單片微機(jī)概述

單片微機(jī)概述第一頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日1.1單片微機(jī)概述單片微機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)SCMC（SingleChipMicroComputer）的譯名簡(jiǎn)稱(chēng)，在國(guó)內(nèi)也常簡(jiǎn)稱(chēng)為“單片微機(jī)”或“單片機(jī)”。它包括中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口和I/O等等。除了工業(yè)控制領(lǐng)域，單片微機(jī)在家用電器、電子玩具、通信、高級(jí)音響、圖形處理、語(yǔ)言設(shè)備、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)等各個(gè)領(lǐng)域迅速發(fā)展。目前單片微機(jī)的世界年產(chǎn)量已達(dá)100億片，而在中國(guó)大陸地區(qū)單片微機(jī)的年應(yīng)用量已達(dá)6億片左右，截止2001年4月，由中國(guó)大陸地區(qū)自行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的單片微機(jī)也已達(dá)到2000萬(wàn)片。由此可見(jiàn)單片微機(jī)的廣泛用途和發(fā)展前景！

1.1.1單片微機(jī)概述第二頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日1970年微型計(jì)算機(jī)研制成功之后，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展又出現(xiàn)了單片微機(jī)，并且按照不同的發(fā)展要求，形成了二個(gè)獨(dú)立發(fā)展的分支。美國(guó)Intel公司1971年生產(chǎn)的4位單片微機(jī)4004和1972年生產(chǎn)的雛型8位單片微機(jī)8008，特別是1976年MCS-48單片微機(jī)問(wèn)世以來(lái)，在短短的二十幾年間，經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代，其發(fā)展速度大約每二三年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。發(fā)展速度之快、應(yīng)用范圍之廣，已達(dá)到了驚人的地步。它已滲透到生產(chǎn)和生活的諸領(lǐng)域，可謂“無(wú)孔不入”。1976年Intel公司首先推出MCS－48系列單片微型計(jì)算機(jī)。它已包括計(jì)算機(jī)的三個(gè)基本單元，已成為真正意義的單片微機(jī)，贏得了廣泛的應(yīng)用，為單片微機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，成為單片微機(jī)發(fā)展進(jìn)程中的一個(gè)重要階段。第三頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

在MCS－48單片微機(jī)成功的刺激下，許多半導(dǎo)體公司和計(jì)算機(jī)公司爭(zhēng)相研制和發(fā)展自己的單片微機(jī)系列，有Motorola公司的6801、6802，Zilog公司的Z－8系列，Rockwell公司的6501、6502等，此外，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(jī)品種。 對(duì)工業(yè)控制、智能儀表等諸多較高層次的應(yīng)用領(lǐng)域，8位單片微機(jī)系列在性能、價(jià)格兩方面有較好的兼顧。 盡管目前單片微機(jī)的品種很多，但其中最具典型性的當(dāng)屬I(mǎi)ntel公司的MCS－51系列單片微機(jī)。此外，它還具有品種全、兼容性強(qiáng)、軟硬件資料豐富等特點(diǎn)。直到現(xiàn)在MCS－51仍不失為單片微機(jī)中的主流機(jī)型。由于8位單片微機(jī)的高性能價(jià)格比，估計(jì)近十年內(nèi)，8位單片微機(jī)將仍是單片微機(jī)中的主流機(jī)型。第四頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

在8位單片微機(jī)之后，16位單片微機(jī)也有很大發(fā)展。例如，1983年Intel公司推出的MCS－96系列單片微機(jī)。與MCS－51相比，MCS－96不但字長(zhǎng)增加一倍，而且還具有4路或8路的10位A/D轉(zhuǎn)換功能，此外，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(jí)兼容性的16位單片微機(jī)，即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)，用戶(hù)不需投入很大的軟件開(kāi)銷(xiāo)和人員就能較大的提高產(chǎn)品性能。80C51XA具有的高性能包括：執(zhí)行速度快、支持高級(jí)語(yǔ)言(比如C語(yǔ)言)、支持實(shí)時(shí)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(hù)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。在工業(yè)控制產(chǎn)品、高檔智能儀表、彩色復(fù)印機(jī)、錄像機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域，第五頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

單片微機(jī)正朝多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價(jià)格、擴(kuò)大存儲(chǔ)容量和加強(qiáng)I/O功能及結(jié)構(gòu)兼容方向發(fā)展。今后的發(fā)展趨勢(shì)不外乎在以下幾個(gè)方面：

