單片機原理與應(yīng)用案例式創(chuàng)新教程c51編程配套資源課件第一章修改版

第一章

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論51單片機原理與應(yīng)用案例式創(chuàng)新教程（C51編程）主要內(nèi)容第一章

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論案例目標1單片機的認知單片機概述單片機組成及其特點單片機軟硬件系統(tǒng)單片機分類單片機的應(yīng)用單片機的歷史與發(fā)展常見單片機STC系列單片機第一章

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論隨著科學技術(shù)的發(fā)展，單片機的應(yīng)用越來越廣泛，單片機控制技術(shù)也在不斷地更新。單片機從她誕生之日起，就令廣大的電子愛好者“暗戀”著她。單片機被廣泛應(yīng)用于家用電器、儀器儀表、工業(yè)自動控制、醫(yī)用設(shè)備、辦公自動化設(shè)備、安全監(jiān)控、國防、航空航天等領(lǐng)域。單片機之所以應(yīng)用廣泛，主要是人們能夠通過軟件編程就能輕而易舉實現(xiàn)單片機檢測與控制。正因為單片機的嵌入應(yīng)用，電器才會不斷更新?lián)Q代、控制才會越來越智能、功能才會越來越強大。單片機的出現(xiàn)使我們享受到了電子產(chǎn)品的先進技術(shù)，使我們感受到了生活的便捷，提高了效率和安全系數(shù)?？梢姡覀兊纳詈蛦纹瑱C很密切，單片機作用越來越大。單片機發(fā)展過程為：通常所說的單片機一般指8位的51系列、AVR系列、PIC系列等有代表性的單片機，后來出現(xiàn)了16位的單片機如96系列，再后來出現(xiàn)了32位的單片機如ARM等，技術(shù)在一步步提高和超越。第一章

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論到20世紀70年代，計算機的功能在數(shù)字邏輯運算、推理、自動控制、工業(yè)控制等方面突顯出非凡的優(yōu)勢。各種控制領(lǐng)域開始對計算機技術(shù)發(fā)展提出了更高的要求，如基于不同的控制對象、傳感器信號的人機交互操作系統(tǒng)或嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。為了滿足技術(shù)發(fā)展的需求，近年來，單片微型計算機（簡稱單片機）隨之產(chǎn)生。單片機同時也被稱作“微控制器（MicroController）”。單片機和嵌入式控制系統(tǒng)有著千絲萬縷的聯(lián)系，嵌入式控制系統(tǒng)從定義出發(fā)是指嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)。由于嵌入式系統(tǒng)有過很長的一段單片機獨立發(fā)展的道路，大多是基于8位單片機，實現(xiàn)最底層的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。大多數(shù)從事單片機應(yīng)用開發(fā)人員，都是對象系統(tǒng)領(lǐng)域中的電子系統(tǒng)工程師，立即脫離了計算機專業(yè)領(lǐng)域，以“智能化”器件身份進入電子系統(tǒng)領(lǐng)域，沒有帶入“嵌入式系統(tǒng)”概念。因此，不少從事單片機應(yīng)用的人，不了解單片機與嵌入式系統(tǒng)的關(guān)系，在談到“嵌入式

系統(tǒng)”領(lǐng)域時，往往理解成計算機專業(yè)領(lǐng)域的，基于32位嵌入式處理器，從事網(wǎng)

絡(luò)、通信、多媒體等的應(yīng)用。這樣，“單片機”與“嵌入式系統(tǒng)”形成了嵌入式

系統(tǒng)中常見的兩個獨立的名詞。但由于“單片機”是典型的、獨立發(fā)展起來的嵌

入式系統(tǒng)，從學科建設(shè)的角度出發(fā)，應(yīng)該把它統(tǒng)一成“嵌入式系統(tǒng)”。第一章

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論單片機一詞源于“Single

Chip

puter”，簡稱SCM。隨著SCM技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)上不斷擴展，其控制功能也不斷完善，單片機已不能用“單片微型計算機”來準確表達其含義，所以國際上逐漸采用

