第1章单片机概述

第一章单片机概述

一、什么是单片机二、单片机的发展历史三、单片机的应用四、单片机的主要生产厂家和机型微型计算机硬件结构——常见的微机外形台式微机便携式微机立式微机一、什么是单片机1、微型计算机微型计算机硬件结构——微机硬件组成

显示器主机键盘鼠标微型计算机硬件结构——运算器控制器CPU存储器输入接口电路输入设备输出设备输出接口电路硬件系统内部结构

硬件系统——构成微机的实体和装置软件系统——微机系统所使用的各种程序的总称软件系统与硬件系统共同构成实用的微机系统，两者是相辅相成、缺一不可的。

软件系统+微型计算机系统运算器控制器CPU存储器输入接口电路输入设备输出设备输出接口电路硬件系统微型计算机系统什么是单片机？

将构成计算机的五大组成部分集成在一个芯片上就构成单芯片微型计算机，简称单片机CPU输入设备输出设备软件系统+微型计算机系统硬件系统输入接口设备输出接口设备运算器控制器存储器单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，简称单片机——单片机实质上就是一个芯片2、单片微型计算机单片机内部结构示意图

CPU

存储器定时器/计数器

中断系统P0-P3TxDRxD

TINT并行I/O口串行I/O口单片机应用系统

单片机应用系统单片机＋接口电路及外设等＋软件硬件单片机应用系统:由硬件系统和软件系统组成硬件是应用系统的基础软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可3.分类：通用单片机和专用单片机

通用型单片机是一种基本芯片,例如市场上常见的MCS-51、ATMEL、PHILIPS、AVR、PIC、WINBOND等系列的单片机产品，它们的可用资源比较丰富，性能全面，适用性强，所以在生产、科研等得到广泛应用。本书所介绍的单片机是通用型单片机。

专用型单片机也叫专用微处理器，是专门针对某个特定产品而设计的,各方面均经过最优化的考虑，具有十分明显的综合优势。例如数码相机、手机、洗衣机功能控制器、空调控制器、IC卡读写器中所应用的单片机等。

4.单片机名称1971年Intel公司制造出第一片微型机芯片4004之后，开始了微型机时代。将微处理器、存储器和外围设备集成到一块芯片上，这就是单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer），简称单片机。单片机是应工业测控而诞生的，它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故也叫单片微控制器（SCMSingleChipMicrocontroller），它在控制领域大显身手，装入到各种智能化产品之中，所以又称为嵌入式微控制器(EMCU：EmbeddedMicrocontrollerUnit)，也有文献中称为微控制器单元（MCUMicrocontroller）。

1946年世界上第一台电子计算机ENIAC诞生，18000个电子管，占地1800平方英尺，耗电180千瓦，其运算速度为每秒5000次。它通过不同部分之间的重新接线编程，还拥有并行计算能力。它使用于1946到1955年，被公认为第一台成功的高速电子数字计算机。ENIAC由美国政府和宾夕法尼亚大学合作开发，使用了二、单片机的发展历史

发展背景：怎样改进计算机使其更好地用作控制？70年代初微处理器诞生了！微处理器的问世：

70年代初，“微处理器”问世了，微处理器以及以微处理器为核心部件构成的微型计算机的诞生，为电子计算机的普及和应用开拓了广阔的道路。

1971年11月15日:MarcianE.Hoff在INTEL公司开发成功第一块微处理器4004。70年代中期，为满足广泛应用的需要，微型计算机向着两个不同的方向发展：高速度、大容量、高性能的高档微机方向——PC机功能完善、稳定可靠、体积小、价格低廉、面向控制的方向——单片机

1.1单片机及其发展应用计算机能比现在的运算速度快10000倍吗？要是计算机能放进我的口袋里多好啊！单片机系统与通用计算机系统的主要区别

单片机系统最显著的特点是面对工控领域的测控对象。控制对象对嵌入式计算机系统采集、处理、控制的速度要求是有限的，而对控制方式与控制能力的要求是无限的。为了实现海量高速数值计算，通用计算机系统对计算机运行速度的要求是无限的，而对计算机的控制功能的要求是有限的。

第一阶段（1974～1976年）：单片机初级阶段这一阶段的单片机采用双片形式，而且功能简单。如仙童公司生产的F8单片机，它只有8位CPU、64个字节的RAM和2个并行口，需加装一块3851芯片（含1KBROM、定时器/计数器和2个并行I/O口）才能完成控制功能。

第二阶段（1976～1978年）：低性能单片机阶段

代表机型：Intel公司在1976年推出的8位机MCS-48系列，它以其体积小、控制功能全、价格低廉等特点，一经推出就获得了广泛的应用和好评，为单片机的发展奠定了坚实的基础，成为单片机发展史上的一个重要阶段。

