单片机的基础知识

1单片机基本知识1.1概述电子计算机是20世纪人类最伟大的发明之一。自从1946年第一台电子计算机发明以后，子算计的研制得到了快速的发展，应用的范围也不断地扩大,对人类社会以及文明的发展起到了极大地推动作用。然而微型计算机产生及发展才是真正是计算机的应用能够深入到社会生活的各个领域，及人类社会大步跨进计算机时代的真正原因。1.1.2微型计算机。在微型计算机出现之前，计算机已有很大的发展。但这时的计算机主要是大中小型机，体积大，能耗大，价格昂贵，而且应用范围有限（主要用于政府部门，学校，科研部门及一些公司企业）个人是不可能拥有的。微型计算机与巨，大，中，小型计算机的主要区别是，其中的CPU（CentralPro-cessingUnit）是集成在一小片硅片上的，而巨大中小型计算机的CPU则是由相当多的电路组成，为了与之区别，微型计算机的CPU也可以称为微处理器MPU。微处理器（通常也称为CPU）是一种大规模的集成电路器件，其中包含了计算机的控制部件和运算部件，具有运算和控制功能。微处理器加上同样采用大规模集成电路制成的用于存储程序和数据的内存，以及与输入输出设备相衔接的输入输出接口电路就构成了微型计算机。如果将微处理器，内存和输入输出接口电路集成在一跨期集成电路芯片上，称为单片微型计算机简称单片机。1.1.3单片机的发展概括单片机一词最初源于“SingleChipeMicrocomputer”，它真切的反映了早期单片机的形态和本质。按照面向对象，突出控制功能，在片内设置了许多外围电路以及外设接口，突破了传统意义的计算机结构，发展成Microcontroller的体系结构，目前国外已广泛称之为微控制器MCU。鉴于它完全作为嵌入式应用，故又称之为嵌入式为控制器。而国内单片机一词以约定成俗，至今仍在使用。单片机的发展大致可分为四个阶段：第一阶段：单片机探索阶段。以Intel公司MCS-48，Motorola公司6081为代表属低档型8位机。第二阶段：单片机完善阶段不。以Intel公司MCS-51，Motorola公司68HC05为代表属高档型8位机。此阶段，8位单片机体系进一步完善，特别是MCS-51系列单片机在世界和我国得到了广泛的应用从而奠定了其在经济领域的经典地位。2第三阶段：8位机和16位机相竞争阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。此阶段Intel公司推出了16位元的MCS-96系列单片机，同时世界其它的制造商也纷纷研制出了性能优异的16位元元单片机，但是由于价格比较昂贵的原因没能得到广泛的推广。然而由于CS-51系列单片机系列其性能价格比高，却得到了广泛的应用，吸引了世界许多知名芯片制造商竞相使用以为内核，扩展部分测控系统中使用的电路技术，接口技术、A/D、D/A和看门狗等功能部件，推出了许多与80C51兼容的8位单片机。强化了微控制器的特征，巩固和发展了8位单片机的主流地位。第四阶段：微控制器全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入的发展和应用，世界各大电气、半导体厂家普遍的投入，从而出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机及小型廉价的专用型单片机，全面发展的时代。从应用角度单片机大致分为以下几类：（1）通用型/专用型所谓专用/通用，是指其应用范围。如80C51，属通用型单片机，不是为了某种专门应图设计的。还有一些单片机是针对某一类产品，甚至某一产品设计的，例如DVD。专用型单片机可最大的简化系统结构，提高资源利用率，降低成本。（2）总线型/非总线型总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线和控制总线，这些引脚可以用来并行扩展外围器件。非总线型单片机从实用角度可分为两类，一类是有并行总线但并不并行扩展，原用于并行扩展的地址总线、数据总线引脚直接用于I/O口，即使需要扩展也通过串行口扩展；另一类是将需要的外围器件及外设接口直接集成在单片机内，省去原用于并行扩展的地址总线、数据总线和无用的控制端线，这样减少了芯片引脚数和芯片体积。