完全手冊51單片機(jī)C語言開發(fā)詳解-第1章 單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

第1章單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)在學(xué)習(xí)MCS-51單片機(jī)開發(fā)之前，有必要先了解一下單片機(jī)的基本概念，本章介紹單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括單片機(jī)的基本概念、發(fā)展歷史、應(yīng)用領(lǐng)域以及主要的MCS-51單片機(jī)介紹。1.1單片機(jī)簡介目前生產(chǎn)單片機(jī)的廠商主要有Intel公司、Motorola公司、Philips公司、ATMEL公司、Microchip公司、AMD公司、Zilog公司、WinBond公司等，產(chǎn)品型號(hào)種類眾多，性能各具特色。本書主要介紹的是在各個(gè)應(yīng)用場合占有較大市場份額的MCS-51結(jié)構(gòu)系列單片機(jī)，其中又以ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S51單片機(jī)為具體實(shí)例，講解MCS-51單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)中的使用與設(shè)計(jì)方法，通過具體的實(shí)例，讀者不但能夠掌握MCS-51單片機(jī)的開發(fā)，還能夠由淺入深地學(xué)習(xí)單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，為學(xué)習(xí)其他單片機(jī)打下厚實(shí)的基礎(chǔ)。1.2單片機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，現(xiàn)今的單片機(jī)產(chǎn)品在功能、體積、功耗、價(jià)格等各個(gè)方面已經(jīng)達(dá)到了非常優(yōu)異的水平，單片機(jī)具有以下一些突出的優(yōu)點(diǎn)：體積小巧靈活，成本低，開發(fā)周期短，易于產(chǎn)品化，能方便地集成到各種智能式測控設(shè)備及各種智能儀器儀表中，很容易滿足儀器設(shè)備既智能化又微型化的要求。工作可靠性高，溫度范圍寬。單片機(jī)一般按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。控制能力強(qiáng)，擴(kuò)展性能好。通過單片機(jī)本身或擴(kuò)展可方便地構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)及多機(jī)和分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。指令系統(tǒng)相對簡單，較易掌握，開發(fā)成本低，有較豐富的邏輯控制功能指令，能較方便地直接操作外部I/O設(shè)備。1.3單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域目前單片機(jī)的應(yīng)用已深入到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎每一個(gè)智能產(chǎn)品都集成了至少一片單片機(jī)，對各個(gè)行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代起到了非常重要的作用。單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域包括機(jī)電一體化、工業(yè)控制、智能儀器儀表、實(shí)時(shí)控制、軍民用電子產(chǎn)品等各個(gè)方面。1.3.1機(jī)電一體化機(jī)電一體化是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的重要方面機(jī)電一體化產(chǎn)品是集機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)與一體，具有智能化特征的機(jī)電產(chǎn)品。例如現(xiàn)代汽車已經(jīng)成為機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用最成功的產(chǎn)品之一，在汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)控制、ABS控制、門窗控制、安全氣囊控制、空調(diào)、音響等，無一不是集成了單片機(jī)控制的智能化機(jī)電一體化產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一輛高檔轎車內(nèi)，已經(jīng)集成了30～100個(gè)不同的微處理器，如圖1.1所示為德國著名企業(yè)BOSCH生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元，采用英飛凌公司生產(chǎn)的C167高性能16位單片機(jī)。單片機(jī)的出現(xiàn)促進(jìn)了機(jī)電一體化的進(jìn)程，大大提升了機(jī)器的功能，提高了機(jī)器的精度、自動(dòng)化和智能化水平。1.3.2智能儀表儀器在實(shí)驗(yàn)室、測試設(shè)備、計(jì)量等各種儀器儀表之中，單片機(jī)也得到了廣泛地應(yīng)用。儀器儀表的智能化、測量速度和測量精度的提高、控制功能的復(fù)雜、儀器儀表結(jié)構(gòu)的簡化等都需要基于單片機(jī)開發(fā)的測量系統(tǒng)來進(jìn)行。例如如電度表校驗(yàn)儀，電阻、電容、電感測量儀，汽車行駛狀態(tài)記錄儀，化工成分測試儀，智能超聲測距儀，發(fā)動(dòng)機(jī)測功機(jī)等。1.3.3工業(yè)現(xiàn)場控制在各種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，單片機(jī)也得到了非常廣泛地應(yīng)用，如流量、液位、轉(zhuǎn)速、位移、壓力、溫度、化學(xué)成分、酸度等等測量和控制工業(yè)上過程控制中的各種物理參數(shù)，經(jīng)過單片機(jī)的實(shí)時(shí)處理和控制，可以控制到一個(gè)精度很高的水平。單片機(jī)技術(shù)和測量技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合，數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)控制功能能夠得到充分發(fā)揮，使系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)，提高系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。