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第1章 单片机概述1.1 单片机的概念1.1.1 单片机的定义单片机的全称是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer，SCM），也称为微控制器（Micro-Controller Unit，MCU），它是将中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）、数据存储器RAM（Random Access Memory，随机读写存储器）、程序存储器ROM（Read Only Memory，只读存储器）以及I/O（Input/Output，输入/输出）接口集成在一块芯片上，构成的一个计算机系统，其组成框图如图1.1所示。
单片机可用下面的“表达式”来表示：单片机 = MPU+ROM+RAM+I/O+功能部件图1.1 单片机的组成框图1.1.2 单片机的诞生单片机诞生于20世纪70年代末，具有代表性的事件是1976年Intel公司推出了MCS-48单片机系列的第一款产品：8048。
这款单片机在一个芯片内集成了超过17000个晶体管，包含一个CPU，1KB的EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory，可擦可编程只读存储器），64字节的RAM，27个I/O端口和一个8位的定时器。
8048很快就成为了控制领域的工业标准，它们起初被广泛用来替代诸如洗衣机或交通灯等产品中的控制部分。
1980年，Intel公司在MCS-48的基础上推出了MCS-51系列的第一款单片机8051，这款单片机的功耗、大小和复杂程度都比8048提高了一个数量级。
8051集成了超过60000个晶体管，拥有4KB的ROM，128B的RAM，32个I/O端口，一个串行通信接口和两个16位的定时器。
经过三十多年的发展，MCS-51系列单片机已经形成了一个规模庞大、功能齐全、资源丰富的产品群。
单片机原理与应用技术·2·1.1.3 单片机的应用领域单片机在我们的日常生活和工作中无处不在、无处不有：家用电器中的微波炉、洗衣机、电饭煲、豆浆机、电子秤；住宅小区的监控系统、电梯智能化控制系统；汽车电子设备中的ABS、GPS、ESP、TPMS；医用设备中的呼吸机，各种分析仪，监护仪，病床呼叫系统；公交汽车、地铁站的IC卡读卡机、滚动显示车次和时间的LED点阵显示屏；电脑的外设，如键盘、鼠标、光驱、打印机、复印机、传真机、调制解调器；计算机网络的通信设备；智能化仪表中的万用表、示波器、逻辑分析仪；工厂流水线的智能化管理系统，成套设备中关键工作点的分布式监控系统；导弹的导航装置，飞机上的各种仪表等。
单片机概述什么是单片机？在当今科技飞速发展的时代，电子产品无处不在，从我们日常使用的智能手机、电脑，到工业控制中的各种自动化设备，都离不开电子技术的支撑。
而在电子领域中，单片机扮演着至关重要的角色。
那么，究竟什么是单片机呢？简单来说，单片机就是一种集成在一块芯片上的微型计算机。
它具有中央处理器（CPU）、存储器（包括程序存储器和数据存储器）、输入输出接口（I/O 接口）以及定时器/计数器等功能模块。
虽然单片机的体积很小，但它却具备了计算机的基本功能，能够实现对数据的处理和控制。
单片机的出现可以追溯到上世纪 70 年代。
当时，随着集成电路技术的不断发展，人们开始尝试将计算机的主要部件集成在一块芯片上，以实现更小、更高效的计算设备。
经过多年的发展，单片机的性能不断提升，功能也越来越强大。
单片机的中央处理器是其核心部分，它负责执行程序指令，进行数据运算和逻辑判断。
与我们常见的个人电脑中的 CPU 相比，单片机的CPU 通常性能较弱，但它能够满足特定应用场景的需求，并且具有低功耗、低成本等优点。
存储器是单片机用于存储程序和数据的地方。
程序存储器用于存储用户编写的程序代码，而数据存储器则用于存储程序运行过程中的中间数据和结果。
单片机的存储器容量通常较小，但对于一些简单的应用来说已经足够。
输入输出接口是单片机与外部世界进行交互的通道。
通过这些接口，单片机可以接收来自外部传感器的信号，如温度、湿度、压力等，也可以控制外部设备，如电机、灯光、显示屏等。
输入输出接口的类型和数量因不同的单片机型号而异，用户可以根据实际需求进行选择。
定时器/计数器是单片机中的一个重要功能模块，它可以用于实现定时、计数、脉冲宽度测量等功能。
例如，在一个智能家电控制系统中，可以使用定时器来实现定时开关的功能。
单片机的应用非常广泛。
在工业控制领域，单片机可以用于实现各种自动化生产设备的控制，如数控机床、自动化生产线等。
在智能家居领域，单片机可以用于控制家电设备的运行，实现智能化的家居管理。
项目1 单片机概述项目要求：本项目通过对单片机的结构特点、品种类别以及使用领域等方面的介绍，要求学生明确单片机不同于一般计算机的主要特征以及应用领域，掌握单片机的基本结构与基本特点，了解单片机一些主要品种的典型特性。
项目目标：1、掌握单片机的基本构造与主要特征2、掌握单片机中三总线的作用及技术指标3、掌握单片机的特点及应用领域4、了解单片机一些主要品种的典型特性项目相关知识：自1946年第一台电子数字计算机ENIAC问世以来，计算机就以其运算速度快、可靠性高等一系列优点受到人们的重视，应用日益广泛。
