單片微型計算機原理與接口技術(shù)第二版第1章緒論課件

普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材

單片微型計算機原理與接口技術(shù)（第二版）編著科學(xué)出版社北京第一章

緒論1.1單片微機的發(fā)展

1.1.1單片微機的概念

單片微機是單片微型計算機SCMC（SingleChipMicroComputer）的譯名簡稱，在國內(nèi)也常簡稱為“單片微機”或“單片機”。它包括CPU、RAM、ROM、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器、串行口和I/O等。 除了工業(yè)控制領(lǐng)域，單片微機在家用電器、電子玩具、通信、高級音響、圖形處理、語言設(shè)備、機器人、計算機等各個領(lǐng)域迅速發(fā)展。目前單片微機的世界年產(chǎn)量已超過100億片，而在中國大陸地區(qū)的年應(yīng)用量已達6億多片。

許多半導(dǎo)體公司和計算機公司爭相研制和發(fā)展自己的單片微機系列，有Motorola公司的MC68HC05及MC68HC08系列，Zilog公司的Z－8系列，Rockwell公司的6501、6502等，日本的NEC公司、日立公司及EPSON公司等，也都相繼推出了各具特色的單片微機品種。 最具典型性的屬Intel公司的MCS－51系列，它具有品種全、兼容性強、軟硬件資料豐富等特點。直到現(xiàn)在MCS－51仍不失為單片微機中的主流機型。

近幾年中國8位單片微機市場一直保持著30%以上的高增長率，2006年8位單片微機占中國單片微機整體市場銷售額的一半以上。8位單片微機應(yīng)用的主力市場——汽車電子領(lǐng)域的高速成長，也是帶動這一市場保持主流地位的有力因素。隨著供應(yīng)商不斷提高自身的產(chǎn)品性能，豐富產(chǎn)品的功能，8位單片微機依靠自身的價格優(yōu)勢、較低的功耗及較小的尺寸，進一步搶占了部分16位單片微機的市場份額，從而更加鞏固了主流產(chǎn)品的市場地位。由于8位單片微機的高性能價格比，估計近十年內(nèi)，8位單片微機將仍是主流機型。

1983年Intel公司推出的MCS－96系列，MCS－96不但字長增加一倍，而且還具有4路或8路的10位A/D轉(zhuǎn)換功能，在其它性能方面也有一定的提高。飛利浦公司推出了與80C51在源碼級兼容性的16位單片微機80C51XA(每一條80C51指令可以1∶1地被翻譯成一條XA指令，僅XCHD指令除外)。80C51XA具有的高性能包括：執(zhí)行速度快、支持高級級語言(比如C語言)、支持實時多任務(wù)執(zhí)行、易于形成派生系列產(chǎn)品、地址寬度可變(用戶可以方便地將外部地址線寬度選定為12位、16位、20位、24位等等。應(yīng)用于工業(yè)控制產(chǎn)品、高檔智能儀表、彩色復(fù)印機、錄像機等應(yīng)用領(lǐng)域。

單片微機正朝多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價格、擴大存儲容量和加強I/O功能及結(jié)構(gòu)兼容方向發(fā)展。 ⑴多功能 在單片微機中盡可能多的把應(yīng)用系統(tǒng)中所需要的存儲器、各種功能的I/O口都集成在一塊芯片內(nèi)，即外圍器件內(nèi)裝化，如把LED、LCD或VFD顯示驅(qū)動器集成在單片微機中，如把A/D、D/A、乃至多路模擬開關(guān)和采樣/保持器也集成在單片微機中。 ⑵高性能 使用RISC體系結(jié)構(gòu)、并行流水線操作和DSP等的設(shè)計技術(shù)，使單片微機的指令運行速度得到大大提高，其電磁兼容等性能明顯地優(yōu)于同類型的微處理器。 ⑶全盤CMOS化趨勢 單片微機采用二種半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)，HMOS工藝即高密度短溝道MOS工藝；CHMOS工藝即互補金屬氧化物的HMOS工藝，如8051的功耗為630mw，而80C51的功耗僅120mw。 從第三代單片微機起開始淘汰非CMOS工藝。 ⑷推行串行擴展總線 顯著減少引腳數(shù)量，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。隨著外圍器件串行接口的發(fā)展，單片微機的串行接口的普遍化、高速化，使得并行擴展接口技術(shù)日漸衰退。

