第1章单片机概述

第一章单片机概述1.1微机的产生与发展1.1.1微机的发展微型计算机自出现以来，便以其集成度高、功能强、体积小、功耗低、价格廉、灵活方便等一系列优点，广泛应用于国防、航空航天、海洋、地质、气候、教育、经济、日常生活的各个领域，并发挥着巨大的作用。自第一台微型计算机MCS-4诞生后，一直到现在，微型计算机的发展非常迅速，对于微型计算机的发展，一般以字长和典型的微处理器芯片作为划分标志，将微型计算机的发展划分为五个阶段。第一个阶段(1971年～1973年)主要是字长为4位的微型机和字长为8位的低档微型机。这一阶段的典型微处理器有：世界上第一个微处理器芯片4004，以及随后的改进版4040，它们都是字长为4位的。在随后的第二年，Intel又研制出了字长为8位的处理器芯片8008，集成度和性能都有所提高。第一代微型机就采用了PMOS工艺，基本指令时间约为10～20μS，字长为4位或8位，指令系统比较简单，运算功能较差，速度较慢，系统结构仍然停留在台式计算机的水平上，软件主要采用机器语言或简单的汇编语言，其价格低廉。第二个阶段（1974年～1978年）主要是字长为8位的中、高档微型机。这一阶段典型的微处理器芯片有：Intel公司的I8080、I8085，Motorola公司的M6800等。第二代微型机的特点是采用NMOS工艺，集成度提高1～4倍，运算速度提高10～15倍，基本指令执行时间约为1～2μS，指令系统比较完善，已经具有典型的计算机系统结构以及中断DMA等控制功能，寻址能力也有所增强，软件除采用汇编语言外，还配有BASIC、FORTRAN、PL/M等高级语言及其相应的解释程序和编译程序，并在后期开始配上操作系统。第三个阶段（1979年～1985年）主要是字长为16位的微型机。这一阶段典型的微处理器芯片有：Intel公司的8086/8088/80286，Motorola公司的M68000等。第三代微型机的特点是采用HMOS工艺，基本指令时间约为0.05μS，从各个性能指标评价，都比第二代微型机提高了一个数量级，已经达到或者超过中、低档小型机的水平。这类16位微型机通常都具有丰富的指令系统，采用多级中断系统、多重寻址方式、多种数据处理形式、段式寄存器结构、乘除计算硬件，电路功能大为增强，并都配备了强有力的系统软件。第四个阶段（1986年～2000年）主要是字长为32位的微型机。这一阶段典型微处理器芯片有：Intel公司的80386/486/Pentium/PentiumII/PentiumIII/PentiumIV等。以80386为例，其集成度达到27.5万晶体管片，每秒钟可完成500万条指令，工作主频达到25MHz，有32位数据线和24位地址线，以80386为CPU的COMPAQ386、AST386、IBMPS2/80等机种相继诞生。同时随着内存芯片的发展和硬盘技术的提高，出现了配置16MB内存和1000MB外存的微型机，微机已经成为超小机型，可执行多任务、多用户作业。由微型机组成的网络工作站相继出现，从而扩大了用户的应用范围。第五个阶段（2000年以后）出现了字长为64位的微处理器芯片。主要还是面向服务器和工作站等一些高端应用场合。如2000年Intel推出的微处理器Itanium（安腾），它采用全新指令架构IA-64。而AMD公司的64位微处理器Athlon64则仍沿用了x86指令体系，能够很好地兼容原来的IA-32结构的个人微机系统，具有一定的普及性。随着微型计算机的发展，在每一个阶段，它在集成度、性能等方面都有非常大的提高，微型计算机在今后将会有更快、更惊人的发展。1.1.2微机的基本结构首先介绍一下微处理器（Microprocessor）、微型计算机（Microcomputer,简称微机）和单片机（Single-ChipMicrocomputer)的概念。微处理器是由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器的中央处理机部件，即CPU（CentralProcessingUnit)。微处理器本身不是计算机，但它是小型计算机或者微型计算机的控制和处理部分。微型计算机是指以微处理器为核心，加上由大规模集成电路制作的存储器、接口适配器（即输入/输出接口电路）以及系统总线所组成的计算机。单片机就是将微处理器、一定容量的RAM和ROM以及I/O接口、定时器等电路集成在一块芯片上，构成单片微型计算机。计算机系统是一个复杂的工作系统，它由硬件系统和软件系统组成。所谓计算机的硬件系统，通俗地说就是构成计算机看得见摸得着的部件，即构成计算机的硬设备。例如：计算机的主机、显示器、键盘、磁盘驱动器等。软件系统包括系统软件和应用软件。微型计算机的硬件组成部分主要有微处理器（CPU）、存储器、I/O接口设备和系统总线。微机的基本结构如图1-1所示。微处理器（CPU)：它由运算器、控制器和寄存器三大部分组成。存储器：主要是存储代码和运算数据。I/O设备：能把外部信息传送到计算机的设备叫输入设备。将计算机处理完的结果转换成人和设备都能识别的和接收的信息的设备叫输出设备。系统总线：连接各硬件部分的线路。第一组是用来传递数据信息的，叫数据总线简称DB（DataBus）；第二组是用来传递地址信息的，叫地址总线简称AB（AddressBus）；第三组是专门用来传递控制信息的，叫控制总线简称CB（ContolBus）。微处理器CPU存储器ROMI/O接口存储器RAM外部设备地址总线AB控制总线CB数据总线DB图1-1微机的基本结构1.1.3微处理器的基本组成微处理器包括三大部分：运算器、控制器和寄存器。1.运算器运算器由运算部件——算术逻辑单元（ALU)、累加器和寄存器等几部分组成。ALU的作用是把传送到微处理器的数据进行算术或逻辑运算。ALU具有两个主要的输入来源：一个来自累加器，另一个来自数据寄存器。ALU执行不同的运算操作是由不同控制线上的信号所确定的。通常，ALU接收来自累加器和数据寄存器的两个8位二进制数，因为要对这些数据进行某些操作，所以将这两个输入的数据均称为操作数。ALU可对两个操作数进行加、减、与、或和大小等操作，最后将结果存入累加器。例如，两个数4和6相加，在相加之前，操作数6放在累加器中，4放在数据寄存器中，执行两数相加的运算的控制线发出“加”操作信号，ALU即把两个数相加，并把所得结果10存入累加器，取代累加器原来存放的数6。