单片机原理及应用 蔡启仲 第1章 绪论

1、单片机原理与应用2第第1章章 绪论绪论1.1 计算机常用的编码计算机常用的编码1.2 微型计算机的分类与组成微型计算机的分类与组成 1.2.1 微型计算机系统的分类微型计算机系统的分类 1.2.2 微型计算机系统组成微型计算机系统组成 1.3 微型计算机的基本工作原理微型计算机的基本工作原理 1.4 单片机的基本概念单片机的基本概念 1.4.1 单片机的特点单片机的特点 1.4.2 单片机的发展概况单片机的发展概况 1.4.3 单片机的应用单片机的应用 1.4.4 常用的系列单片机常用的系列单片机 习题习题31.1 计算机常用的编码计算机常用的编码 编码：编码：用数字或某种文字、符号或数码串来

2、表示某一对应数字、信号和状态的过程，称为编码。 二进制编码：二进制编码：计算机中采用的是二进制数。数据、字母、符号等以二进制数来表示，这就是二进制编码，编码的结果称为代码，或二进制码。 十六进制编码：十六进制编码：数据、字母、符号等以十六进制数表示。 4位二进制数组成十六进制数，这就是十六进制编码。例如字符A的二进制编码为0100 0001B，即十六进制编码的41 H。 二进制编码二进制编码和十六进制编码十六进制编码的实质是将二进制数按一定的规律和数字、对象、信号和状态一一对应起来，用不同的二进制代码或十六进制十六进制代码串对应数字、对象、信号和状态。 下面就计算机中常用的BCD码码和ASCI

3、I码码进行介绍。 4(1) BCD码码 1. BCD码码(十进制数的二进制编码十进制数的二进制编码) BCD码是一种具有十进制权位十进制权位的二进制编码，最常的BCD码是标准BCD码或称为8421码码。 BCD码是将4位二进制数组成1位十进制数，4位二进制数有16种组合0000B1111B，取其00001001B（00H09H）按照二进制数的规律排列成十个数字，4位二进制数的权位分别为8、4、2、1而得名为8421码，用00001001 B表示十进制的09，不使用10101111B (0AH0FH)六种状态。 BCD码有压缩BCD码和非压缩BCD码之分。压缩压缩BCD码：码：4位二进制数表示1

4、位十进制数；非压缩非压缩BCD码：码：8位二进制数表示1位十进制数。 1位十进制数的BCD码如表表11所示。 通常压缩BCD码简称为BCD码。 5例例11： 写出两位十进制数写出两位十进制数97、42和三位十进制数和三位十进制数125的二进制数、压缩的二进制数、压缩BCD码和非压缩码和非压缩BCD码码。十进制数十进制数 二进制数二进制数 压缩压缩BCDBCD码码 非压缩非压缩BCDBCD码码 97 0110 0001 1001 0111 00001001 00000111 42 0010 1010 0100 0010 00000100 000000l0125 0111 1101 0001 00

5、10 0101 00000001 00000010 00000101 6 两个两个BCDBCD码的数据相加，其结果仍然是码的数据相加，其结果仍然是BCDBCD码的二进制数。码的二进制数。 4 4位二进制数的加数和被加数之间只能逢位二进制数的加数和被加数之间只能逢1616进位，不能逢进位，不能逢1010进位，因此，计算机在进行进位，因此，计算机在进行BCDBCD加法时，必须对二进制加法加法时，必须对二进制加法的结果进行调整。的结果进行调整。 十进制调整是利用调整指令予以实现。只有调整后的十进制调整是利用调整指令予以实现。只有调整后的BCDBCD码才能够做到逢码才能够做到逢1010进位。进位。51

6、51单片机专门用于十进制调整的指令单片机专门用于十进制调整的指令将在第将在第3 3章的章的3.3.23.3.2节中介绍。节中介绍。例例1212：已知已知X=37X=37，Y=15Y=15，试计算，试计算(X+Y) (X+Y) BCDBCD码码= =？ 分析分析：(37) (37) BCDBCD码码=0011 011l B=0011 011l B，(15) (15) BCDBCD码码=000l 0101B=000l 0101B 则有：则有： (X+Y)(X+Y)BCDBCD码码=(37+15)=(37+15)BCDBCD码码=0101 0010B=52=0101 0010B=52 (2) BCD

