单片机程序设计实践教程.第01章-概述

单片机程序设计实践教程第一讲概述11.1单片机的发展单片机（即单片的微型计算机）是在1970年微处理器研制成功之后随而之出现的，第二年美国的Intel公司就开发并生产了4位单片机4004，1972年推出了8位单片机的雏型8008。到了1976年9月，该公司的MCS-48单片机问世，从那以后的二十几年间，单片机经历了多次更新换代，其发展速度大约每2～3年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。单片机发展速度之快、应用范围之广，已达到了惊人的地步。它已渗透到社会生产和生活的各个领域，可谓无孔不入。2在MCS-48单片机大范围成功应用的刺激下，许多半导体公司和计算机公司争相研制和发展自己的单片机系列。到目前为止，世界各地厂商己研制出种类繁多的单片机产品，其中有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公司等也都相继推出了各具特色的单片机品种。尽管目前单片机的品种很多，但其中最具典型性的当属Intel公司的MCS-51系列单片机系列。MCS-51是在MCS-48的基础上于20世纪80年代初发展起来的，虽然它仍然是8位的单片机，但其功能有很大的增强。此外，它还具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。因此应用非常广泛，成为继MCS-48之后最重要的单片机品种。直到现在，MCS-51仍不失为单片机中的主流机型，国内尤以MCS-51系列单片机应用最广。

3在8位单片机之后，16位单片机也有很大发展，例如1983年Intel公司推出的MCS-96系列单片机就是其中的典型代表。与MCS-51相比，MCS-96不但字长增加一倍，而且还具有4路或8路的10位A/D转换功能，此外，在其它性能方面也有一定的提高。在高档智能仪表、彩色复印机、录像机等应用领域，16位单片机大有用武之地，目前Intel的MCS-96系列单片机在国内已得到较好的应用，它必将以高性能的特点在国内得到大规模推广。综观近三十年的发展过程，单片机正朝多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容方向发展。预计其今后的发展趋势如下：

41、微控制器的CPU核仍以CISC为主，但向RISC演化。在传统微控制器领域内还是以当初Intel确立的哈佛结构(程序和数据存储器相分立的体系)和复杂指令集系统(CISC)为主。只有少数厂家生产精简指令集计算机，但仍保留了哈佛的分立存储器结构，并没有采用冯·诺依曼的程序、数据相合并的存储结构。少数生产RISC的计算机厂家有Microchip的8位PICl2／16／17／18Fxxx微控制器、Atmel的8位AVR微控制器、SCENIX的8位SXl8／20／28AC和SX48／52BD微控制器。这3个厂家都使用了快闪存储器(FLASH)存放程序。52、提升指令执行速度提高单片机的振荡器频率或减少每机器周期包含的振荡器周期数，都可以提高指令的执行速度。如Philips公司把12MHz的80C51从每机器周期所含振荡器周期数由12改为6，获得2倍速，Winband公司由12改为3，获得4倍速。目前，8位微控制器的频率一般可以高至33MHz~40MHz，所以，可以比较容易地从原来的1MIPS提高到10MIPS。但是，指令执行速度提高到50MIPS~100MIPS的都是RISC指令的8位微控制器。63、集成大容量片上FLASH存储器，实现ISP、IAP近几年，8位微控制器竞相采用FLASH存储器，这已成趋势。因为它集成密度高、价格便宜、技术先进，可以取代PROM、EPROM、OTP和EEPROM等。如STC系列单片机芯片内分别具有4～64KB的FLASH，并利用FLASH可高速读／写的特点，实现在系统烧录程序(ISP)和在应用中烧录程序(IAP)。ISP技术是在焊接成板级系统上，直接对微控制器进行擦除和程序烧录的先进技术。STC的IAP技术，是从结构上将FLASH存储器映像为两个存储体，当运行在一个存储体上的用户程序时，在后台对另一个存储体实时烧录更新的程序，之后再将控制转向更新的程序上执行。74、普遍使用混合信号(数字-模拟相混合)集成技术用CMOS工艺将数字和模拟电路集成于同一个片上的技术已经成熟，有力地削减了片外的附加器件，提高了性能和缩短了产品上市时间。如片上集成12位A/D、上电复位/掉电检测、捕捉/比较/PWM、锁相环、8×8硬件乘，以及USB、CAN总线接口等。5、追求低电压、低功耗、低价位、LPG(少腿芯片)降低工作电压无疑可以成指数级地降低功耗，所以出现逐渐显露出来多电压供电的微控制器开始，CPU部分工作于1.5～2.5V，而I/O口工作于3.3～5V。为实现低功耗，应尽可能多地将片外器件集成于同一个片上，这样便于与CPU一同进入暂停、休眠或部分运行状态。8MCS-48系列的技术特征是将CPU和计算机外围电路集成到了一个芯片上，作为与通用CPU分道扬镳、构成新型工业微控制器取得了成功，为单片机的进一步发展开辟了成功之路。MCS-51系列8位高档单片机是在总结MCS-48系列单片机的基础上，于80年代初推出的新产品。其主要的技术特征是：（1）、扩大了片内存储容量、外部寻址空间程序存储器和外部数据存储器的寻址都增加为64KB（1KB为1024B,1B为1字节（BYTE））。4KB×8ROM作为内部程序存储器，用来存放系统程序、用户的专用程序和固定常数。1.2MCS-51系列单片机简介9在MCS-51系列单片机中，8031、8751与8051的内部结构基本相同，其区别仅在于8031内部不含有程序存储器，必须由外部扩展。8751内部程序存储器为可编程、可改写的只读存储器EPROM，其内部程序由用户自行写入。在片内数据存储器方面，采用8位地址，寻址范围为256B，其中00H~7FH为128字节的内部RAM，用来存放用户的随机数；在80H~FFH范围内离散地分布着21个特殊功能寄存器，其中11个特殊功能寄存器具有位寻址功能。在内部RAM中，00H~1FH可分为4个寄存器工作区。寄存器工作区由选择指令进行切换，从而有效地提高了CPU的现场保护能力和实时响应速度。20H～2FH单元可进行位寻址。10（2）、增强了并行口，增设了全双工串行口I/O

