單片機(jī)新手必看干貨

前言1946年2月15日，第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)

ENIAC問(wèn)世，這標(biāo)志著計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái)。ENIAC

是電子管計(jì)算機(jī)，時(shí)鐘頻率雖然僅有100kHz，但能在1s

的時(shí)間內(nèi)完成5000次加法運(yùn)算。與現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)相比，ENIAC有許多不足，但它的問(wèn)世開創(chuàng)了計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的新紀(jì)元，對(duì)人類的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生了巨大的影響。在研制

ENIAC

的過(guò)程中，匈牙利籍?dāng)?shù)學(xué)家馮·諾依曼擔(dān)任研制小組的顧問(wèn)，并在方案的設(shè)計(jì)上做出了重要的貢獻(xiàn)。1946年6月，馮·諾依曼又提出了“程序存儲(chǔ)”和“二進(jìn)制運(yùn)算”的思想，進(jìn)一步構(gòu)建了計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成這一計(jì)算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，相繼經(jīng)歷了電子管計(jì)算機(jī)、晶體管計(jì)算機(jī)、集成電路計(jì)算機(jī)、大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)五個(gè)時(shí)代，但是計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)仍然沒(méi)有突破馮·諾依曼提出的計(jì)算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)框架。1.微型計(jì)算機(jī)的組成及其應(yīng)用形態(tài)一、微型計(jì)算機(jī)的組成1971年1月，Intel公司的特德·霍夫在與日本商業(yè)通信公司合作研制臺(tái)式計(jì)算器時(shí)，將原始方案的十幾個(gè)芯片壓縮成三個(gè)集成電路芯片。其中的兩個(gè)芯片分別用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，另一芯片集成了運(yùn)算器和控制器及一些寄存器，稱為微處理器(即Intel4004)。微處理器、存儲(chǔ)器加上I/O接口電路組成微型計(jì)算機(jī)。各部分通過(guò)地址總線(AB)、數(shù)據(jù)總線(DB)和控制總線(CB)相連。二、微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用形態(tài)從應(yīng)用形態(tài)上，微型計(jì)算機(jī)可以分成三種：多板機(jī)(系統(tǒng)機(jī))、單板機(jī)和單片機(jī)。1．多板機(jī)(系統(tǒng)機(jī))多板機(jī)是將微處理器、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(guò)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(jiǎn)稱系統(tǒng)機(jī)。目前人們廣泛使用的個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC

機(jī))就是典型的多板微型計(jì)算機(jī)。由于其人機(jī)界面好，功能強(qiáng)，軟件資源豐富，通常作為辦公或家庭的事務(wù)處理及科學(xué)計(jì)算，屬于通用計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在已經(jīng)成為社會(huì)各領(lǐng)域中最為通用的工具。另外，將系統(tǒng)機(jī)的機(jī)箱進(jìn)行加固處理，底板設(shè)計(jì)成無(wú)

CPU

的小底板結(jié)構(gòu)，利用底板的擴(kuò)展槽插入主機(jī)板及各種測(cè)控板，就構(gòu)成了一臺(tái)工業(yè)

PC

機(jī)。由于其具有人機(jī)界面友好和軟件資源豐富的優(yōu)勢(shì)，工業(yè)PC機(jī)常作為工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)的主機(jī)。2．單板機(jī)將

CPU

芯片、存儲(chǔ)器芯片、I/O

接口芯片和簡(jiǎn)單的

I/O

設(shè)備(小鍵盤、LED顯示器)等裝配在一塊印制線路板上，再配上監(jiān)控程序(固化在ROM中),就構(gòu)成了一臺(tái)單板微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單板機(jī)。典型的產(chǎn)品如

