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1、 11 第1章 绪 论第1章 绪 论单片机又称微控制器，在工业控制中占据了很重要的地位。那么到底什么是单片机，它与我们日常生活所接触的计算机又有什么联系和区别，单片机以后的发展趋势如何，这些都在本章进行讲解。本章的最后就单片机的厂家和型号做了介绍，以便读者在以后的设计中有所参考。1.1 单片机概论目前广泛应用的微型计算机属于第4代计算机，而我们本书所要讲述的单片机也属于微型计算机的范畴。它们两者在原理和技术上是紧密联系的。1.1.1 微处理器、微型计算机与单片机一般而言，微型计算机包括运算器、控制器、存储器、输入输出接口四个基本组成部分。如果把运算器和控制器封装在一块芯片上，则称该芯片为微处理
2、器(MPU，Micro Processing Unit)或者是中央处理器(CPU，Central Processing Unit)。如果将它与大规模集成电路制成的存储器、输入输出接口电路在印制电路板上用总线连接起来，就构成了微型计算机。一个只集成了中央处理器的集成电路封装，只是微型计算机的一个组成部分。如果在一块芯片上集成了一台微型计算机的四个组成部分，则称其为单片微型计算机，简称单片机。换句话而言，单片机是一块芯片上的微型计算机。以单片机为核心的硬件电路称为单片机系统，它属于嵌入式系统的应用范畴。为了进一步突出单片机在嵌入式系统中的主导地位，许多半导体公司在单片机内部还集成了许多外围功能电路
3、和外设接口，如定时/计数、串行通信、模拟/数字转换、PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)等单元。所有这些单元都突出了单片机的控制特性。尽管单片机主要是为了控制目的而设计的，但它仍然具备微型计算机的全部特征，因此，单片机的功能部件和工作原理与微型计算机也基本相同，我们可以通过参照微型计算机的基本组成和工作原理逐步接近并了解单片机。图1.1是一款双列直插封装的51单片机芯片AT89S52。图1.1 单片机外形单片机的体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。因此单片机作为微机的一种，它具有如下特
4、点。 具有优异的性价比。 集成度高，体积小，可靠性高。 控制功能强，开发应用方便。 低电压、低功耗。单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显示、控制等外围电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。所以说，单片机应用系统是由硬件和软件组成的，硬件是应用系统的基础，软件则在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可。单片机应用系统的组成如图1.2所示。图1.2 单片机应用系统的组成 由此可见，单片机应用系统的设计人员必须从硬件和软件两个角度来深入了解单片机，并将二者有机结合起来，才能形成具有特定功能的应用系统或整机产品。1.1.2 单片
5、机的分类和指标单片机从用途上可分为专用型单片机和通用型单片机两大类。专用型单片机是为某种专门用途而设计的，如DVD控制器和数码摄像机控制器芯片等。在用量不大的情况下，设计和制造这样的专用芯片成本很高，而且设计和制造的周期也很长。我们通常所用的都是通用型单片机，通用型单片机把所有资源(如ROM、I/O等)全部提供给用户使用。当今通用型单片机的生产厂家已不下几十家，种类有几百种之多。下面就从单片机的几个重要指标进行介绍。 位数：即单片机能够一次处理的数据的宽度，有1位机(如PD7502)、4位机(如MSM64155A)、8位机(如MCS-51)、16位机(如MCS-96)、32位机(如IMST41
6、4)。 存储器：包括程序存储器和数据存储器，程序存储器空间较大，字节数一般从几KB到几十KB(1KB210B1024B)，另外还有不同的类型，如ROM、EPROM、EEPROM、Flash ROM和OTP ROM等。数据存储器的字节数通常为几十字节到几百字节之间。 I/O口：即输入输出口，一般有几个到几十个，用户可以根据自己的需要进行选择。 速度：指的是CPU的处理速度，以每秒执行多少条指令衡量，常用单位是MIPS(百万条指令每秒)，如目前最快的单片机可达到100MIPS。单片机的速度通常是和系统时钟(相当于PC机的主频)相联系的，但并不是频率高的处理速度就一定快；对于同一种型号的单片机来说，
7、采用频率高的时钟一般比频率低的速度要快。 工作电压：通常工作电压是5V，范围是5%或10%，也有3V/3.3V电压的产品，更低的可在1.5V工作。现代单片机又出现了宽比电压范围型，即在2.5V6.5V内都可正常工作。 功耗：低功耗是现代单片机追求的一个目标，目前低功耗单片机的静态电流可以低至A(微安，10-6A)或nA(纳安，10-9A)级。有的单片机还具有等待、关断、睡眠等多种工作模式，以此来降低功耗。 温度：单片机根据工作温度可分为民用级(商业级)、工业级和军用级三种。民用级的温度范围是070，工业级是-4085，军用级是-55125(不同厂家的划分标准可能不同。 附加功能：有的单片机有更
8、多的功能，用户可根据自己的需要选择最适合自己的产品。比如有的单片机内部有A/D、D/A、串口、LCD驱动等，使用这种单片机可减少外部器件，提高系统的可靠性。1.1.3 单片机的内部结构单片机经过几十年的发展，功能和组成结构基本固定，其内部结构示意图如图1.3所示。一般兼容51内核的单片机都具有以下的内部资源： 8位CPU； 4KB掩膜ROM程序存储器；图1.3 单片机内部结构图 128B内部RAM数据存储器； 2个16位的定时器/计数器； 1个全双工的异步串行口； 特殊功能寄存器； 4个8位并行I/O口(如图1.3中的P0口、P1口、P2口、P3口)； 5个中断源、2级中断优先级的中断系统；如
