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单片微机概述第1页，本讲稿共21页1.1 1.1 单片微机概述单片微机概述 单片微机是单片微型计算机SCMC（Single Chip Micro Computer）的译名简称，在国内也常简称为“单片微机”或“单片机”。它包括中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器、串行口和I/O等等。除了工业控制领域，单片微机在家用电器、电子玩具、通信、高级音响、图形处理、语言设备、机器人、计算机等各个领域迅速发展。目前单片微机的世界年产量已达100亿片，而在中国大陆地区单片微机的年应用量已达6亿片左右，截止2001年4月，由中国大陆地区自行设计和生产的单片微机也已达到2000万片。由此可见单片微机的广泛用途和发展前景！1.1.1 单片微机概述第2页，本讲稿共21页 1970年微型计算机研制成功之后，随着大规模集成电路的发展又出现了单片微机，并且按照不同的发展要求，形成了二个独立发展的分支。美国Intel公司1971年生产的4位单片微机4004和1972年生产的雏型8位单片微机8008，特别是1976年MCS-48单片微机问世以来，在短短的二十几年间，经历了四次更新换代，其发展速度大约每二三年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。发展速度之快、应用范围之广，已达到了惊人的地步。它已渗透到生产和生活的诸领域，可谓“无孔不入”。1976年Intel公司首先推出MCS48系列单片微型计算机。它已包括计算机的三个基本单元，已成为真正意义的单片微机，赢得了广泛的应用，为单片微机的发展奠定了基础，成为单片微机发展进程中的一个重要阶段。第3页，本讲稿共21页在MCS48单片微机成功的刺激下，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Motorola公司的6801、6802，Zilog公司的Z8系列，Rockwell公司的6501、6502等，此外，日本的NEC公司、日立公司及EPSON公司等，也都相继推出了各具特色的单片微机品种。对工业控制、智能仪表等诸多较高层次的应用领域，8位单片微机系列在性能、价格两方面有较好的兼顾。尽管目前单片微机的品种很多，但其中最具典型性的当属Intel公司的MCS51系列单片微机。此外，它还具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。直到现在MCS51仍不失为单片微机中的主流机型。由于8位单片微机的高性能价格比，估计近十年内，8位单片微机将仍是单片微机中的主流机型。第4页，本讲稿共21页在8位单片微机之后，16位单片微机也有很大发展。例如，1983年Intel公司推出的MCS96系列单片微机。与MCS51相比，MCS96不但字长增加一倍，而且还具有 4路或 8路的10位 A/D 转换功能，此外，在其它性能方面也有一定的提高。飞利浦公司推出了与80C51在源码级兼容性的16位单片微机，即80C51XA(每一条80C51指令可以11地被翻译成一条XA指令，仅XCHD指令除外)，用户不需投入很大的软件开销和人员就能较大的提高产品性能。80C51XA具有的高性能包括：执行速度快、支持高级语言(比如C语言)、支持实时多任务执行、易于形成派生系列产品、地址宽度可变(用户可以方便地将外部地址线宽度选定为12位、16位、20位、24位等等。在工业控制产品、高档智能仪表、彩色复印机、录像机等应用领域，第5页，本讲稿共21页 单片微机正朝多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩单片微机正朝多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强大存储容量和加强I/OI/O功能及结构兼容方向发展。功能及结构兼容方向发展。今后的发展趋势不外乎在以下几个方面：今后的发展趋势不外乎在以下几个方面：多功能多功能 在单片微机中尽可能多的把应用系统中所需要的存储器、在单片微机中尽可能多的把应用系统中所需要的存储器、各种功能的各种功能的I/OI/O口都集成在一块芯片内，即外围器件内装化，如口都集成在一块芯片内，即外围器件内装化，如把把LEDLED、LCDLCD或或VFDVFD显示驱动器集成在显示驱动器集成在8 8位单片微机中，如把位单片微机中，如把A/DA/D、D/AD/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芯片中，从而成为保持器也集成在单片微机芯片中，从而成为名副其实的单片微机。名副其实的单片微机。高性能高性能 为了提高速度和执行效率，在单片微机中开始使用为了提高速度和执行效率，在单片微机中开始使用RISCRISC体体系结构、并行流水线操作和系结构、并行流水线操作和DSPDSP等的设计技术，使单片微机的指等的设计技术，使单片微机的指令运行速度得到大大提高，其电磁兼容等性能明显地优于同类型令运行速度得到大大提高，其电磁兼容等性能明显地优于同类型的微处理器。的微处理器。