⑴多功能在單片微機(jī)中盡可能多的把應(yīng)用系統(tǒng)中所需要的存儲(chǔ)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(dòng)器集成在8位單片微機(jī)中，如把A/D、D/A、乃至多路模擬開(kāi)關(guān)和采樣/保持器也集成在單片微機(jī)芯片中，從而成為名副其實(shí)的單片微機(jī)。

⑵高性能

為了提高速度和執(zhí)行效率，在單片微機(jī)中開(kāi)始使用RISC體系結(jié)構(gòu)、并行流水線操作和DSP等的設(shè)計(jì)技術(shù)，使單片微機(jī)的指令運(yùn)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(lèi)型的微處理器。1.1.2單片微機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)第六頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日⑶全盤(pán)CMOS化趨勢(shì)單片微機(jī)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，具有高速度和高密度；CHMOS工藝即互補(bǔ)金屬氧化物的HMOS工藝，除具有HMOS的優(yōu)點(diǎn)外，還具有CMOS工藝的低功耗特點(diǎn)。如8051的功耗為630mw，而80C51的功耗僅120mw。從第三代單片微機(jī)起開(kāi)始淘汰非CMOS工藝。目前，數(shù)字邏輯電路和外圍器件等都已普遍CMOS化。

第七頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日⑷推行串行擴(kuò)展總線

推行串行擴(kuò)展總線可以顯著減少引腳數(shù)量，簡(jiǎn)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(jī)的串行接口的普遍化、高速化，使得并行擴(kuò)展接口技術(shù)日漸衰退。

第八頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日許多公司都推出了刪去了并行總線的非總線單片微機(jī)，需要外擴(kuò)器件(存儲(chǔ)器、I/O等)時(shí)，采用串行擴(kuò)展總線，甚至用軟件虛擬串行總線來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于集成度的進(jìn)一步提高，有的單片微機(jī)的尋址能力已突破64KB的限制，8位、16位的單片微機(jī)有的尋址能力已達(dá)到IMB和16MB。片內(nèi)ROM的容量可達(dá)62KB，RAM的容量可達(dá)2KB。第九頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日1.280C51系列單片微機(jī)

8051單片微機(jī)是美INTEL公司在1980年推出的MCS-51系列單片微機(jī)的第一個(gè)成員，MCS是INTEL公司的注冊(cè)商標(biāo)。凡INTEL公司生產(chǎn)的以8051為核心單元的其它派生單片微機(jī)都可稱(chēng)為MCS-51系列，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為51系列。其它公司生產(chǎn)的以8051為核心單元的其它派生單片微機(jī)卻不能稱(chēng)為MCS-51系列，只能稱(chēng)為8051系列。8051系列泛指所有公司（也包括INTEL公司）生產(chǎn)的以8051為核心單元的所有單片微機(jī)。80C51系列單片微機(jī)包括Intel公司的MCS-51單片微機(jī)，又包括了以8051為核心單元的世界許多公司生產(chǎn)的單片微機(jī)，比如PHILIPS(飛利浦公司)的83C552及51LPC系列等、SIEMENS(西門(mén)子公司)的SAB80512等、AMD(先進(jìn)微器件公司)的8053等、OKI(日本沖電氣公司)的MSM80C154等、

第十頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日ATMEL公司的Flash單片微機(jī)89C51等、DALLAS公司的DS5000/DS5001等、華邦公司的W78C51及W77C51等。從MCS－48單片微機(jī)發(fā)展到如今的新一代單片微機(jī)，大致經(jīng)歷了三代。如以Intel8位單片微機(jī)為例，這三代的劃分大致如下。

第一代：以MCS－48系列單片微機(jī)為代表。屬于低性能單片微機(jī)階段。第二代：以MCS－5l系列的8051、8052單片微機(jī)為代表?？梢钥闯觯@一代單片微機(jī)主要的技術(shù)特征是為單片微機(jī)配置了完善的外部并行總線（AB、DB、CB）和具有多機(jī)識(shí)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(diǎn)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(jī)奠定了良好的基礎(chǔ)。

第十一頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日第三代：以80C51系列單片微機(jī)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石XC451、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(jī)。 80C51系列單片微機(jī)是在MCS－51的HMOS基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它們具有CHMOS結(jié)構(gòu)。部分廠家所生產(chǎn)的80C51系列或與之相兼容的單片微機(jī)的特點(diǎn)列于表1－l、表1一2及表1一3中。 從表中可以看出，80C51系列單片微機(jī)保留了MCS－51單片微機(jī)的所有特性，內(nèi)部組成基本相同。80C51系列單片微機(jī)增設(shè)了兩種可以用軟件進(jìn)行選擇的低功耗工作方式：空閑方式和掉電方式。第十二頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