MCU（Micro

Controller

Unit）來代替，現(xiàn)在形成了單片機界公認的、最終統(tǒng)一的名詞。在我國因為“單片機”一詞已經(jīng)源用至今，所以仍在繼續(xù)使用。案例目標1單片機的認知一、案例學習目標本書以學以致用為原則，為了讓同學們能在第一章整體了解單片機，并同時認識單片機功能，在頭腦中建立起單片機功能使用的概念，本案例從單片機三個實際應(yīng)用（單片機智能交通燈控制、智能風扇設(shè)計、智能循跡小車系統(tǒng)）出發(fā)，對單片機在不同領(lǐng)域功能及用途進行闡述和分析。第一章

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論案例目標1單片機的認知二、案例實物分析1.單片機智能交通燈實例城市智能交通系統(tǒng)中，路口信號燈控制子系統(tǒng)是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中重要的組成部分，在各種交通監(jiān)控體系中是一個必不可少的單元。如果能研制一種穩(wěn)定、高效的燈控系統(tǒng)模塊，能夠掛接于各種智能交通控制系統(tǒng)下作為下位

機，根據(jù)上位機的控制要求或命令，方便靈活地控制交通燈，無疑是有意義的。

傳統(tǒng)的交通信號燈控制系統(tǒng)電路復(fù)雜、體積大、成本高。采用模塊化的單片機系

統(tǒng)控制交通信號，不僅可以簡化電路結(jié)構(gòu)、降低成本、減小體積，而且控制能力

強，配置靈活，易于擴展，能夠根據(jù)上位機對交通流量進行監(jiān)測而得出控制命令，方便高效地進行路口交通燈運行模式的設(shè)定。新型交通燈單片機控制系統(tǒng)通過程

序編程，能夠?qū)崿F(xiàn)很強的控制能力。并且安裝靈活，設(shè)置方便，模塊化、結(jié)構(gòu)化

的設(shè)計使其具有良好的可擴展性，系統(tǒng)運行安全、穩(wěn)定，效率高。第一章

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論交通燈控制子系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)中的重要組成部分。選擇微處理器STC89C52RC作為核心芯片，設(shè)計了一種通用化、可獨立掛接的交通燈控制模塊。硬件電路圍繞STC89C52RC搭建，由單片機的I/O口給出控制信號，繼電器驅(qū)動交通燈運行。下圖是單片機智能交通燈系統(tǒng)的一個實例圖：案例目標1單片機的認知第一章

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論2.單片機智能風扇實例電風扇并未隨著空調(diào)的普及而淡出市場，相反，家用電風扇因其風力溫和、價格低廉、相對省電、安裝和使用簡單等特點而受到中老年人、兒童和體質(zhì)較弱的人歡迎。單片機的智能風扇為無線遙控智能可調(diào)風扇，通過無線遙控和單片機進行通訊，可以控制電風扇的風速，電風扇可以工作在高、中、低三檔。此外，通過溫度傳感器檢測環(huán)境溫度，建立一個控制系統(tǒng)，使電風扇隨室內(nèi)溫度的變化而自動變換檔位，實現(xiàn)“溫度高，風力大，溫度低，風力弱”的功能，既節(jié)能環(huán)保，又安全可靠，具有廣泛的應(yīng)用前景。下圖是基于STC89C52單片機的智能風扇控制實例圖：案例目標1單片機的認知第一章

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論3.單片機智能循跡小車實例隨著汽車科技的進步，對于智能小車的實驗與設(shè)計越發(fā)重要，智能小車一般具有自動尋跡、躲避障礙物、報警等功能。其所運用的知識較為廣泛，主要涉及到汽車、機械和計算機等專業(yè).智能小車不但代表汽車技術(shù)的發(fā)展，也是學校培養(yǎng)學生的學習能力與動手能力的一種主要手段。智能小車硬件部分主要由驅(qū)動轉(zhuǎn)向模塊、霍爾元件、采集模塊和供電模塊等組成，對于路面黑色引導線是由紅外線傳感器檢測與采集，進而輸送給單片機，由單片機控制轉(zhuǎn)向和驅(qū)動內(nèi)容；軟件部分通過C語言來實現(xiàn)，并對小車的轉(zhuǎn)向與速度控制方法進行了多次改進，進而通過多次測試來完成智能小車的避障與循跡。單片機智能循跡小車實例如圖所示：案例目標1單片機的認知第一章

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論1.1單片機概述自20世紀70年代單片機問世以來，其功能和技術(shù)不斷擴展，因此單片機得到了廣

泛的應(yīng)用。隨著單片機集成度越來越高以及單片機系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，需要軟件編程的

