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2020/1/192020/1/191微控制器技术王击主讲电话：15973132006QQ：3890603082020/1/192020/1/192《单片机原理与应用及C51编程技术》高玉芹主编2020/1/192020/1/193全书目录第1章单片机概述第2章AT89系列单片机的硬件体系结构第3章单片机汇编程序设计第4章C51程序设计第5章单片机应用系统仿真开发平台简介第6章AT89系列单片机的内部资源及应用第7章单片机存储器的扩展第8章AT89系列单片机的接口扩展技术第9章串行总线接口技术第10章单片机应用系统设计方法2020/1/1942020/1/19单片机原理与应用电子课件第1章单片机概述2020/1/192020/1/195课程介绍2020/1/192020/1/196本章主要内容：1.1单片机的概念及其主要特点1.2单片机的分类及发展趋势1.3常见的主流单片机1.4单片机的应用领域2020/1/19单片机(SingleChipMicrocomputer)是单片微型计算机的简称，是指在一块半导体芯片中集成有中央处理器(CPU)、存储器(RAM和ROM)、基本I/O接口以及定时器/计数器等必要部件所构成的完整的微型计算机1.1单片机的概念及其主要特点2020/1/1972020/1/192020/1/1981.1单片机的概念及其主要特点单片机一词来源于“SingleChipMicrocomputer”即“SCM”，按照面向对象、突出控制功能，在片内集成了许多外围电路及外设接口，突破了传统意义的计算机结构，发展成microcontroller的体系结构，目前国外已普遍称之为微控制器MCU（MicroControllerUnit）。鉴于它完全作嵌入式应用，故又称为嵌入式微控制器EmbeddedMicrocontroller）。2020/1/192020/1/199主要特点:单片机具有集成度高、体积小、功耗低、可靠性高、使用灵活方便、控制功能强、优异的性能价格比和开发方便简单等特点。利用单片机可以较方便地构成控制系统。2020/1/192020/1/19101.2单片机的分类及发展趋势1.2.1单片机的分类目前，单片机芯片系列、品种、规格繁多，先后经历了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位单片机现在主要用在各种规模较小的家电类消费产品上，在整个单片机市场中所占的比例逐年减少；8位单片机是目前世界上品种最为丰富、应用最为广泛的单片机，也是我国单片机市场的主流产品。从国内流行的品种上来看，主要分为51系列及其兼容机型和非51系列单片机。2020/1/192020/1/19118位单片机的特点是通用性强，但控制功能有限，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，各大芯片厂商在原有单片机内核的基础上，除了进一步强化原有功能外，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。2020/1/192020/1/1912在今后相当长的一段时间内，8位单片机，尤其是强化了控制接口功能的新一代8位单片机依然是单片机的主流产品。因此，本书后面章节主要依托ATMEL公司的AT89SXX机来讲解8位单片机的原理及应用。2020/1/192020/1/191316位单片机的数据处理速度和能力比8位单片机有较大的提高，其中TI公司的MSP43016位系列单片机凭借其省电和超低功耗的特性，已在水、电、暖的远程抄表、IC卡、无线传感器网络等对电源功耗有着严格要求的行业中获得广泛的应用。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。2020/1/192020/1/191432位单片机是单片机的发展趋势，随着技术的发展、开发成本和产品价格的下降，将会与8位单片机并驾齐驱并在市场上有赶超8位单片机的趋势，目前32位单片机主要用在高端产品上。在32位单片机生产厂家中，以32位ARM嵌入式微处理器应用相对广泛。ARM嵌入式微处理器由英国ARM公司设计，ARM公司是一家以设计半导体技术为主业的知识产权供应商，自身不生产芯片，以转让设计许可由合作伙伴来生产芯片。2020/1/192020/1/1915INTER、IBM、FREESCALE、SAMSUNG、OKI、LG、NEC、SONY、PHILIPS等30多家半导体公司与ARM公司签定了ARM嵌入式技术使用许可协议。软件系统合作伙伴包括微软、Symbian和MRI等一系列当今最具实力的软件开发和供应商。因此ARM嵌入式微处理器一上市便在32位单片机市场上成为一枝独秀的主流产品。2020/1/192020/1/19161.2.2单片机的发展趋势1、CPU核仍以CISC为主，但向RISC演化。CPU核仍以当初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。如Microchip的8位PICl2／16／17／18Fxxx微控制器、Atmel的8位AVR微控制器等。2020/1/192020/1/19172、提高指令的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。2020/1/192020/1/19183、集成大容量片上FLASH存储器近几年，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。