用正從根本上改變著