单片微型计算机原理与接口技术 第二版 第1章绪论.ppt

普通高等教育“十一五”国家级规划教材 单片微型计算机原理与接口技术 （第二版） 高锋 编著 科学出版社 北京,第一章 绪 论,1.1 单片微机的发展 1.1.1单片微机的概念,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CPU、RAM、ROM、中断系统、定时器/计数器、串行口和I/O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超过100亿片，而在中国大陆地区的年应用量已达6亿多片。,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，形成了两个独立发展的分支。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。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MC68HC05及MC68HC08 系列，Zilog公司的Z8系列，Rockwell公司的6501、6502等，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。 最具典型性的属Intel公司的MCS51系列，它具有品种全、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。,近几年中国8位单片微机市场一直保持着30%以上的高增长率，2006年8位单片微机占中国单片微机整体市场销售额的一半以上。8位单片微机应用的主力市场汽车电子领域的高速成长，也是带动这一市场保持主流地位的有力因素。随着供应商不断提高自身的产品性能，丰富产品的功能，8位单片微机依靠自身的价格优势、较低的功耗及较小的尺寸，进一步抢占了部分16位单片微机的市场份额，从而更加巩固了主流产品的市场地位。 由于8位单片微机的高性能价格比，估计近十年内，8位单片微机将仍是主流机型。,1983年Intel公司推出的MCS96系列，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，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) 。 80C51XA具有的高性能包括：执行速度快、支持高级级语言(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。应用于工业控制产品、高档智能仪表、彩色复印机、录像机等应用领域。,近几年32位单片微机得到了快速发展，如ARM处理器系列如Freescale半导体(原Motorola半导体产品部)推出的ColdFire系列32位机等。,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。 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或VFD显示驱动器集成在单片微机中，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中。 高性能 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。, 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；CHMOS工艺即互补金属氧化物的HMOS工艺，如8051的功耗为630mw，而80C51的功耗仅120mw。 从第三代单片微机起开始淘汰非CMOS工艺。 推行串行扩展总线 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 16 MB。片内ROM的容量可达 62 KB，RAM的容量可达2KB。,1.2 80C51系列单片微机,8051是美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 的83C552及51LPC系列等、SIEMENS 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89C51等、DALLAS公司的DS5000/DS5001等、华邦公司的W78C51及W77C51等。,从MCS48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 Intel 8位单片微机为例， 第一代：以MCS48系列为代表。 属于低性能单片微机阶段。 第二代：以MCS5l系列的8051、8052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。,第三代：以80C51系列为代表。 它包括了 Intel公司发展MCS51系列的新一代产品，如 8XC152、80C51FA/FB、80C5lGA/GB、8XC451、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。 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。,80C51系列单片微机保留了MCS51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。,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。 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。,1.3单片微机的应用,单片微机应用系统结构可分成总线方式和非总线方式。 总线方式的应用系统中，单片微机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。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。 非总线方式的应用系统（如 80C51系列中的 83C751、87C751，83C752、WC752，Motorol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。,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。 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。,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。,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。,1.4 本教程的教学安排,80C51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。 以80C51系