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1、1. 1 单片机及其特点在通用微机中央处理器基础上，将输入/输出(I/O)接口电路、时钟电路以及一定容量的存储器等部件集成在同一芯片上，再加上必要的外围器件，如晶体振荡器，就构成了一个较为完整的计算机硬件系统。由于这类计算机系统的基本部件均集成在同一芯片内，因此被称为单片微控制器(Single-Chip-Micro Controller，简称单片机)或微控制单元(MicroController Unit,简称MCU)。,第一章 单片机概述,图1-1 计算机基本结构,MCS - 51单片机的内部结构,MCS - 51单片机结构框图,单片机的结构特点,（1）片内的RAM采用寄存器结构形式，这样可以
2、提高存取的速度; （2）在存储器结构上，严格的将程序存储器ROM和数据存储器RAM在空间上分开; （3）它的引出管脚一般都设计成多功能的; （4）增加了一个全双工的串行接口，以扩充I/O口和外接同步输入和输出设备; （5）有21个特殊功能寄存器;(6) 有丰富的指令系统，内部设置了可以位寻址的位地址空间。,对于通用微处理器来说，其主要任务是数值计算和信息处理，对运算速度和存储容量方面的要求是速度越快越好，容量越大越好，因此它沿着高速、大容量方向发展：字长由8位(如8085处理器)、16位(如8086、80286)，迅速向32位(如80486)、64位(如Pentium系列CPU，Pentium
3、系列CPU内部数据总线为32位，对外数据总线为64位，因而Pentium还不是真正意义上的64位微处理器)过渡，时钟信号的频率由最初的4.77 MHz向33 MHz、66 MHz、100 MHz、200 MHz、400 MHz、600 MHz、1 GHz、2 GHz，甚至更高频率过渡。而单片机主要面向工业控制，8位字长已足够(在工业控制中，一般仅需要控制线路的通、断，触点的吸合与释放，有时4位单片机也能胜任)，尽管也有16位、32位的单片机芯片，但这些高档单片机芯片主要用于语音、图像处理系统，绝对数量不多；时钟信号频率也不高，一般在数十兆以内。,单片机主要发展方向是不断强化控制功能(即将更多的
4、外围电路单元集成到CPU内)、低功耗(以便电池供电)、低成本(例如在CPU芯片内，按用途分别集成不同的外围电路，形成系列化产品，这样既能满足不同应用领域的需要，又降低了成本)。单片机芯片作为控制系统的核心部件，它除了具备通用微机CPU的数值计算功能外，还必须具有灵活、强大的控制功能，以便实时监测系统的输入量、控制系统的输出量，实现自动控制。由于单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，如高温、强电磁干扰，甚至含有腐蚀性气体，在太空中工作的单片机控制系统，还必须具有抗辐射能力，因而决定了单片机CPU与通用微机CPU具有不同的技术特征和发展方向：,(1) 抗干扰性强，工作温度范围宽。 (2) 可靠
5、性高。 (3) 控制功能往往很强，数值计算能力较差。 (4) 指令系统比通用微机系统简单。(5) 更新换代速度比通用微处理器慢得多，Intel公司1980年推出标准MCS-51内核8051(HMOS工艺)、80C51(CHMOS工艺)单片机芯片后，持续生产、使用十余年，直到1996年3月才被增强型MCS-51内核8XC5X系列芯片取代。由于增强型MCS-51单片机芯片均采用CHMOS工艺，因此Philips公司将“增强型MCS-51”内核称为“增强型80C51” 内核。,1.2 单片机的产生与发展单片机出现的历史并不长, 但发展十分迅猛。 它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步, 自19