7、码的加法运算码的加法运算7 BCD BCD码的优点：码的优点： BCDBCD码与自然二进制数（十六进制数）有很好的对应关码与自然二进制数（十六进制数）有很好的对应关 系，很容易实现彼此之间的转换。系，很容易实现彼此之间的转换。 BCDBCD码具有奇偶特性，凡是奇数十进制数码具有奇偶特性，凡是奇数十进制数BCD BCD 码的最低位皆为码的最低位皆为1 1，偶数，偶数BCDBCD码最低位皆为码最低位皆为0 0，所以采用，所以采用BCDBCD码的十进制数容易判别奇偶性。码的十进制数容易判别奇偶性。2. ASCII码码 ASCII码是美国国家标准信息交换码，它是一种国际标准码是美国国家标准信息交换码，

8、它是一种国际标准码。一个码。一个8位二进制数来表示一个字符的代码，其中最高位常位二进制数来表示一个字符的代码，其中最高位常用作奇偶校验位，低用作奇偶校验位，低7位是字符的位是字符的ASCII码的代码值。码的代码值。 8 ASCII ASCII码用码用7 7位二进制数的代码进行编码，可以得到位二进制数的代码进行编码，可以得到128128个个不同的代码，其中不同的代码，其中2626个大写英文字母个大写英文字母AZAZ的代码为的代码为41 H5AH41 H5AH；2626个小写英文字母个小写英文字母azaz的代码为的代码为61H7AH61H7AH；十进制数；十进制数0909的代码的代码为为30H39

9、H30H39H，文字符，文字符3434个代码，其余代码则分配给各种标点符个代码，其余代码则分配给各种标点符号和运算符等。号和运算符等。 例如：例如：英文字母A的ASCII码：41H； 数字7的ASCII码：37H； 回车“CR”的ASCII码：0DH； 逗号“,”的ASCII码：2CH。 ASCII码表如表表1212所示。2. ASCII码码 91.2 1.2 微型计算机的分类与组成微型计算机的分类与组成 计算机可以分为巨型、大型、小型和微型计算机。计算机可以分为巨型、大型、小型和微型计算机。1.2.1 1.2.1 微型计算机系统的分类微型计算机系统的分类 微型计算机常简称为微型计算机常简称为

10、微型机微型机或或微机微机。 按微处理器的位数可分为按微处理器的位数可分为1 1位、位、4 4位、位、8 8位、位、3232位和位和6464位机位机等。等。 按组装方式可分为单片机、单板机、通用微型计算机和按组装方式可分为单片机、单板机、通用微型计算机和嵌入式微型机。嵌入式微型机。(1)(1) 单片机单片机。利用大规模集成电路工艺将微型机的三大组成。利用大规模集成电路工艺将微型机的三大组成 部分：部分：CPUCPU、内存储器和、内存储器和I/OI/O接口电路接口电路集成在一块硅片集成在一块硅片 上上，这就是单片机。目前有，这就是单片机。目前有8 8位机、位机、1616位机和位机和3232位机之分

11、。位机之分。10(2)(2) 单板机单板机。将微型机的。将微型机的CPUCPU、内存内存、I/OI/O接口电路的多个芯接口电路的多个芯 片安装在片安装在一块印制电路板一块印制电路板上就组成了单板机。上就组成了单板机。(3)(3) 通用微型计算机通用微型计算机。CPUCPU、内存内存、I/OI/O接口电路接口电路、电源电源等组装等组装 在同一个机箱的在同一个机箱的（多块）印制电路板（多块）印制电路板上，构成一个上，构成一个通用微通用微型型 计算机计算机。目前，由。目前，由多个微处理器多个微处理器组成组成多核微型计算机多核微型计算机已得已得到到 普及，与单核计算机比较，多核微型计算机的运行速度得普

12、及，与单核计算机比较，多核微型计算机的运行速度得到到 了极大地提高。并配置键盘、监视器了极大地提高。并配置键盘、监视器(CRT(CRT、液晶显示器、液晶显示器) )、 硬磁盘驱动器等多种外围设备和软件，成为一个通用微型硬磁盘驱动器等多种外围设备和软件，成为一个通用微型计计 算机系统。包括个人微型计算机和笔记本式微型计算机等算机系统。包括个人微型计算机和笔记本式微型计算机等都都 是单核和多核微处理器的微型计算机系统，膝上微型计算是单核和多核微处理器的微型计算机系统，膝上微型计算机、机、 掌上微型计算机和平板微型计算机。掌上微型计算机和平板微型计算机。11(4)(4) 嵌入式微型机嵌入式微型机。微