能力越來越高，所以本書在介紹和講解單片機的同時也注重同學們軟件編程能力的培

養(yǎng)。C51語言是近年來國內(nèi)外在51單片機開發(fā)中普遍使用的一種程序設(shè)計語言。由于

C51語言功能強大，可讀性好，便于模塊開發(fā)，庫函數(shù)非常豐富，編寫程序可移植性

好等諸多優(yōu)點使之成為單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)最快速、最高效、最普遍的程序設(shè)計語言。本書力求把51單片機的片內(nèi)硬件結(jié)構(gòu)以及外圍電路的接口設(shè)計與C51單片機編程緊密

地結(jié)合在一起，避免利用較難掌握的匯編語言進行程序設(shè)計。將微型計算機的基本組成部分（CPU、I/O接口、存儲器，定時/計數(shù)器等）集成在一塊集成芯片上的微型計算機。簡稱單片機（Sing-chip puter），又稱微控制器（Micro

Controller）。在應(yīng)用上單片機被稱為嵌入式控制器。第一款單片機是由

INTEL公司發(fā)明，叫4004單片機，后來慢慢發(fā)展出了MCS-51系列和MCS-96系列。市面上常見的51系列單片機就屬于MCS-51系列，它是8位單片機，而MCS-96系列是16位單片機。市場上有許多公司生產(chǎn)的51系列兼容單片機，比如飛利浦的87LPC系列，華邦的W78L系列，以及現(xiàn)代的GSM97系列等。第一章

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論1.1.1單片機組成及其特點單片機是指在一塊芯片上集成了CPU、ROM、RAM、定時器/計數(shù)器和多種I/O接口電路等，是具有一定規(guī)模的微型計算機。單片機與通用微型計算機相比，在硬件結(jié)構(gòu)、指令設(shè)置上均有其獨到之處，主要特點如下：單片機中的存儲器是以ROM、RAM嚴格分工的。ROM為程序存儲器，只存放程序、常數(shù)及數(shù)據(jù)表格；而RAM則為數(shù)據(jù)存儲器，用作工作區(qū)，存放變量。采用面向控制的指令系統(tǒng)。為滿足控制的需要，單片機的邏輯控制能力要優(yōu)于同等級的CPU，特別是單片機具有很強的位處理能力，運行速度也較髙。

3．單片機的I/O口引腳通常是多功能的。例如，通用I/O引腳可以復(fù)用作為外部中斷或A/D輸入的模擬輸入口等。4．系統(tǒng)齊全，功能擴展性強，與許多通用微機芯片接口兼容，給應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計和生產(chǎn)帶來極大的方便。1.1單片機概述第一章

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論5．單片機應(yīng)用是通用的。單片機主要作為控制器使用，但功能上是通用的，可以像一微處理器那樣廣泛地應(yīng)用在各個領(lǐng)域。6．體積尺寸小，如各種貼片單片機。7．功能豐富，實時響應(yīng)速度快，可對I/O直接操作。8．使用便捷，硬件結(jié)構(gòu)簡單，提供了便捷開發(fā)工具。9．性價比高，電路板小，接插件少。1.1單片機概述第一章

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論1.1.2單片機軟硬件系統(tǒng)單片機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。其中硬件系

統(tǒng)是指構(gòu)成單片機系統(tǒng)的實體部分，通常有以下幾部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入/輸出接口電路等部分。其中，運算器

和控制器一般統(tǒng)稱為中央處理單元（CentralProcessingUnit），簡稱CPU，是單片機的核心部分，配上存放程序和數(shù)據(jù)的存儲器（ROM、RAM等）、輸人輸出(Input/Output，簡稱I/O)接口電路即構(gòu)成微機的硬件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)通常是指單片機系統(tǒng)所使用的各種程序的總體。軟件內(nèi)容放在存儲器中，操作者通過它對整個控制目標進行控制并與單片機進行信息交換，使單片機按照操作者的意圖完成任務(wù)。軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)共同構(gòu)成整體的單片機系統(tǒng)，兩者相互作用，形成統(tǒng)一的整體。1.1單片機概述第一章