发展历程：2．单片机的发展历程——4个阶段

第三阶段（1978～1982年）：高性能单片机阶段普遍带有串行I/O接口、多级中断系统、16位定时器/计数器等，片内RAM、ROM的容量加大，寻址范围增加到64KB。

代表机型：Intel公司推出的MCS-51系列单片机。这仍是当前单片机的主流系列。第四阶段（1983年～现在）：8位单片机巩固发展及

16位、32位单片机推出阶段继8位单片机之后，Intel公司又在1983年推出了16位单片机MCS-96系列，与MCS-51相比，MCS-96不但字长增加一倍，而且在其它性能方面也有很大提高，如在片内增加了一个4路或8路的10位A/D转换器，具有A/D转换功能等。这个时期，Mortorola、ATMEL、TI、日立、三菱、LG等公司也开发了一大批性能优越的单片机,极大推动了单片机的应用。

需要提及的是，单片机的发展虽然按先后顺序经历了4位、8位、16位的阶段，但从实际使用情况看，并没有出现推陈出新、以新代旧的局面。4位、8位、16位单片机仍各有应用领域，如4位单片机在一些简单家用电器、高档玩具中仍有应用，8位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地位，16位单片机在比较复杂的控制系统中才有应用。

CPU的改进（1）采用双CPU结构，提高处理能力（2）增加数据总线宽度，内部采用16位数据总线。（3）串行总线结构，菲利浦公司的I2C总线（Inter－Icbus）。用两根信号线代替现行的8位数据总线。（4）早期多使用CISC（ComplexInstructionSetComputer）系统结构，近来RISC（ReducedInstructionSetComputer）单片机已大力发展。RISC单片机中，除指令集精简外，一般都用单字长指令和流水线操作方法，大大加快了指令的运行速度。

存储器的发展（1）加大存储容量。（2）片内EPROM采用E2PROM或闪烁（Flash）存储器（3）程序保密化。

发展趋势：片内I/O的改进（1）增加并行口的驱动能力，能直接输出大电流和高电压。（2）增加I/O口的逻辑控制功能。（3）设置了一些特殊的串行接口功能，构成分布式、网络化系统。外围电路内装化器件集成度的不断提高，把众多的外围功能部件集成在片内－－系统的单片化。

发展趋势：低功耗化

CMOS化、CHMOS工艺。具有等待状态、睡眠状态、关闭状态等工作方式芯片专用化总之，向高性能、高速、低压、低功耗、低价格、外围电路内装化方向发展。

发展趋势：三、单片机的应用1、工业控制领域

数控线切割机床数控车床机电一体化是机械工业发展的方向。机电一体化产品是指集机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。单片机广泛用于导弹的导航装置、飞机上各种仪表的控制、计算机的网络通信与数据传输、机器人、工业自动化过程的实时控制和数据处理。例如，在这些实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器，单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。

在教育部倡导的全国大学生电子设计大赛中，有一道设计简易智能电动车的题目，参赛者用51系列单片机完成了设计任务并取得了较好的成绩。该设计采用单片机AT89C51和AT89C2051芯片为核心部件，利用光电检测技术、超声波测距、电涡流检测技术并配合一套独特的软件实现了电动车识别并选择正确的行进路线、电机的方向和速度控制、自动寻找光源、判断并自动躲避障碍物、时间显示、蜂鸣器报警等功能。电动车控制方案如下图所示。

智能电动车控制方案

2、家用电器领域

单片机可以广泛应用在我们日常生活的各个领域，家用电器是单片机应用最多的领域之一。由于家用电器体积小、品种多、功能差异也大，因而要求其控制器不仅体积小，以便能够嵌入家用电器中，同时要求控制器有灵活的控制功能。单片机以微小的体积和编程的灵活性成为家用电器实现智能化的心脏和大脑。手机中有既有32位的单片机，也有16位、8位的单片机。电话中常见8位单片机。电视遥控器中有4位或者8位的单片机。DVD中多数是32位单片机。MP3中多数是8-16位单片机。其他诸如空调、洗衣机、微波炉、冰箱、热水器、电子称、电子表、计算器、收音机、鼠标、键盘、电动自行车、汽车钥匙、可视门禁、公交车报站器、公交车刷卡器、红绿灯控制器、等等等等……

