第一章 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述

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2、述 自七十年代中期推出美國(guó)仙童（Fairchild）公司生產(chǎn)出第一臺(tái)F8單片機(jī)到目前，單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，其發(fā)展主要經(jīng)歷了以下四個(gè)階段： 第一節(jié)段（19741976年）：?jiǎn)纹瑱C(jī)初級(jí)階段。因半導(dǎo)體工藝限制，單片機(jī)采用雙片的形式而且功能比較簡(jiǎn)單。例如仙童公司生產(chǎn)的F8單片機(jī)，實(shí)際上只包括了8位CPU、64個(gè)字節(jié)RAM和兩個(gè)并行口。因此，還須、需加1塊3815（由1K ROM、定時(shí)器/記數(shù)器和2個(gè)并行I/O口構(gòu)成）才能組成一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)。第二階段（19761978年）：低性能單片機(jī)問(wèn)世，以INTEL公司的MCS48為代表。這個(gè)系列的單片機(jī)內(nèi)集成有8位CPU、并行I/O口、8位定時(shí)器

3、，RAM和ROM等，尋址范圍在4K內(nèi)，不足之處是無(wú)串行口，中斷處理比較簡(jiǎn)單。第三階段（19781983年）：高性能單片機(jī)問(wèn)世。在這一階段推出的單片機(jī)普遍帶有串行口，有多級(jí)中斷處理系統(tǒng)、16位定時(shí)器/記數(shù)器。片內(nèi)RAM、ROM容量加大，尋址范圍可達(dá)64K字節(jié)，有的片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換器接口。這類(lèi)單片機(jī)的典型代表是Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的6801系列和Zilog公司的Z8等。這類(lèi)單片機(jī)的性?xún)r(jià)比較高，目前仍被廣泛應(yīng)用，是目前應(yīng)用數(shù)量較多的單片機(jī)。第四階段（1983當(dāng)今）：8位單片機(jī)鞏固發(fā)展以及16位單片機(jī)32位單片機(jī)推出階段。此階段主要特征是一方面發(fā)展16位單片機(jī)、3

4、2位單片機(jī)及專(zhuān)用型單片機(jī)；另一方面不斷完善高檔8位單片機(jī)，改善其結(jié)構(gòu)，以滿足不同的用戶需要。16位單片機(jī)的典型產(chǎn)品如Intel公司的MCS-96系列。 近幾年來(lái)單片機(jī)的發(fā)展速度很快，縱觀各個(gè)系列的單片機(jī)產(chǎn)品的特性，可以看出單片機(jī)正朝著高性能化、存儲(chǔ)器大容量化和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。1. 單片機(jī)的高性能化：主要是指進(jìn)一步改進(jìn)CPU的性能，增加CPU的字長(zhǎng)或提高時(shí)鐘頻率均可提高CPU的數(shù)據(jù)處理能力和運(yùn)算速度。CPU的字長(zhǎng)已有8位、16位到32位。時(shí)鐘頻率高達(dá)40MHz的單片機(jī)也已出現(xiàn)。加快指令運(yùn)算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性，并加強(qiáng)了位處理功能、中斷和定時(shí)控制功能；采用流水線結(jié)構(gòu)，指令以隊(duì)

5、列形式出現(xiàn)在CPU中，從而有很高的運(yùn)算速度。有的單片機(jī)采用了多流水線結(jié)構(gòu)，這類(lèi)單片機(jī)的運(yùn)算速度要比標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)高出10倍以上。單片機(jī)內(nèi)部采用雙CPU結(jié)構(gòu)也能大大提高處理能力，如Rockwell公司的R6500/21和R65C29單片機(jī)。由于片內(nèi)有兩個(gè)CPU能同時(shí)工作，可以更好地處理外圍設(shè)備的中斷請(qǐng)求，克服了單CPU在多重高速中斷響應(yīng)時(shí)的失效問(wèn)題。同時(shí)，由于雙CPU可以共享存儲(chǔ)器和I/O接口的資源，因此，還可更好地解決信息通訊問(wèn)題。如Intel公司的8044，它的內(nèi)部實(shí)際上是8051和SIU通信處理機(jī)組成，由SIU來(lái)管理SDLC的通信。這樣既加快了通信的速度，同時(shí)，還減輕了8051的處理負(fù)擔(dān)。2

