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1、普通高等教育“十一五”国家级规划教材单片微型计算机原理与接口技术单片微型计算机原理与接口技术（第二版）（第二版）高锋高锋 编著编著科学出版社科学出版社北京北京第一章第一章第一章第一章 绪绪绪绪 论论论论1.1 单片微机的发展单片微机的发展1.1.1单片微机的概念单片微机的概念单单片片微微机机是是单单片片微微型型计计算算机机SCMC（Single Chip Micro Computer）的的译译名名简简称称，在在国国内内也也常常简简称称为为“单单片片微微机机”或或“单单片片机机”。它它包包括括CPU、RAM、ROM、中断系统、定时器中断系统、定时器/计数器、串行口和计数器、串行口和I/O等。等。
2、除除了了工工业业控控制制领领域域，单单片片微微机机在在家家用用电电器器、电电子子玩玩具具、通通信信、高高级级音音响响、图图形形处处理理、语语言言设设备备、机机器器人人、计计算机等各个领域迅速发展。算机等各个领域迅速发展。目目前前单单片片微微机机的的世世界界年年产产量量已已超超过过100亿亿片片，而而在在中中国国大陆地区的年应用量已达大陆地区的年应用量已达6亿多片。亿多片。1970年年微微型型计计算算机机研研制制成成功功之之后后，随随着着大大规规模模集集成成电电路路的的发发展展又又出出现现了了单单片片微微机机，并并且且按按照照不不同同的的发发展展要要求求，形形成成了了两两个个独独立立发发展展的的
3、分分支支。美美国国Intel公公司司1971年年生生产产的的4位位单单片片微微机机4004和和1972年年生生产产的的8位位单单片片微微机机8008，特特别别是是1976年年MCS-48单单片片微微机机问问世世以以来来，在在短短短短的的二二十十几几年年间间，经经历历了了四四次次更更新新换换代代，其其发发展展速速度度大大约约每每二二三三年年要要更更新新一一代代、集集成成度度增增加加一一倍倍、功功能能翻翻一一番番。它它已已渗渗透透到到生生产产和生活的诸领域，可谓和生活的诸领域，可谓“无孔不入无孔不入”。1976年年Intel公公司司首首先先推推出出MCS48系系列列单单片片微微型型计计算算机机。它
4、它包包括括计计算算机机的的三三个个基基本本单单元元，已已成成为为真真正正意意义义的的单单片片微微机机，为为单单片片微微机机的的发发展展奠奠定定了了基基础础，成成为为单单片片微微机机发展进程中的一个重要阶段。发展进程中的一个重要阶段。许多半导体公司和计算机公司争相研制和发展自己许多半导体公司和计算机公司争相研制和发展自己的单片微机系列，有的单片微机系列，有Motorola公司的公司的MC68HC05及及MC68HC08 系列，系列，Zilog公司的公司的Z8系列，系列，Rockwell公司公司的的6501、6502等，日本的等，日本的NEC公司、日立公司及公司、日立公司及EPSON公司等，也都相
5、继推出了各具特色的单片微机品种。公司等，也都相继推出了各具特色的单片微机品种。最最具具典典型型性性的的属属Intel公公司司的的MCS51系系列列，它它具具有有品品种种全全、兼兼容容性性强强、软软硬硬件件资资料料丰丰富富等等特特点点。直直到到现现在在MCS51仍不失为单片微机中的主流机型。仍不失为单片微机中的主流机型。近近几几年年中中国国8位位单单片片微微机机市市场场一一直直保保持持着着30%以以上上的的高高增增长长率率，2006年年8位位单单片片微微机机占占中中国国单单片片微微机机整整体体市市场场销销售售额额的的一一半半以以上上。8位位单单片片微微机机应应用用的的主主力力市市场场汽汽车车电电
6、子子领领域域的的高高速速成成长长，也也是是带带动动这这一一市市场场保保持持主主流流地地位位的的有有力力因因素素。随随着着供供应应商商不不断断提提高高自自身身的的产产品品性性能能，丰丰富富产产品品的的功功能能，8位位单单片片微微机机依依靠靠自自身身的的价价格格优优势势、较较低低的的功功耗耗及及较较小小的的尺尺寸寸，进进一一步步抢抢占占了了部部分分16位位单单片片微微机的市场份额，从而更加巩固了主流产品的市场地位。机的市场份额，从而更加巩固了主流产品的市场地位。由由于于8位位单单片片微微机机的的高高性性能能价价格格比比，估估计计近近十十年年内内，8位单片微机将仍是主流机型。位单片微机将仍是主流机型