9、图1.3所示的内部结构按功能分成了以下8个组成部分，它是通过片内单一总线连接起来的。 微处理器(CPU)； 数据存储器(RAM)； 程序存储器(ROM/EPROM)； 特殊功能寄存器(SFR)； I/O口； 定时器/计数器及中断系统； 串行口。对本部分的详细介绍请参阅第2章的内容。1.1.4 单片机的应用领域及趋势首先介绍单片机的应用领域。目前单片机已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，计算机的网络通信与数据传输，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
10、机的控制，以及程控玩具、电子宠物等，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。 1. 应用领域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器件或数字电路更加强大。例如精密的测量设备(
11、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，再到电子称量设备等，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
12、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) 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。此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空航天等领域也有着十分广泛的用途。2. 发展趋势随着科学技术的发展，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，具体来说，就是进一步向着CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。 (1) CMOS 技术近年，CHMOS 技术的进步，大大加快了单片机芯片采用CMOS技
13、术进行设计和生产的过程。CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。单片机芯片多数采用CMOS(金属栅氧化物)半导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用CMOS半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS(高密度、高速度MOS)和CHMOS 工艺，以及CHMOS 和HMOS工艺的结合。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL 的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已优于TTL 电路。因而，在单片机领域CMOS 正在逐渐取代TTL 电路。(2) 低功耗单片机的功耗已下
14、降了许多，静态电流甚至降到1A以下；使用电压在36V 之间，完全能够适应于电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。(3) 低电压几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在36V范围内工作，低电压供电的单片机电源下限已可达12V。目前0.8V 供电的单片机已经问世。(4) 低噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。(5) 大容量以往单片机内的ROM为14KB、RAM 为64128B
15、。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内ROM 最大可达64KB，RAM 最大为2KB。(6) 高性能主要是指进一步改变CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集(RISC)结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS(Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒)，并加强了位处理、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，可以使用软件模拟其I/
16、O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。(7) 小容量、低价格与上述相反，以4 位、8位机为中心的小容量、低价格化也是目前的发展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。(8) 外围电路内装这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种外围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。(9) 串行扩展技术在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机