总之，运算器有两个主要功能：执行各种算术运算；执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试。通常，一个算术操作产生一个运算结果，而一个逻辑操作产生一个判决。2.控制器控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的部分，即协调和指挥整个计算机系统的操作，控制器的主要功能有：从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便执行规定的动作，比如一次内存读/写操作、一个算术/逻辑运算操作或一个输入/输出操作等；指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。相对控制器而言，运算器接收控制器的命令而进行操作，即运算器所执行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的。3.CPU中的主要寄存器累加器（A)：累加器是微处理器中最忙碌的寄存器。在算术和逻辑运算时，它具有双重功能：运算前，用于保存一个操作数；运算后，用于保存所得的运算结果。数据寄存器（DR)：数据寄存器是通过数据总线向存储器和输入/输出设备送（写）或取（读）数据的暂存单元。它可以保存一条正在译码的指令，也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节等等。指令寄存器（IR）及指令译码器（ID）：指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器。指令分为操作码和地址码字段，由二进制数字组成。为执行给定的指令，必须对操作码进行译码，以便确定所要求的操作。指令译码器就是负责这项工作的。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。程序计数器（PC）：为了保证程序能够连续地执行下去，CPU必须采取一些手段来确定下一条指令的地址。程序计数器就是起到了这种作用，所以通常也称其为指令地址计数器。地址寄存器（AR）：地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。由于内存和CPU之间存在着速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。ALU、计数器、寄存器和控制器除在微处理器内通过内部总线相互联系外，还通过外部总线与外部存储器和I/O接口电路联系。外部总线一般分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB，统称为系统总线。存储器包括RAM和ROM。微型计算机通过I/O接口电路可与各种外围设备连接。1.2常用单片机系列介绍目前，市场上的单片机种类很多，不同厂商均推出很多不同侧重功能的单片机类型。下面是主流单片机简介：1.8051单片机最早由Intel公司推出的8051类单片机也是世界上用量最大的几种单片机之一。由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在286、386、奔腾等与PC类的高档芯片的开发上，8051单片机主要由Philips、Dallas、Siemens、Atmel、华邦、LG等公司接手生产。这些公司都以MCS-51中的基础结构8051为基准推出了许多各具特色、具有优异性能的单片机。这样，把这些厂家以8051为基准推出的各种型号的兼容型单片机统称为51系列单片机。Intel公司MCS-51系列单片机中的8051是其中最基础的单片机型号。图1-2是Intel公司主要单片机系列介绍。图1-2Intel主要单片机系列2.ATMEL单片机ATMEL公司的90系列单片机是增强型RISC内载Flash的单片机，通常为AVR单片机。AVR单片机是ATMEL公司推出的较为新颖的单片机，其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。AVR单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单周期指令。而单周期既可执行本指令功能，同时完成下一条指令的读取。AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆(32个寄存器文件)和单体高速输入/输出的方案(即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑)。提高了指令执行速度(1MIPS/MHz)，克服了如8051MCU采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。3.Microship单片机PIC单片机系列是美国微芯公司（Microship）的产品，是当前市场份额增长最快的单片机之一。CPU采用RISC结构，分别有33、35、58条指令（视单片机的级别而定），属精简指令集。而51系列有111条指令，AVR单片机有118条指令，都比前者复杂。采用Harvard双总线结构，运行速度快(指令周期约160～200ns)，它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样总的看来每条指令只需一个周期（个别除外），这也是高效率运行的原因之一。此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。4.Motorola单片机Motorola是世界上最大的单片机厂商。从M6800开始，开发了广泛的品种，4位、8位、16位和32位的单片机都能生产，Motorola单片机的特点之一是在同样单片机种类的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于工控领域及恶劣的环境。5.Micon单片机工业级OTP单片机，Micon公司生产，与PIC单片机管脚完全一致，海尔集团的电冰箱控制器，TCL通信产品，长安奥拓铃木