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第1章单片机概述单片机原理及接口技术（C51编程）（第2版）目录CONTENTS1.1单片机简介1.2单片机的发展历史1.3单片机的特点1.4单片机的应用1.5单片机的发展趋势1.6MCS-51系列与AT89C5x系列单片机1.7各种衍生品种的51单片机1.8PIC系列单片机与AVR系列单片机1.9其它的嵌入式处理器简介1.1单片机简介一片半导体硅片集成：中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线的微型计算机。具有微型计算机属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。1.1单片机简介主要应用测控领域。单片机处于测控系统的核心地位并嵌入其中，所以国际上通常把单片机称为嵌入式控制器（EMCU，EmbeddedMicroControllerUnit），或微控制器（MCU，MicroControllerUnit）。我国习惯于使用“单片机”这一名称。单片机是计算机技术发展史上重要里程碑，标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。单片机体积小、成本低，嵌入到工业控制单元、机器人、智能仪器仪表、汽车电子系统、武器系统、家用电器、办公自动化设备、金融电子系统、玩具、个人信息终端及通讯产品中。1.1单片机简介按用途可分为通用型和专用型两大类。通用型：内部可开发资源（如存储器、I/O等各种外围功能部件等）可全部提供给用户。01OPTION02OPTION专用型专门针对某些产品的特定用途而制作的。根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心，再配以外围接口电路及外围设备，并编写相应软件来满足各种不同需要的测控系统。通常所说和本书介绍的是指通用型单片机。1.1单片机简介例如，各种家用电器中的控制器等。由于特定用途，单片机芯片制造商常与产品厂家合作，设计和生产“专用”的单片机。在设计中，已对“专用”单片机的系统结构最简化、可靠性和成本的最佳化等做了全面综合考虑，所以“专用”单片机具有十分明显的综合优势。无论“专用”单片机在用途上有多么“专”，其基本结构和工作原理都是以通用单片机为基础。目录CONTENTS1.1单片机简介1.2单片机的发展历史1.3单片机的特点1.4单片机的应用1.5单片机的发展趋势1.6MCS-51系列与AT89C5x系列单片机1.7各种衍生品种的51单片机1.8PIC系列单片机与AVR系列单片机1.9其它的嵌入式处理器简介1.2单片机的发展历史按处理二进制位数主要分为：4位单片机、8位单片机、16位单片机和32位单片机。发展大致分为4个阶段。第一阶段（1974年～1976年）：单片机初级阶段。因工艺限制，双片形式且功能较简单。1974年12月，仙童公司推出了8位的F8单片机，实际只包括了8位CPU、64BRAM和2个并行口。第二阶段（1976年～1978年）：低性能单片机阶段。1976年Intel的MCS-48单片机（8位）极大地促进了单片机变革和发展，1977年GI公司推出PIC1650，但这个阶段仍处于低性能阶段。1.2单片机的发展历史第三阶段（1978年～1983年）：高性能单片机阶段。1978年，Zilog公司推出Z8单片机，1980年，Intel公司在MCS-48系列基础上推出MCS-51系列，Mortorola推出6801单片机。使单片机性能及应用跃上新台阶。此后，各公司8位单片机迅速发展。推出的单片机普遍带有串行I/O口、多级中断系统、16位定时器/计数器，片内ROM、RAM容量加大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换器。由于这类单片机性/价比高，得到广泛应用，是目前应用数量最多的单片机。1.2单片机的发展历史第四阶段（1983年～现在）：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。16位典型产品Intel公司的MCS-96系列单片机。