2020/1/192020/1/19194、实现ISP、IAP在线编程技术在线编程目前有两种实现方法：在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）。ISP一般是通过单片机专用的串行编程接口对单片机内部的Flash存储器进行编程,用户不必把单片机从目标板上取下来，直接对微控制器进行擦除和程序烧录的先进技术。IAP就是在系统运行的过程中动态编程，是从结构上将Flash存储器映射为两个存储体,当运行一个存储体上的用户程序时，可对另一个存储体重新编程，之后将控制从一个存储体转向另一个，这种编程是对程序执行代码的动态修改。这对于工业实时控制和数据的保存提供了方便。这类产品如SST的89系列。2020/1/192020/1/19205、普遍使用数字和模拟混合集成技术，性能提高用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。2020/1/192020/1/19216、追求低电压、低功耗、低价位、LPG(少腿芯片)降低工作电压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，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。2020/1/192020/1/19221.3常见的主流单片机目前世界上单片机的生产厂商很多，如Intel、Atmel、Philip、ST、WinBond、STC、Dallas、SiliconLabs、TI、Motorola等公司，其主流产品有几十个系列，上千个品种。Intel公司的MCS-51系列单片机，是目前世界上用量最大的几种单片机之一。其它公司在保持与51单片机兼容的基础上，改善了51单片机的许多性能，如在速度提高、功能增强、集成度增大、在系统编程、降低功耗、放宽电源电压动态范围及降低产品的价格等方面都做了大量的研发。从国内流行的品种来看，主要分为MCS-51系列及其兼容机型和非MCS-51系列单片机。2020/1/192020/1/19231.3.1目前流行的51内核单片机目前,虽然在国内市场上流行的单片机不下十几种,但占据主导地位的仍是51内核及其兼容单片机。这些单片机和MCS-51单片机的指令完全兼容,资料和开发设备比较齐全,价格也比较便宜。目前流行的51内核的单片机主要有以下几种：2020/1/192020/1/19241、Intel公司的MCS-51系列单片机1980年Intel公司推出首款8位单片机8051。1980-1982年又陆续推出了和8051指令系统完全相同、内部结构基本相同的8031、8052和8032等型号单片机，初步形成MCS-51系列，该系列的单片机以其典型的体系结构和完善的专用寄存器集中管理方式，方便的逻辑位操作功能及丰富的指令系统，堪称一代“名机”，被奉为“工业控制单片机标准”，为之后的其它单片机的发展奠定了基础。1984年，Intel公司出售了8051的核心技术给PHILIPS、ATMEL、ADI、CYGNAL等公司，发展至今形成一个有近千种型号的庞大的51单片机家族。2020/1/192020/1/1925MCS-51系列单片机虽种类繁多，但总体来说可分为两个子系列：MCS-51子系列和MCS-52子系列。MCS-51子系列中典型机型有8031、8051和8751三种产品，而MCS-52子系列中也有8032、8052和87523种典型机型。各子系列的资源配置见表1-12020/1/192020/1/19262020/1/192020/1/19272．Atmel公司的89系列单片机美国Atmel公司是世界著名的半导体制造公司，除生产各种专用集成电路外，Atmel公司还为通信、家电、仪器仪表、IT行业及各种应用系统提供性价比高的产品。Atmel公司最引人注目的是它的E2PROM电可擦除技术、Flash存储器技术和优秀的生产工艺与封装技术。1994年，Atmel公司率先把MCS-51内核与其擅长的Flash存储技术相结合，推出了轰动业界的AT89系列单片机。2020/1/192020/1/1928Atmel公司的这些先进技术用于单片机生产，使单片机在结构和性能等方面更具明显优势，AT89系列产品进入中国市场十多年来已获得了巨大成功。至今，AT89系列单片机在51兼容机市场上仍占有很大份额，其产品受到了众多用户的喜爱。是目前取代传统的MCS-51系列单片机的主流单片机之一。2020/1/192020/1/1929Atmel公司的AT89系列单片机以AT89CXX和AT89SXX为代表，其主要单片机品种及其特性见表1-2。它们是低电压、低功耗、高性能的8位单片机，除了与MCS-51指令系统兼容以外，还具有许多优点：器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，内部含Flash存储器，可反复擦写1000次以上，有效地降低了开发成本；有更宽的工作电压范围(可达4.0～6.0V),其中AT89S系列产品具有在系统编程（ISP）功能，无须专用编程器，使得单片机的开发变得更方便和廉价。2020/1/192020/1/19302020/1/192020/1/19313．Winbond公司的W78、77系列单片机华邦（WinBond）公司生产的单片机大致分为五大类：4位单片机、8位与MCS-51兼容单片机、监控专用单片机、片内集成Flash存储器的单片机和电话应用单片机。其中与51兼容的单片机有：宽电压范围系列的型号以W78L为前缀。主要产品有W78Cxx、W78Lxx等。增强型的有：W77Cxx、W77Lxx等，其引脚、指令集完全与8051兼容，但每个指令周期只需要4个时钟周期，速度提高了三倍，工作频率最高可达40MHz。同时增加了WatchDogTimer，12个外部中断源，2个UART，