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1、第一章 绪论,1.1 什么是单片机 1.2 单片机的发展历史及趋势 1.3 单片机的特点及应用 1.4 MCS-51系列与STC系列单片机 1.5 其他常见系列单片机 1.6 嵌入式系统定义及组成 1.7 常见的各类嵌入式处理器,1.1 什么是单片机,单片机就是在一片半导体硅片上集成了中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入/输出接口及外围设备（并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线等）的微型计算机。这样一块集成电路芯片具有一台微型计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。 在个人计算机上，这些部分被分成若干块芯片，安装在一个称之为主板
2、的印刷线路板上。在单片机中，这些部分全部被做到一块集成电路芯片中了，所以被称为单片机。,按照其用途可分为通用型和专用型两大类。 （1）通用型单片机就是其内部可开发的资源（如存储器、I/O等各种外围功能部件等）可以全部提供给用户。用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心，再配以外围接口电路及其它外围设备，并编写相应的软件来满足各种不同需要的测控系统。通常所说的和本书介绍的是指通用型单片机。 （2）专用型单片机是专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机。例如，各种家用电器中的控制器等。由于用于特定用途，单片机芯片制造商常与产品厂家合作，设计和生产“专用”的单片机芯片。由于在设计中，已经对“专用
3、”单片机的系统结构最简化、可靠性和成本的最优化等方面都做了全面的综合考虑，所以“专用”单片机具有十分明显的综合优势。 无论专用单片机在用途上有多么“专”，其基本结构和工作原理都是以通用单片机为基础的。,1.2 单片机的发展历史及趋势,1970年微型计算机研制成功后，随后就出现了单片机。尽管单片机出现的历史并不长，按其处理的二进制位数主要分为：4位单片机、8位单片机、16位单片机和32位单片机。但以8位单片机的推出为起点，单片机的发展史大致分为4个阶段。 第一阶段（1976年-1978年）：初级单片机阶段。以1976年Intel公司推出的MCS-48为代表。这个系列的单片机内集成有8位CPU、I
4、/O接口、8位定时器/计数器，寻址范围不大于4K字节，简单的中断功能，无串行接口。 第二阶段（1978年-1982年）：单片机完善阶段。在这一阶段推出的单片机其功能有较大的加强，能够应用于更多的场合。这个阶段的单片机普遍带有串行I/O口、有多级中断处理系统、16位定时器/计数器，片内集成的RAM、ROM容量加大，寻址范围可达64K字节，一些单片机片内还集成了A/D转换接口。这类单片机的典型代表有Intel公司的MCS-51、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。,第三阶段（1982年-1992年）：8位单片机巩固发展及16位高级单片机发展阶段。在此阶段，尽管8位单片机的应用已
5、广泛普及，但为了更好满足测控系统的嵌入式应用的要求，单片机集成的外围接口电路有了更大的扩充。这个阶段单片机的代表为8051系列。许多半导体公司和生产厂以MCS-51的8051为内核，推出了满足各种嵌入式应用的多种类型和型号的单片机。典型代表有Intel公司的MCS-96系列的单片机。 第四阶段（1993年-现在）：百花齐放阶段。现阶段单片机发展的显著特点是百花齐放、技术创新，以满足日益增长的广泛需求。,综观四十多年的发展过程，预计其今后的发展趋势主要体现在以下几方面： （1）CPU的改进 （2）存储器的发展 （3）片内I/O的改进 （4）低功耗化 （5）外围电路内装化 综上所述，单片机正朝着多
6、功能、高性能、高速度、大容量、低功耗、低价格和外围电路内装化的方向发展。,1.3 单片机的特点及应用,单片机之所以能被广泛的应用，主要是因为其具有以下特点： （1）功能较齐全，抗干扰能力很强，使得应用可靠。 （2）简单易学使用方便，使得易于普及。单片机技术是一门较易掌握的技术，应用系统设计、组装、调试已是一件容易的事情，工程技术人员通过学习可很快掌握其应用设计技术。 （3）发展迅速，前景广阔。短短几十年，单片机经过4位机、8位机、16位机、32位机等几大发展阶段。尤其是形式多样、集成度高、功能日臻完善的单片机不断问世，使单片机在工业控制及工业自动化领域获得长足发展和大量应用。目前，单片机内部结
7、构愈加完美，配套的外围功能部件越来越完善，为应用系统向更高层次和更大规模的发展奠定了坚实的基础。 （4）嵌入容易，用途广泛。在单片机出现以后，电路的组成和控制方式都发生了很大变化，因为单片机的体积小、性能价格比高、应用灵活性强等特点，使得制作一套测控系统不再需要大量的分立元件，简化线路的复杂性，提高了电路的可靠性，并且测控功能的绝大部分都已经由单片机的软件程序实现，因此在嵌入式微控制系统中单片机具有十分重要的地位。,1.4 MCS-51系列与STC系列单片机,1.4.1 MCS-51系列单片机 MCS是Intel公司单片机的系列符号，如MCS-48、MCS-51、MCS-96系列单片机。MCS
8、-51系列是在MCS-48系列基础上于20世纪80年代初发展起来的，是最早进入我国，并在我国得到广泛应用的单片机主流品种。 MCS-51系列单片机主要包括：基本型8031/8051/8751（对应的低功耗型为80C31/80C51/87C51）和增强型8032/8052/8752。它们都是8位单片机，兼容性强、性价比高，且软硬件应用设计资料丰富，已为我国广大技术人员所熟悉和掌握。,（1）基本型的典型产品：8031/8051/8751。 8031内部包括1个8位CPU、128B RAM，21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口，2个16位定时器/计数器，5个中断源，