7、。1983年年Intel公公司司推推出出的的MCS96系系列列，MCS96不不但但字字长长增增加加一一倍倍，而而且且还还具具有有4路路或或 8路路的的10位位 A/D 转转换换功能，在其它性能方面也有一定的提高。功能，在其它性能方面也有一定的提高。飞飞利利浦浦公公司司推推出出了了与与80C51在在源源码码级级兼兼容容性性的的16位位单单片片微微机机80C51XA(每每一一条条80C51指指令令可可以以1 1地地被被翻翻译译成成一一条条XA指令，仅指令，仅XCHD指令除外指令除外)。80C51XA具具有有的的高高性性能能包包括括：执执行行速速度度快快、支支持持高高级级级级语语言言(比比如如C语语
8、言言)、支支持持实实时时多多任任务务执执行行、易易于于形形成成派派生生系系列列产产品品、地地址址宽宽度度可可变变(用用户户可可以以方方便便地地将将外外部部地地址址线线宽宽度度选选定定为为12位位、16位位、20位位、24位位等等等等。应应用用于于工工业业控控制制产产品品、高高档档智智能能仪仪表表、彩彩色色复复印印机机、录录像像机机等等应应用用领领域。域。近近几几年年32位位单单片片微微机机得得到到了了快快速速发发展展，如如ARM处处理理器器系系列列如如Freescale半半导导体体(原原Motorola半半导导体体产产品品部部)推出的推出的ColdFire系列系列32位机等。位机等。单单片片微
9、微机机正正朝朝多多功功能能、多多选选择择、高高速速度度、低低功功耗耗、低低价价格格、扩大存储容量和加强扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容方向发展。功能及结构兼容方向发展。多功能多功能 在在单单片片微微机机中中尽尽可可能能多多的的把把应应用用系系统统中中所所需需要要的的存存储储器器、各各种种功功能能的的I/O口口都都集集成成在在一一块块芯芯片片内内，即即外外围围器器件件内内装装化化，如如把把LED、LCD或或VFD显显示示驱驱动动器器集集成成在在单单片片微微机机中中，如如把把A/D、D/A、乃至多路模拟开关和采样乃至多路模拟开关和采样/保持器也集成在单片微机中。保持器也集成在单片微机中。高性
10、能高性能使使用用RISC体体系系结结构构、并并行行流流水水线线操操作作和和DSP等等的的设设计计技技术术，使使单单片片微微机机的的指指令令运运行行速速度度得得到到大大大大提提高高，其其电电磁磁兼兼容容等等性性能明显地优于同类型的微处理器。能明显地优于同类型的微处理器。全盘全盘CMOS化趋势化趋势单单片片微微机机采采用用二二种种半半导导体体工工艺艺生生产产，HMOS工工艺艺即即高高密密度度短短沟沟道道MOS工工艺艺；CHMOS工工艺艺即即互互补补金金属属氧氧化化物物的的HMOS工艺，如工艺，如8051的功耗为的功耗为630mw，而而80C51的功耗仅的功耗仅120mw。从第三代单片微机起开始淘汰
11、非从第三代单片微机起开始淘汰非CMOS工艺。工艺。推行串行扩展总线推行串行扩展总线显显著著减减少少引引脚脚数数量量，简简化化系系统统结结构构。随随着着外外围围器器件件串串行行接接口口的的发发展展，单单片片微微机机的的串串行行接接口口的的普普遍遍化化、高高速速化化，使使得得并并行扩展接口技术日渐衰退。行扩展接口技术日渐衰退。推推出出了了删删去去了了并并行行总总线线的的非非总总线线单单片片微微机机，需需要要外外扩扩器器件件(存存储储器器、I/O等等)时时，采采用用串串行行扩扩展展总总线线，甚甚至至用用软软件件虚虚拟拟串行总线来实现。串行总线来实现。由由于于集集成成度度的的进进一一步步提提高高，有有
12、的的单单片片微微机机的的寻寻址址能能力力已已突突破破64KB的的限限制制，8位位、16位位的的单单片片微微机机有有的的寻寻址址能能力力已已达达到到 1MB和和 16 MB。片片内内ROM的的容容量量可可达达 62 KB，RAM的的容容量量可可达达2KB。1.2 80C51系列单片微机系列单片微机8051是美是美INTEL公司在公司在1980年推出的年推出的MCS-51系列的第一系列的第一个成员，个成员，MCS是是INTEL公司的注册商标。其它公司生产的以公司的注册商标。其它公司生产的以8051为核心单元的其它派生单片微机只能称为为核心单元的其它派生单片微机只能称为8051系列。系列。8051系
