第1章單片機(jī)概述

第一章單片機(jī)概述

一、什么是單片機(jī)二、單片機(jī)的發(fā)展歷史三、單片機(jī)的應(yīng)用四、單片機(jī)的主要生產(chǎn)廠家和機(jī)型微型計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)——常見的微機(jī)外形臺(tái)式微機(jī)便攜式微機(jī)立式微機(jī)一、什么是單片機(jī)1、微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)——微機(jī)硬件組成

顯示器主機(jī)鍵盤鼠標(biāo)微型計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)——運(yùn)算器控制器CPU存儲(chǔ)器輸入接口電路輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出接口電路硬件系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)——構(gòu)成微機(jī)的實(shí)體和裝置軟件系統(tǒng)——微機(jī)系統(tǒng)所使用的各種程序的總稱軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)共同構(gòu)成實(shí)用的微機(jī)系統(tǒng)，兩者是相輔相成、缺一不可的。

軟件系統(tǒng)+微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算器控制器CPU存儲(chǔ)器輸入接口電路輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出接口電路硬件系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)什么是單片機(jī)？

將構(gòu)成計(jì)算機(jī)的五大組成部分集成在一個(gè)芯片上就構(gòu)成單芯片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)CPU輸入設(shè)備輸出設(shè)備軟件系統(tǒng)+微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)輸入接口設(shè)備輸出接口設(shè)備運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器單片微型計(jì)算機(jī)是指集成在一個(gè)芯片上的微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)——單片機(jī)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)芯片2、單片微型計(jì)算機(jī)單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

CPU

存儲(chǔ)器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

中斷系統(tǒng)P0-P3TxDRxD

TINT并行I/O口串行I/O口單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)單片機(jī)＋接口電路及外設(shè)等＋軟件硬件單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng):由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成硬件是應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件是在硬件的基礎(chǔ)上對(duì)其資源進(jìn)行合理調(diào)配和使用，從而完成應(yīng)用系統(tǒng)所要求的任務(wù)，二者相互依賴，缺一不可3.分類：通用單片機(jī)和專用單片機(jī)

通用型單片機(jī)是一種基本芯片,例如市場上常見的MCS-51、ATMEL、PHILIPS、AVR、PIC、WINBOND等系列的單片機(jī)產(chǎn)品，它們的可用資源比較豐富，性能全面，適用性強(qiáng)，所以在生產(chǎn)、科研等得到廣泛應(yīng)用。本書所介紹的單片機(jī)是通用型單片機(jī)。

專用型單片機(jī)也叫專用微處理器，是專門針對(duì)某個(gè)特定產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的,各方面均經(jīng)過最優(yōu)化的考慮，具有十分明顯的綜合優(yōu)勢(shì)。例如數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、洗衣機(jī)功能控制器、空調(diào)控制器、IC卡讀寫器中所應(yīng)用的單片機(jī)等。

4.單片機(jī)名稱1971年Intel公司制造出第一片微型機(jī)芯片4004之后，開始了微型機(jī)時(shí)代。將微處理器、存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備集成到一塊芯片上，這就是單片微型計(jì)算機(jī)（SingleChipMicrocomputer），簡稱單片機(jī)。單片機(jī)是應(yīng)工業(yè)測控而誕生的，它的結(jié)構(gòu)與指令功能都是按照工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)的，故也叫單片微控制器（SCMSingleChipMicrocontroller），它在控制領(lǐng)域大顯身手，裝入到各種智能化產(chǎn)品之中，所以又稱為嵌入式微控制器(EMCU：EmbeddedMicrocontrollerUnit)，也有文獻(xiàn)中稱為微控制器單元（MCUMicrocontroller）。

1946年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC誕生，18000個(gè)電子管，占地1800平方英尺，耗電180千瓦，其運(yùn)算速度為每秒5000次。它通過不同部分之間的重新接線編程，還擁有并行計(jì)算能力。它使用于1946到1955年，被公認(rèn)為第一臺(tái)成功的高速電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。ENIAC由美國政府和賓夕法尼亞大學(xué)合作開發(fā)，使用了二、單片機(jī)的發(fā)展歷史