欧美日等国家，一个家庭中所拥有的单片机数量平均到100-120颗。3、智能仪器仪表数字式测角仪交直流电压电流表位移传感器单片机用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，可以提高测量的自动化程度和精度；简化仪器仪表的硬件结构，减小体积，提高其性价比。例如：温度智能控制仪表、医用仪表、汽车电子设备、数字示波器等。例如，在普通模拟示波器的基础上用单片机进行改造而成的数字存储示波器，克服了普通模拟示波器的缺点，并增加了许多功能，如可以显示大量的预触发信息，可以长期贮存波形，可以在打印机或绘图仪上制作硬拷贝以供编制文件使用，可以将采集的波形和操作人员手工或示波器全自动采集的参考波形进行比较，波形信息可用数学方法进行处理。

4、办公自动化领域

5、商业营销领域

条码打印机条码阅读器打印机考勤机单片机与通信技术相结合促使通信设备的智能控制水平大大提高，广泛应用于通信的各个领域。例如：调制解调器、传真机、复印机、打印机、移动电话机、固定电话机等。例如，传统的电话机只能实现简单的拨号、响铃、通话等功能，使用单片机后，可以开发出来电显示、存储电话号码、时钟显示、免提、重拨、声控等功能。功能更多的无绳电话机、录音电话机、可视电话机等多功能电话机也已走进人们的生活。

医用呼吸机6、航空航天等高科技领域四、单片机的主要生产厂家和机型

自单片机诞生以来的近30年中，单片机已有70多个系列的近500个机种。国际上较有名、影响较大的公司及他们的产品如下所述：Intel公司的MCS—48、MCS—51、MCS—96系列；Motorola公司的6801、6802、6803、6805、68HCll系列产；Zilog公司的Z8、Super8系列产品；仙童(Fairchild)公司和Mostek公司的F8、3870系列产品；NEC公司的μCOM—87系列产品；Rockwell公司的6500、6501系列产品。Atmel、PHILIPS、LG等公司的51兼容机。1、产品概况Intel公司的单片机

其产品有MCS-48、MCS-51和MCS-96三大系列几十个型号的单片机。MCS-51系列单既包括三个基本型号8031（无ROM型）、8051（ROM型）、8751（EPROM型）

8051是世界上产量排名第二的著名单片机CPU。ATMEL公司的单片机

ATMAL公司在1994年以E2PROM技术和Intel公司的80C31单片机核心技术进行交换，从而取得80C31核的使用权。先进的Flash技术和80C31核相结合，生产出具有8051结构的Flash型和EEPROM型单片机（尤其是89C51和89C52）

Silicon

Laboratories公司的单片机

C8051F系列是一种典型的高性能单片机,完全集成混合信号系统级芯片（SOCSystemofChip），完全兼容MCS-51。采用流水线（pipe

line）技术，不再区分时钟周期和机器周期，提高了指令执行效率。具备控制系统所需的模拟和数字外设，包括看门狗、ADC、DAC、电压比较器、电压基准输出、定时器、PWM、定时器捕捉和方波输出等，并具备多种总线接口，包括UART、SPI、SMBUS（与I2C兼容）总线以及CAN总线。C8051F系列单片机采用Flash

ROM技术，集成JTAG，支持在线编程。

Motorola公司的单片机

8位机有68HC05、68HC08和68HC11几种。68HC05是Motorola公司推出的一种采用HCMOS技术的8位单片机，是世界上产量排名第一的著名单片机CPU。TOSHIBA公司的单片机具有功能强、可靠性高、价格低等特点，特别适合于空调、电冰箱等家电产品。Philips公司的单片机Philips公司生产8051结构的80C51系列8位单片机、采用8051结构的16位单片机、以68000为核的16位单片机。

2、MCS-51系列和AT89系列单片机

MCS-51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8951，8032，8052，8752，8952等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS-51系列单片机。（1）MCS-51系列MCS-51系列单片机分类

资源配置子系列

片内ROM形式

片内

ROM

容量

片内RAM

容量定时/计数器中断源

无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双列直插式40脚封装（DIP40）MCS-51系列单片机配置一览表系列片内存储器（字节）定时器计数器并行I/O串行I/O中断源片内ROM片内RAM无有ROM有EPROMIntelMCS-51子系列803180C31805180C51(4K字节)875187C51(4K字节)128字节2x164x8位15IntelMCS-52子系列803280C32805280C52(8K字节)875287C52(8K字节)256字节3x164x8位16MCS-51系列单片机的分类功能常用型号基本型8031、8051、80C31、80C51增大存储器型8032、8052、80C32、80C52低功耗型80C31BH、80C51BH、87C51高级语言型8052AH-BASICPCA型83C51FA、80C51FA、83C51FBA/D型83C51GA、80C51GA、87C51GADMA型83C152JA、80C152JA、80C152JB多并行口型83C451、80C451按功能分类存储器配置常用型号片内ROM型

8051AH、8052AH、80C51BH、83C51FA、83C51GA片内EPROM型

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

8031BH、8