6、. 存儲(chǔ)器大容量化：以往單片機(jī)內(nèi)部的ROM為14KB，RAM為64128字節(jié)。因此在某些復(fù)雜的應(yīng)用上，存儲(chǔ)器容量不夠，不得不外接擴(kuò)充。為了適應(yīng)這種領(lǐng)域的要求，運(yùn)用新的工藝，使片內(nèi)存儲(chǔ)器大容量化。目前，單片機(jī)的ROM多達(dá)16K字節(jié)，RAM為256字節(jié)。 另外，片內(nèi)EPROM開(kāi)始EE PROM化發(fā)展。早期單片機(jī)內(nèi)ROM有的采用可擦式的只讀存儲(chǔ)器EPROM，然而EPROM必須要高壓編程，紫外線擦除，給使用帶來(lái)不便。近年來(lái)，推出的電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM可在正常工作電壓下進(jìn)行讀寫(xiě)，并能在斷電的情況下，保持信息不丟失。使用EEPROM或FLASH RAM的單片機(jī)采用在系統(tǒng)可編程技術(shù)（ISP，I

7、n System Programable）大大方便了系統(tǒng)的調(diào)試及應(yīng)用程序的升級(jí)。3. 更多的外圍電路內(nèi)裝化：加強(qiáng)片內(nèi)輸入輸出接口的種類(lèi)和功能，這也是單片機(jī)發(fā)展的主要?jiǎng)酉?。最初的單片機(jī)，片內(nèi)只有并行輸入/輸出接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。在實(shí)際應(yīng)用中往往還要外接特殊的接口以擴(kuò)展系統(tǒng)功能，增加了應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。隨著集成度的不斷提高，有可能把更多的各種外圍功能器件集成在片內(nèi)。這不僅大大提高了單片機(jī)的功能，并使應(yīng)用系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)也大大簡(jiǎn)化了。且提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)的成本。例如，有些單片機(jī)的并行I/O口，能直接輸出大電流和高電壓，可直接用以驅(qū)動(dòng)熒光顯示管（VFD）、液晶顯示管（LCD）和七段碼顯

8、示管（LED）等。這樣就減少了應(yīng)用系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)器。再如有些單片機(jī)，片內(nèi)含有A/D轉(zhuǎn)換器，則在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中可省掉外部A/D轉(zhuǎn)換器。目前，在單片機(jī)中已出現(xiàn)的各類(lèi)新穎接口有數(shù)十種：如A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、DMA控制器、CRT控制器、LCD驅(qū)動(dòng)器、LED驅(qū)動(dòng)器、正弦波發(fā)生器、聲音發(fā)生器、字符發(fā)生器、波特率發(fā)生器、鎖相環(huán)、頻率合成器、脈寬調(diào)制器等等。 單片機(jī)的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是，加強(qiáng)I/O的驅(qū)動(dòng)能力。有的單片機(jī)可輸出大電流和高電壓，直接驅(qū)動(dòng)熒光顯示管（VFD），液晶顯示管（LCD）和七段數(shù)碼顯示管（LED）等；對(duì)于片內(nèi)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，有些增加了時(shí)間監(jiān)視器（Watchdog）功能；還有的單片機(jī)具有鎖

9、相環(huán)（PLL）控制、正弦波發(fā)生器和發(fā)聲等特殊功能，如Motorola公司的6805T2就帶有PLL邏輯；GI公司的PIC1600系列內(nèi)部含有8位實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器和Watchdog定時(shí)器。4. 單片機(jī)在工藝上的提高單片機(jī)的制造工藝直接影響其性能。早期的單片機(jī)采用PMOS工藝，隨后逐漸采用NMOS，HMOS和CMOS工藝。目前，8位 單片機(jī)中有二分之一產(chǎn)品已CMOS化，16位單片機(jī)也已開(kāi)始推出CMOS型產(chǎn)品。如68HC200、，80C196等。為了進(jìn)一步降低功能，日立公司的HD63705和RCA公司的CDP6805E2還設(shè)有等待（Wait）和停止（Stop）兩種工作方式。等待方式時(shí)，振蕩器工作，CP