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論1.單片機的硬件部分單片機的硬件部分主要包含運算器、控制器和存儲器。（1）運算器運算器是進行算術(shù)和邏輯運算的部件，它由完成加法運算的加法器、存放操作數(shù)和運算結(jié)果的寄存器和累加器組成。（2）控制器它是整個單片機硬件系統(tǒng)的指揮中心，根據(jù)不同的指令產(chǎn)生不同的動作，指揮整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行同時自動地進行工作。（3）存儲器存儲器有程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器之分，它由大量的存儲單元組成，用以存儲單片機的數(shù)據(jù)和程序。1.1單片機概述第一章

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論單片機的軟件部分涉及到單片機所有操作指令的集合簡稱指令集。實際上，程序就是由指令組合而成的機器控制流程。這種操作流程并非只是自上而下的簡單形式，它具有不同的控制、計算等任務(wù)。以下是對尋址方式和各類指令的介紹。尋址方式：立即尋址、寄存器尋址、直接尋址、寄存器間接尋址、變址尋址、相對尋址、位尋址等。數(shù)據(jù)傳輸類指令：立即數(shù)置數(shù)指令、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器單元與累加器之間的傳送指令、片內(nèi)外數(shù)據(jù)存儲器單元與累加器之間的傳送指令、程序存儲器單元與累加器之間的傳送指令、字節(jié)交換指令、堆棧操作指令等。算術(shù)操作類指令：加法指令、減法指令、乘法指令、除法指令、加1指令、減1指令、十進制調(diào)整指令等。1.1單片機概述第一章

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論（4）邏輯操作類指令：與指令、或指令、異或指令、累加器操作指令。位操作類指令：位傳送類指令、位邏輯操作類指令、位條件轉(zhuǎn)移類指令。程序轉(zhuǎn)移類指令：無條件轉(zhuǎn)移指令、條件轉(zhuǎn)移指令、調(diào)用和返回指令、空操作指令。偽指令：ORG指令、END指令、DB指令、DW指令、DS指令、EQU指令、

bit指令。1.1.3單片機分類1.根據(jù)指令結(jié)構(gòu)的分類當今單片機廠商眾多，產(chǎn)品功能不盡相同。在實際應(yīng)用中，要選擇適合的單片機種類和型號，需要對單片機的種類有所認識。從不同的角度，單片機有不同的分類。1.1單片機概述第一章

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論單片機根據(jù)指令結(jié)構(gòu)分類，單片機有復(fù)雜指令集（CISC）結(jié)構(gòu)和精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)兩類。采用復(fù)雜指令集結(jié)構(gòu)的單片機數(shù)據(jù)線和指令線分時復(fù)用，即所謂馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)或普林斯頓結(jié)構(gòu)。它的指令豐富，功能較強，但取指令和取數(shù)據(jù)不能同時進行，速度受限，價格亦高。采用精簡指令集結(jié)構(gòu)的單片機數(shù)據(jù)線和指令線分離，即所謂哈佛結(jié)構(gòu)。這使得取指令和取數(shù)據(jù)可同時進行，且由于一般指令線寬于數(shù)據(jù)線，使其指令較同類單片機指令包含更多的處理信息，執(zhí)行效率更高，速度更快。同時，這種單片機指令多為單字節(jié)，程序存儲器的空間利用率大大提高，有利于實現(xiàn)微型化。屬于復(fù)雜指令集結(jié)構(gòu)的單片機有：Intel8051系列、Motorola

M68110系列、TI

MSP430系列、Atmel的AT89系列、臺灣

Winbond(華邦)W78系列、荷蘭Pilips的PCF80C51系列等。屬于精簡指令集結(jié)構(gòu)的單片機有:韓國三星公司的KS57C系列4位單片機、臺灣義隆的EM-78系列、臺灣HOLTEK公司的HT48XX系列單片機、SCENIX的8位復(fù)雜指令集結(jié)構(gòu)SX系列單片機、EPSON單片機的SMC系列等。1.1單片機概述第一章

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論控制關(guān)系較簡單的小家電可以采用精簡指令集型單片機，如水表、熱表、電表、電動玩具等；控制關(guān)系較為復(fù)雜的場合，如通信產(chǎn)品、工業(yè)控制系統(tǒng)等，應(yīng)采用復(fù)雜指令集單片機，隨著精簡指令集單片機的迅速完善，其在控制關(guān)系復(fù)雜的場合也毫不遜色。2.根據(jù)程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是否分開的分類根據(jù)程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是否分開，分為哈佛結(jié)構(gòu)和普林斯頓結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的結(jié)構(gòu)。普林斯頓結(jié)構(gòu)是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結(jié)構(gòu)。INTEL的MCS-51系列單片機采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)的MCS-96系列單片機則采用普林斯頓結(jié)構(gòu)。1.1單片機概述第一章