6、71年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来, 它的发展到目前为止大致可分为5个阶段:,第1阶段（19711976）: 单片机发展的初级阶段。 1971年11月Intel公司首先设计出集成度为2 000只晶体管/片的4位微处理器Intel 4004, 并配有RAM、 ROM和移位寄存器, 构成了第一台MCS4微处理器, 而后又推出了8位微处理器Intel 8008, 以及其它各公司相继推出的8位微处理器。,第2阶段（19761980）: 低性能单片机阶段。 以1976年Intel公司推出的MCS48系列为代表, 采用将8位CPU、 8位并行I/O接口、 8位定时/计数器、 RAM和ROM等
7、集成于一块半导体芯片上的单片结构, 虽然其寻址范围有限（不大于4 KB）, 也没有串行I/O, RAM、 ROM容量小, 中断系统也较简单, 但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、 仪表等的需要。,第3阶段（19801983）: 高性能单片机阶段。 这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口, 有多级中断处理系统, 多个16位定时器/计数器。 片内RAM、 ROM的容量加大,且寻址范围可达64 KB, 个别片内还带有A/D转换接口。,第4阶段（198380年代末）: 16位单片机阶段。 1983年Intel公司又推出了高性能的16位单片机MCS96系列, 由于其采用了最新的制造工艺, 使芯片
8、集成度高达12万只晶体管/片。 第5阶段（90年代）: 单片机在集成度、 功能、 速度、 可靠性、 应用领域等全方位向更高水平发展。,2.1. 3 单片机技术现状及发展趋势,目前单片机芯片系列、品种、规格繁多，先后经历4位机、8位机、16位机、新一代8位机、32位机等几个有代表性的发展阶段。4位机主要用于家用电器，如电视机、空调机、洗衣机中，不过随着8位机价格的下降，在家用电器中已开始大量采用8位机，以便在家用电器中采用一些新技术，如模糊控制、变频调速等，提高家用电器的智能化、自动化程度，并尽可能降低系统的能耗；16位机具有较强的数值运算能力和较快的反映速度，常用在需要实时控制、实时处理的系统
9、中，尽管16位单片机进入市场已有十余年，但一直未能取代8位机成为主流产品，目前已被强化了控制接口功能的新一代8位机和数值运算能力极强的32位机所取代；,32位机具有很强的数值计算能力，在图像处理、机器人控制需求的刺激下，32位机的销量也在迅速上升。在今后一段时期内，8位、16位和32位单片机芯片销量的绝对值可能会有不同程度的增长，但在目前，甚至今后相当长，如5年、10年时间内8位单片机，尤其是强化了控制接口功能的新一代8位单片机，如80C51、MC68HC11系列依然是单片机的主流产品。因此，本书也主要介绍8位单片机原理及系统组成。8位单片机先后经历了三个发展阶段，其中：第一代8位单片机系统(
10、如Intel公司的MCS-48系列)功能较差，它实际上是8位通用CPU单元电路和基本I/O接口电路、小容量存储器、中断控制系统的简单组合，没有串行通讯功能，不带A/D(模/数)、D/A(数/模)转换器，中断控制和管理能力也较弱。因此，它的应用范围受到了很大的限制。,第二代8位单片机的特点是通用性强，但个性还不突出，控制功能也有限，依然不能满足不同应用领域、不同测控系统的要求。在20世纪90年代中后期，各大芯片厂商，如Intel、Philips、Motorola、Temic Seconductor Technology、Microchip等在第二代单片机CPU内核基础上，除了进一步强化原有功能(
11、如在串行口部件中增加帧错误侦测和自动地址识别功能)外，针对不同的应用领域，将不同功能、用途的外部接口电路嵌入到第二代单片机CPU内，形成了规格、品种繁多的新一代8位单片机芯片，如Intel、Philips、Atmel公司的8XC5X系列，Motorola公司的68HC05、68HC11系列，Micro Chip公司的PIC16C系列等。在新一代8位单片机中，以增强型MCS-51为内核的8XC5X系列、以6801为内核的68HC05和68HC11系列目前已成为主流单片机芯片。,2.1.4新一代8位单片机芯片主要特征,(1) 片内存储器容量大，规格多，程序存储器类型也趋于多样化。该系列不同品种的片