13、型机作为各种应用装置的控制处理核心，。微型机作为各种应用装置的控制处理核心， 嵌入到装置中组成嵌入式系统，例如嵌入到装置中组成嵌入式系统，例如ARMARM系列微处理器系列微处理器、 DSP DSP信息处理芯片信息处理芯片等与各种外设组成等与各种外设组成嵌入式微型机嵌入式微型机，使得，使得这这 些装置成为数据处理、智能控制和检测系统，已在通讯装些装置成为数据处理、智能控制和检测系统，已在通讯装置、置、 家电、仪器仪表、信息处理、测控、自动化装置等领域得家电、仪器仪表、信息处理、测控、自动化装置等领域得到到 广泛的应用。广泛的应用。 121.2.2 1.2.2 微型计算机系统组成微型计算机系统组成

14、1. 1. 硬件系统硬件系统 冯诺依曼结构的型计算机系统基本组成如图如图11所示。运算运算器器、存储器存储器、控制器控制器合在一起称为微型计合在一起称为微型计算机的算机的主机主机，而把各，而把各图图11 微型计算机系统的基本组成微型计算机系统的基本组成 种种输入输出设备输入输出设备统称为微型计算机的统称为微型计算机的外围设备外围设备。在主机部分，。在主机部分，将将运算器运算器和和控制器控制器合在一起称之为中央处理单元合在一起称之为中央处理单元 CPU。 13运算器：运算器：进行运算的部件；存储器：存储器：记忆原始题目、原始数据和处理结果，机器能自动进行运算而编制的各种命令。存储器通常分为内存储

15、器(简称为内存)和外存储器(简称为外存)两部分。内存内存也称为主存 ，外存外存也称辅助存储器； 控制器：控制器：能代替人的控制作用的部件，它能根据事先给定的命令发出各种控制信息，使整个计算过程能一步一步地有序的进行；输入设备和输出设备：输入设备和输出设备：数据和命令的输入，数据计算和处理结果的输出。 这样就构成了一个基本的微型计算机系统。14 软件泛指计算机中的程序和文件等，是微型计算机必不可少的重要组成部分。软件系统可分为两大类：系统软件和系统软件和应用软件。应用软件。 （1 1）系统软件）系统软件 管理微型计算机资源，协调其内部工作的程序；系统软件通常包括操作系统(或监控管理程序)；各种语

16、言的处理程序(如汇编、解释或编译程序)；数据库管理程序；网络管理软件；编辑、调试、装配、故障检查和诊断等工具软件。 操作系统具有特殊的地位。只要计算机处在工作状态，操作系统具有特殊的地位。只要计算机处在工作状态，就就有操作系统负责接受、分析并调度执行用户的程序和各种命令。有操作系统负责接受、分析并调度执行用户的程序和各种命令。DOSDOS、WindowsWindows、UnixUnix、LinuxLinux及及Mac OSMac OS等是目前最流行等是目前最流行的微机操作系统。的微机操作系统。 2. 软件系统 15 （2 2） 应用软件应用软件 解决某些实际问题或用户根据自己的需要而设计的程序

17、。比如目前流行的各种软件包：文字处理系统、比如目前流行的各种软件包：文字处理系统、MATLABMATLAB软软件平台、计算机辅助设计件平台、计算机辅助设计(CAD)(CAD)软件、计算机辅助教学软件、计算机辅助教学(CAI)(CAI)软件、图形动画软件、病毒防护软件、各种网络应用软件等；软件、图形动画软件、病毒防护软件、各种网络应用软件等； 在工业自动控制方面有许多数据采集与控制程序；在在工业自动控制方面有许多数据采集与控制程序；在信信息管理方面有许多管理程序，如人事管理、财务管理、图书资息管理方面有许多管理程序，如人事管理、财务管理、图书资料管理等。这些程序都是针对某一具体问题设计的，统属应

