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1、单片机培训第一讲: 单片机概述,SoC 和51本讲座包括如下三部分内容:单片机概述SOC和 51初学单片机几个不易掌握的概念单片机概述这一部分包括以下内容: 单片机概念MCS51单片机和8051、8031、89C51等的关系CISC与RISC 一.何谓单片机 一台能够工作的计算机要有这样几个部份构成：CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：串行口、并行输出口等）。在个人计算机上这些部份被分成若干块芯片，安装一个称之为主板的印刷线路板上。而在单片机中，这些部份，全部被做到一块集成电路芯片中了，所以就称为单片（单芯片）机，而且有一些单片机中除了上述部
2、份外，还集成了其它部份如A/D，D/A等。 天！PC中的CPU一块就要卖几千块钱，这么多东西做在一起，还不得买个天价！再说这块芯片也得非常大了。 不，价格并不高，从几元人民币到几十元人民币，体积也不大，一般用40脚封装，当然功能多一些单片机也有引脚比较多的，如68引脚，功能少的只有10多个或20多个引脚，有的甚至只8只引脚。为什么会这样呢？ 功能有强弱，打个比方，市场上面有的组合音响一套才卖几百块钱，可是有的一台功放机就要卖好几千。另外这种芯片的生产量很大，技术也很成熟，51系列的单片机已经做了十几年，所以价格就低了。 既然如此，单片机的功能肯定不强，干吗要学它呢？ 话不能这样说，实际工作中并
3、不是任何需要计算机的场合都要求计算机有很高的性能，一个控制电冰箱温度的计算机难道要用PIII？应用的关键是看是否够用，是否有很好的性能价格比。所以8051出来十多年，依然没有被淘汰，还在不断的发展中。 二、MCS51单片机和8051、8031、89C51等的关系我们平常老是讲8051，又有什么8031，现在又有89C51，它们之间究竟是什么关系? MCS51是指由美国INTEL公司（对了，就是大名鼎鼎的INTEL）生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051
4、的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。以后我们将用89C51来完成一系列的实验。三.CISC与RISC CISC，Complex Instruction Set Computer，复杂指令系统计算机。RISC，Reduced Instruct
5、ion Set Computer，精简指令系统计算机。虽然这两个名词是针对计算机的，但下文我们仍然只对指令集进行研究。 （）CISC的产生、发展和现状 一开始，计算机的指令系统只有很少一些基本指令，而其他的复杂指令全靠软件编译时通过简单指令的组合来实现。举个最简单的例子，一个a乘以b的操作就可以转换为a个b相加来做，这样就用不着乘法指令了。当然，最早的指令系统就已经有乘法指令了，这是为什么呢？因为用硬件实现乘法比加法组合来得快得多。 由于那时的计算机部件相当昂贵，而且速度很慢，为了提高速度，越来越多的复杂指令被加入了指令系统中。但是，很快又有一个问题：一个指令系统的指令数是受指令操作码的位数所
6、限制的，如果操作码为8位，那么指令数最多为256条（2的8次方）。 那么怎么办呢？指令的宽度是很难增加的，聪明的设计师们又想出了一种方案：操作码扩展。前面说过，操作码的后面跟的是地址码，而有些指令是用不着地址码或只用少量的地址码的。那么，就可以把操作码扩展到这些位置。 举个简单的例子，如果一个指令系统的操作码为2位，那么可以有00、01、10、11四条不同的指令。现在把11作为保留，把操作码扩展到4位，那么就可以有00、01、10、1100、1101、1110、1111七条指令。其中1100、1101、1110、1111这四条指令的地址码必须少两位。 然后，为了达到操作码扩展的先决条件：减少地
7、址码，设计师们又动足了脑筋，发明了各种各样的寻址方式，如基址寻址、相对寻址等，用以最大限度的压缩地址码长度，为操作码留出空间。 就这样，慢慢地，CISC指令系统就形成了，大量的复杂指令、可变的指令长度、多种的寻址方式是CISC的特点，也是CISC的缺点：因为这些都大大增加了解码的难度，而在现在的高速硬件发展下，复杂指令所带来的速度提升早已不及在解码上浪费点的时间。除了个人PC市场还在用x86指令集外，服务器以及更大的系统都早已不用CISC了。x86仍然存在的唯一理由就是为了兼容大量的x86平台上的软件。 （）RISC的产生、发展和现状 1975年，IBM的设计师John Cocke研究了当时的
8、IBM370CISC系统，发现其中占总指令数仅20%的简单指令却在程序调用中占了80%，而占指令数80%的复杂指令却只有20%的机会用到。由此，他提出了RISC的概念。事实证明，RISC是成功的。80年代末，各公司的RISC CPU如雨后春笋般大量出现，占据了大量的市场。到了90年代，x86的CPU如pentium和k5也开始使用先进的RISC核心。 RISC的最大特点是指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少，大多数是简单指令且都能在一个时钟周期内完成，易于设计超标量与流水线，寄存器数量多，大量操作在寄存器之间进行。由于下文所讲的CPU核心大部分是讲RISC核心，所以这里就不多介绍了，对
