第1章 单片机基础知识-单片机概述

单片机原理与应用PrinciplesandApplicationsofSCM任课教师：马华玲联系电话：[phone]电子邮箱：[e-mail]教材及参考书目：使用教材：《单片机的C语言应用程序设计》，马忠梅等编著，北京航空航天大学出版社，2007年第四版。参考书目：《单片机C语言设计实例精讲》，戴佳等编著，电子工业出版社，2008年12月第二版。《单片机C语言编程与实例》，赵亮等编著，人民邮电出版社，2003年9月第二版。《新概念51单片机C语言教程》，郭天祥编著，电子工业出版，2009年3月第一版。课程的先修课程数字电路、模拟电子技术。后期训练•单片机课程设计、电子系统设计。深入应用•电子设计竞赛、毕业设计。工程应用•企业电子产品开发。须具备的知识和后期应用课程安排本课程强调实际应用为主，以培养学生的实际实践能力为主。共64个学时2.实验课程（12个学时）1.理论课程（52个学时）考核办法总评成绩的组成：40%50%10%期末成绩平时成绩实验成绩•课堂提问•出勤情况•课后作业•期中测试•实验报告•出勤情况第一章单片机基础知识1.0单片机的概述与应用1.18051单片机的特点1.28051的内部结构1.38051的系统扩展1.48051指令系统1.0单片机概述及应用单片微机是单片微型计算机SCMC（SingleChipMicroComputer）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。单片机的发展历史划分为四阶段：第一阶段（1976~1978年）：低性能单片机的探索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表，采用了单片结构，即在一块芯片内含有8位CPU、定时/计数器、并行I/O口、RAM和ROM等。主要用于工业领域。第二阶段（1978~1982年）：高性能单片机阶段，这一类单片机带有串行I/O口，8位数据线、16位地址线可以寻址的范围达到64K字节、控制总线、较丰富的指令系统等。这类单片机的应用范围较广，并在不断的改进和发展。第三阶段（1982~1990年）：16位单片机阶段。16位单片机除CPU为16位外，片内RAM和ROM容量进一步增大，实时处理能力更强，体现了微控制器的特征。例如Intel公司的MCS-96主振频率为12M，片内RAM为232字节，ROM为8K字节，中断处理能力为8级，片内带有10位A/D转换器和高速输入/输出部件等。第四阶段（1990年~）：微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展。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。美国Intel公司1971年生产的4位单片微机4004和1972年生产的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MCS－48系列单片微型计算机。它包括计算机的三个基本单元，已成为真正意义的单片微机，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。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Z－8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。单片机的发展历史单片机的发展历史最具典型性的属Intel公司的MCS－51系列单片微机，它具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。直到现在MCS－51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，已成为单片微机中的主流机型。在8位单片微机之后，16位单片微机也有很大发展。1983年Intel公司推出的MCS－96系列单片微机。与MCS－51相比，MCS－96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1∶1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，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I/O功能及结构兼容方向发展。单片机的发展历史⑴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、各种功能的I/O口都集成在一块芯片内，即外围器件内装化，如把LED、LCD显示驱动器集成在8位单片微机中，如把A/D、D/A、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，从而成为名副其实的单片微机。⑵高性能为了提高速度和执行效率，在单片微机中开始使用RISC体系结构、并行流水线操作和DSP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的微处理器。⑶全盘CMOS化趋势单片微机采用二种半导体工艺生产，HMOS工艺即高密度短沟道MOS工艺，具有高速度和高密度；CHMOS工艺即互补金属氧化物的HMOS工艺，除具有HMOS的优点外，还具有CMOS工艺的低功耗特点。如8051的功耗为630mw，而80C51的功耗仅120mw。单片机的发展历史⑷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。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64KB的限制，8位、16位的单片微机有的寻址能力已达到1MB和16MB。片内ROM的容量可达62KB，RAM的容量可达2KB。80C51系列单片微机8051是美国INTEL公司在1980年推出的MCS-51系列的第一个成员，MCS是INTEL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却不能称为MCS-51系列，只能称为8051系列。8051系列泛指所有公司（也包括INTEL公司）生产的以8051为核心单元的所有单片微机。80C51系列包括Intel公司的MCS-51，又包括了以8051为核心单元的世界许多公司生产的单片微机，比如PHILIPS(飞利浦公司)的83C552及51LPC系列等、SIEMENS(西门子公司)的SAB80512等、AMD(先进微器件公司)的8053等、OKI(日本冲电气公司)的MSM80C154等、ATMEL公司的Flash单片微机89C51等、DALLAS公司的DS5000/DS5001等、华邦公司的W78C51及W77C51等。从MCS－48单片微机发展到如今的新一代单片微机，大致经历了三代。如以Intel8位单片微机为例，第一代：以MCS－48系列单片微机为代表。属于低性能单片微机阶段。第二代：以MCS－5l系列的8051、8052单片微机为代表。主要的技术特征是为单片微机配置了完善的外部并行总线（AB、DB、CB）和具有多机识别功能的串行通信接口（UART），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。80C51系列单片微机第三代：以80C51系列单片微机为代表。它包括了Intel公司发展MCS－51系列的新一代产品，如8XC152、80C51FA/FB、80C5lGA/GB，还包括了Phlips、Siemens、ADM、OKI、ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色、与MCS－51兼容的单片微机。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80C51系列单片微机保留了MCS－51的所有特性，内部组成基本相同。80C51系列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。87C51是80C51含EPROM的产品，89C51是80C51含EEPROM的产品。新一代的80C51系列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。表1–1Philips公司80C51系列的部分单片微机表1–2ATMEL公司89C51系列的部分单片微机单片机的应用单片机最主要的应用就是构成智能系统，智能系统应具备数据采集、处理、判断、分析和控制、输出能力。在智能化程度较高的电子系统中，还应具备预测、自诊断、自适应、自组织和自学习功能。智能系统的组成：软件和硬件；硬件：模拟电路、数字电路、微处理器单片机系统DSP系统嵌入式系统PC机系统单片机的应用大量的应用需求广泛的应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。单片机主要厂商INTEL公司的8051系列单片机；Motorola公司（FREESCALE，飞思卡尔）的M68系列单片机；MicroChip公司的PIC系列单片机；Philips公司的P89系列；ATMEL公司AT89C51系列，AVR系列；Zilog公司的Z80系列单片机。单片机广泛的应用单片机应用工业方面民用方面仪表方面电讯方面数据处理方面汽车方面单片机的应用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。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。单片机的应用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、