1.1.2 单片微机的发展趋势第6页，本讲稿共21页 全盘全盘CMOSCMOS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，HMOSHMOS工工艺艺即即高高密密度度短短沟沟道道MOSMOS工工艺艺，具具有有高高速速度度和和高高密密度度；CHMOSCHMOS工工艺艺即即互互补补金金属属氧氧化化物物的的HMOSHMOS工工艺艺，除除具具有有HMOSHMOS的的优优点点外外，还还具具有有CMOSCMOS工工艺艺的的低低功功耗耗特特点。如点。如80518051的功耗为的功耗为630630mwmw，而而8080C51C51的功耗仅的功耗仅120120mwmw。从从第第三三代代单单片片微微机机起起开开始始淘淘汰汰非非CMOSCMOS工工艺艺。目目前前，数数字字逻逻辑辑电电路路和外围器件等都已普遍和外围器件等都已普遍CMOSCMOS化。化。第7页，本讲稿共21页 推行串行扩展总线推行串行扩展总线 推行串行扩展总线可以显著减少引脚数量，简化系统推行串行扩展总线可以显著减少引脚数量，简化系统结构。随着外围器件串行接口的发展，单片微机的串行接结构。随着外围器件串行接口的发展，单片微机的串行接口的普遍化、高速化，使得并行扩展接口技术日渐衰退。口的普遍化、高速化，使得并行扩展接口技术日渐衰退。第8页，本讲稿共21页 许多公司都推出了删去了并行总线的非总线单片微机，需要外扩器件(存储器、I/O等)时，采用串行扩展总线，甚至用软件虚拟串行总线来实现。由于集成度的进一步提高，有的单片微机的寻址能力已突破64 KB的限制，8位、16位的单片微机有的寻址能力已达到 IMB和 16 MB。片内ROM的容量可达 62 KB，RAM的容量可达2KB。第9页，本讲稿共21页1.2 801.2 80C51C51系列单片微机系列单片微机 8051 8051单片微机是美单片微机是美INTELINTEL公司在公司在19801980年推出的年推出的MCS-51MCS-51系列单片微机的第一个系列单片微机的第一个成员，成员，MCSMCS是是INTELINTEL公司的注册商标。凡公司的注册商标。凡INTELINTEL公司生产的以公司生产的以80518051为核心单元的为核心单元的其它派生单片微机都可称为其它派生单片微机都可称为MCS-51MCS-51系列，有时简称为系列，有时简称为5151系列。其它公司生系列。其它公司生产的以产的以80518051为核心单元的其它派生单片微机却不能称为为核心单元的其它派生单片微机却不能称为MCS-51MCS-51系列，只能称为系列，只能称为80518051系列。系列。80518051系列泛指所有公司（也包括系列泛指所有公司（也包括INTELINTEL公司）生产的以公司）生产的以80518051为核心单元的所为核心单元的所有单片微机。有单片微机。80 80C51C51系列单片微机包括系列单片微机包括IntelIntel公司的公司的MCS-51MCS-51单片微机，又包括了以单片微机，又包括了以80518051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(PHILIPS(飞利浦公司飞利浦公司)的的8383C552C552及及5151LPCLPC系列等、系列等、SIEMENS(SIEMENS(西门子公司西门子公司)的的SAB80512SAB80512等、等、AMD(AMD(先进微器件公司先进微器件公司)的的80538053等、等、OKI(OKI(日本冲电气公司日本冲电气公司)的的MSM80C154MSM80C154等等、第10页，本讲稿共21页 ATMEL ATMEL公司的公司的FlashFlash单片微机单片微机8989C51C51等、等、DALLASDALLAS公司的公司的DS5000/DS5001DS5000/DS5001等、华邦公等、华邦公司的司的W78C51W78C51及及W77C51W77C51等。等。从从MCSMCS4848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，大大致致经经历历了了三三代代。如如以以 Intel 8Intel 8位单片微机为例，这三代的划分大致如下。位单片微机为例，这三代的划分大致如下。第一代：以第一代：以MCSMCS4848系列单片微机为代表。属于低性能单片微机阶段。系列单片微机为代表。属于低性能单片微机阶段。第二代：以第二代：以MCSMCS5l5l系列的系列的80518051、80528052单片微机为代表。单片微机为代表。可以看出，这一代单片微机主要的技术特征是为单片微机配置了完善的外部并行总可以看出，这一代单片微机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（线（ABAB、DBDB、CBCB）和具有多机识别功能的串行通信接口（和具有多机识别功能的串行通信接口（UARTUART），），规范了功能单元规范了功能单元的特殊功能寄存器（的特殊功能寄存器（SFRSFR）控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统，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良好的基础。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。第11页，本讲稿共21页第三代：以80C51系列单片微机为代表。它包括了 Intel公司发展MCS51系列的新一代产品，如 8XC152、80C51FA/FB、80C5lGA/GB石XC451、8XC452，还包括了 Phlips、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色、与MCS51兼容的单片微机。