10、U 停止，存儲(chǔ)器的內(nèi)容則不變。停止方式時(shí)，振蕩器和CPU都停止工作，存儲(chǔ)器和寄存器內(nèi)容也保持不變。等待方式時(shí)，由于CPU停止工作，使單片機(jī)的總功耗大為下降。停止方式時(shí)，則單片機(jī)的功耗為最小，例如RCA公司的CDP8605E2，在5V工作電壓下，正常功耗為35 mW，等待和停止方式時(shí)的功耗分別僅為5mW和5 W.。用電池供電的低電壓工作、低功耗單片機(jī)非常適合野外作業(yè)的工控設(shè)備。 1.2 單片機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域 與一般的微型計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)的具有以下特點(diǎn)：1 小巧靈活、成本低易于產(chǎn)品化2 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)溫度范圍寬。3 易擴(kuò)展，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。4 控制功能強(qiáng)。具有位處理

11、指令，有很強(qiáng)的邏輯操作功能。5 容易實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制。 按照單片機(jī)的特點(diǎn)，單片機(jī)可分為單片機(jī)應(yīng)用和多機(jī)應(yīng)用。1.單機(jī)應(yīng)用 在一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中，只使用一片單片機(jī)，這是目前應(yīng)用最多的方式，單片機(jī)應(yīng)用的主要領(lǐng)域有：（1） 測(cè)控系統(tǒng)用單片機(jī)可構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。達(dá)到測(cè)量與控制的目的。例如：溫室人工氣候控制、水閘自動(dòng)控制、電鍍生產(chǎn)自動(dòng)控制、汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)、車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)等。（2）智能儀表 用單片機(jī)改造原有的測(cè)量、控制儀表，能推動(dòng)儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合發(fā)展化。如溫度、壓力、流量、濃度顯示、控制儀表等。通過(guò)采用單片機(jī)軟件編程技術(shù)，使長(zhǎng)期以來(lái)測(cè)量?jī)x表中的誤差

12、修正、線性化處理等用硬件電路難以實(shí)現(xiàn)的難題迎刃而解。（3）機(jī)電一體化產(chǎn)品 單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)合，使傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，控制智能化，構(gòu)成新一代的機(jī)、電一體化產(chǎn)品。例如在電傳打字機(jī)的設(shè)計(jì)中由于采用了單片機(jī)可提高可靠性及增強(qiáng)功能，降低控制成本。（4）智能接口在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，特別是較大型的工業(yè)測(cè)、控系統(tǒng)中，如果用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理、單片機(jī)與主機(jī)可并行工作，大大提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。例如，在大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，用單片機(jī)對(duì)模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行控制不僅可提高采集速度，還可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如數(shù)字濾波、線行化處理、誤差修正等。 2多機(jī)應(yīng)用 單片機(jī)的多機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可分為功能集散系統(tǒng)，并行多機(jī)處理及局部網(wǎng)

13、絡(luò)系統(tǒng)。1） 多功能集散系統(tǒng)是為了滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能要求而設(shè)置的多機(jī)系統(tǒng)。例如一個(gè)加工中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由多片單片機(jī)構(gòu)成，每個(gè)單片機(jī)完成某個(gè)獨(dú)立功能，如機(jī)床加工運(yùn)行控制，控制對(duì)刀系統(tǒng)、坐標(biāo)系統(tǒng)、刀庫(kù)管理、狀態(tài)監(jiān)視、伺服驅(qū)動(dòng)等。2） 并行多機(jī)控制系統(tǒng)。并行多機(jī)控制系統(tǒng)主要解決工程應(yīng)用系統(tǒng)的快速問(wèn)題，以便構(gòu)成大型實(shí)時(shí)工程應(yīng)用系統(tǒng)。3） 局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的出現(xiàn)使單片機(jī)應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的水平。目前單片機(jī)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是分布式的測(cè)、控系統(tǒng)。單片機(jī)主要用于系統(tǒng)中的通信控制，以及構(gòu)成各種測(cè)、控用的子級(jí)系統(tǒng)。3.3 基于MCS51內(nèi)核的單片機(jī)簡(jiǎn)介MCS51系統(tǒng)單片機(jī)是INTEL公司在MCS4