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論1.2單片機的應(yīng)用單片機應(yīng)用的主要領(lǐng)域：智能化家用電器：各種家用電器普遍采用單片機智能化控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子線路控制，升級換代，提高檔次，如家用全自動洗衣機、變頻空調(diào)、電視機、錄像機、微波爐、電冰箱、電飯煲等。再比如現(xiàn)代辦公室使用的大量通信電子辦公設(shè)備都嵌入了單片機，如打印機、復(fù)印機、傳真機、繪圖機、考勤機、電話以及通用計算機中的鍵盤譯碼、磁盤驅(qū)動等。智能化儀表：采用單片機智能化的功能大大提高了儀表的功能，強化了其數(shù)據(jù)處理和采集功能。數(shù)據(jù)處理效率和速度不斷提高，同時增添了許多實際應(yīng)用功能如數(shù)據(jù)存儲、故障檢測。同時結(jié)合現(xiàn)今互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)集控等功能。商業(yè)營銷設(shè)備:在商業(yè)營銷系統(tǒng)中已廣泛使用的電子秤、收款機、條形碼閱讀器、IC卡刷卡機、出租車計價器以及倉儲安全監(jiān)測系統(tǒng)、商場保安系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、冷凍保險系統(tǒng)等，都采用了單片機控制。第一章

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論（4）工業(yè)自動化控制：工業(yè)自動化控制是最早采用單片機控制的領(lǐng)域之一。如各種測控系統(tǒng)、過程控制、機電一體化、PLC等。在化工、建筑、冶金等各種工業(yè)領(lǐng)域中都要用到單片機控制。（5）智能化通信產(chǎn)品：最突出的是手機，當然手機內(nèi)的芯片屬專用型單片機。（6）汽車電子產(chǎn)品：現(xiàn)代汽車的集中顯示系統(tǒng)、動力監(jiān)測控制系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和運行監(jiān)視器（黑匣子）等都離不開單片機。（7）航空航天系統(tǒng)和國防軍事、尖端武器等領(lǐng)域：單片機的應(yīng)用更是不言而喻。單片機應(yīng)用的定義不僅在于它的廣闊范圍及所帶來的經(jīng)濟效益，更重要的是，單片機的應(yīng)用從根本上改變了控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計思想和方法。以前采用硬件電路實現(xiàn)的大部分控制功能，正在用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)。以前自動控制中的PID調(diào)節(jié)，現(xiàn)在可以用單片機實現(xiàn)具有智能化的數(shù)字計算控制、模擬控制和自適應(yīng)控制。這種以軟件取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制技術(shù)稱為微控技術(shù)。隨著單片機的應(yīng)用和推廣，微控制技術(shù)將不斷發(fā)展和完善。1.2單片機的應(yīng)用第一章

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論硬件設(shè)計是單片機應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)，軟件的編程是建立在硬件開發(fā)的基礎(chǔ)之上，軟硬件設(shè)計的巧妙結(jié)合是項目開發(fā)質(zhì)量保證的關(guān)鍵。單片機生產(chǎn)商在將功能落實到實際應(yīng)用的同時也不斷在單片機開發(fā)環(huán)境上下功夫，國內(nèi)外單片機生產(chǎn)廠商都有自己獨特的開發(fā)軟件和硬件開發(fā)平臺。其中單片機的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境通常包含以下四部分內(nèi)容：集成的開發(fā)軟件環(huán)境、開發(fā)硬件平臺、燒錄設(shè)備、硬件仿真器等四部分。單片機學習主要針對的內(nèi)容為軟件和硬件環(huán)境的學習。1.軟件開發(fā)環(huán)境軟件開發(fā)涉及以下四部分內(nèi)容：C語言編譯器、匯編器、調(diào)試器、燒錄軟件。軟件開發(fā)環(huán)境所涉及的部件及其相互關(guān)系如下圖所示：1.2單片機的應(yīng)用第一章