推出了刪去了并行總線的非總線單片微機，需要外擴器件(存儲器、I/O等)時，采用串行擴展總線，甚至用軟件虛擬串行總線來實現(xiàn)。 由于集成度的進一步提高，有的單片微機的尋址能力已突破64KB的限制，8位、16位的單片微機有的尋址能力已達到1MB和16MB。片內(nèi)ROM的容量可達62KB，RAM的容量可達2KB。

從MCS－48單片微機發(fā)展到如今的新一代單片微機，大致經(jīng)歷了三代。如以Intel8位單片微機為例，

第一代：以MCS－48系列為代表。屬于低性能單片微機階段。

第二代：以MCS－5l系列的8051、8052為代表。 主要的技術(shù)特征是為單片微機配置了完善的外部并行總線（AB、DB、CB）和具有多機識別功能的串行通信接口（UART），規(guī)范了功能單元的特殊功能寄存器（SFR）控制模式及適應(yīng)控制器特點的布爾處理系統(tǒng)和指令系統(tǒng)，為發(fā)展具有良好兼容性的新一代單片微機奠定了良好的基礎(chǔ)。

第三代：以80C51系列為代表。 它包括了Intel公司發(fā)展MCS－51系列的新一代產(chǎn)品，如8XC152、80C51FA/FB、80C5lGA/GB、8XC451、8XC452，還包括了Phlips、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、ATMEL等公司以80C51為核心推出的大量各具特色、與MCS－51兼容的單片微機。 部分廠家所生產(chǎn)的80C51系列或與之相兼容的單片微機的特點列于表1－l、表1一2及表1一3中。

80C51系列單片微機保留了MCS－51的所有特性，內(nèi)部組成基本相同。80C51系列增設(shè)了兩種可以用軟件進行選擇的低功耗工作方式：空閑方式和掉電方式。87C51是80C51含EPROM的產(chǎn)品，89C51是80C51含EEPROM的產(chǎn)品。

1.3單片微機的應(yīng)用

單片微機應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分成總線方式和非總線方式。 總線方式的應(yīng)用系統(tǒng)中，單片微機具有完善的外部擴展總線，如并行總線（AB、DB、CB）、串行通信總線（如UART），通過這些總線可方便地擴展外圍單元、外設(shè)接口等?？偩€方式的單片微機在不使用外部并行總線時，外部并行總線引腳可作為I/O口用。 非總線方式的應(yīng)用系統(tǒng)（如80C51系列中的83C751、87C751，83C752、WC752，Motorol的MC68HC05系列中的許多產(chǎn)品）省去了外部并行總線，可構(gòu)成各種小封裝芯片，有限的引腳可提供更多的用戶I/O口。

l．家用電器領(lǐng)域

國內(nèi)各種家用電器已普遍采用單片微機控制取代傳統(tǒng)的控制電路，做成單片微機控制系統(tǒng)，如洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、微波爐、電飯堡、電視機、錄像機及其它視頻音像設(shè)備的控制器。

2．辦公自動化領(lǐng)域 比如一臺PC機可能嵌入了10個單片微機，如控制鍵盤、鼠標、顯示器、CD-ROM、聲卡、打印機、軟/硬盤驅(qū)動器、調(diào)制解調(diào)器等。 辦公室中所使用的大量通信、信息產(chǎn)品，如繪圖儀、復(fù)印機、電話、傳真機等，多數(shù)都采用了單片微機。 4.智能儀器儀表與集成智能傳感器領(lǐng)域 應(yīng)用單片微機來對傳統(tǒng)的儀器儀表行業(yè)的產(chǎn)品進行“更新?lián)Q代”，提供了非常理想的的條件。目前各種變送器、電氣測量儀表普遍采用單片微機應(yīng)用系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)，使測量系統(tǒng)具有各種智能化功能，如存儲、數(shù)據(jù)處理、查找、判斷、聯(lián)網(wǎng)和語音功能等。5．汽車電子與航空航天電子系統(tǒng)

通常在這些電子系統(tǒng)中的集中顯示系統(tǒng)、動力監(jiān)測控制系統(tǒng)、自動駕馭系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及運行監(jiān)視器（黑匣子）等，都要構(gòu)成冗余的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。比如一臺RMW-7系列寶馬轎車就用了63個單片微機。

單片微機的應(yīng)用正從根本上改變著