4个8位并行I/O接口可用于地址和数据的传送，也可与8255、8155等连接，进行外部I/O接口的扩展。串行I/O接口是一个全双工串行通信口，可用于数据的串行接收和发送，这为构成串行通信网络提供了方便。（3）、定时器/计数器功能增强两个定时器/计数器均为16位（比8048长一倍），且有4种工作方式，这样既提高了定时/计数范围，又能够使用户灵活方便地使用。11（4）、增强了中断系统在MCS-51单片机中，设置有2级中断优先级，可接受5个中断源的中断请求，中断优先级别可由用户定义，这样的系统架构，使得MCS-51单片机很适合用于数据采集与处理、智能仪器仪表和工业过程控制中。（5）、具备较强的指令寻址和运算等功能MCS-51系列单片机有111条指令，可分为4大类，使用了7种寻址方式，这些指令的44%为单字节指令，41%为双字节指令，15%为三字节指令。若用l2MHz的晶体频率，50%的指令可在1μs内执行完毕，40%的指令在2μs内执行完毕。此外，还设有减法、比较和8位乘、除法指令，乘、除法指令的执行时间仅为4μs，这样大大地提高了CPU的运算与数据处理能力。12（6）、增设了颇具特色的布尔处理机在MCS-51的指令系统中设置有位操作指令，可用于位寻址空间，这些位操作指令与位寻址空间一起构成布尔处理机，布尔处理机对于实时逻辑控制处理具有突出的优点。单片机这些主要技术特征是源于单片机配置了完善的外部并行总线（AB地址总线，DB数据总线，CB控制总线）和具有多机识别功能的串行通信接口（UART），规范了功能单元的特殊功能寄存器（SFR）控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统，为发展具有良好兼容性的新一代单片机奠定了基础。13单片机的应用主要体现在它的控制功能上，由于工业或其它的控制系统中，要求系统中的控制器具有体积小、功耗小、成本低价格廉以及控制功能强等要求，单片机完全胜任这些要求。由于单片机的这些特点，它的应用范围也在人类社会生活的各个方面日益广泛深入，诸如在智能仪器仪表、家用电器和军事设备的智能化以及实时过程控制等方面，单片机都扮演着越来越重要的角色，具有广阔的应用前景。下面是其典型的应用领域。1、家用电器领域目前国内各种家用电器已普遍采用单片机控制取代传统的控制电路，而做成单片机控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭煲、电视机、录像机、手机、摄象机及其它视频音像设备的控制器，还有儿童玩具以及机器人控制等。1.3单片机的应用模式和应用领域142、办公自动化领域现代办公室中所使用的大量通信、信息产品多数都采用了单片机，如通用计算机系统中的键盘译码、磁盘驱动、打印机、绘图仪、复印机、电话、传真机、考勤机等。3、商业营销领域由于在商业营销系统已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保鲜系统等中，目前已纷纷采用单片机构成专用系统，主要由于这种系统有明显的抗病菌侵害、抗电磁干扰等高可靠性能的保证。4、工业自动化如工业过程控制、过程监测、工业控制器及机电一体化控制系统等，这些系统除一些小型工控机之外，许多都是由单片机为核心的单机或多机网络系统。如工业机器人的控制系统是由中央控制器、感觉系统、行走系统、擒拿系统等节点构成的多机网络系统。155、智能仪表与集成智能传感器传统的控制电路目前各种变送器、电气测量仪表普遍采用单片机应用系统替代传统的测量系统，使测量系统具有各种智能化功能，如存储、数据