进入20世纪70年代以来，大规模乃至超大规模集成电路的出现，使计算机电路芯片的制造技术以及运算能力有了极大的提高，而价格却越来越低廉，结果是带来了计算机应用领域的迅速扩展，应用技术的发展更是突飞猛进。
计算机本身也在朝着巨型化、微型化、网络化、智能化等四个方面发展。
由单一芯片构成的微型计算机的问世，更进一步推动了计算机应用技术的发展，使计算机的应用渗透到各行各业的各种产品，如今在航天、通信、汽车、船舶、飞机、医疗、自动化设备、家用电器甚至玩具中处处可见它的身影，达到了前所未有的普及程度，对人们的生产和生活方式产生了巨大的影响。
知识1 微型计算机与单片机一、微型计算机的组成微型计算机(Microcomputer)，是具有完整运算及控制功能的计算机，它包括微处理器、存储器、输入/输出(I/O)接口电路以及输入/输出设备等，各部分通过地址总线(AB)、数据总线(DB)和控制总线(CB)相连。
如图1-1所示。
其中微处理器是由运算器、控制器及一些寄存器构成，也就是通常意义上所说的“中央处理器”，简称为“CPU”。
微型计算机的组成：二、微型计算机的应用形态微型计算机有三种基本应用形态：1、系统机（多板机）将CPU、内存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）上。
各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、硬盘及光驱（外存储器）等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。
目前广泛使用的个人电脑（PC）包括台式机、笔记本电脑、平板电脑和一些工业控制计算机均属于此类。
2、单板机将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O 设备（如特定键盘、特定显示器）等装配在一块电路板上，再配上固化在ROM（只读存储器）中的专用程序，就构成了一台单板微型计算机，简称单板机。
单板机早期主要用于简单的测控系统，优点是体积相对较小，可靠性以及性价比较高，缺点是I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。
现在已基本淘汰。
3、单片机在一片大规模集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路等，从而构成了单芯片微型计算机(Single chip microcomputer)，即单片机。
可见单片机实际上是微型计算机在应用形态上的一个分支。
下图中自左至右分别为系统机、单板机和单片机三、单片机的主要特征单片机的形态只是一块芯片，但是它已具备了微型计算机的组成结构和功能。
在实际应用中常将它作为一个零部件安装在系统之中做为控制核心，故而也将单片机称为嵌入式微控制器(embedded microcontroller)。
单片机是应工业测控的需要而诞生的，它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又称单片微控制器(Single Chip Microcontroller)。
知识2 单片机的结构与特点一、单片机的结构如上所述，单片机为满足工业测控的需要，其结构与指令功能都是按照工业控制要求设计，这就使得它内部有些构造不同于通用的微型计算机，目前主要有两种基本结构形式：1、普林斯顿(Princeton)结构（或称冯·诺依曼结构）：将程序存储器和数据存储器合用一个存储空间的结构。
这种结构在通用微型计算机中也被广泛采用。
2、哈佛(Harvard)结构：将程序存储器和数据存储器截然分开、分别寻址的结构，使用中让程序存储器成为“只读”。
目前单片机采用这种结构的居多。
最大优点在于系统安全性好，可靠性高。
Intel公司的MCS-51以及ATMEL公司生产的ATMEL89系列单片机采用的是哈佛结构，而Motorola公司的M68HC11等采用的则是普林斯顿结构。
二、单片机中的三总线由上述介绍可知，单片机内部各部件以及输入/输出(I/O)接口电路、输入/输出设备等都是通过“三总线”（即地址总线、数据总线和控制总线）相连的。
三总线的宽度（也就是条数）与单片机的性能指标密切相关。
1、地址总线（AB）的任务是负责传送地址信息，地址总线宽度越大（条数越多），能同时传送的地址信息位数越多，CPU能访问的地址范围越大，因此地址线的宽度决定了单片机的“寻址能力”。
寻址能力=2n，式中n为地址线的条数。
例如具有8条地址线的单片机具有256B的寻址能力，即能够访问总共256个对象（包括存储单元、输入设备、输出设备等）。
目前大多数单片机都具有8条及以上的地址总线，本书将要介绍的MCS51系列单片机具有16条地址线，寻址能力为64KB。
2、数据总线（DB）负责传送数据信息，并且是双向的，对CPU而言，数据从外部传入CPU称作“读”，数据从CPU传出到存储器或外部设备称作“写”。
数据总线宽度越大（条数越多），能同时传送的数据位数越多，CPU同一时刻能处理的数据越大，意味着处理能力就越强。
单片机拥有的数据线宽度直接反映了其并行数据处理能力。
目前对微机、单片机、CPU等产品所描述的8位机、16位机……64位机等说法，在没有特殊说明的情况下，默许所指的就是数据总线的宽度。
