1. 1 单片机及其特点

1. 第一章 单片机概述 1. 1 单片机及其特点 在通用微机中央处理器基础上，将输入/输出(I/O)接口电路、时钟电路以及一定容量的存储器等部件集成在同一芯片上，再加上必要的外围器件，如晶体振荡器，就构成了一个较为完整的计算机硬件系统。由于这类计算机系统的基本部件均集成在同一芯片内，因此被称为单片微控制器(Single-Chip-Micro Controller，简称单片机)或微控制单元(MicroController Unit,简称MCU)。

2. 图1-1 计算机基本结构

3. MCS - 51单片机的内部结构 MCS - 51单片机结构框图

4. 单片机的结构特点 • （1）片内的RAM采用寄存器结构形式，这样可以提高存取的速度; • （2）在存储器结构上，严格的将程序存储器ROM和数据存储器RAM在空间上分开; • （3）它的引出管脚一般都设计成多功能的; • （4）增加了一个全双工的串行接口，以扩充I/O口和外接同步输入和输出设备; • （5）有21个特殊功能寄存器; • (6) 有丰富的指令系统，内部设置了可以位寻址的位地址空间。

5. 对于通用微处理器来说，其主要任务是数值计算和信息处理，对运算速度和存储容量方面的要求是速度越快越好，容量越大越好，因此它沿着高速、大容量方向发展：字长由8位(如8085处理器)、16位(如8086、80286)，迅速向32位(如80486)、64位(如Pentium系列CPU，Pentium系列CPU内部数据总线为32位，对外数据总线为64位，因而Pentium还不是真正意义上的64位微处理器)过渡，时钟信号的频率由最初的4.77 MHz向33 MHz、66 MHz、100 MHz、200 MHz、400 MHz、600 MHz、1 GHz、2 GHz，甚至更高频率过渡。而单片机主要面向工业控制，8位字长已足够(在工业控制中，一般仅需要控制线路的通、断，触点的吸合与释放，有时4位单片机也能胜任)，尽管也有16位、32位的单片机芯片，但这些高档单片机芯片主要用于语音、图像处理系统，绝对数量不多；时钟信号频率也不高，一般在数十兆以内。

6. 单片机主要发展方向是不断强化控制功能(即将更多的外围电路单元集成到CPU内)、低功耗(以便电池供电)、低成本(例如在CPU芯片内，按用途分别集成不同的外围电路，形成系列化产品，这样既能满足不同应用领域的需要，又降低了成本)。单片机主要发展方向是不断强化控制功能(即将更多的外围电路单元集成到CPU内)、低功耗(以便电池供电)、低成本(例如在CPU芯片内，按用途分别集成不同的外围电路，形成系列化产品，这样既能满足不同应用领域的需要，又降低了成本)。 单片机芯片作为控制系统的核心部件，它除了具备通用微机CPU的数值计算功能外，还必须具有灵活、强大的控制功能，以便实时监测系统的输入量、控制系统的输出量，实现自动控制。由于单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，如高温、强电磁干扰，甚至含有腐蚀性气体，在太空中工作的单片机控制系统，还必须具有抗辐射能力，因而决定了单片机CPU与通用微机CPU具有不同的技术特征和发展方向：

7. (1) 抗干扰性强，工作温度范围宽。 (2) 可靠性高。 (3) 控制功能往往很强，数值计算能力较差。 (4) 指令系统比通用微机系统简单。 (5) 更新换代速度比通用微处理器慢得多，Intel公司1980年推出标准MCS-51内核8051(HMOS工艺)、80C51(CHMOS工艺)单片机芯片后，持续生产、使用十余年，直到1996年3月才被增强型MCS-51内核8XC5X系列芯片取代。由于增强型MCS-51单片机芯片均采用CHMOS工艺，因此Philips公司将“增强型MCS-51”内核称为“增强型80C51” 内核。

8. 1.2 单片机的产生与发展 • 单片机出现的历史并不长, 但发展十分迅猛。 它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步, 自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来, 它的发展到目前为止大致可分为5个阶段:

9. 第1阶段（1971～1976）: 单片机发展的初级阶段。 1971年11月Intel公司首先设计出集成度为2 000只晶体管/片的4位微处理器Intel 4004, 并配有RAM、 ROM和移位寄存器, 构成了第一台MCS—4微处理器, 而后又推出了8位微处理器Intel 8008, 以及其它各公司相继推出的8位微处理器。

10. 第2阶段（1976～1980）: 低性能单片机阶段。 以1976年Intel公司推出的MCS—48系列为代表, 采用将8位CPU、 8位并行I/O接口、 8位定时/计数器、 RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构, 虽然其寻址范围有限（不大于4 KB）, 也没有串行I/O, RAM、 ROM容量小, 中断系统也较简单, 但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、 仪表等的需要。

11. 第3阶段（1980～1983）: 高性能单片机阶段。 这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口, 有多级中断处理系统, 多个16位定时器/计数器。 片内RAM、 ROM的容量加大,且寻址范围可达64 KB, 个别片内还带有A/D转换接口。