17、应用的主流结构。随着低价位一次性可编程ROM及各种特殊类型片内程序存储器的发展，加之外围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是I2C、SPI 等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将更强。在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS-51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC 设计厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51
18、的许多特性。这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列，且成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的微控制器品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51可能最终形成事实上的标准微控制器芯片。1.1.5 单片机的编程语言概述对于51系列单片机，现有四种语言支持，即汇编、PL/M、C和BASIC。1. BASIC它通常附在PC机上，是初学编程的第一种语言。一个新变量名定义之后可在程序中作变量使用，非常易学，根据解释的行可以找到错误而不是当程序执行完才能显现出来。BASIC的逐行解释使程序运行较慢，每一行必须在执行时转换成机器
19、代码，需要花费许多时间，不能做到实时性。BASIC为简化使用变量，所有变量都用浮点值。BASIC适用于要求编程简单而对编程效率和运行速度要求不高的场合。2. PL/M它是Intel从8080微处理器开始为其系列产品开发的编程语言。它很像PASCAL，是一种结构化语言，但它使用关键字定义结构。PL/M编译器好像汇编器一样可产生紧凑代码。PL/M总的来说是“高级汇编语言”，可详细控制代码的生成。但对51单片机系列，PL/M不支持复杂的算术运算、浮点变量，且无丰富的库函数支持。学习PL/M无异于学习一种新语言。3. 汇编语言它是一种用助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近于机器码的一种语言。其主要
20、优点是占用资源少，程序执行效率高。它一条指令就对应一条机器码，每一步的执行动作都很清楚，并且程序大小和堆栈调用情况都容易控制，调试起来也比较方便，但是不同类型的单片机，其汇编语言可能有点差异，所以不易移植。4. C语言它是一种源于编写UNIX操作系统的语言，是一种结构化语言，可产生压缩代码。C语言结构是以括号和一些特殊符号组成的语言。C可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇编相比，有如下优点。 对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对51的存储器结构有初步了解。至于寄存器分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节均由编译器管理，降低了对编程人员的要求。 程序有规范的结构，可分为不同的函数，这
21、种方式可使程序结构化，将可变的选择与特殊操作组合在一起，改善了程序的可读性。 编程及程序调试时间显著缩短，从而提高效率，提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力。已编好的程序可很容易地植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术。当然，有时候用单片机C语言也不能够实现所有要编写程序的功能，比如当想编写一个精确控制的定时程序时，用汇编语言还是比较方便的。因此想成为一个优秀的单片机编程技术员，最好能懂得单片机C语言和汇编语言的混合编程。1.1.6 如何学习单片机这门技术进入21世纪，16位的80C196和32位的ARM等具有更高性能的嵌入式芯片已进入了实用阶段，那么是不是现在学习51单片机
22、就没有用武之处呢？其实不然，在大部分的工控或测控设备中，51单片机已经足够满足控制要求，加之物美价廉，且8位增强型单片机在速度和功能上向现在的16位单片机挑战，因此在未来相当长的时期内，8位单片机仍是单片机的主流机型。因此，学习51单片机，是从事控制行业一个不错的选择。下面主要介绍要如何学习这门课程。首先，大概了解单片机的机构，本书的第2章主要讲述了单片机的内部结构以及资源。对单片机的内部结构有了初步了解之后，读者就可以进行简单的实例练习，从而加深对单片机的认识。其次，要有大量的实例练习。其实，对于单片机，主要是软件设计，也就是编程。目前最流行的用于51系列单片机的编程软件是Keil。Keil
23、提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境(Vision)将这些部分组合在一起。掌握这一软件的使用，对于51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会事半功倍。第三，要多结合外围电路，如流水灯、数码管、独立键盘、矩阵键盘、AD或DA(原理一样)、液晶、蜂鸣器进行练习，因为这样可以直观地看到程序运行的结果。当然，也可以用Proteus这个软件对硬件进行仿真，这样也可以直观地看到结果。在实际学习过程中
24、，可以根据自己的项目需求去选择，从而缩短学习周期。最后，就是结合自己的实际情况，开发一个完全具有个人风格、功能完善的电子产品，尽情享受单片机开发带来的欢乐和成就感。同时，读者也不必为软件、硬件基础知识不扎实而烦恼，单片机中用到的编程语言很简单，可以说主要是配置一些寄存器，不涉及太复杂的算法和语法，电子元器件也以简单应用居多。本书接下来的几章将主要介绍硬件和软件基础知识，这些对于单片机开发来说基本已经够用了。另一方面，在做单片机实验的过程中会慢慢地积累、一步步地巩固相关的基础知识，在实践中有针对性地学习肯定比纯粹看书效果更好。所以，读者完全不必担心你的基础不够扎实。1.2 常用51单片机介绍常用