TP801。單板機(jī)的I/O設(shè)備簡(jiǎn)單，軟件資源少，使用不方便。早期主要用于微型計(jì)算機(jī)原理的教學(xué)及簡(jiǎn)單的測(cè)控系統(tǒng)，現(xiàn)在已很少使用。3．單片機(jī)在一片集成電路芯片上集成微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路，從而構(gòu)成了單芯片微型計(jì)算機(jī)，即單片機(jī)。計(jì)算機(jī)原始的設(shè)計(jì)目的是為了提高計(jì)算數(shù)據(jù)的速度和完成海量數(shù)據(jù)的計(jì)算。人們將完成這種任務(wù)的計(jì)算機(jī)稱為通用計(jì)算機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)在邏輯處理及工業(yè)控制等方面也具有非凡的能力。在控制領(lǐng)域中，人們更多地關(guān)心計(jì)算機(jī)的低成本、小體積、運(yùn)行的可靠性和控制的靈活性。特別是智能儀表、智能傳感器、智能家電、智能辦公設(shè)備、汽車及軍事電子設(shè)備等應(yīng)用系統(tǒng)要求將計(jì)算機(jī)嵌入到這些設(shè)備中。嵌入到控制系統(tǒng)(或設(shè)備)中，實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計(jì)算機(jī)稱為嵌入式計(jì)算機(jī)，也稱為專用計(jì)算機(jī)。嵌入式應(yīng)用的計(jì)算機(jī)可分為嵌入式微處理器(如386EX)、嵌入式DSP處理器(如TMS320系列)、嵌入式微控制器(即單片機(jī)，如80C51系列)及嵌入式片上系統(tǒng)SOC。單片機(jī)體積小、價(jià)格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應(yīng)用形態(tài)對(duì)于滿足嵌入式應(yīng)用需求具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成為電子應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)最為常用的技術(shù)手段，學(xué)習(xí)和掌握單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。綜上所述，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展正趨于兩個(gè)方向，一是以系統(tǒng)機(jī)為代表的通用計(jì)算機(jī)，致力于提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，在實(shí)現(xiàn)海量高速數(shù)據(jù)處理的同時(shí)兼顧控制功能；二是以單片機(jī)為代表的嵌入式專用計(jì)算機(jī)，致力于計(jì)算機(jī)控制功能的片內(nèi)集成，在滿足嵌入式對(duì)象的測(cè)控需求的同時(shí)兼顧數(shù)據(jù)處理。2.單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程及產(chǎn)品近況2.1單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程單片機(jī)技術(shù)發(fā)展十分迅速，產(chǎn)品種類已琳瑯滿目?？v觀整個(gè)單片機(jī)技術(shù)發(fā)展過(guò)程，可以分為以下三個(gè)主要階段：一、單芯片微機(jī)形成階段1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)早期產(chǎn)品在芯片內(nèi)集成有：8位CPU、1K字節(jié)程序存儲(chǔ)器(ROM)、64字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、27根I/O線和1個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。此階段的主要特點(diǎn)是：在單個(gè)芯片內(nèi)完成了CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、時(shí)鐘等部件的集成，但存儲(chǔ)器容量較小，尋址范圍小(不大于4K)，無(wú)串行接口，指令系統(tǒng)功能不強(qiáng)。二、性能完善提高階段1980年，Intel公司推出MCS-51系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)在芯片內(nèi)集成有：8位CPU、4K字節(jié)程序存儲(chǔ)器(ROM)、128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、4個(gè)8位并行接口、1個(gè)全雙工串行接口和2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。尋址范圍為64K，并集成有控制功能較強(qiáng)的布爾處理器完成位處理功能。此階段的主要特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點(diǎn)進(jìn)一步突出。現(xiàn)在，MCS-51已成為公認(rèn)的單片機(jī)經(jīng)典機(jī)種。三、微控制器化階段1982年，Intel公司推出MCS-96系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)在芯片內(nèi)集成有：16位CPU、8K字節(jié)程序存儲(chǔ)器(ROM)、232字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、5個(gè)8位并行接口、1個(gè)全雙工串行接口和2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。尋址范圍最大為64K。片上還有8路10位ADC、1路PWM(D/A)輸出及高速I/O部件。近年來(lái)，許多半導(dǎo)體廠商以MCS-51系列單片機(jī)的8051為內(nèi)核，將許多測(cè)控系統(tǒng)中的接口技術(shù)、可靠性技術(shù)及先進(jìn)的存儲(chǔ)器技術(shù)和工藝技術(shù)集成到單片機(jī)中，生產(chǎn)出了多種功能強(qiáng)大、使用靈活的新一代80C51系列單片機(jī)。此階段的主要特點(diǎn)是：片內(nèi)面向測(cè)控系統(tǒng)的外圍電路增強(qiáng)，使單片機(jī)可以--方便靈活地應(yīng)用于復(fù)雜的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)及設(shè)備。因此，“微控制器”的稱謂更能反應(yīng)單片機(jī)的本質(zhì)。2.2.