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論1.2單片機的應(yīng)用第一章

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論2.單片機硬件開發(fā)平臺單片機的應(yīng)用開發(fā)不單是軟件的開發(fā)，它與開發(fā)語言和硬件密切相關(guān)。掌握單片機應(yīng)用的軟硬件開發(fā)需要一個過程。首先必須掌握數(shù)字電路和模擬電路方面的知識，還必須學習單片機原理、硬件結(jié)構(gòu)、擴展接口和編程語言。初次開發(fā)時因沒有經(jīng)驗，可能要經(jīng)過多次反復(fù)才能完成項目。這時，就會得到較大的收獲和積累，它表現(xiàn)在硬件設(shè)計方面的積累、軟件編程方面的積累、設(shè)計與調(diào)試經(jīng)驗方面的積累。單片機應(yīng)用開發(fā)是市場需要，硬件是市場需要的最終目標。單片機應(yīng)用開發(fā)編程必須通過硬件來實現(xiàn)，調(diào)試是在硬件實現(xiàn)同時加以驗證的手段。單片機控制處理能力的實現(xiàn)依賴于程序存儲器中的程序。程序必須通過燒錄才能載入單片機的程序存儲器。目前，大多數(shù)單片機已經(jīng)具備在線燒錄能力，可以不再使用硬件燒錄器就能完成燒錄。在單片機應(yīng)用開發(fā)過程中，硬件仿真是必要的。硬件仿真器是單片機開發(fā)過程中進行硬件仿真調(diào)試的儀器，硬件仿真器一般需要在軟件工具的配合下才能實現(xiàn)硬件仿真。1.2單片機的應(yīng)用第一章

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論1.3單片機的歷史與發(fā)展早期的單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很好評。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機系統(tǒng)。基于這一系列的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到廣泛的應(yīng)用。90年代后隨

著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術(shù)有了很大提高。后來以ARM系列為代表的32位單片機迅速取代了16位單片機的地位，并且進入主流市場。而傳統(tǒng)的8位單片

機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了很多倍。目前，高端的32位單片機主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的

型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。當代單片機系統(tǒng)已經(jīng)

不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系

列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使第一章

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論使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。事實上單片機是世界上數(shù)量

最多的計算機?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中

都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、

掌上電腦以及鼠標等電腦配件中都最少配有1-2個單片機。而個人

電腦中也會有為數(shù)不少的單片機在工作。汽車上一般配備40多個單

片機，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作！單片機誕生于20世紀70年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU、SOC三大階段。單片機作為微型計算機的一個重要分支，應(yīng)用面很廣，發(fā)展很快。

自單片機誕生至今，已發(fā)展出上百種系列的近千個機種。目前，單

片機發(fā)展趨勢將是進一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、

高性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。1.3單片機的歷史與發(fā)展第一章

緒

論SCM即單片微型計算機（Single

Chip

puter）階段，主要是尋求單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。“創(chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展道路上，Intel公司功不可沒。MCU即微控制器（Micro

Controller

Unit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領(lǐng)域都與對象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展MCU方面，最著名的廠家當數(shù)Philips公司。Philips公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢，將MCS-51從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此，當我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時，不能忘記Intel和Philips的歷史功績。單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決方案；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計、EDA工具的發(fā)展，基于SOC的單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計會有較大的發(fā)展。因此，1.3單片機的歷史與發(fā)展第一章

緒

論從單片機經(jīng)歷的實踐性歷史階段大體劃分如下四個階段：（1）第一階段（1976-1978）：單片機的嘗試探索階段。以Intel公司的MCS–48為代表。MCS–48的推出是在工控領(lǐng)域的探索，參與這一探索的公司還有Motorola

、Zilog等，都取得了滿意的效果。這就是SCM的誕生年代，“單片機”一詞即由此得來。（2）第二階段（1978-1982）：單片機的完善階段。Intel公司在MCS–48基礎(chǔ)上推出了完善的、典型的單片機系列MCS–51。它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片機體系結(jié)構(gòu)。①完善的外部總線。MCS-51設(shè)置了經(jīng)典的8位單片機的總線結(jié)構(gòu)，包括8位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線、控制總線及具有很多機通信功能的串行通信接口。②CPU外圍功能單元的集中管理模式。③體現(xiàn)工控特性的位地址空間及位操作方式。④指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。1.3單片機的歷史與發(fā)展第一章