市面上单片机的数据总线宽度有4位、8位、16位、32位及64位等。
例如MCS51系列单片机是8位的，MCS96系列单片机是16位的。
3、控制总线（CB）负责传送控制信息，包括确定“读”或“写”、确定数据传送路线、确定每一操作环节的动作步骤及顺序（时序）等。
控制总线的宽度与单片机的设计结构及控制要求有关，不同品牌、型号、性能的单片机控制总线的宽度不同。
搞清每条控制总线的类型及功能对连接硬件电路及编写控制程序是十分必要的。
三、单片机的特点1、控制性能好、可靠性高单片机的实时控制功能特别强，其CPU为了满足工业测控的需要，专门增设了“面向控制”的处理功能，可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。
另外，由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。
一些新型的单片机产品，内部还集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式(如在系统编程ISP)等方面都有显著的增强。
2、使用灵活、易扩展，易于开发单片机芯片实际上就是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择，同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系。
当今单片机的指令系统、开发语言及开发软件都很丰富，给其应用及扩展带来了极大的方便。
3、体积小、重量轻、安装方便单片机产品的形态只是单一芯片，体积和重量都很小，引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少，有的封装形式采用QUAD（方形贴片封装）或SOP （双列小贴片封装），从而使应用系统的印制板面积减小、接插件减少，安装简单方便，非常有利于产品的微型化。
能满足许多小型对象的嵌入式应用要求。
4、存储器容量较小、性价比高受集成度的限制，单片机片内存储器容量较小，内部ROM容量一般在几十KB以下，内部RAM容量一般在几百B以内。
本着够用就好的原则，大多数情况下已经能满足使用需求。
而正因为这种设计，使得单片机在低功耗以及低价格等方面比普通微机有着明显的优势。
知识3 单片机的主要品种简介一、Atmel单片机Atmel公司生产的89系列单片机是基于Intel公司的MCS-51系列而研制的，属于低功耗，高性能的8位单片机，其技术优势在于flash程序存储器技术，典型器件为内部采用采用flash程序存储器的AT89C51系列，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。
89系列单片机可分成标准型（AT89C51、AT89LV51、AT89C52、AT89LV52），完全兼容MCS-51系列单片机；低档型（AT89C1051、AT89C2051），只有20个引脚，RAM及ROM容量均较少，无串行口；高档型（AT89S8252）是一种可下载的flash单片机，和PC机通信下载程序十分方便。
高档型比标准型增加了如下功能：1、8KB Flash存储器有可下载功能。
2、除了8KB Flash存储器之外，AT89S8252还含有一个2KB的EEPROM，从而提高了存储容量。
3、含有9个中断响应的能力。
4、含标准型和低档型所不具有的SPI(同步串行外设接口)接口。
5、含有Watchdog(看门狗)定时器。
6、含有双数据指针。
7、含有从电源下降的中断恢复。
二、Motorola单片机Motorola是世界上最大的单片机生产厂商之一，它生产的MC6805系列单片机是具有多种专门用途的单片机大家族，在家用电器及一些专用控制场合的应用中十分广泛。
8位机有68HC05和升级产品68HC08。
68HC05有30多个系列，200多个品种。
8位增强型单片机也有30多个品种。
16位机有10多个品种。
32位单片机有几十个品种。
Motorola单片机的特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低很多，因而高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于工控领域及恶劣的环境。
三、Scenix单片机Scenix单片机采用了RISC（精简指令集）结构的CPU，使CPU最高工作频率达50MHz，运算速度接近50MIPS。
有了强有力的CPU，各种I/O功能便可以用软件的办法模拟。
I/O模块的集成与组合技术是单片机不可缺少的重要方面。
Scenix单片机在I/O模块的处理上引入了虚拟I/O的新概念。
除传统的I/O功能模块，如并行I/O，UART(通用异步收发传输器)，SPI，I2C，A/D，PWM，PLL，DTMF等外，新的I/O模块不断出现在Scenix单片机上，如USB，CAN，J1850等。
四、Microchip单片机Microchip单片机是市场份额增长最快的单片机。
它的主要产品是16C系列8位单片机。
采用RISC（精简指令集）结构，仅33条指令，运行速度快，价格低，且全部为OTP（一次性可编程）器件。
主要用于量大、抵挡、价格敏感产品。
五、东芝单片机东芝单片机的特点是从4位机到64位机产品都有，门类齐全。
4位机在家电领域仍有较大的市场。