而32位单片机除具有更高集成度外，其数据处理速度比16位单片机提高许多，性能比8位、16位单片机更加优越。20世纪90年代单片机大发展时期，Mortorola、Intel、ATMEL、德州仪器（TI）、三菱、日立、飞利浦、LG等公司开发一大批性能优越的单片机，极大推动单片机应用。近年，不少新型高集成度的单片机涌现。目前，除8位单片机得到广泛应用外，16位单片机、32位单片机也得到广大用户青睐。目录CONTENTS1.1单片机简介1.2单片机的发展历史1.3单片机的特点1.4单片机的应用1.5单片机的发展趋势1.6MCS-51系列与AT89C5x系列单片机1.7各种衍生品种的51单片机1.8PIC系列单片机与AVR系列单片机1.9其它的嵌入式处理器简介1.3单片机的特点单片机是集成电路技术与微型计算机技术高速发展的产物。体积小、价格低、应用方便、稳定可靠，因此，给工业自动化等领域带来了一场重大革命和技术进步。由于体积小，很容易地嵌入到系统之中，以实现各种方式的检测、计算或控制，这一点，一般微机根本做不到。由于单片机本身就是一个微型计算机，因此只要在单片机的外部适当增加一些必要的外围扩展电路，就可灵活构成各种应用系统，如工业自动检测监视系统、数据采集系统、自动控制系统、智能仪器仪表等。1.3单片机的特点为什么应用广泛？由于具有以下优点：01OPTION简单方便，易普及。单片机技术是易掌握技术。应用系统设计、组装、调试已经是一件容易的事情，工程技术人员通过学习可很快掌握其应用设计技术。02OPTION功能齐全，应用可靠，抗干扰能力强。03OPTION发展迅速，前景广阔。短短几十年，单片机经过4位机、8位机、16位机、32位机等几大发展阶段。集成度高、功能日臻完善的单片机不断问世，使单片机在工业控制及工业自动化领域获得长足发展和大量应用。目前，单片机内部结构愈加完美，片内外围功能部件越来越完善，向更高层次和更大规模的发展奠定坚实基础。1.3单片机的特点嵌入容易，用途广泛，体积小、性/价比高，应用灵活性强等特点在嵌入式微控制系统中具有十分重要地位。单片机问世前，制作一套测控系统，大量模拟电路、数字电路、分立元件完成，以实现计算、判断和控制功能。系统体积庞大，线路复杂，连接点多，易出故障。单片机出现后，绝大部分测控功能由单片机软件程序实现，其它电子线路则由片内外围功能部件替代。04OPTION目录CONTENTS1.1单片机简介1.2单片机的发展历史1.3单片机的特点1.4单片机的应用1.5单片机的发展趋势1.6MCS-51系列与AT89C5x系列单片机1.7各种衍生品种的51单片机1.8PIC系列单片机与AVR系列单片机1.9其它的嵌入式处理器简介1.4单片机的应用1．工业检测与控制主要应用：工业过程控制、智能控制、设备控制、数据采集和传输、测试、测量、监控等。在工业自动化领域中，机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用，在这种集机械、微电子和计算机技术为一体的综合技术（如机器人技术）中，单片机发挥着非常重要作用。1.4单片机的应用2．仪器仪表目前对仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高。单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减小体积而易于携带和使用，加速仪器仪表向数字化、智能化、多功能化方向发展。1.4单片机的应用3．消费类电子产品例如，洗衣机、电冰箱、空调机、电风扇、电视机、微波炉、加湿机、消毒柜等。嵌入了单片机后，功能和性能大大提高，并实现智能化、最优化控制。4．通信在调制解调器、各类手机、传真机、程控电话交换机、信息网络及各种通讯设备中，单片机也已得到广泛应用。1.4单片机的应用5．武器装备现代化武器装备，如飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器装备、航天飞机导航系统，都有单片机嵌入其中。6．各种终端及计算机外部设备计算机网络终端（如银行终端）及计算机外部设备（如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等）中都使用了单片机作为控制器。