25、的8位单片机有三个系列：AVR、PIC、51。其中，应用最广泛的8位单片机首推Intel的51系列。其产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势。世界上有许多著名的芯片公司都购买了51芯片的核心专利技术，并在其基础上进行性能的扩充，使得芯片得到进一步的完善，形成了一个庞大的体系。目前，我们所说的8051或51单片机，是泛指一切以8051为内核的单片机，而不仅仅是指英特尔的8051这一特定型号的芯片。51系列单片机种类繁多，大体上分为51子系列和52子系列。51子系列是指标准型51单片机系列，如8051、AT89S51等；52子系列是指增加型51单片机系列，如8052
26、、AT89S52等。增加型51系列与标准型完全兼容，另外还增加或增强了一些功能。本节将列出一些主要厂商及其产品，读者在选型时可以从芯片的通用性和系统的需求等方面考虑。1.2.1 Intel公司系列单片机Intel公司于1980年推出8位的高性能MCS-51系列，在工业控制领域引起不小的轰动，并迅速确立了其不可动摇的地位。MCS-51系列的产品已经发展到几十种型号，8051是最早的、最典型的产品。之后不久，Intel公司彻底开放了8051单片机的技术，引来世界上很多半导体厂商加入开发和改造8051单片机的行列中，相继推出了以8051为基核的，具有优异性能的、各具特色的单片机。Intel的MCS-
27、51系列单片机性能见表1.1。表1.1 MCS-51系列单片机性能型 号程序存储器RAM(B)I/O口线定时/计数器中断源晶振(MHz)80518051AH4KB ROM12832252128751AH4KB PROM128322521280528052AH8KB ROM25632362128752AH8KB PROM2563236212 (续表) 型 号程序存储器RAM(B)I/O口线定时/计数器中断源晶振(MHz)80C5180C51BH4KB ROM128322521287C51BH4KB PROM128322521280C5280C528KB ROM256323621280C5480C
28、5416KB ROM256323622087C5416KB ROM256323622080C5887C5832KB ROM25632362201.2.2 Atmel公司系列单片机Atmel 公司生产的CMOS型51系列单片机，具有MCS-51内核，用Flash ROM代替ROM作为程序存储器，可擦除1000次以上，具有价格低、编程方便等优点，成为当今最流行的单片机。表1.2是目前最常用的单片机型号，这些单片机除了表中列出的功能外，还有一些共同的功能，如都支持ISP在线编程，都有看门狗定时器。表1.2 常用的Atmel 51系列单片机型 号程序存储器(Flash)数据存储 器定时/计数 器工作频
29、率(MHz)工作电压其他功能AT89S514KB128B2244.06.0AT89S528KB256B3244.06.0AT89S5312KB256B3244.06.0AT89LS514KB128B2162.76.0AT89LS528KB256B3122.76.0AT89LS5312KB256B3122.76.0AT89C51ED264KB 256B3402.76.0AT89C51RB216KB256B3332.76.0T89C51AC232KB256B3402.755.58位A/DT89C51IC232KB256B3402.755.5SPIT89C51RD264KB256B3402.755.
30、5T89C511516KB256B2402.755.58位A/D1.2.3 Philips公司系列单片机Philips公司生产与MCS-51兼容的80C51系列单片机，片内具有I2C总线、A/D转换器、定时监视器、CRT控制器(OSD)等丰富的外围部件。其主要产品有LPC900系列、LPC76x系列、P8xC5x系列、增强型80C51系列。以P87C552为例，它具有8KB ROM、256B RAM、48个I/O口、3个16位定时/计数器、15个中断源、16MHz的工作频率，UART, I2C通道，8路10位A/D转换器，工作电压为2.75.5V。Philips单片机独特的创造是具有I2C总线
31、，这是一种集成电路和集成电路之间的串行通信总线。可以通过总线对系统进行扩展，使单片机系统结构更简单，体积更小。I2C总线也可以用于多机通信。1.2.4 Motorola公司系列单片机Motorola公司的单片机从应用角度可以分为两类：高性能的通用型单片机和面向家用消费领域的专用型单片机。通用型单片机具有代表性的是MC68HC11系列，有几十种型号。其典型产品为MC68HC11A8，具有准16位的CPU、8KB ROM、256B RAM、512B EEPROM、16位9功能定时器、38位I/O口线、2个串行口、8位脉冲累加器、8路8位A/D转换器、看门狗、17个中断向量等功能，可单片工作，也可以
32、以扩展方式工作。1.3 本 章 小 结本章通过对微处理器、微型计算机和单片机的比较介绍，详细介绍了单片机的各方面知识，如分类和指标、内部结构、编程语言、应用及趋势以及常用单片机。通过对这些内容的学习，大家对单片机就有了初步的印象，为以后的学习打下了基础。通过本章的学习，读者应该掌握以下几个知识点。 了解单片机和微处理器以及微型计算机的不同。 理解单片机的内部结构和4种编程语言的优缺点。 知道常用的几种51单片机。 掌握单片机的学习方法。习 题简答题 1. 单片机的特点有哪些？2. 请简要叙述单片机的常用指标。3. 请简要叙述单片机由哪几个部分组成。4. 请简要叙述微处理器、微型计算机与单片机的联系与区别。5. 请列举常用的典型单片机系列。