發(fā)展背景：怎樣改進(jìn)計(jì)算機(jī)使其更好地用作控制？70年代初微處理器誕生了！微處理器的問世：

70年代初，“微處理器”問世了，微處理器以及以微處理器為核心部件構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)的誕生，為電子計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用開拓了廣闊的道路。

1971年11月15日:MarcianE.Hoff在INTEL公司開發(fā)成功第一塊微處理器4004。70年代中期，為滿足廣泛應(yīng)用的需要，微型計(jì)算機(jī)向著兩個(gè)不同的方向發(fā)展：高速度、大容量、高性能的高檔微機(jī)方向——PC機(jī)功能完善、穩(wěn)定可靠、體積小、價(jià)格低廉、面向控制的方向——單片機(jī)

1.1單片機(jī)及其發(fā)展應(yīng)用計(jì)算機(jī)能比現(xiàn)在的運(yùn)算速度快10000倍嗎？要是計(jì)算機(jī)能放進(jìn)我的口袋里多好??！單片機(jī)系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要區(qū)別

單片機(jī)系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)是面對(duì)工控領(lǐng)域的測控對(duì)象?？刂茖?duì)象對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采集、處理、控制的速度要求是有限的，而對(duì)控制方式與控制能力的要求是無限的。為了實(shí)現(xiàn)海量高速數(shù)值計(jì)算，通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的要求是無限的，而對(duì)計(jì)算機(jī)的控制功能的要求是有限的。

第一階段（1974～1976年）：單片機(jī)初級(jí)階段這一階段的單片機(jī)采用雙片形式，而且功能簡單。如仙童公司生產(chǎn)的F8單片機(jī)，它只有8位CPU、64個(gè)字節(jié)的RAM和2個(gè)并行口，需加裝一塊3851芯片（含1KBROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和2個(gè)并行I/O口）才能完成控制功能。

第二階段（1976～1978年）：低性能單片機(jī)階段

代表機(jī)型：Intel公司在1976年推出的8位機(jī)MCS-48系列，它以其體積小、控制功能全、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，一經(jīng)推出就獲得了廣泛的應(yīng)用和好評(píng)，為單片機(jī)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，成為單片機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)重要階段。

發(fā)展歷程：2．單片機(jī)的發(fā)展歷程——4個(gè)階段

第三階段（1978～1982年）：高性能單片機(jī)階段普遍帶有串行I/O接口、多級(jí)中斷系統(tǒng)、16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等，片內(nèi)RAM、ROM的容量加大，尋址范圍增加到64KB。

代表機(jī)型：Intel公司推出的MCS-51系列單片機(jī)。這仍是當(dāng)前單片機(jī)的主流系列。第四階段（1983年～現(xiàn)在）：8位單片機(jī)鞏固發(fā)展及

16位、32位單片機(jī)推出階段繼8位單片機(jī)之后，Intel公司又在1983年推出了16位單片機(jī)MCS-96系列，與MCS-51相比，MCS-96不但字長增加一倍，而且在其它性能方面也有很大提高，如在片內(nèi)增加了一個(gè)4路或8路的10位A/D轉(zhuǎn)換器，具有A/D轉(zhuǎn)換功能等。這個(gè)時(shí)期，Mortorola、ATMEL、TI、日立、三菱、LG等公司也開發(fā)了一大批性能優(yōu)越的單片機(jī),極大推動(dòng)了單片機(jī)的應(yīng)用。

需要提及的是，單片機(jī)的發(fā)展雖然按先后順序經(jīng)歷了4位、8位、16位的階段，但從實(shí)際使用情況看，并沒有出現(xiàn)推陳出新、以新代舊的局面。4位、8位、16位單片機(jī)仍各有應(yīng)用領(lǐng)域，如4位單片機(jī)在一些簡單家用電器、高檔玩具中仍有應(yīng)用，8位單片機(jī)在中、小規(guī)模應(yīng)用場合仍占主流地位，16位單片機(jī)在比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中才有應(yīng)用。