1.4单片机的应用7．汽车电子设备已广泛应用在各种汽车电子设备中，如汽车安全系统、汽车信息系统、智能自动驾驶系统、卫星汽车导航系统、汽车紧急请求服务系统、汽车防撞监控系统、汽车自动诊断系统及汽车黑匣子等。1.4单片机的应用8．分布式多机系统在较复杂多节点测控系统中，常采用分布式多机系统。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。在这种系统中，单片机往往作为一个终端机，安装在系统某些节点上，对现场信息进行实时测控。从工业自动化、自动控制、智能仪器仪表、消费类电子产品等方面，直到国防尖端技术领域，单片机都发挥十分重要作用。目录CONTENTS1.1单片机简介1.2单片机的发展历史1.3单片机的特点1.4单片机的应用1.5单片机的发展趋势1.6MCS-51系列与AT89C5x系列单片机1.7各种衍生品种的51单片机1.8PIC系列单片机与AVR系列单片机1.9其它的嵌入式处理器简介1.5单片机的发展趋势1．CPU的改进（1）增加CPU数据总线宽度。例如，各种16位单片机和32位单片机，数据处理能力要优于8位单片机。另外，8位单片机内部采用16位数据总线，其数据处理能力明显优于一般8位单片机。（2）采用双CPU结构，以提高数据处理能力。1.5单片机的发展趋势2．存储器的发展片内程序存储器普遍采用闪存。可不用外扩展程序存储器，简化系统结构。加大存储容量。目前有的单片机片内程序存储器容量可达128KB甚至更多。1.5单片机的发展趋势3．片内I/O的改进（1）增加并行口驱动能力，以减少外部驱动芯片。有的单片机可直接输出大电流和高电压，以便能直接驱动LED和VFD（荧光显示器）。（2）有些单片机设置了一些特殊的串行I/O功能，为构成分布式、网络化系统提供方便条件。1.5单片机的发展趋势4．低功耗化5．外围电路内装化CMOS化，功耗小，配置有等待状态、睡眠状态、关闭状态等工作方式。消耗电流仅在µA或nA量级，适于电池供电的便携式、手持式的仪器仪表及其它消费类电子产品。1.5单片机的发展趋势5．外围电路内装化众多外围电路全部装入片内，即系统的单片化是目前发展趋势之一。例如，美国Cygnal公司的C8051F0208位单片机，内部采用流水线结构，大部分指令的完成时间为1或2个时钟周期，峰值处理能力为25MIPS。片上集成有8通道A/D、两路D/A、两路电压比较器，内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和64个通用I/O口、电源监测。6．编程及仿真的简单化1.5单片机的发展趋势目前大多数单片机都支持程序的在线编程，也称在系统编程ISP（InSystemProgram），只需一条ISP并口下载线，就可把仿真调试通过的程序从PC机写入单片机的Flash存储器内，省去编程器。某些机型还支持在线应用编程（IAP），可在线升级或销毁单片机应用程序，省去了仿真器。综上所述，单片机正在向多功能、高性能、高速度（时钟达40MHz）、低电压（2.7V即可工作）、低功耗、低价格（几元钱）、外围电路内装化以及片内程序存储器和数据存储器容量不断增大的方向发展。7．实时操作系统的使用1.5单片机的发展趋势单片机可配置实时操作系统RTX51。RTX51是一个针对8051单片机的多任务内核。从本质上简化对实时事件反应速度要求较高的复杂应用系统设计、编程和调试，已完全集成到C51编译器中，使用简单方便。目录CONTENTS1.1单片机简介1.2单片机的发展历史1.3单片机的特点1.4单片机的应用1.5单片机的发展趋势1.6MCS-51系列与AT89C5x系列单片机1.7各种衍生品种的51单片机1.8PIC系列单片机与AVR系列单片机1.9其它的嵌入式处理器简介1.6.1MCS-51系列单片机MCS：MCS是Intel公司单片机的系列符号，如MCS-48、MCS-51、MCS-96系列单片机。MCS-51系列是在MCS-48系列基础上于20世纪80年代初发展起来的，是最早进入我国，并在我国得到广泛应用的单片机主流品种。1.6.1MCS-51系列单片机MCS-51系列单片机主要包括基本型：8031/8051/8