14、8系列單片機(jī)的基礎(chǔ)之上推出的高性能8位單片機(jī)。它基本上可以滿足用戶的一般要求，它是工業(yè)過(guò)程控制、智能化儀器、數(shù)控機(jī)床、位總線分布式控制、以及通信系統(tǒng)的優(yōu)選機(jī)種。1983年INTEL公司又推出了16位單片機(jī)MCS-96系列單片機(jī)。51系列單片機(jī)的主要品種1. 按照功能劃分有以下一些類(lèi)型：(1) 基本型（又稱(chēng)51子系列）：有8031、8051、8751、80C31、80C51、 87C51等。8031與80C31不同點(diǎn)在于前者采用了HMOS工藝制造，前者采用了CHMOS工藝制造。(2) 增大內(nèi)部存儲(chǔ)器的基本型（又稱(chēng)52子系列）：有8032、8052、8752、80C32、80C52、 87C52等

15、。此種單片機(jī)的內(nèi)部ROM和RAM 容量比基本型的增大一倍。(3) 低功耗基本型：有80C31BH、80C51BH、87C51等。這類(lèi)型號(hào)帶有“C”字的單片機(jī)是采用CHMOS工藝，CHMOS是CMOS和HMOSD的結(jié)合，保持了HMOS高速的和高密度的特點(diǎn)，又具有CMOS低功耗的特點(diǎn)。低功耗基本型采用了兩種掉電工作方式：一種是軟件啟動(dòng)空閑方式，也就是CPU停止工作，其它部分仍繼續(xù)工作；另一種是軟件啟動(dòng)掉電方式，即除片內(nèi)RAM繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)外，其它工作都停止。87C51還有兩級(jí)程序存儲(chǔ)器保密系統(tǒng)，防止非法拷貝程序。(4) 高級(jí)語(yǔ)言型：如8052AHBASIC芯片內(nèi)固化有MCSBASIC52解釋程序。B

16、ASIC52語(yǔ)言能和匯編語(yǔ)言混用。(5) 可編程計(jì)數(shù)陣列（PCA）型：如83C51FA、80C51FA、87C51FA、83C51FB、80C51FB。87C51FB。這些產(chǎn)品都是CHMOS器件，具有兩種特點(diǎn)：一種是有5個(gè)比較/捕捉模塊，每個(gè)模塊可執(zhí)行16位捕捉正跳變觸發(fā)、16位捕捉負(fù)跳變觸發(fā)、16位捕捉正負(fù)跳變、16位軟件定時(shí)器、16位高速輸出以及8位脈沖寬度調(diào)制等6種功能；另一種特點(diǎn)是有一個(gè)增強(qiáng)的多機(jī)通訊串行接口。因此，此種單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)幀錯(cuò)誤檢測(cè)、自動(dòng)地址識(shí)別（主機(jī)只有收到它自己的地址時(shí)CPU才被中斷，并一次可同2個(gè)從機(jī)通訊）、增加PCA和T2兩個(gè)中斷等功能。(6) A/D型：如83C5

17、1GA、80C51GA、87C51GA等，這類(lèi)單片機(jī)是83C51BH的增強(qiáng)型，具有下述新增加功能：帶有8路8位A/D；半雙工同步串行接口；擁有16位監(jiān)視定時(shí)器（WDT）；振蕩器失效檢測(cè)；擴(kuò)展了A/D中斷和串行口中斷，使中斷源達(dá)7個(gè)。(7) DMA型：一類(lèi)是DMA、GSC型，如83C152JA、80C152JA、80C152JB、83C152JC、80152JD。這類(lèi)單片機(jī)由新的特殊功能寄存器支持，具有DMA目的地址，DMA源地址、DMA字節(jié)計(jì)數(shù)共58個(gè)特殊功能寄存器。它們除了具有局部串行通道LSC外，還有一個(gè)全局串行通道GSC（多規(guī)程、高性能的串行接口）。另一類(lèi)是DMA、FIFO型，如83C4