單片機(jī)產(chǎn)品近況隨著微電子設(shè)計(jì)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)產(chǎn)品和技術(shù)日新月異。單片機(jī)產(chǎn)品近況可以歸納為以下二方面。一、80C51系列單片機(jī)產(chǎn)品繁多，主流地位已經(jīng)形成通用微型計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的提高主要體現(xiàn)在CPU位數(shù)的提高(16位、32位乃至64位)，而單片機(jī)更注重的是產(chǎn)品的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和嵌入性。所以，單片機(jī)CPU位數(shù)的提高需求并不十分迫切。而多年來(lái)的應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明，80C51的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)成熟。因此，許多單片機(jī)芯片生產(chǎn)廠商傾力于提高80C51單片機(jī)產(chǎn)品的綜合功能，從而形成了80C51的主流產(chǎn)品地位。近年來(lái)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)推出的AT89系列單片機(jī)；Philips公司推出的80C51、80C552系列高性能單片機(jī)；華邦公司推出的W78C51、W77C51系列高速低價(jià)單片機(jī)；LG公司推出的GMS90/97系列低壓高速單片機(jī)；Maxim公司推出的DS89C420高速（50MIPS）單片機(jī)；Cygnal公司推出的C8051F系列高速SOC單片機(jī)等。由此可見，80C51已經(jīng)成為事實(shí)上的單片機(jī)主流系列，所以本書以80C51為對(duì)象，講述單片機(jī)的原理與接口方法。二、非80C51結(jié)構(gòu)單片機(jī)新品不斷推出，給用戶提供了更為廣泛的選擇空間在80C51及其兼容產(chǎn)品流行的同時(shí)，一些單片機(jī)芯片生產(chǎn)廠商也推出了一些非80C51結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，影響比較大的有：Intel公司推出的MCS-96系列16位單片機(jī)；Microchip公司推出的PIC系列RISC結(jié)構(gòu)單片機(jī)；TI公司推出的MSP430F系列16位低電壓、低功耗單片機(jī)；ATMEL公司推出的AVR系列RISC結(jié)構(gòu)單片機(jī)等。3.單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域、3.1單片機(jī)的特點(diǎn)一、控制性能和可靠性高單片機(jī)是為滿足工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的，所以實(shí)時(shí)控制功能特別強(qiáng)，其CPU可以對(duì)I/O接口直接進(jìn)行操作，位操作能力更是其它計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的。另外，由于CPU、存儲(chǔ)器及I/O接口集成在同一芯片內(nèi)，各部件間的連接緊湊，數(shù)據(jù)在傳送時(shí)受到的干擾較小，且不易受環(huán)境條件的影響，所以單片機(jī)的可靠性非常高。近期推出的單片機(jī)產(chǎn)品，內(nèi)部集成有高速I/O接口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低電壓、低功耗、串行擴(kuò)展總線、控制網(wǎng)絡(luò)總線和開發(fā)方式（如在系統(tǒng)編程ISP）等方面都有了進(jìn)一步的增強(qiáng)。二、體積小、價(jià)格低、易于產(chǎn)品化每片單片機(jī)芯片即是一臺(tái)完整的微型計(jì)算機(jī)，對(duì)于批量大的專用場(chǎng)合，一方面可以在眾多的單片機(jī)品種間進(jìn)行匹配選擇，同時(shí)還可以專門進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)，使芯片功能與應(yīng)用具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在單片機(jī)產(chǎn)品的引腳封裝方面，有的單片機(jī)引腳已減少到8個(gè)或更少，從而使應(yīng)用系統(tǒng)的印制板減小，接插件減少，安裝簡(jiǎn)單方便。在現(xiàn)代的各種電子器件中，單片機(jī)具有良好的性能價(jià)格比。這正是單片機(jī)得以廣泛應(yīng)用的重要原因。3.2單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域由于單片機(jī)具有良好的控制性能和靈活的嵌入品質(zhì)，近年來(lái)單片機(jī)在各種領(lǐng)域都獲得了極為廣泛的應(yīng)用。概要地分成以下幾個(gè)方面：一、智能儀器儀表單片機(jī)用于各種儀器儀表，一方面提高了儀器儀表的使用功能和精度，使儀器儀表智能化，同時(shí)還簡(jiǎn)化了儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，從而可以方便地完成儀器儀表產(chǎn)品的升級(jí)換代。如各種智能電氣測(cè)量?jī)x表、智能傳感器等。二、機(jī)電一體化產(chǎn)品機(jī)電一體化產(chǎn)品是集機(jī)械技術(shù)、微電子技術(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)中可以發(fā)揮巨大的作用。典型產(chǎn)品如機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)包裝機(jī)、點(diǎn)鈔機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、打印機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等。三、實(shí)時(shí)工業(yè)控制單片機(jī)還可以用于各種物理量的采集與控制。電流、電壓、溫度、液位、流量等物理參數(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(duì)象的不同特征采用不同的智能算法，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)用如電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、自動(dòng)生產(chǎn)線等。四、分布系統(tǒng)的前端模塊在較復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)中，經(jīng)常要采用分布式測(cè)控系統(tǒng)完成大量的分布參數(shù)的采集。