由于单行扩展技术的发展，以及在pianFlashROM的应用，非总线型单片机逐渐成为单片机发展的主流方向。（3）CISC/RISC指令结构早期的单片机大多是CISC结构系统，指令复杂，指令代码、周期数不统一因此指令运行很难实现流水线操作，大大阻碍了运行速度的提高，如MCS-51系列单片机。采用RISC结构体系，精简指令后绝大多部分成为周期指令，而起通过程序内存的宽度，实现一个存储地址单元存放一条指令，从而实现流水线操作，在fosc相同的条件下，大大提高了指令运行的速度，如PLC系列单片机。（4）OTPROM型/EPROM型/FlashROM型单片机的片内ROM主要有以下几种形式：OTPROM、EPROM和FlashROM。OTPROM仅适用于大批量生产的成熟产品。在开发阶段或小生产阶段生产的产品，一3般用EPROM或FlashROM。由于FlashROM因其可多次编程擦写，价廉且使用方便，目前已成为应用的主流品种。1.1.4单片机的特点和应用由于单片机是把微型计算机的主要部件都集中在一块芯片上，即一块芯片就是一微型计算机。所以单片机具有以下特点：1）有优异性能价格比。目前国内市场上，有些单片机的芯片只有几元人民币再加上少量外围组件，就能构成一台功能相当丰富的智能化控制装置。2）集成度高、体积小、可靠性高。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的联机，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力。同时由于体积小易于采取电磁屏蔽和密封措施，适合于在恶劣的坏境下工作。3）控制能力强。单片机指令丰富，能充分的满足工业控制的各种要求。4）低功耗、低电压、便于生产便携式产品。5）易扩展。可根据需要并行或串行扩展，构成各种不同应用规模的计算机控制系统。由于有如此多的优点，因此其应用领域之广，几乎到了渗透到了生活中的方方面面。单片机应用的主要领域有:1）智慧家电。各种家用电器普遍采用了单片机智能化控制代替传统电子线路控制升级换代，高档次。如洗衣机，空调，电视机，录像机，电冰箱等等。2）办公自动化设备。现代办公室中使用大量通信和办公设备多数嵌入单片机。如打印机、复印机、绘图机、考勤机、电话等等。3）商业营销设备。在上也应系统中已广泛使用电子称、收款机、条形码阅读机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统等等。4）工业自动化控制。工业自动化控制的是最早采用单片机的领域之一。如各种测控系统、程控、程控、机电一体化、PLC等。在化工、建路、冶金等各种领域都要用到单片机控制，5）智慧化仪表。采用单片机的智能化仪表大大提高了仪表的档次，强化了功能。如数据处理和存储、故障诊断、联网集控等。6)智能化通信产品。最突出的是手机，当手机内的芯片属专用型单片机。7汽车电子产品。现代汽车集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器等都离不开单片机。48）航空航天系统和国防军事、尖端武器领域方面更是不言而喻。1.1.5单片机技术的发展趋势展望单片技术的发展趋势，有以下几方面的趋势：（1）8位单片机仍然是主流机型。8位单片机最具代表性的是80C51单片机，而80C51单片机具有许多优点，如性能价格比高；世界许多知名厂商不断改进完善拓宽其功能，并可选择各种功能的兼容芯片；开发装备多；技术人员熟悉；芯片功能能够使用等。在未来的一段时间内8位单片机仍然是主流机型。2）OTPROM/FlashROM成为ROM的主流状态。目前FlashROM的可靠性虽不及OTPROM，但随着FlashROM技术的改进，可靠性不断的提高应用前景十分看好。3）全盘CMOS化趋势CMOS工艺很早就出现了，虽具有十分优异的性能，但由于运行速度缓慢长期被冷落。HCMOS工艺出现后，非HCMOS器件得到了飞速的发展。