CPU的改進(jìn)（1）采用雙CPU結(jié)構(gòu)，提高處理能力（2）增加數(shù)據(jù)總線寬度，內(nèi)部采用16位數(shù)據(jù)總線。（3）串行總線結(jié)構(gòu)，菲利浦公司的I2C總線（Inter－Icbus）。用兩根信號(hào)線代替現(xiàn)行的8位數(shù)據(jù)總線。（4）早期多使用CISC（ComplexInstructionSetComputer）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，近來RISC（ReducedInstructionSetComputer）單片機(jī)已大力發(fā)展。RISC單片機(jī)中，除指令集精簡外，一般都用單字長指令和流水線操作方法，大大加快了指令的運(yùn)行速度。

存儲(chǔ)器的發(fā)展（1）加大存儲(chǔ)容量。（2）片內(nèi)EPROM采用E2PROM或閃爍（Flash）存儲(chǔ)器（3）程序保密化。

發(fā)展趨勢(shì)：片內(nèi)I/O的改進(jìn)（1）增加并行口的驅(qū)動(dòng)能力，能直接輸出大電流和高電壓。（2）增加I/O口的邏輯控制功能。（3）設(shè)置了一些特殊的串行接口功能，構(gòu)成分布式、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)。外圍電路內(nèi)裝化器件集成度的不斷提高，把眾多的外圍功能部件集成在片內(nèi)－－系統(tǒng)的單片化。

發(fā)展趨勢(shì)：低功耗化

CMOS化、CHMOS工藝。具有等待狀態(tài)、睡眠狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)等工作方式芯片專用化總之，向高性能、高速、低壓、低功耗、低價(jià)格、外圍電路內(nèi)裝化方向發(fā)展。

發(fā)展趨勢(shì)：三、單片機(jī)的應(yīng)用1、工業(yè)控制領(lǐng)域

數(shù)控線切割機(jī)床數(shù)控車床機(jī)電一體化是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的方向。機(jī)電一體化產(chǎn)品是指集機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有智能化特征的機(jī)電產(chǎn)品，例如微機(jī)控制的車床、鉆床等。單片機(jī)作為產(chǎn)品中的控制器，能充分發(fā)揮它體積小、可靠性高、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高機(jī)器的自動(dòng)化、智能化程度。單片機(jī)廣泛用于導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置、飛機(jī)上各種儀表的控制、計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)傳輸、機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理。例如，在這些實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，都可以用單片機(jī)作為控制器，單片機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力和控制功能，可使系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，常采用分布式多機(jī)系統(tǒng)。多機(jī)系統(tǒng)一般由若干臺(tái)功能各異的單片機(jī)組成，各自完成特定的任務(wù)，它們通過串行通信相互聯(lián)系、協(xié)調(diào)工作。單片機(jī)在這種系統(tǒng)中往往作為一個(gè)終端機(jī)，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點(diǎn)上，對(duì)現(xiàn)場信息進(jìn)行實(shí)時(shí)測量和控制。單片機(jī)的高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力，使它可以置于惡劣環(huán)境的前端工作。

在教育部倡導(dǎo)的全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽中，有一道設(shè)計(jì)簡易智能電動(dòng)車的題目，參賽者用51系列單片機(jī)完成了設(shè)計(jì)任務(wù)并取得了較好的成績。該設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89C51和AT89C2051芯片為核心部件，利用光電檢測技術(shù)、超聲波測距、電渦流檢測技術(shù)并配合一套獨(dú)特的軟件實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車識(shí)別并選擇正確的行進(jìn)路線、電機(jī)的方向和速度控制、自動(dòng)尋找光源、判斷并自動(dòng)躲避障礙物、時(shí)間顯示、蜂鳴器報(bào)警等功能。電動(dòng)車控制方案如下圖所示。