9、但片内无程序存储器，需外扩程序存储器芯片。 8051是在8031的基础上，片内又集成有4KB ROM作为程序存储器。所以8051是一个程序不超过4KB的小系统。ROM内的程序是公司制作芯片时为用户烧制的，主要用在程序已定制好且批量大的单片机产品中。 8751与8051相比，片内集成的4KB EPROM取代了8051的4KB ROM来作为程序存储器。8031外扩一个4KB的EPROM就相当于8751。,（2）增强型的典型产品：8032/8052/8752。 它们是Intel公司在3种基本型产品的基础上推出的52子系列，其内部RAM增到256B，另8052、8752的片内程序存储器扩展到8KB，增
10、强型产品的16位定时器/计数器也均增至3个，中断源增至6个，串行口通信速率提高了5倍。,表1- 1基本型和增强型的MCS-51系列单片机片内的基本硬件资源,1.4.2 STC系列单片机 STC系列单片机是深圳宏晶科技公司研发的基于8051内核的新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统8051。相对于传统的8051内核单片机，STC系列单片机在片内资源、性能以及工作速度上都有很大的改进，有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰强。 尤其采用了基于FLASH的在线系统编程（ISP）技术，使得单片机应用系统的开发变得简单了，无需仿真器或专用编程器就可进行单片机应用系统的开发了，同样也方便了单片机的学习。,
11、STC单片机产品系列化、种类多，现有超过百种的单片机产品，能满足不同单片机应用系统的控制需求。按照工作速度与片内资源配置的不同，STC系列单片机有若干个系列产品。如按照工作速度可分为12T/6T和1T系列，其中12T/6T系列产品指一个机器周期可设置12个时钟或6个时钟，包括STC89和STC90两个系列；而1T系列产品是指一个机器周期仅为1个时钟，包括STC11/10系列和STC12/15等系列。 STC89、STC90和STC11/10系列属于基本配置，而STC12/15系列产品则相应地增加了PWM、A/D和SPI等接口模块。在每个系列中包含若干个产品，其差异主要是片内资源数量上的差异。,
12、在应用选型时，应根据控制系统的实际需求，选择合适的单片机，即单片机内部资源要尽可能地满足控制系统要求，而减少外部接口电路，同时，选择片内资源时遵循够用原则，极大地保证单片机应用系统的高性价比和高可靠性。,1.5 其他常见系列单片机,Intel公司以专利形式把8051内核技术转让给ATMEL、Philips、Cygnal、ANALOG、LG、ADI、Maxim、DALLAS等公司，他们生产的兼容机与8051兼容，采用CMOS工艺，因而常用80C51系列单片机来称呼所有这些具有8051指令系统的单片机，这些兼容机的各种衍生品种统称为51系列单片机或简称为51单片机，是在8051的基础上又增加一些功
13、能模块，被称其为增强型或扩展型子系列单片机。,1.5.1 ATMEL公司的AT89系列单片机 在众多的衍生机型中，ATMEL公司的AT89C5x/AT89S5x系列，尤其是AT89C51/AT89S51和AT89C52/AT89S52在8位单片机市场中占有较大的市场份额。ATMEL公司1994年以EEPROM技术与Intel公司的80C51内核的使用权进行交换。ATMEL公司的技术优势是闪烁（Flash）存储器技术，将Flash技术与80C51内核相结合，形成了片内带有Flash存储器的AT89C5x/AT89S5x系列单片机。,1.5.2 AVR系列 除了51单片机外，目前某些非51单片机也
14、得到了较为广泛的应用，目前应用较广泛是AVR系列与PIC系列单片机，它们博采众长，具独特技术，受到广大设计工程师的关注。 AVR系列是1997年ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生共同研发出的精简指令集(RISCReduced Instruction Set Computer)的高速8位单片机，简称AVR。 AVR单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法。采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将操作数与操作码安排在一字之中，指令长度固定、指令格式与种类相对较少、寻址方式也相对较少，绝大部分指令都为单周期指令。,1.5.3 PI
15、C系列单片机 美国Microchip公司的产品。 最大的特点是从实际出发，重视性能价格比，已经开发出多种型号来满足应用需求。 PIC系列8位单片机采用精简指令集（RISC），数据总线和指令总线分离的哈佛总线（Harvard）结构，指令单字长，且允许指令代码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用复杂指令结构（CISC）结构的8位单片机相比，可以达到2:1的代码压缩，速度提高4倍。,1.6 嵌入式系统定义及组成,1.6.1 嵌入式系统定义 IEEE（国际电气和电子工程师协会）对嵌入式系统的定义：“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。原文为：Devices Used to Contro
16、l，Monitor or Assist the Operation of Equipment，Machinery or Plants）。 国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。,1.6.2 嵌入式系统组成 一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，如图1- 1所示。,执行装置由传感器、驱动器和被控对象组成，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如SONY智能机器狗。 嵌入式计算机系统才是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用功能层组成。,嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。例如Palm之所以在PDA领域占有70%以上的