4）推行串行扩展总线通用型单片机应用系统大多要扩展一些外围器件。早期的单片机大多采用了并行扩展，OTPROM、FlashROM应用技术成熟，使得扩展ROM已无必要。许多具有并行总线的单片机删去了并行总线的非总线型单片机。采用串行接口虽较并行接口的数据传输速度要慢，但随着MCU主振频率的提高，价值一般单片机应用系统面对对象的有限速度的要求，以及串行扩展器的发展，串行扩展减少引脚数量、简化系统结构等优点，使得移位寄存器的接口、SPI等等串行扩展成为单片机扩展的主流。5）RISC体系结构的大发展早期的单片机多多数是CISC结构体系，指令复杂，指令代码、周期数不统一，指令运行很难实现流水线操作，大大阻碍了运行速度的提高。例如MCS-51系列单片机，fosc=12MHZ时，指令速度为1MIPS。如果采用RISC体系结构，指令精简后大多数成为单周期指令，而起通过增加ROM的宽度，实现一个地址单元存储一条指令，很容易实现并行流水线操作，大大提高了指令运行的速度，同样在12MHZ时钟下单周期运行指令可达12MIPS.如在同指令运行速度下，可大大降低时钟频率，从而有利于获得良好的相容效果。6)实现全面低功耗管理采用CMOS工艺后，单片机具有极佳的本质地功能和功耗管理功能，芯片厂商对单片机实现了全面低功耗管理，它包括：（1）传统的CMOS低功耗运行方式：休闲方式和掉电方式；（2）双时钟技术。配置高速和低速两种时钟系统，在不需要高速运行时，转入低速运行的子时钟状态以降低功耗。或只设一个时钟。通过高速时钟下分频或低速时钟下倍频技术，控制总线速度降低功能。5（3）低电压节能技术。容许使用范围3~6V，低电压供电的单片机电压下限一打1~2V最低已有0.8V单片机问世。（4）外围电路的电源管理。对集中在片内的外围电路实施供电管理，外围电路不运行时实施关闭其电源。7）根据不同需求发展个性化单片机。不同单片机应用系统对单片机的功能资源有不同要求，为追求高性价比，推出了各种个性化的单片机，它包括：（1）包括ROMEAM大容量化。一般单片机内ROM为1~4KB，RAM为64~128B，在需要复杂控制的场合，内存容量不够，需要扩展。为适用这种需求，有的单片机已使片内ROMRAM大容量化。目前更多为64KBROM.2KBRAM。(2)小容量低价化。与上述ROMRAM大容量化相反，为适用某些家电产品的需求，小容量低价化的单机也是发展的方向之一。（3）外围电路内装化。未使用不同需求和真正实行单片化，随着集成技术的发展，将众多外围器件集成在片内，如A/D，D/A、I*2、PWM、WDT和显示驱动等等。8）大力发展专用型单片机。9）在单片机内嵌入驻机软件。10）启动和发展ASMIC技术。1.2单片机系统的组成一个单片机系统有两大部分组成：硬件部分和软件部分。硬件是组成单片机系统的物理实体；软件是对硬件使用和管理的程序。单片机系统的硬件由单片机机芯和外部设施组成，而单片机机芯包括微处理器、内存、输入/输出口及其它功能部件如定时/定时器、中断系统等他们通过地址总线、数据总线和控制总线连接起来。1.2.1微处理器（CPU）微处理器是单片机的核心。它主要由三部分组成寄存器数组、运算器和控制器。1.寄存器数组寄存器数组是微处理器内部的临时存储单元。包括通用寄存器组和专用寄存器。1）通用寄存器组。用来存放数据和地址，减少CPU访问内存的次数，从而提高运行速度。2）专用寄存器。用来存放特定的数据和地址。例如程序寄存器PC、堆栈指针SP地址寄存器、地址缓冲器等。其中程序寄存器PC、专门用于存放线性指令的16位元元位址。CPU是根据PC中的地址到ROM中去读取程序指令。每当取出现行指令一个位元元组后，PC就自动加1，PC+1=PC，当遇到转移指令或子程序时，PC内容会被指定的抵制取代吧，实现程序转移。2）运算器运算器用来完成算术运算和逻辑运算操作，是处理信息的主要部件。主要结构由累加器A、暂存寄存器TMP、标志寄存器F、逻辑运算器等组成。（1）累加器A。用来存放参与运算和逻辑运算的一个操作数和运算结果。（2）缓存器TMP。用来存放参与算术运算和逻辑运算的另一个操作数。（3）标志寄存器F。用来保存ALU操作结果的条件标志，