智能電動(dòng)車控制方案

2、家用電器領(lǐng)域

單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用在我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域，家用電器是單片機(jī)應(yīng)用最多的領(lǐng)域之一。由于家用電器體積小、品種多、功能差異也大，因而要求其控制器不僅體積小，以便能夠嵌入家用電器中，同時(shí)要求控制器有靈活的控制功能。單片機(jī)以微小的體積和編程的靈活性成為家用電器實(shí)現(xiàn)智能化的心臟和大腦。手機(jī)中有既有32位的單片機(jī)，也有16位、8位的單片機(jī)。電話中常見8位單片機(jī)。電視遙控器中有4位或者8位的單片機(jī)。DVD中多數(shù)是32位單片機(jī)。MP3中多數(shù)是8-16位單片機(jī)。其他諸如空調(diào)、洗衣機(jī)、微波爐、冰箱、熱水器、電子稱、電子表、計(jì)算器、收音機(jī)、鼠標(biāo)、鍵盤、電動(dòng)自行車、汽車鑰匙、可視門禁、公交車報(bào)站器、公交車刷卡器、紅綠燈控制器、等等等等……

歐美日等國家，一個(gè)家庭中所擁有的單片機(jī)數(shù)量平均到100-120顆。3、智能儀器儀表數(shù)字式測角儀交直流電壓電流表位移傳感器單片機(jī)用于各種儀器儀表，使儀器儀表智能化，可以提高測量的自動(dòng)化程度和精度；簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，減小體積，提高其性價(jià)比。例如：溫度智能控制儀表、醫(yī)用儀表、汽車電子設(shè)備、數(shù)字示波器等。例如，在普通模擬示波器的基礎(chǔ)上用單片機(jī)進(jìn)行改造而成的數(shù)字存儲(chǔ)示波器，克服了普通模擬示波器的缺點(diǎn)，并增加了許多功能，如可以顯示大量的預(yù)觸發(fā)信息，可以長期貯存波形，可以在打印機(jī)或繪圖儀上制作硬拷貝以供編制文件使用，可以將采集的波形和操作人員手工或示波器全自動(dòng)采集的參考波形進(jìn)行比較，波形信息可用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行處理。

4、辦公自動(dòng)化領(lǐng)域

5、商業(yè)營銷領(lǐng)域

條碼打印機(jī)條碼閱讀器打印機(jī)考勤機(jī)單片機(jī)與通信技術(shù)相結(jié)合促使通信設(shè)備的智能控制水平大大提高，廣泛應(yīng)用于通信的各個(gè)領(lǐng)域。例如：調(diào)制解調(diào)器、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、移動(dòng)電話機(jī)、固定電話機(jī)等。例如，傳統(tǒng)的電話機(jī)只能實(shí)現(xiàn)簡單的撥號(hào)、響鈴、通話等功能，使用單片機(jī)后，可以開發(fā)出來電顯示、存儲(chǔ)電話號(hào)碼、時(shí)鐘顯示、免提、重?fù)?、聲控等功能。功能更多的無繩電話機(jī)、錄音電話機(jī)、可視電話機(jī)等多功能電話機(jī)也已走進(jìn)人們的生活。

醫(yī)用呼吸機(jī)6、航空航天等高科技領(lǐng)域四、單片機(jī)的主要生產(chǎn)廠家和機(jī)型

自單片機(jī)誕生以來的近30年中，單片機(jī)已有70多個(gè)系列的近500個(gè)機(jī)種。國際上較有名、影響較大的公司及他們的產(chǎn)品如下所述：Intel公司的MCS—48、MCS—51、MCS—96系列；Motorola公司的6801、6802、6803、6805、68HCll系列產(chǎn)；Zilog公司的Z8、Super8系列產(chǎn)品；仙童(Fairchild)公司和Mostek公司的F8、3870系列產(chǎn)品；NEC公司的μCOM—87系列產(chǎn)品；Rockwell公司的6500、6501系列產(chǎn)品。Atmel、PHILIPS、LG等公司的51兼容機(jī)。1、產(chǎn)品概況Intel公司的單片機(jī)

其產(chǎn)品有MCS-48、MCS-51和MCS-96三大系列幾十個(gè)型號(hào)的單片機(jī)。MCS-51系列單既包括三個(gè)基本型號(hào)8031（無ROM型）、8051（ROM型）、8751（EPROM型）

8051是世界上產(chǎn)量排名第二的著名單片機(jī)CPU。ATMEL公司的單片機(jī)