80C51系列单片微机是在MCS51的HMOS基础上发展起来的，它们具有CHMOS结构。部分厂家所生产的80C51系列或与之相兼容的单片微机的特点列于表1l、表1一2及表1一3中。从表中可以看出，80C51系列单片微机保留了MCS51单片微机的所有特性，内部组成基本相同。80C51系列单片微机增设了两种可以用软件进行选择的低功耗工作方式：空闲方式和掉电方式。第12页，本讲稿共21页87C51单片微机是80C51含EPROM的产品，89C51单片微机是80C51含EEPROM的产品。新一代的80C51系列单片微机除了上述的结构特性外，还向外部电路扩展，有的公司型号配备了串行扩展线，比如芯片间的总线(飞利浦公司的I2C总线)、设备间网络系统总线(CAN总线)等，为外部提供了完善的总线结构。采用总线 方式的应用系统多属较复杂的工控系统、智能仪表、监测系统，或满足这些应用而构成的多机与网络系统。总线方式的单片微机在不使用外部并行总线时，外部并行总线引脚可作为I/O口用。在掩膜用户程序时，还可要求将这些 I/O口改造成具有各种驱动能力的 I/O口。根据应用的需要，部分产品对总线结构作了重大改进，推出了非总线型单片微机，其对外部不存在并行三总线(AB、DB、CB)，必要时可以通过串行总线进行扩展。第13页，本讲稿共21页1.31.3单片微机的应用单片微机的应用 按照所使用单片微机的类型不同，单片微机应用系统结构可分成总线方式和非总线方式。在总线方式的应用系统中，单片微机都具有完善的外部扩展总线，如并行总线（AB、DB、CB）、串行通信总线（如 UART），通过这些总线可方便地扩展外围单元、外设接口等。采用总线方式的应用系统多属较复杂的工控系统、智能仪表、监测系统，或满足这些应用而构成的多机与网络系统。总线方式的单片微机在不使用外部并行总线时，外部并行总线引脚可作为I/O口用。在掩膜用户程序时，还可要求将这些 I/O口改造成具有各种驱动能力的 I/O口。非总线方式的应用系统（如 80C51系列中的 83C751、87C751，83C752、WC752，Motorola 的MC68HC05系列中的许多产品）省去了外部并行总线，可构成各种小封装芯片，有限的引脚 可提供更多的用户I/O口，以使应用系统的芯片数量最少。第14页，本讲稿共21页采用非总线方式的应用系统多属小型控制器、测控单元、单元仪表等。以下大致介绍一些典型的应用领域和应用特点。l 家用电器领域 国内各种家用电器已普遍采用单片微机控制取代传统的控制电路，做成单片微机控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭堡、电视机、录像机及其它视频音像设备的控制器。2办公自动化领域 比如一台PC机可能嵌入了10个单片微机，如控制键盘、鼠标、显示器、CD-ROM、声卡、打印机、软/硬盘驱动器、调制解调器等。第15页，本讲稿共21页 现代办公室中所使用的大量通信、信息产品，如绘图仪、复印机、电话、传真机等，多数都采用了单片微机。3工业自动化领域的在线应用 如工业过程控制、过程监测、工业控制器及机电一体化控制系统等，许多都是以单片微机为核心的单机或多机网络系统。如工业机器人的控制系统是由中央控制器、感觉系统、行走系统、擒拿系统等节点构成的多机网络系统。而其中每一个小系统都是由单片微机进行控制的。4.智能仪器仪表与集成智能传感器领域 应用单片微机来对传统的仪器仪表行业的产品进行“更新换代”，提供了非常理想的的条件。目前各种变送器、电气测量仪表普遍采用单片微机应用系统替代传统的测量系统，使测量系统具有各种智能化功能，如存储、数据处理、查找、判断、联网和语音功能等。第16页，本讲稿共21页 5汽车电子与航空航天电子系统通常在这些电子系统中的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驭系统、通信系统以及运行监视器（黑匣子）等，都要构成冗余的网络系统。比如一台RMW-7系列宝马轿车就用了63个单片微机，大部分还是16位单片微机。单片微机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。这标志着一种全新概念的建立。第17页，本讲稿共21页1.4 本教程的教学安排本教程的教学安排 MCS5l系列和80C51系列单片微机，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、理解和掌握的单片微机。本课程以80C51系列为典型，来介绍单片微机硬件结构和软件知识。硬件知识则是指 80C51的硬件资源，如 I/O口、定时器/计数器、中断系统等。软件知识是指80C51的寻址方式、指令系统以及程序设计等。在本教材中有较多的例子，叙述比较详细，也适合于初学者自学。考虑到同学们已经学过数字电路、模拟电路等基础课程，本教程总的参考教学时数为70学时左右，其中上课时间为5060学时，实验上机时间为1218学时。第18页，本讲稿共21页表表1 11 1 PhilipsPhilips公司公司8080C51C51系列的部分单片微机系列的部分单片微机第19页，本讲稿共21页表表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 第20页，本讲稿共21页表表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 第21页，本讲稿共21页