13、列泛指所有公司（也包括系列泛指所有公司（也包括INTEL公司）生产的以公司）生产的以8051为核心单元的所有单片微机。为核心单元的所有单片微机。80C51系列包括系列包括Intel公司的公司的MCS-51，又包括了以，又包括了以8051为核为核心单元的世界许多公司生产的单片微机，比如心单元的世界许多公司生产的单片微机，比如PHILIPS 的的83C552及及51LPC系列等、系列等、SIEMENS 的的SAB80512等、等、AMD(先进先进微器件公司微器件公司)的的8053等、等、OKI(日本冲电气公司日本冲电气公司)的的MSM80C154等、等、ATMEL公司的公司的89C51等、等、DA
14、LLAS公司的公司的DS5000/DS5001等、等、华邦公司的华邦公司的W78C51及及W77C51等。等。从从MCS48单单片片微微机机发发展展到到如如今今的的新新一一代代单单片片微微机机，大致经历了三代。如以大致经历了三代。如以 Intel 8位单片微机为例，位单片微机为例，第一代第一代：以：以MCS48系列为代表。系列为代表。属于低性能单片微机阶段。属于低性能单片微机阶段。第二代第二代：以：以MCS5l系列的系列的8051、8052为代表。为代表。主要的技术特征是为单片微机配置了完善的外部并主要的技术特征是为单片微机配置了完善的外部并行总线（行总线（AB、DB、CB）和具有多机识别功能
15、的串行通信和具有多机识别功能的串行通信接口（接口（UART），），规范了功能单元的特殊功能寄存器规范了功能单元的特殊功能寄存器（SFR）控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统，为发展具有良好兼容性的新一代单片微机奠定了令系统，为发展具有良好兼容性的新一代单片微机奠定了良好的基础。良好的基础。第三代第三代：以：以80C51系列为代表。系列为代表。它它包包括括了了 Intel公公司司发发展展MCS51系系列列的的新新一一代代产产 品品，如如 8XC152、80C51FA/FB、80C5lGA/GB、8XC451、8XC452，还还包包括括了了 P
16、hlips、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、ATMEL等等公公司司以以80C51为为核核心心推推出出的的大量各具特色、与大量各具特色、与MCS51兼容的单片微机。兼容的单片微机。部部分分厂厂家家所所生生产产的的80C51系系列列或或与与之之相相兼兼容容的的单单片微机的特点列于片微机的特点列于表表1l、表表1一一2及及表表1一一3中。中。80C51系系列列单单片片微微机机保保留留了了MCS51的的所所有有特特性性，内内部部组组成成基本相同。基本相同。80C51系系列列增增设设了了两两种种可可以以用用软软件件进进行行选选择择的的低低功功耗耗工工作作方方式：空闲方式和掉电方式。式：空
17、闲方式和掉电方式。87C51是是 80C51含含 EPROM的的 产产 品品，89C51是是 80C51含含EEPROM的产品。的产品。有有的的公公司司型型号号配配备备了了串串行行扩扩展展线线，比比如如芯芯片片间间的的总总线线(飞飞利利浦浦公公司司的的I2C总总线线)、设设备备间间网网络络系系统统总总线线(CAN总总线线)等等，为为外外部部提提供供了了完完善善的的总总线线结结构构。采采用用总总线线方方式式的的应应用用系系统统多多属属较较复复杂杂的的工工控控系系统统、智智能能仪仪表表、监监测测系系统统，或满足这些应用而构成的多机与网络系统。或满足这些应用而构成的多机与网络系统。根根据据应应用用的
18、的需需要要，部部分分产产品品对对总总线线结结构构作作了了重重大大改改进进，推推出出了了非非总总线线型型单单片片微微机机，其其对对外外部部不不存存在在并并行行三三总总线线(AB、DB、CB)，必要时可以通过串行总线进行扩展。必要时可以通过串行总线进行扩展。1.3单片微机的应用单片微机的应用 单片微机应用系统结构可分成总线方式和非总线方式。单片微机应用系统结构可分成总线方式和非总线方式。总总线线方方式式的的应应用用系系统统中中，单单片片微微机机具具有有完完善善的的外外部部扩扩展展总总线线，如如并并行行总总线线（AB、DB、CB）、串串行行通通信信总总线线（如如 UART），通通过过这这些些总总线线
19、可可方方便便地地扩扩展展外外围围单单元元、外外设设接接口口等等。总总线线方方式式的的单单片片微微机机在在不不使使用用外外部部并并行总线时，外部并行总线引脚可作为行总线时，外部并行总线引脚可作为I/O口用。口用。非非总总线线方方式式的的应应用用系系统统（如如 80C51系系列列中中的的 83C751、87C751，83C752、WC752，Motorol的的MC68HC05系系列列中中的的许许多多产产品品）省省去去了了外外部部并并行行总总线线，可可构构成成各各种种小小封封装装芯芯片片，有有限限的的引引脚脚可可提提供供更更多多的的用用户户I/O口。口。l 家用电器领域家用电器领域 国国内内各各种种