12. 第4阶段（1983～80年代末）: 16位单片机阶段。 1983年Intel公司又推出了高性能的16位单片机MCS—96系列, 由于其采用了最新的制造工艺, 使芯片集成度高达12万只晶体管/片。 • 第5阶段（90年代）: 单片机在集成度、 功能、 速度、 可靠性、 应用领域等全方位向更高水平发展。

13. 2.1. 3 单片机技术现状及发展趋势 目前单片机芯片系列、品种、规格繁多，先后经历4位机、8位机、16位机、新一代8位机、32位机等几个有代表性的发展阶段。4位机主要用于家用电器，如电视机、空调机、洗衣机中，不过随着8位机价格的下降，在家用电器中已开始大量采用8位机，以便在家用电器中采用一些新技术，如模糊控制、变频调速等，提高家用电器的智能化、自动化程度，并尽可能降低系统的能耗；16位机具有较强的数值运算能力和较快的反映速度，常用在需要实时控制、实时处理的系统中，尽管16位单片机进入市场已有十余年，但一直未能取代8位机成为主流产品，目前已被强化了控制接口功能的新一代8位机和数值运算能力极强的32位机所取代；

14. 32位机具有很强的数值计算能力，在图像处理、机器人控制需求的刺激下，32位机的销量也在迅速上升。在今后一段时期内，8位、16位和32位单片机芯片销量的绝对值可能会有不同程度的增长，但在目前，甚至今后相当长，如5年、10年时间内8位单片机，尤其是强化了控制接口功能的新一代8位单片机，如80C51、MC68HC11系列依然是单片机的主流产品。因此，本书也主要介绍8位单片机原理及系统组成。32位机具有很强的数值计算能力，在图像处理、机器人控制需求的刺激下，32位机的销量也在迅速上升。在今后一段时期内，8位、16位和32位单片机芯片销量的绝对值可能会有不同程度的增长，但在目前，甚至今后相当长，如5年、10年时间内8位单片机，尤其是强化了控制接口功能的新一代8位单片机，如80C51、MC68HC11系列依然是单片机的主流产品。因此，本书也主要介绍8位单片机原理及系统组成。 8位单片机先后经历了三个发展阶段，其中：第一代8位单片机系统(如Intel公司的MCS-48系列)功能较差，它实际上是8位通用CPU单元电路和基本I/O接口电路、小容量存储器、中断控制系统的简单组合，没有串行通讯功能，不带A/D(模/数)、D/A(数/模)转换器，中断控制和管理能力也较弱。因此，它的应用范围受到了很大的限制。

15. 第二代8位单片机的特点是通用性强，但个性还不突出，控制功能也有限，依然不能满足不同应用领域、不同测控系统的要求。在20世纪90年代中后期，各大芯片厂商，如Intel、Philips、Motorola、Temic Seconductor Technology、Microchip等在第二代单片机CPU内核基础上，除了进一步强化原有功能(如在串行口部件中增加帧错误侦测和自动地址识别功能)外，针对不同的应用领域，将不同功能、用途的外部接口电路嵌入到第二代单片机CPU内，形成了规格、品种繁多的新一代8位单片机芯片，如Intel、Philips、Atmel公司的8XC5X系列，Motorola公司的68HC05、68HC11系列，Micro Chip公司的PIC16C系列等。在新一代8位单片机中，以增强型MCS-51为内核的8XC5X系列、以6801为内核的68HC05和68HC11系列目前已成为主流单片机芯片。

16. 2.1.4新一代8位单片机芯片主要特征 (1) 片内存储器容量大，规格多，程序存储器类型也趋于多样化。该系列不同品种的片内程序存储器容量从4 KB扩展到8 KB(83C51FA、87C51FA、87C52、89C52)、16 KB(83C51FB、87C51FB、87C54、89C54、P89C660)、32 KB(83C51FC、87C51FC、87C58、89C58、P89C51RC+、P89C51RC2、P89C662)，甚至64 KB(如P89C51RD+、P89C51RD2、P89C664、P89C6XX2)，片内RAM存储器容量从128 B扩展到512 B(如P89C51RC+、P89C51RC2、P89C660、P89C60X2)、1 KB(如P89C51RD+、P89C51RD2、P89C662、P89C61X2)、2 KB(如P89C664)，甚至8 KB(如P89C668)。

17. 片内程序存储器种类也不再局限于掩模ROM、EPROM和EEPROM(电擦写的只读存储器，如Philips公司的8XC851)，而是以OTP ROM(如Intel公司的87C51GB、Philips公司的80C51系列单片机中几乎各个品种均有OTP ROM型号)和 Flash ROM(如Philips公司的P89C51/52/54/58系列、P89C51RX系列、P89C66X系列，Atmel公司的AT89C51系列)为主。

18. (2) 指令执行时间大大缩短，一方面最高时钟频率从12 MHz提高到16 MHz、24 MHz、33 MHz，甚至40 MHz；另一方面缩短机器周期，如8XC5XX2、P89C6XX2、P89C51RX、P89C66X、P87LPC76X系列等均提供6时钟/机器周期运行模式，提高了这些产品的实时处理能力，也降低了电磁辐射指标(由于机器周期缩短了，可以使用更低频率的晶振)。