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論（3）第三階段（1982-1990）：8位單片機的鞏固發(fā)展及16位單片機的推出階段，也是單片機向微控制器發(fā)展的階段。Intel公司推出的MCS–96系列單片機，將一些用于測控系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、程序運行監(jiān)視器、脈寬調(diào)制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機的微控制器特征。隨著MCS–51系列的廣范應(yīng)用，許多電氣廠商競相使用

80C51為內(nèi)核，將許多測控系統(tǒng)中使用的電路技術(shù)、接口技術(shù)、多通道A/D轉(zhuǎn)換部件、可靠性技術(shù)等應(yīng)用到單片機中，增強了外圍電路功能，強化了智能控制的特征。（4）第四階段（1990至今）：微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機在各個領(lǐng)域全面深入地發(fā)展和應(yīng)用，高速、大尋址范圍、強運算能力更加強大的8位/16位/32位通用型單片機將有更寬廣的未來。1.3單片機的歷史與發(fā)展第一章

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論1.4常見單片機常用的幾種單片機簡單的介紹和比較：AVR系列：AVR單片機是Atmel公司推出的較為新穎的單片機，其顯著的特點為高性能、高速度、低功耗。它取消機器周期，以時鐘周期為指令周期，實行流水作業(yè)。AVR單片機指令以字為單位，且大部分指令都為單周期指令。而單周期既可執(zhí)行本指令功能，同時還可以完成下一條指令的讀取。通常時鐘頻率用4～8MHz，故最短指令執(zhí)行時間為250～125ns。通用寄存器一共32個（R0～R31），前16個寄存器（R0～R15）都不能直接與立即數(shù)打交道，因而通用性有所下降。而在51系列中，它所有的通用寄存器（地址00～7FH）均可以直接與立即數(shù)打交道，顯然要優(yōu)于前者。AVR的專用寄存器集中在00～3F地址區(qū)間，無需像PIC那樣得先進行選存儲體的過程，使用起來比PIC方便。AVR的片內(nèi)RAM的地址區(qū)間為0～$00DF(AT90S2313)和0060～025F(AT90S8515、AT90S8535)，它們占用的是數(shù)據(jù)空間的地址，這些片內(nèi)RAM僅僅是用來存儲數(shù)據(jù)的，通常不具備通用寄存器的功能。當程序復(fù)雜時，通用寄存器R0～R31就顯得不夠用；而51系列的通用寄存器多達128個（為AVR的4倍），編程時就不會有這種感覺。

AVR的I/O腳類似PIC，它也有用來控制輸入或輸出的方向寄存器，在輸出狀態(tài)下，高電平第一章

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論51系列：應(yīng)用最廣泛的八位單片機首推Intel的51系列，由于產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史“悠久”，有先入為主的優(yōu)勢。世界有許多著名的芯片公司都購買了51芯片的核心專利技術(shù)，并在其基礎(chǔ)上進行性能上的擴充，使得芯片功能得到進一步的完善，形成了一個龐大的體系，直到現(xiàn)在仍在不斷翻新，把單片機世界吵得沸沸揚揚。有人推測，51芯片可能最終形成事實上的標準MCU芯片。51系列優(yōu)點之一是它從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器，或布爾處理器。它的處理對象不是字或字節(jié)而是位。它不光能對片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進行處理，如傳送、置位、清零、測試等，還能進行位的邏輯運算，其功能十分完備，使用起來得心應(yīng)手。雖然其他種類的單片機也具有位處理功能，但能進行位邏輯運算的實屬少見。51系列在片內(nèi)RAM區(qū)間還特別開辟了一個雙重功能的地址區(qū)間，十六個字節(jié)，單元地址20H～2FH，它既可作1.4常見單片機第一章

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論字節(jié)處理，也可作位處理（作位處理時，合128個位，相應(yīng)位地址為00H～7FH），使用很靈活。這一功能無疑給使用者提供了很大的方便，因為一個較復(fù)雜的程序在運行過程中會遇到很多分支，因而需建立很多標志位，在運行過程中，需要對有關(guān)的標志位進行置位、清零或檢測，以確定程序的運行方向。而實施這一處理（包括前面所有的位功能），只需用一條位操作指令即可。51系列的另一個優(yōu)點是乘法和除法指令，這給編程也帶來了便利。作乘法時，只需一條指令就行了，即MULAB(兩個乘數(shù)分別在累加器A和寄存器B中。積的低位字節(jié)在累加器A中，高位字節(jié)在寄存器B中)。很多的八位單片機都不具備乘法功能，作乘法時還得編上一段子程序調(diào)用，十分不便。在51系列中，還有一條二進制-十進制調(diào)整指令DA能將二進制變?yōu)锽CD碼，這對于十進制的計量十分方便。而在其他的單片機中，則也需調(diào)用專用的子程序才行。1.4常見單片機第一章