20、家家用用电电器器已已普普遍遍采采用用单单片片微微机机控控制制取取代代传传统统的的控控制制电电路路，做做成成单单片片微微机机控控制制系系统统，如如洗洗衣衣机机、电电冰冰箱箱、空空调调机机、微微波波炉炉、电电饭饭堡堡、电电视视机机、录录像像机机及及其其它视频音像设备的控制器。它视频音像设备的控制器。2办公自动化领域办公自动化领域 比比如如一一台台PC机机可可能能嵌嵌入入了了10个个单单片片微微机机，如如控控制制键键盘盘、鼠鼠标标、显显示示器器、CD-ROM、声声卡卡、打打印印机机、软软/硬盘驱动器、调制解调器等。硬盘驱动器、调制解调器等。办办公公室室中中所所使使用用的的大大量量通通信信、信信息息产
21、产品品，如如绘绘图图仪仪、复复印印机机、电电话话、传传真真机机等等，多多数数都都采采用用了了单单片片微微机机。3工业自动化领域的在线应用工业自动化领域的在线应用 如如工工业业过过程程控控制制、过过程程监监测测、工工业业控控制制器器及及机机电电一一体体化化控控制制系系统统等等，许许多多都都是是以以单单片片微微机机为为核核心心的的单单机机或或多多机机网网络络系系统统。如如工工业业机机器器人人的的控控制制系系统统是是由由中中央央控控制制器器、感感觉觉系系统统、行行走走系系统统、擒擒拿拿系系统统等等节节点点构构成成的的多多机机网网络络系系统统。而而其其中中每每一一个个小小系系统统都都是是由由单单片片微
22、微机机进进行行控制的。控制的。4.智能仪器仪表与集成智能传感器领域智能仪器仪表与集成智能传感器领域 应应用用单单片片微微机机来来对对传传统统的的仪仪器器仪仪表表行行业业的的产产品品进进行行“更更新新换换代代”，提提供供了了非非常常理理想想的的的的条条件件。目目前前各各种种变变送送器器、电电气气测测量量仪仪表表普普遍遍采采用用单单片片微微机机应应用用系系统统替替代代传传统统的的测测量量系系统统，使使测测量量系系统统具具有有各各种种智智能能化化功功能能，如存储、数据处理、查找、判断如存储、数据处理、查找、判断、联网和语音功能等联网和语音功能等。5汽车电子与航空航天电子系统汽车电子与航空航天电子系统
23、通通常常在在这这些些电电子子系系统统中中的的集集中中显显示示系系统统、动动力力监监测测控控制制系系统统、自自动动驾驾驭驭系系统统、通通信信系系统统以以及及运运行行监监视视器器（黑黑匣匣子子）等等，都都要要构构成成冗冗余余的的网网络络系系统统。比比如如一一台台RMW-7系列宝马轿车就用了系列宝马轿车就用了63个单片微机。个单片微机。单单片片微微机机的的应应用用正正从从根根本本上上改改变变着着传传统统的的控控制制系系统统设设计计思思想想和和设设计计方方法法。从从前前必必须须由由模模拟拟电电路路或或数数字字电电路路实实现现的的大大部部分分控控制制功功能能，现现在在已已能能使使用用单单片片微微机机通通
24、过过软软件件方方法法实实现现了了。这这种种以以软软件件取取代代硬硬件件，并并能能提提高高系系统统性性能能的的控控制制技技术术，称称之之为为微微控控制制技技术术。这这标标志志着着一一种种全全新新概概念的建立。念的建立。1.4 本教程的教学安排本教程的教学安排80C51硬件结构简洁明了、特殊功能寄存器功能规范、软硬件结构简洁明了、特殊功能寄存器功能规范、软件指令系统易于掌握，是一种既便于讲授又便于学习、理解和件指令系统易于掌握，是一种既便于讲授又便于学习、理解和掌握的单片微机。掌握的单片微机。以以80C51系列为典型，来介绍单片微机硬件结构和软件知识。系列为典型，来介绍单片微机硬件结构和软件知识。
25、硬件知识则是指硬件知识则是指 80C51的硬件资源，如的硬件资源，如 I/O口、定时器口、定时器/计数器、计数器、中断系统等。中断系统等。软件知识是指软件知识是指80C51的寻址方式、指令系统以及程序设计等。的寻址方式、指令系统以及程序设计等。触类旁通。触类旁通。讲课讲课4860学时，实验学时，实验1218学时（学时（46个实验）个实验），布置作业布置作业46次。次。表表11 Philips公司公司80C51系列的部分单片微机系列的部分单片微机表表12 ATMEL公司公司89C51系列的部分单片微机系列的部分单片微机 表表13 华邦公司华邦公司W78C51和和W77C51系列的部分单片微机系列的部分单片微机