在這類系統(tǒng)中，采用單片機(jī)作為分布式系統(tǒng)的前端采集模塊。系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠，數(shù)據(jù)采集方便靈活，成本低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)。五、家用電器家用電器是單片機(jī)的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域，前景十分廣闊。如空調(diào)器、電冰箱、洗衣機(jī)、電飯煲、高檔洗浴設(shè)備、高檔玩具等。另外，在交通領(lǐng)域中，汽車、火車、飛機(jī)、航天器等均有單片機(jī)的廣泛應(yīng)用。如汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、航天測(cè)控系統(tǒng)、黑匣子等。4.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)簡(jiǎn)介4.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，在完成硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后，必須配備相應(yīng)的應(yīng)用軟件。正確無(wú)誤的硬件設(shè)計(jì)和良好的軟件功能設(shè)計(jì)是一個(gè)實(shí)用的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。完成這一目標(biāo)的過(guò)程稱為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。單片機(jī)作為一片集成了微型計(jì)算機(jī)基本部件的集成電路芯片，與通用微機(jī)相比，它自身沒(méi)有開發(fā)功能，必須借助開發(fā)機(jī)(一種特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng))來(lái)完成如下任務(wù)：1、排除應(yīng)用系統(tǒng)的硬件故障和軟件錯(cuò)誤；2、調(diào)試完的程序要固化到單片機(jī)內(nèi)部或外部程序存儲(chǔ)器芯片中。一、指令的表示形式指令是讓單片機(jī)執(zhí)行某種操作的命令。在單片機(jī)內(nèi)部，指令按一定的順序以二進(jìn)制碼的形式存放于程序存儲(chǔ)器中。二進(jìn)制碼是計(jì)算機(jī)能夠直接執(zhí)行的機(jī)器碼(或稱目標(biāo)碼)。為了書寫、輸入和顯示方便，人們通常將機(jī)器碼寫成十六進(jìn)制形式。如二進(jìn)制碼00000100B可以表示為04H。04H所對(duì)應(yīng)的指令的意義是累加器A的內(nèi)容加1。若寫成INCA，則要清楚得多，這就是該指令的符號(hào)表示，稱為符號(hào)指令。二、匯編或編譯符號(hào)指令要轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的機(jī)器碼并存入計(jì)算機(jī)的程序存儲(chǔ)器中，這種轉(zhuǎn)換稱為匯編。常用的匯編方法有三種，一是手工匯編，設(shè)計(jì)人員對(duì)照單片機(jī)指令編碼表，把每一條符號(hào)指令翻譯成十六進(jìn)制數(shù)表示的機(jī)器碼指令，借助于小鍵盤送入開發(fā)機(jī)，然后進(jìn)行調(diào)試，并將調(diào)試好的程序?qū)懭氤绦虼鎯?chǔ)器芯片。二是利用開發(fā)機(jī)的匯編程序進(jìn)行匯編。三是利用通用微型計(jì)算機(jī)配備的匯編程序進(jìn)行交叉匯編，然后將目標(biāo)碼傳送到開發(fā)機(jī)中。另外，還可以采用高級(jí)語(yǔ)言(如C51)進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。在PC機(jī)中編輯好的高級(jí)語(yǔ)言源程序經(jīng)過(guò)編譯、連接后形成目標(biāo)碼文件，并傳送到開發(fā)機(jī)中。這種方法具有周期短、移植和修改方便的優(yōu)點(diǎn)，適合于較復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)。4.2單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的傳統(tǒng)開發(fā)方式單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)又稱為開發(fā)機(jī)或仿真器。仿真的目的是利用開發(fā)機(jī)的資源(CPU、存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備等)來(lái)模擬欲開發(fā)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)(即目標(biāo)機(jī))的CPU、存儲(chǔ)器和I/O操作，并跟蹤和觀察目標(biāo)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。仿真可以分為軟件模擬仿真和開發(fā)機(jī)在線仿真兩大類。軟件模擬仿真成本低，使用方便，但不能進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)硬件的實(shí)時(shí)調(diào)試和故障診斷。下面僅介紹在線仿真方法。一、利用獨(dú)立型仿真器開發(fā)獨(dú)立型仿真器采用與單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)相同類型的單片機(jī)做成單板機(jī)形式，板上配置LED顯示器和簡(jiǎn)易鍵盤。這種開發(fā)系統(tǒng)在沒(méi)有普通微機(jī)系統(tǒng)的支持下，仍能對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行在線仿真，便于在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)用軟件進(jìn)行調(diào)試和修改。另外，這種開發(fā)系統(tǒng)還配有串行接口，能與普通微機(jī)系統(tǒng)連接。這樣，可以利用普通微機(jī)系統(tǒng)配備的組合軟件進(jìn)行源程序的編輯、匯編和聯(lián)機(jī)仿真調(diào)試。然后將調(diào)試無(wú)誤的目標(biāo)程序（即機(jī)器碼）傳送到仿真器，利用仿真器進(jìn)行程序的固化。二、利用非獨(dú)立型仿真器開發(fā)這種仿真器采用通用微型計(jì)算機(jī)加仿真器方式構(gòu)成。仿真器與通用微機(jī)間以串行通信的方式連接。這種開發(fā)方式必須有微機(jī)的支持，利用微機(jī)系統(tǒng)配備的組合軟件進(jìn)行源程序的編輯、匯編和仿真調(diào)試。有些仿真接口上還備有EPROM寫