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論51系列I/O腳使用簡單，但高電平時輸出能力有限，可謂有利有弊。故其他系列的單片機（如PIC系列、AVR系列等）對I/O口進行了改進，雖然增加了方向寄存器以確定輸入或輸出，但是使用也變得復(fù)雜。一些簡裝的51產(chǎn)品也相應(yīng)出現(xiàn)，如Atmel公司的AT89C1051、AT89C2051、AT89C4051等（閃速存儲器分別為1K、2K、4K等，但不能外接數(shù)據(jù)存儲器），指令系統(tǒng)與AT89C51完全兼容，但引腳均為20腳，不光體積小，而且價格低廉，這使得其他的公司競相仿照。不過，原51系列也有許多值得改進之處，如運行速度過慢等。當晶振頻率為12MHz時，機器周期精確度達1μs，顯然適應(yīng)不了現(xiàn)代高速運行的需要。華邦公司(Winbond)生產(chǎn)的產(chǎn)品型號為W77系列和W78系列，W78系列與AT89C系列完全兼容。W77系列為增強型，對原有的8051的時序作了改進，每個機器周期從12個時鐘周期改為4個周期，使速度提高了三倍，同時，晶振頻率最高可達40MHz。W77系列還增加了看門狗WatchDog、ISP功能、兩組UART、兩組DPTR數(shù)據(jù)指針等多種功能。1.4常見單片機第一章

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論PIC系列：PIC單片機系列是美國微芯公司（Microship）的產(chǎn)品，是當前市場份額增長最快的單片機之一。CPU采用RISC結(jié)構(gòu)，分別有33、35、58條指令（視單片機的

級別而定），屬精簡指令集。而51系列有111條指令，AVR單片機有118條指令，

都比前者復(fù)雜。采用Harvard雙總線結(jié)構(gòu)，運行速度快(指令周期約160～200ns)，它能使程序存儲器的訪問和數(shù)據(jù)存儲器的訪問并行處理，這種指令流水線結(jié)構(gòu)，在一個周期內(nèi)完成兩部分工作，一是執(zhí)行指令，二是從程序存儲器取出下一條指令，這樣總的看來每條指令只需一個周期（個別除外），這也是高效率運行的原因之一。此外，它還具有低工作電壓、低功耗、驅(qū)動能力強等特點。PIC系列單

片機共分三個級別，即基本級、中級、高級。其中以中級的PIC16F873(A)、PIC16F877

(A)用的最多，這兩種芯片除了引出腳不同外，C16F873(A)為28腳的DIP或SOIC封裝，PIC16F877(A)為40腳的DIP或44腳的PLCC/QFP封裝），其他的差別并不很大。1.4常見單片機第一章

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論PIC系列單片機的I/O口是雙向的，其輸出電路為CMOS互補推挽輸出電路。I/O腳增加了用于設(shè)置輸入或輸出狀態(tài)的方向寄存器（TRISn，其中n對應(yīng)各口，如A、B、C、D、E等），從而解決了51系列I/O腳為高電平時同為輸入和輸出的狀態(tài)。當置位1時為輸入狀態(tài)，且不管該腳呈高電平或低電平，對外均呈高阻狀態(tài)；置位0時為輸出狀態(tài)，不管該腳為何

種電平，均呈低阻狀態(tài)，有相當?shù)尿?qū)動能力，低電平吸入電流達25mA，高電平輸出電流可

達20mA。相對于51系列而言，這是一個很大的優(yōu)點，它可以直接驅(qū)動數(shù)碼管顯示且外電路

簡單。它的A/D為10位，能滿足精度要求。具有在線調(diào)試及編程（ISP）功能。該系列單片機的專用寄存器（SFR）,并不像51系列那樣都集中在一個固定的地址區(qū)間內(nèi)(80～FFH)，而是分散在四個地址區(qū)間內(nèi)，即存儲