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第一章单片机概述1.1单片机的发展及应用1.2单片机的数制与编码实训一：单片机开发系统演示本章小结1.1单片机的发展及应用1.1.1嵌入式系统与单片机自1946年计算机诞生以来，它始终是用于实现数值计算的大型设备。直到20世纪70年代，微处理器的出现，才使得计算机技术的发展有了历史性的变化。人们以应用为中心，将微型机嵌入到一个应用对象体系中，以实现对象智能化控制的要求。这样的计算机就有别于通用的计算机系统，它失去了通用计算机的标准形态和功能。这种以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，针对具体应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统被称为嵌入式系统。由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象下一页返回1.1单片机的发展及应用的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。嵌入式计算机则走上了芯片化道路，它完全按照嵌入式应用要求设计全新的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式，将计算机做在一个芯片上，这就是嵌入式系统独立发展的单片机时代。随着微电子工艺水平的提高，其后发展的产品DSP迅速提升了嵌入式系统的技术水平，使嵌入式系统无处不在。简单地说，一个嵌入式系统就是一个硬件和软件的集合体。硬件包括嵌入式处理器、存储器及外设器件、输入/输出端口、图形控制器等，软件部件包括操作系统软件和应用程序。下一页返回上一页1.1单片机的发展及应用嵌入式处理器可分成下面几类：（1）嵌入式微处理器（EmbeddedMicroProcessorUnit，EMPU）嵌入式微处理器采用“增强型”通用微处理器。在工作温度、电磁兼容性以及可靠性方面的要求较高，在功能方面与标准的微处理器基本上是一样的。嵌入式微处理器组成的系统将嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路主板上，具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但系统的技术保密性较差。嵌入式处理器目前主要有80X86系列、PowerPC系列及68000系列等。上一页下一页返回1.1单片机的发展及应用（2）嵌入式微控制器（MicroControllerUnit，MCU）嵌入式微控制器又称单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了RAM、ROM/EPROM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O口、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、E2PROM等各种必要的功能部件和外设。为适应不同的应用需求，对功能的设置和外设的配置进行必要的修改和裁减定制。和嵌入式微处理器相比，微控制器使应用系统的体积大大减小，功耗和成本大幅下降、可靠性提高。使得微控制器成为嵌入式系统应用的主流。目前MCU约占嵌入式系统市场份额的70%。最典型的就是MCS-51系列产品。上一页下一页返回1.1单片机的发展及应用（3）嵌入式DSP处理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP）由于实际应用中对数字信号进行处理的要求，使DSP算法被大量应用于嵌入式系统。DSP应用从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。DSP处理器在系统结构和指令等方面进行了特殊设计，使之更适合用于运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多的场合。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TI公司的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。（4）嵌入式片上系统（SystemonChip，SoC）随着EDA的推广和VLSI设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现一个更为复杂的系统，上一页下一页返回1.1单片机的发展及应用这就产生了SoC技术。1.1.2单片机的发展趋势单片机的应用面极广，发展速度很快，其发展大致经历了3个历史阶段：1974~1978年，为单片机芯片化阶段。第一代单片机始于1974年，以Intel公司的MCS-48系列为代表，其特点是专门的结构设计。单片机在片内集成了8位CPU、并行I/O端口，8位定时器/计数器、RAM、ROM等，资源少、无软件，只能保证基本的控制功能。这一代的单片机产品，还有Motorola公司的6801系列和Zilog公司的Z8系列。1978~1983年，为单片机完善阶段。以Intel公司的MCS-51系列为代表,其技术特点是具有完善的总线结构.上一页下一页返回1.1单片机的发展及应用包括8位数据总线、16位地址总线及相应的控制总线组成的三总线结构及串行总线；具有强大的指令系统，其中大量的位操作指令与片内位地址空间构成了单片机所独有的布尔操作系统，建立了计算机外围功能电路的SFR集中管理模式；具有多级中断处理、16位定时/计数器，较大的片内RAM和ROM容量，有的单片机内部还带有A/D转换接口。这一代单片机真正开创了单片机作为微控制器的发展道路。1983年至今，为单片机向微控制器过渡阶段。在这一时期，一方面不断完善高档8位单片机，另一方面发展16位单片机及专用单片机。将许多测控系统中所使用的电路技术、接口技术及可靠性技术应用于单片机中，如程序运行监视器上一页下一页返回1.1单片机的发展及应用（WDT）、脉冲宽度调制器（PWM）、高速I/O口、数模/模数转换器等，将这些满足嵌入式应用要求的外围扩展加入到芯片内部使单片机内部的外围功能电路得到增强，使其更符合智能控制器的特征。同时加强了各种总线扩展技术，如SPI、I2C、CAN等总线接口，以及电源管理功能等。单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势：（1）采用多核CPU提高处理能力。（2）加大存储容量，采用新型存储器方便用户擦写程序及数据，加强程序的保密措施。