12、内程序存储器容量从4 KB扩展到8 KB(83C51FA、87C51FA、87C52、89C52)、16 KB(83C51FB、87C51FB、87C54、89C54、P89C660)、32 KB(83C51FC、87C51FC、87C58、89C58、P89C51RC+、P89C51RC2、P89C662)，甚至64 KB(如P89C51RD+、P89C51RD2、P89C664、P89C6XX2)，片内RAM存储器容量从128 B扩展到512 B(如P89C51RC+、P89C51RC2、P89C660、P89C60X2)、1 KB(如P89C51RD+、P89C51RD2、P89C662
13、、P89C61X2)、2 KB(如P89C664)，甚至8 KB(如P89C668)。,片内程序存储器种类也不再局限于掩模ROM、EPROM和EEPROM(电擦写的只读存储器，如Philips公司的8XC851)，而是以OTP ROM(如Intel公司的87C51GB、Philips公司的80C51系列单片机中几乎各个品种均有OTP ROM型号)和 Flash ROM(如Philips公司的P89C51/52/54/58系列、P89C51RX系列、P89C66X系列，Atmel公司的AT89C51系列)为主。,(2) 指令执行时间大大缩短，一方面最高时钟频率从12 MHz提高到16 MHz、2
14、4 MHz、33 MHz，甚至40 MHz；另一方面缩短机器周期，如8XC5XX2、P89C6XX2、P89C51RX、P89C66X、P87LPC76X系列等均提供6时钟/机器周期运行模式，提高了这些产品的实时处理能力，也降低了电磁辐射指标(由于机器周期缩短了，可以使用更低频率的晶振)。,(3) 扩展了接口电路功能，如增加了高速I/O接口；扩展了I/O口引线数目，Philips公司的80C451、83C451、87C451品种I/O引脚数目高达56条，即有7个I/O口；扩展了中断源数量，Philips公司的80CL31、80CL51、80CL410、83CL410可以直接控制、管理多达10个
15、外部中断源，无须专门扩展；在部分型号中，集成了ADC转换器、PWM脉冲宽度调制输出接口、可编程计数阵列PCA。将不同功能的接口电路嵌入基本型单片机芯片后，用户就可以根据用途选择相应型号的单片机芯片，无须通过外部扩展，减少了芯片数目，从而减少了印制板的面积，提高了系统的可靠性，降低了成本。,(4) 增加了串行接口部件规格和数量，除了保留异步串行通讯接口部件UART外，还增加了I2C、SPI或CAN总线。集成了I2C总线接口部件后，与I2C总线接口存储器、时钟芯片等外设器件连接就非常方便。(5) 部分型号增加了定时复位(Watchdog)监控电路，提高了系统的抗干扰能力。(6) 封装形式多样化，同
16、一型号的CPU具有多种封装形式，如PDIP封装(Plastic Dual In-line Package，即塑料双列直插式)、CDIP封装(Ceramic Dual In-line Package，即陶瓷双列直插式)、PLCC(方形壁插塑封)、CLCC(方形壁插陶瓷封装)、PQFP(塑料方形四边引线扁平封装)。,1.3单片机的应用 由于单片机具有体积小、 重量轻、 价格便宜、 功耗低, 控制功能强及运算速度快等特点, 因而在国民经济建设、 军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。 按照单片机的特点, 其应用可分为单机应用与多机应用。 1. 单机应用在一个应用系统中, 只使用1片单片机称为单机应用, 这是目前应用最多的一种方式。 单片机应用的主要领域有:,(1) 测控系统。 用单片机可以构成各种不太复杂的工业控制系统、 自适应控制系统、 数据采集系统等, 达到测量与控制的目的。 (2) 智能仪表。 用单片机改造原有的测量、 控制仪表, 促进仪表向数字化、 智能化、 多功能化、 综合化、 柔性化方向发展。 (3) 机电一体化产品。 单片机与传统的机械产品相结合, 使传统机械产品结构简化, 控制智能化。,
