第2章 单片机技术概述及单片机芯片AT89C51

第2章单片机技术概述及单片机芯片AT89C512.1单片机技术概述2.1.1单片机简介单片机是一种集成电路芯片，采集超大规模集成电路技术把具有数据处理能力（如算数运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微型处理器,随机存取数据存储器（RAM）、只读程序存储器（ROM）、输入/输出电路（I/O）,可能还包括定时/计数器、串行通信口（SCI）、显示驱动电路（LCD或LED驱动电路）、脉宽调制电路（PWM）、模拟多路转化器及A/D转化器等电路集成到一片芯片上，构成一个最小而又完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效的完成程序设计者事先规定的任务。由此看来，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可以单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的完整的微型计算机控制系统，它与单板机或个人电脑（PC）有着本质的区别。单片机的应用属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统，以及其它集成电路应用技术和系统设计所需的理论与技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特性是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式、数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件（包括可支持开发应用程序的软件资料）及硬件资料。要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特性和技术特性是必需的。单片机的应用极为广泛，它涉及智能仪器仪表、工业控制、计算机网络和通信以及医用设备等领域。它以无与伦比的高性能、低价位赢得了广大电子开发者的喜爱。单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想，是控制技术的一次革命，是一个重要的里程碑。2.1.2单片机发展概况单片机诞生于20世纪70年代。所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（CenterProcessingUnit,CPU）和数据存储器、程序存储器及其I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元、定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM，有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，像Farichild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路才构成完整的计算系统。类似的单片机还有Zilog公司的Z80处理器。1976年Inter公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小、功能全、价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。在MCS-48的带领下，其后，各半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，像Zilog公司的Z8系列。到了20世纪80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，像Inter公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rockwell公司的6501及6502系列等，此外，日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。20世纪80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多，功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机。2.1.3单片机的分类目前，单片机技术已经十分成熟，单片机产品也种类繁多，性能各异。通常可按照指令集、制造工艺、片内存储器与所能处理的数据宽度等几个方面的差异来对单片机进行分类。1、按指令集分类单片机中的中央处理器是依靠指令来计算和控制整个系统的，中央处理器在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令集，顾名思义就是中央处理器在指令的集合。单片机从指令集的角度可分为CISC(复杂指令集)单片机与RISC(精简指令集)单片机两大类。CISC单片机内部结构是传统的冯.诺依曼（vonNeumannarchitecture）型结构，该结构中数据与指令共同使用同一条总线进行传输。CISC单片机的指令丰富，功能较强。但这类单片机中，指令与数据的传输操作不能同时进行，工作速度将受到一定的限制，而且价格也相对较高。RISC单片机的内部结构是新型的哈佛（Harvard）型结构，即双总线型结构。这种结构的单片机内部，指令总线与数据总线分离，使得指令与数据的传输可以同时进行，从而提高了单片机的运行速度。一般在控制关系比较简单的小型电路中可使用RISC单片机，而在控制关系复杂的环境中应采用CISC单片机。2、按制造工艺分类按芯片的制造工艺，可将单片机分为HMOS工艺和CHOMS工艺两大类。HMOS工艺是指高密度短沟道的MOS（金属氧化物半导体）工艺，采用这种工艺制造出的芯片具有高速度和高密度的特点；CHMOS工艺是指互补金属氧化物的HMOS工艺，采用这种工艺制造出的芯片除了具有HMOS型芯片的特点外，还具有低功耗的特点。通常型号中带有“C”字样的单片机为CHMOS型，其余则为HMOS型。例如8051单片机就是HMOS型，而80C51则是CHMOS型。3、按片内程序存储器分类单片机是通过指令程序来控制各种电路的，这种指令程序存储在程序存储器中。单片机内部的程序存储器称为片内程序存储器，按照片内存储器的结构，可将单片机分为：片内无ROM型、片内带掩膜ROM型、片内EPROM型、片内一次可编程型、片内带Flash型等。下面对该分类中所出现的技术名词进行解释。ROM是只读存储器的缩写，这种存储器中的内容通过特殊方法写入后就不能随意更新，但可以随时读取，而且断电后ROM中的内容仍然会被保留。掩膜是一种半导体制造工艺，一般ROM中的内容是可以通过特殊方法来改变的，而掩膜ROM中的内容则在出厂前写好后就无法改变。EPROM是可擦写、可编程的只读存储器（ErasableProgrammableRead_OnlyMemory）的缩写，它是一种可以重复利用的ROM。一次可编程（OneTimeProgram，OTP），是指仅允许用户完成一次写入操作。Flash是闪速存储器，简称闪存，是一种可擦写、可编程的ROM。Flash内部包含IOS（一种为国际互联服务的操作系统）及微代码。与EPROM相比，Flash的存储速度更快。4、按所能处理的数据宽度分类按照CPU一次可处理的数据宽度（数据的二进制位数），单片机可分为4位机、8位机、16位机、32位机和64位机。目前应用最广，需求量最大的机型是4位机和8位机。2.1.4常用单片机简介目前，市场上常见的单片机主要有以下几个系列。如图2-1所示是各类芯片图2-1各类芯片1、51系列单片机MCS_51系列单片机由Intel公司生产，其中8051是一系列的典型代表。8051单片机推出后，很多公司都购买了它的内核，使得以8051为内核的微控制器系列单片机在全世界的产量最大，应用也最为广泛。有人推测8051可能最终形成世界上的标准MCU芯片。2、AVR系列单片机1997年，ATMEL公司为了充分发挥其Flash的技术优势，推出了全新配置的精简指令集单片机，简称AVR。该系列单片机一进入市场，就以其卓越的性能大受欢迎。3、Motorola单片机Motorola是世界上最大的单片机厂商。与Intel单片机相比，Motorola单片机的高频噪声低，抗干扰能力强，更适合工作在恶劣的环境。4、PIC系列单片机PIC系列单片机Microchip公司的产品，其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好。在一些小型的应用中，比传统的51单片机更加灵活，因而也得到了广泛的应用。5、MDT20XX系列单片机MDT20XX系列是由Micon公司生产的工业级OTP（一次性可编程）单片机，该系列单片机与PIC系列的管脚一致。我国海尔集团的电冰箱控制器、TCL的通信产品就采用这种单片机。6、SX系列单片机SX系列单片机是8位RISC结构的单片机，由Scenix公司推出。SX系列单片机与Intel公司的PentiumⅡ等一起被《ElectronicIndustryYearbook1998》（电子工业年鉴1998）评选为1998年世界十大处理器。SX系列单片机采用双时钟设置，其指令运行速度可达50/75/100MIPS(MIPS指每秒执行百万条指令)。7、SMC系列单片机EPSON公司生产的SMC系列单片机以低电压、低功耗和内置LCD（液晶显示器）驱动器特点而受到市场的欢迎，其广泛应用于工业控制、医疗设备、家用电器、仪器仪表、通信设备和手持式消费类产品等领域。8、Z8系列单片机Z8系列单片机是Zilog公司的产品，该系列单片机的开发工具价廉物美，价格便宜，主要面向低端应用。通过以上单片机的简介，8051单片机的在应用领域已经很运用的的很广泛，其8051单片机的微控制器比其它的单片机功能强大。其中也包括AT89C51系列的单片机，它可以适用于很多领域的应用。2.1.5单片机的应用领域目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：1、在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。2、在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。3、在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。4、在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。5、单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。6、在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不