18、52、80C452、87C452P。此類(lèi)單片機(jī)新增加的功能是：128字節(jié)的雙向先進(jìn)先出（FIFO）RAM陣列，采用環(huán)行指針管理讀和寫(xiě)；有兩個(gè)相同的DMA通道，允許從一個(gè)可寫(xiě)入的存儲(chǔ)器到另一個(gè)可寫(xiě)入存儲(chǔ)器的高速數(shù)據(jù)傳送；特殊功能寄存器增至34個(gè)；增加先進(jìn)先出從機(jī)接口、DMA0和DMA1三個(gè)中斷源。(8) 多并行口型：如83C451、80C451。此類(lèi)單片機(jī)是在80C51基礎(chǔ)上，新增加和P1口相同的8位準(zhǔn)雙向口P4和P5口。還增加一個(gè)特殊的內(nèi)部具有上拉電路的8位雙向口P6口。它既可作為標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出口，也可進(jìn)行先選通方式操作（新增4位控制線）。2. 按照存儲(chǔ)器配置狀態(tài)分為三類(lèi)：(1) 片內(nèi)ROM型

19、：如8051AH、8052AH、80C51BH、83C51BH、83C51FA和83C51GA等，這類(lèi)單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器帶有掩模ROM、使用者無(wú)法將程序?qū)懭肫瑑?nèi)。只有在大批量生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)才考慮使用這種類(lèi)型的單片機(jī)。調(diào)好的程序是由生產(chǎn)芯片的廠家用掩模工藝固化到片內(nèi)ROM中去的。(2) 片內(nèi)EPROM型：如8751BH、8752BH、87C51、87C51FA和87C51GA等。使用者可以自行將程序固化到片內(nèi)EPROM中。它可以作為開(kāi)發(fā)者片內(nèi)ROM單片機(jī)的代用芯片。但由于價(jià)格較貴，這種類(lèi)型的單片機(jī)使用還不廣泛。(3) 外接EPROM型：如8031BH、8732BH、80031BH、80C51FA和80

20、C51GA等。使用這種單片機(jī)時(shí)，必須在外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器EPROM或EEPROM。擴(kuò)展的容量可以根據(jù)需要靈活掌握。這種類(lèi)型的單片機(jī)目前國(guó)內(nèi)使用最廣泛。2. MCS51系列的新產(chǎn)品 MCS51系列屬高檔8位單片機(jī)，近年來(lái)各公司在提高該系列產(chǎn)品性能方面作了不少工作，相繼推出了不少新產(chǎn)品。 對(duì)80C51系列的改進(jìn)推出了一些新產(chǎn)品，主要是改善單片機(jī)的控制功能，如定時(shí)器/計(jì)數(shù)器陣列和高速I(mǎi)/O口、ADC、PWM、WDT等，以及低電壓,微功耗,電磁兼容，串行擴(kuò)展總線，控制網(wǎng)絡(luò)總線等。ATMEL公司研制的89C系列是將flashi Memory集中在80C51中，作為用戶程序存儲(chǔ)器，并不改變80C51的結(jié)構(gòu)

21、和指令系統(tǒng)。Philis公司的83/87C7系列不改變80C51的結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)，省去了并行擴(kuò)展總線，屬于非總線的廉價(jià)型單片機(jī)，特別適合于家電類(lèi)產(chǎn)品。Dallas公司只對(duì)80C51進(jìn)行了局部改進(jìn)推出了8C320、8C520、8C530系列。該系列不改變80C51的基本結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，主要改進(jìn)有：(1) 提高總線速度，每個(gè)機(jī)器周期占用4個(gè)時(shí)鐘周期，速度比80C51提高3倍。(2) 兩個(gè)全雙工串行口。(3) 兩個(gè)數(shù)據(jù)指針DPTR。(4) 增加電源管理功能。電源失效復(fù)位，早期失效告警中斷和可編程時(shí)鐘源。(5) 可編程選擇MOVX指令速度。從兩個(gè)機(jī)器周期到9個(gè)機(jī)器周期。進(jìn)入90年代，Intel公司和Philips公司合作制定改造80C51的ZX計(jì)劃，目前已形成MCS-251和80