87C51單片微機(jī)是80C51含EPROM的產(chǎn)品，89C51單片微機(jī)是80C51含EEPROM的產(chǎn)品。新一代的80C51系列單片微機(jī)除了上述的結(jié)構(gòu)特性外，還向外部電路擴(kuò)展，有的公司型號(hào)配備了串行擴(kuò)展線，比如芯片間的總線(飛利浦公司的I2C總線)、設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總線(CAN總線)等，為外部提供了完善的總線結(jié)構(gòu)。采用總線方式的應(yīng)用系統(tǒng)多屬較復(fù)雜的工控系統(tǒng)、智能儀表、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，或滿(mǎn)足這些應(yīng)用而構(gòu)成的多機(jī)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？偩€方式的單片微機(jī)在不使用外部并行總線時(shí)，外部并行總線引腳可作為I/O口用。在掩膜用戶(hù)程序時(shí)，還可要求將這些I/O口改造成具有各種驅(qū)動(dòng)能力的I/O口。根據(jù)應(yīng)用的需要，部分產(chǎn)品對(duì)總線結(jié)構(gòu)作了重大改進(jìn)，推出了非總線型單片微機(jī)，其對(duì)外部不存在并行三總線(AB、DB、CB)，必要時(shí)可以通過(guò)串行總線進(jìn)行擴(kuò)展。第十三頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日1.3單片微機(jī)的應(yīng)用

按照所使用單片微機(jī)的類(lèi)型不同，單片微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分成總線方式和非總線方式。在總線方式的應(yīng)用系統(tǒng)中，單片微機(jī)都具有完善的外部擴(kuò)展總線，如并行總線（AB、DB、CB）、串行通信總線（如UART），通過(guò)這些總線可方便地?cái)U(kuò)展外圍單元、外設(shè)接口等。采用總線方式的應(yīng)用系統(tǒng)多屬較復(fù)雜的工控系統(tǒng)、智能儀表、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，或滿(mǎn)足這些應(yīng)用而構(gòu)成的多機(jī)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？偩€方式的單片微機(jī)在不使用外部并行總線時(shí)，外部并行總線引腳可作為I/O口用。在掩膜用戶(hù)程序時(shí)，還可要求將這些I/O口改造成具有各種驅(qū)動(dòng)能力的I/O口。非總線方式的應(yīng)用系統(tǒng)（如80C51系列中的83C751、87C751，83C752、WC752，Motorola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(hù)I/O口，以使應(yīng)用系統(tǒng)的芯片數(shù)量最少。第十四頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日采用非總線方式的應(yīng)用系統(tǒng)多屬小型控制器、測(cè)控單元、單元儀表等。以下大致介紹一些典型的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用特點(diǎn)。l．家用電器領(lǐng)域國(guó)內(nèi)各種家用電器已普遍采用單片微機(jī)控制取代傳統(tǒng)的控制電路，做成單片微機(jī)控制系統(tǒng)，如洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、微波爐、電飯堡、電視機(jī)、錄像機(jī)及其它視頻音像設(shè)備的控制器。2．辦公自動(dòng)化領(lǐng)域比如一臺(tái)PC機(jī)可能嵌入了10個(gè)單片微機(jī)，如控制鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、顯示器、CD-ROM、聲卡、打印機(jī)、軟/硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、調(diào)制解調(diào)器等。

第十五頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

現(xiàn)代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(jī)、電話(huà)、傳真機(jī)等，多數(shù)都采用了單片微機(jī)。 3．工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的在線應(yīng)用如工業(yè)過(guò)程控制、過(guò)程監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制器及機(jī)電一體化控制系統(tǒng)等，許多都是以單片微機(jī)為核心的單機(jī)或多機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)是由中央控制器、感覺(jué)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、擒拿系統(tǒng)等節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。而其中每一個(gè)小系統(tǒng)都是由單片微機(jī)進(jìn)行控制的。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(jī)來(lái)對(duì)傳統(tǒng)的儀器儀表行業(yè)的產(chǎn)品進(jìn)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(cè)量?jī)x表普遍采用單片微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)，使測(cè)量系統(tǒng)具有各種智能化功能，如存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、查找、判斷、聯(lián)網(wǎng)和語(yǔ)音功能等。第十六頁(yè)，共二十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日5．汽車(chē)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(dòng)力監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、自動(dòng)駕馭系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及運(yùn)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(tái)RMW-7系列寶馬轎車(chē)就用了63個(gè)單片微機(jī)，大部分還是16位單片微機(jī)。 單片微機(jī)的應(yīng)用正從根本上改變著傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大