（3）单片机内部所集成的部件越来越多，和模拟电路结合越来越紧密，使其应用水平不断提高。如NS（美国国家半导体）公司的单片机已把语音、图像部件也集成到单片机中。上一页下一页返回1.1单片机的发展及应用（4）通信和联网功能不断加强。（5）集成度不断提高，功耗越来越低，电源电压范围加宽。随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化和进步，最终人们可能发现，单片机与微机系统之间的距离越来越小，甚至难以辨认。1.1.3单片机主要产品及应用随着集成电路的飞速发展，单片机从问世到现在发展迅猛，拥有繁多的系列、五花八门的机种。根据控制单元设计方式与采用技术的不同，可将目前市场上的单片机分为两大类型：复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。上一页下一页返回1.1单片机的发展及应用采用CISC结构的单片机数据线和指令线分时复用，指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格亦高。采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓哈佛结构。这使得取指令和取数据可同时进行，执行效率更高，速度亦更快。属于CISC结构的单片机有Intel的MCS-51/96系列、Motorola的M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond（华邦）W78系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列等；属于RISC结构的有Microchip公司的PIC16C5X/6X/7X/8X系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S系列等。上一页下一页返回1.1单片机的发展及应用现将国际上较大的单片机公司以及产品销量大、发展前景看好的各系列8位单片机简介如下。1.Intel公司MCS-51系列单片机Intel公司的MCS-51系列单片机的型号及性能指标如表1-1所示。其中：带有“C”字的型号为CHMOS工艺的低功耗芯片，否则为HMOS工艺芯片；MCS-51系列单片机大多采用PDIP、PLCC封装形式。2.89系列单片机89系列单片机与MCS-51系列单片机完全兼容，已成为使用者的首选主流机型，其特征为片内Flash是一种高速E2PROM，可在内部存放程序，能方便地实现单片系统、扩展系统、多机系统。上一页下一页返回1.1单片机的发展及应用（1）Atmel公司的AT89系列单片机美国Atmel公司推出的AT89系列单片机是一种8位Flash单片机，采用8031CPU的内核设计，产品性能指标如表1-1所示。其中“AT”表示公司代码，“C”为CMOS工艺产品，“LV”表示低电压，“S”表示该器件含在系统可编程功能（ISP），其中AT89C1051/AT89C2051只有20引脚。芯片采用PDIP、PLCC、TQFP等封装形式。（2）Philips公司的P89系列单片机荷兰Philips公司推出的89系列单片机也是一种8位的Flash单片机，与Atmel的89系列产品类似，各档次单片机性能指标如表1-1所示。上一页下一页返回1.1单片机的发展及应用3.Motorola公司MC68HC系列单片机MC68HC系列单片机是Motorola公司推出的8位单片机，其型号庞大，但是同一系列单片机的CPU均相同，指令系统相同。它与51系列单片机不兼容，程序指令也不相同。其单片机的型号命名方法如下：上一页下一页返回1.1单片机的发展及应用XX68XXXXXXXXXXXXX封装形式温度范围标志，若无表示0°C~70°C，“C”表示−40°C~85°C，“M”表示−40°C~125°CCPU类型标志存储器类型标志，若无表示片内带ROM或不带，“7”表示片内带EPROM或PROM，“8”表示片内带E2PROM，“9”表示片内带FlashE2PROMHC表示CHMOS产品，若无表示为CMOS或HMOS产品为Motorola公司产品“MC”表示质量保证的正规产品，“PC”表示用于测试的器件，“XC”表示用于性能评估的器件ROM容量系列及系列号，“A”汽车类，“G”通用类，“M”马达控制，“X”通用型带CAN总线上一页下一页返回1.1单片机的发展及应用MC68HC系列单片机的性能指标见表1-2所示。其中PWM为脉冲宽度调制功能。4.Microchip（微芯）公司的PIC系列单片机PIC单片机是由美国Microchip（微芯）公司推出的8位高性能单片机，该系列单片机是首先采用RISC结构的单片机系列。PIC的指令集只有35条指令，四种寻址方式。同时指令集中的指令多为单字节指令。指令总线和数据总线分离，允许指令总线宽于数据总线，即指令线为14位，数据线为8位。PIC有的型号单片机只有8个引脚，为世界上最小的单片机。PIC单片机的主要特点是：精简了指令集，使得指令少，执行速度快。同时，功耗低，驱动能力强，有的型号还上一页下一页返回1.1单片机的发展及应用具有I2C和SPI串行口总线端口，有利于单片机串行总线扩充外围器件。常用的PIC系列单片机特性如表1-3所示。由于单片机的种种优点和特性，其应用领域无所不至，无论是工业部门、民用部门和家用等领域，处处可以见到它的身影。主要应用于以下几个方面：（1）在智能仪表中的应用这是单片机应用最多、最活跃的领域之一。在各类仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化水平和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高性价比。（2）在工业方面的应用上一页下一页返回1.1单片机的发展及应用单片机广泛用于工业生产过程的自动控制、物理量的自动检测与处理、工业机器人、智能传感器、电机控制、数据传输等领域中。（3）在电信业的应用单片机在程控交换机、手机、电话机、智能调制解调器、智能线路运行控制等方面的应用也很广泛。（4）军用导航方面的应用单片机应用在航天航空导航系统、电子干扰系统、宇宙飞船中，及尖端武器、导弹控制、智能武器装置、鱼雷制导控制等方面。（5）日常生活中的应用上一页下一页返回1.1单片机的发展及应用目前国内外各种家用电器已普遍采用单片机代替传统的控制电路。例如：单片机广泛用于洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭煲等家用电器以及高级的电子玩具、电子字典、数码像机等产品中，从而提高了自动化程序，同时还