19. (3) 扩展了接口电路功能，如增加了高速I/O接口；扩展了I/O口引线数目，Philips公司的80C451、83C451、87C451品种I/O引脚数目高达56条，即有7个I/O口；扩展了中断源数量，Philips公司的80CL31、80CL51、80CL410、83CL410可以直接控制、管理多达10个外部中断源，无须专门扩展；在部分型号中，集成了ADC转换器、PWM脉冲宽度调制输出接口、可编程计数阵列PCA。将不同功能的接口电路嵌入基本型单片机芯片后，用户就可以根据用途选择相应型号的单片机芯片，无须通过外部扩展，减少了芯片数目，从而减少了印制板的面积，提高了系统的可靠性，降低了成本。

20. (4) 增加了串行接口部件规格和数量，除了保留异步串行通讯接口部件UART外，还增加了I2C、SPI或CAN总线。集成了I2C总线接口部件后，与I2C总线接口存储器、时钟芯片等外设器件连接就非常方便。 (5) 部分型号增加了定时复位(Watchdog)监控电路，提高了系统的抗干扰能力。 (6) 封装形式多样化，同一型号的CPU具有多种封装形式，如PDIP封装(Plastic Dual In-line Package，即塑料双列直插式)、CDIP封装(Ceramic Dual In-line Package，即陶瓷双列直插式)、PLCC(方形壁插塑封)、CLCC(方形壁插陶瓷封装)、PQFP(塑料方形四边引线扁平封装)。

21. 1.3单片机的应用 • 由于单片机具有体积小、 重量轻、 价格便宜、 功耗低, 控制功能强及运算速度快等特点, 因而在国民经济建设、 军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。 按照单片机的特点, 其应用可分为单机应用与多机应用。 • 1. 单机应用 • 在一个应用系统中, 只使用1片单片机称为单机应用, 这是目前应用最多的一种方式。 单片机应用的主要领域有:

22. (1) 测控系统。 用单片机可以构成各种不太复杂的工业控制系统、 自适应控制系统、 数据采集系统等, 达到测量与控制的目的。 • (2) 智能仪表。 用单片机改造原有的测量、 控制仪表, 促进仪表向数字化、 智能化、 多功能化、 综合化、 柔性化方向发展。 • (3) 机电一体化产品。 单片机与传统的机械产品相结合, 使传统机械产品结构简化, 控制智能化。

23. (4) 智能接口。 在计算机控制系统, 特别是在较大型的工业测、 控系统中, 用单片机进行接口的控制与管理, 加之单片机与主机的并行工作, 大大提高了系统的运行速度。 • (5) 智能民用产品。 如在家用电器、 玩具、 游戏机、 声像设备、 电子秤、 收银机、 办公设备、 厨房设备等许多产品中, 单片机控制器的引入, 不仅使产品的功能大大增强, 性能得到提高, 而且获得了良好的使用效果。

24. 2. 多机应用 • 单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、 并行多机处理及局部网络系统。 • (1) 功能集散系统。 多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。 • (2) 并行多机控制系统。 并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速性问题, 以便构成大型实时工程应用系统。 • (3) 局部网络系统。

25. 1.4 单片机系列简介 • 目前世界上单片机生产厂商很多, 如: Intel、 Motorola、 Philips、 Siemens、 NEC、 ADM、 Zilog等公司, 其主流产品有几十个系列, 几百个品种。 尽管其各具特色, 名称各异, 但作为集CPU、 RAM、 ROM（或EPROM）、 I/O接口、 定时器/计数器、 中断系统为一体的单片机, 其原理大同小异。 现以Intel公司的系列产品为例, 说明各系列之间的区别。 • Intel公司从其生产单片机开始, 发展到现在, 大体上可分为3大系列: MCS—48系列、 MCS—51系列、 MCS—96系列。 该3大系列的性能简介见表2―1。

26. 表2―1 Intel单片机系列性能简介

27. 1.5 MCS—51单片机系列 • MCS—51系列单片机虽已有10多种产品, 但可分为两大系列: MCS—51子系列与MCS—52子系列。 MCS—51子系列中主要有8031、 8051、 8751 三种类型。 而MCS—52子系列也有3种类型8032、 8052、 8752。 各子系列配置见下表所示。

28. MCS—51系列单片机配置一览表

29. 表中列出了MCS—51系列单片机的两个子系列, 在4个性能上略有差异。 由此可见, 在本子系列内各类芯片的主要区别在于片内有无ROM或EPROM; MCS—51与MCS—52子系列间所不同的是片内程序存储器ROM从4 KB增至8 KB; 片内数据存储器由128个字节增至256个字节;定时器/计数器增加了一个; 中断源增加了1～2个。 另外, 对于制造工艺为CHMOS的单片机, 由于采用CMOS技术制造, 因此具有低功耗的特点, 如8051功耗约为630 mW, 而80C51的功耗只有120 mW。