ATMAL公司在1994年以E2PROM技術(shù)和Intel公司的80C31單片機(jī)核心技術(shù)進(jìn)行交換，從而取得80C31核的使用權(quán)。先進(jìn)的Flash技術(shù)和80C31核相結(jié)合，生產(chǎn)出具有8051結(jié)構(gòu)的Flash型和EEPROM型單片機(jī)（尤其是89C51和89C52）

Silicon

Laboratories公司的單片機(jī)

C8051F系列是一種典型的高性能單片機(jī),完全集成混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片（SOCSystemofChip），完全兼容MCS-51。采用流水線（pipe

line）技術(shù)，不再區(qū)分時(shí)鐘周期和機(jī)器周期，提高了指令執(zhí)行效率。具備控制系統(tǒng)所需的模擬和數(shù)字外設(shè)，包括看門狗、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)輸出、定時(shí)器、PWM、定時(shí)器捕捉和方波輸出等，并具備多種總線接口，包括UART、SPI、SMBUS（與I2C兼容）總線以及CAN總線。C8051F系列單片機(jī)采用Flash

ROM技術(shù)，集成JTAG，支持在線編程。

Motorola公司的單片機(jī)

8位機(jī)有68HC05、68HC08和68HC11幾種。68HC05是Motorola公司推出的一種采用HCMOS技術(shù)的8位單片機(jī)，是世界上產(chǎn)量排名第一的著名單片機(jī)CPU。TOSHIBA公司的單片機(jī)具有功能強(qiáng)、可靠性高、價(jià)格低等特點(diǎn)，特別適合于空調(diào)、電冰箱等家電產(chǎn)品。Philips公司的單片機(jī)Philips公司生產(chǎn)8051結(jié)構(gòu)的80C51系列8位單片機(jī)、采用8051結(jié)構(gòu)的16位單片機(jī)、以68000為核的16位單片機(jī)。

2、MCS-51系列和AT89系列單片機(jī)

MCS-51是指由美國INTEL公司生產(chǎn)的一系列單片機(jī)的總稱，這一系列單片機(jī)包括了好些品種，如8031，8051，8751，8951，8032，8052，8752，8952等，其中8051是最早最典型的產(chǎn)品，該系列其它單片機(jī)都是在8051的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能的增、減、改變而來的，所以人們習(xí)慣于用8051來稱呼MCS-51系列單片機(jī)。（1）MCS-51系列MCS-51系列單片機(jī)分類

資源配置子系列

片內(nèi)ROM形式

片內(nèi)

ROM

容量

片內(nèi)RAM

容量定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷源

無ROMEPROME2PROM51子系列80318051875189514KB128B2×16552子系列80328052875289528KB256B3×166805112345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VssVccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0雙列直插式40腳封裝（DIP40）MCS-51系列單片機(jī)配置一覽表系列片內(nèi)存儲(chǔ)器（字節(jié)）定時(shí)器計(jì)數(shù)器并行I/O串行I/O中斷源片內(nèi)ROM片內(nèi)RAM無有ROM有EPROMIntelMCS-51子系列803180C31805180C51(4K字節(jié))875187C51(4K字節(jié))128字節(jié)2x164x8位15IntelMCS-52子系列803280C32805280C52(8K字節(jié))875287C52(8K字節(jié))256字節(jié)3x164x8位16MCS-51系列單片機(jī)的分類功能常用型號(hào)基本型8031、8051、80C31、80C51增大存儲(chǔ)器型8032、8052、80C32、80C52低功耗型80C31BH、80C51BH、87C51高級(jí)語言型8052AH-BASICPCA型83C51FA、80C51FA、83C51FBA/D型83C51GA、80C51GA、87C51GADMA型83C152JA、80C152JA、80C152JB多并行口型83C451、80C451按功能分類存儲(chǔ)器配置常用型號(hào)片內(nèi)ROM型

8051AH、8052AH、80C51BH、83C51FA、83C51GA片內(nèi)EPROM型

8751BH、8752BH、80C51BH、87C51FA、87C51GA外接EPROM型

8031BH、8