9、于RISC核心的设计下面会详细谈到。 RISC目前正如日中天，Intel的Itanium也将最终抛弃x86而转向RISC结构。SoC 和 51系列一. SOC由于集成规模的扩大，原先由许多IC组成的电子系统有可能集成在一个单片上，构成所谓系统芯片（System On Chip，简称SOC）。系统芯片与集成电路（IC）相比，不再是一种功能单一的单元电路，而是将信号采集、处理和输出等完整的系统集成在一起，成为一个有某种应用目的的电子系统单片。电子系统传统的设计方法是在PCB（Printed Circuit Board）级完成的。系统设计人员利用各IC制造商生产的通用集成电路，在PCB上构成系统，系
10、统的调试也在PCB上进行。这种开发设计方法要求设计者具有丰富的硬件知识和调试能力，产品开发周期长，投资较大，涉及修改困难。此外，由于PCB连线的延时、空间尺度、重量和可靠性等制约，整机性能受到很大限制。如果能将整个系统最终集成在一个单片上，无疑对于提高产品性能、缩小产品体积具有极大帮助。因而，SOC是电子系统开发设计的合理选择。 微电子技术的近期发展成果，为SOC的实现提供了多种途径。对于经过验证而又具有批量的系统芯片，可以做成专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit,简称ASIC）大量生产。而对于一些仅小批量应用或出于开发阶段的SOC，若马
11、上投入流片生产，需要投入较多的资金，承担较大的试制风险。近十几年发展起来的高密度可编程逻辑器件（Density Programmable Logic Device,简称HDPLD），则提供了另一种实现途径。可编程逻辑器件（PLD）是一种由IC制造商大批量定型生产的半定制产品，器件内部的逻辑功能由户设计和制造，是一种价格低廉、而硬件功能可多次编程重构的器件。可编程逻辑器件的出现，使得系统设计人员有可能在不改变系统硬件结构的前提下，修改完善甚至重新设计系统的硬件功能，使电子系统的硬件具有了“柔性”，极大地改变了硬件的刚性结构状态，甚至可以使电子系统的硬件功能状态调整，以适应外界使用环境的变化。 可
12、编程逻辑器件产生于20世纪70年代，其出现的最初目的是为了用较少的PLD品种替代种类繁多的各式中小规模逻辑电路。在30多年的发展过程中，PLD的结构、工艺、功耗和工作速度等性能都得到了重大改进。尤其是在20世纪80年代，出现了HDPLD，可编程逻辑器件的单片集成度由原来的数百到数千门，发展到数万、数十万甚至数百万门，芯片的I/O引脚也有2024脚发展到4001000个引脚，为用户提供了大量的可编程逻辑资源和触发器，可以实现各种逻辑功能（包括组合逻辑和时序逻辑），有的PLD制造商还推出了嵌入系统级功能模块的核，使之具有强大功能。因此，完全可能将一个电子系统集成在一个HDPLD单片上，为SOC的实
13、现提供了一种简单易行而又成本低廉的手段，极大地促进了SOC的发展。 SOC的设计理念与传统IC不同。SOC把系统的处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直到器件的设计紧密结合，在一个或若干个单片上完成整个系统的功能。与普通IC的设计不同，SOC的设计以IP核为基础，以硬件描述语言为系统功能的主要描述手段，借助于以计算机为平台的EDA工具进行。SOC的出现是电子设计领域的一场革命。如果说在上个世纪，电子系统的设计主要是在PCB层次上将各种元器件合理连接，那么进入本世纪后，电子系统的设计将主要使以HDPLD或ASIC为物理载体的系统芯片的设计，它对电子信息产业的影响将不亚于20世纪60年代集成电
14、路的出现所产生的影响。二.51系列一)、单片机的外部结构 拿到一块芯片，想要使用它，首先必须要知道怎样连线，我们用的一块称之为89C51的芯片，下面我们就看一下如何给它连线。 1、 电源：这当然是必不可少的了。单片机使用的是5V电源，其中正极接40引脚，负极（地）接20引脚。2、 振蒎电路：单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用晶体振荡器，接18、19脚。只要买来晶振，电容，连上就可以了，按图1接上即可。 3、 复位引脚：按图1中画法连好，至于复位是何含义及为何需要复位，在单片机功能中介绍。 4、 EA引脚：EA引脚接到正电源端。 至此，一个单片机
15、就接好，通上电，单片机就开始工作了。 图二)、 任务分析我们的第一个任务是要用单片机点亮一只发光二极管LED，显然，这个LED必须要和单片机的某个引脚相连，否则单片机就没法控制它了，那么和哪个引脚相连呢？单片机上除了刚才用掉的5个引脚，还有35个，我们将这个LED和1脚相连。（见图1，其中R1是限流电阻）按照这个图的接法，当1脚是高电平时，LED不亮，只有1脚是低电平时，LED才发亮。因此要1脚我们要能够控制，也就是说，我们要能够让1引脚按要求变为高或低电平。即然我们要控制1脚，就得给它起个名字，总不能就叫它一脚吧？叫它什么名字呢？设计51芯片的INTEL公司已经起好了，就叫它P1.0，这是规
16、定，不可以由我们来更改。 名字有了，我们又怎样让它变高或变低呢？叫人做事，说一声就可以，这叫发布命令，要计算机做事，也得要向计算机发命令，计算机能听得懂的命令称之为计算机的指令。让一个引脚输出高电平的指令是SETB，让一个引脚输出低电平的指令是CLR。因此，我们要P1.0输出高电平，只要写SETB P1.0，要P1.0输出低电平，只要写 CLR P1.0就可以了。现在我们已经有办法让计算机去将P10输出高或低电平了，但是我们怎样才能计算机执行这条指令呢？总不能也对计算机也说一声了事吧。要解决这个问题，还得有几步要走。第一，计算机看不懂SETB CLR之类的指令，我们得把指令翻译成计算机能懂的方式，再让计算机去读。计算机能懂什么呢？它只懂一样东西数字