1.3.4軍事技術(shù)由于單片機(jī)使用溫度范圍廣、利用可靠性高、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的優(yōu)異的特點(diǎn)，在導(dǎo)彈控制、魚雷制導(dǎo)控制、智能武器裝備、航天飛機(jī)巡航系統(tǒng)等領(lǐng)域，單片機(jī)也得到了廣泛應(yīng)用。1.3.5分布式控制系統(tǒng)在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，都采用分布式多機(jī)系統(tǒng)，分布式系統(tǒng)具有功能強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。利用單片機(jī)構(gòu)成的分布式測控系統(tǒng)，系統(tǒng)中有若干臺(tái)由單片機(jī)組成的功能各異的儀器設(shè)備，之間通過通信相互聯(lián)系和交換數(shù)據(jù)，各自完成特定的任務(wù)的同時(shí)協(xié)調(diào)完成整個(gè)任務(wù)，能同時(shí)采集或處理的信息更多。1.3.6家用電子產(chǎn)品在民用電子產(chǎn)品中，單片機(jī)也得到了很廣泛的應(yīng)用，幾乎大部分的現(xiàn)代家用電器里都集成了不止一塊的單片機(jī)。采用單片機(jī)控制能夠明顯提高產(chǎn)品的性能價(jià)格比，提高產(chǎn)品在市場上的競爭力，因此單片機(jī)控制的智能家電受到了產(chǎn)品開發(fā)商和用戶的雙重青睞。目前較高檔電子玩具、家用電器等幾乎都是用單片機(jī)作為控制器。如圖所示為最常見的電飯煲、洗衣機(jī)和電冰箱，在這些產(chǎn)品中，都集成了不同的單片機(jī)控制系統(tǒng)。1.4單片機(jī)的發(fā)展趨勢：高性能化高性能化是單片機(jī)發(fā)展的一大趨勢，各大公司為了提高單片機(jī)的工作性能，采用以下一系列措施來進(jìn)行改進(jìn)。1.4.1采用雙CPU結(jié)構(gòu)通過采用“雙核”結(jié)構(gòu)，提高單片機(jī)的處理速度和處理能力。如圖1.7左側(cè)所示為Freescale公司推出的S12XE系列單片機(jī)，除了具有一個(gè)S12單片機(jī)16位的處理器以外，還具備一個(gè)XGate輔助處理器，大大提高了單片機(jī)的性能，在某些方面的性能已經(jīng)可以和32位單片機(jī)相媲美。1.4.2增加數(shù)據(jù)總線寬度通過增加數(shù)據(jù)總線寬度，能夠有效的提高數(shù)據(jù)處理速度和處理能力。例如，F(xiàn)reescale公司的S12系列單片機(jī)將ALU做成一個(gè)16位的運(yùn)算部件，內(nèi)部采用16位數(shù)據(jù)總線。因此，它的處理能力明顯優(yōu)于一般的8位單片機(jī)。1.4.3采用流水線結(jié)構(gòu)通過采用流水線結(jié)構(gòu)，能夠使指令以隊(duì)列形式出現(xiàn)在CPU中，從而具有很快的運(yùn)算速度。這類單片機(jī)的運(yùn)算速度要比標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)高出10倍以上，尤其適合于作實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理用。1.5單片機(jī)的發(fā)展趨勢：存儲(chǔ)器大容量化存儲(chǔ)器的大容量化有利于用戶開發(fā)更復(fù)雜更優(yōu)異的控制程序，可以通過以下方法實(shí)現(xiàn)。1.5.1不斷增大存儲(chǔ)容量新型單片機(jī)片內(nèi)ROM一般可達(dá)4KB～8KB，有的甚至可達(dá)128Kbyte。隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，片內(nèi)RAM也一直不斷增大，從原來最常見的256Byte，一般可達(dá)2KByte，部分高性能單片機(jī)可達(dá)128Kbyte甚至更高。片內(nèi)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量的增大，簡化了外圍擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)，從而提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，降低了產(chǎn)品的成本。1.5.2Flash技術(shù)片內(nèi)EPROM被E2PROM、Flash技術(shù)代替。片內(nèi)EPROM由于需要高壓編程寫入、紫外線擦抹刪除，存在諸多不便。采用電改寫的E2PROM后不需用紫外線擦抹，只需重新寫入。特別是能在+5V下讀寫的E2PROM，既有靜態(tài)RAM讀寫操作簡便的優(yōu)點(diǎn)，又有在掉電時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失這一ROM的優(yōu)點(diǎn)。片內(nèi)E2PROM的使用不僅會(huì)對單片機(jī)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，而且會(huì)大大簡化應(yīng)用系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，從而提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品的成本。隨著閃存（Flash）技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)內(nèi)置ROM采用Flash技術(shù)的比例越來越大，單片機(jī)ROM的容量也不斷擴(kuò)大。1.5.3程序保密處理一般單片機(jī)Flash中的程序很容易被復(fù)制，為保護(hù)版權(quán)，各大單片機(jī)產(chǎn)商公司開始片內(nèi)E2PROM或Flash采用加密方式，加密后，無法讀出其中的程序，能夠有效地防止應(yīng)用程序被抄襲。如圖1.8所示為ATMEL公司生產(chǎn)的集成了Flash存儲(chǔ)技術(shù)的MCS-51結(jié)構(gòu)單片機(jī)AT89S51。1.6單片機(jī)的發(fā)展趨勢：接口多樣化接口多樣化使得單片機(jī)能夠處理的系統(tǒng)任務(wù)越來越大，越來越復(fù)雜。1.6.1引腳數(shù)目不斷增多現(xiàn)今各種單片機(jī)都具有不同引腳數(shù)目的系列，引腳數(shù)目多，則并行口資源豐富，能夠滿足外圍設(shè)備以及芯片擴(kuò)展的需要，并配有串行口，以滿足多機(jī)通信功能