18、用料管理等。这些程序都是针对某一具体问题设计的，统属应用软件。软件。 16 （3 3）软、硬件的关系）软、硬件的关系 硬件系统是构成微机系统各功能部件的集合硬件系统是构成微机系统各功能部件的集合，而，而软软件系件系统是微机系统的各种程序的集合统是微机系统的各种程序的集合。软件与硬件的关系可以用图12描述。 应用软件程序在系统软件的干预下，由微机硬件系统执行。所以，硬件系统是物理基础，软件系统是信息交换、通信对话、对微机系统进行控制和管理的工具。图图12 软、硬件的关系软、硬件的关系17 计算机能够自动地进行计算，是由于人把实现计算的计算机能够自动地进行计算，是由于人把实现计算的一一步步操作用命

19、令的形式步步操作用命令的形式( (即一条条指令即一条条指令) )预先送入到存储器中，预先送入到存储器中，在执行时，机器把这些命令从存储器中按照预先设定的时序一在执行时，机器把这些命令从存储器中按照预先设定的时序一条条地取出来，加以翻译和执行。条条地取出来，加以翻译和执行。例如：例如：计算计算A+B=?A+B=?。 假定假定A A，B B的值已存储在存储器中，进行这个简单运算，的值已存储在存储器中，进行这个简单运算，通常，需要做以下几步操作：通常，需要做以下几步操作：第一步：第一步：从存储器中取数从存储器中取数A A；第二步：第二步：从存储器中取数从存储器中取数B B并与并与A A相加；相加；第

20、三步：第三步：把把A+BA+B的结果存储到存储器；的结果存储到存储器；第四步：第四步：停机。停机。 171.3 1.3 微型计算机的基本工作原理微型计算机的基本工作原理 18 取数、相加、存数等都是一种基本操作。取数、相加、存数等都是一种基本操作。指令：指令：计算机执行的各种操的命令（二进制编码）形式；计算机执行的各种操的命令（二进制编码）形式；指令系统：指令系统：计算机所能执行的各种指令的集合；计算机的指计算机所能执行的各种指令的集合；计算机的指 令系统是在设计令系统是在设计CPUCPU时由设计人员规时由设计人员规定的。定的。程序：程序：把要解决的问题编成一条条指令，这些指令的有序集把要解决

21、的问题编成一条条指令，这些指令的有序集 合就称为程序。合就称为程序。 指令通常分成操作码和操作数两大部分。指令通常分成操作码和操作数两大部分。操作码操作码表表示计示计算机算机执行什么操作执行什么操作；操作数操作数表示参加表示参加操作的数本身操作的数本身或操作数或操作数存储在存储器的存储在存储器的地址地址。 指令都是以二进制编码的形式来表示，称为机器指机器指令令。 1.3 1.3 微型计算机的基本工作原理微型计算机的基本工作原理 19 为了便于记忆和理解，用助记符为了便于记忆和理解，用助记符( (便于记忆的符号便于记忆的符号) )代替代替操作码，用符号表示操作数，这样形成的指令称为汇编语言操作码

22、，用符号表示操作数，这样形成的指令称为汇编语言指令。例如：指令。例如：MOV A, 09HMOV A, 09H 汇编语言源程序（简称汇编程序）：汇编语言源程序（简称汇编程序）：用汇编语言指令编写的程序，汇编源程序必须翻译成机器能识别的二进制数编码，计算机才能执行。 微机的工作过程工作过程就是执行程序的过程执行程序的过程。程序由用户预先输入到存储器中。所以，执行程序的过程就是执行指令序列的过程，也就是周而复始地取指令、执行指令的过程周而复始地取指令、执行指令的过程。 1.3 1.3 微型计算机的基本工作原理微型计算机的基本工作原理 20 图图1313是微型计算是微型计算机机的结构图，由微处理器的

23、结构图，由微处理器(CPU)(CPU)、存储器、接口电路、存储器、接口电路组成，通过三条总线组成，通过三条总线(BUS)(BUS)： 地址总线地址总线(AB)(AB)、 数据总线数据总线(DB)(DB)、 控制总线控制总线(CB)(CB)来连来连接。接。 要执行的程序以及数要执行的程序以及数据，已存储在存储器中。据，已存储在存储器中。 1.3 1.3 微型计算机的基本工作原理微型计算机的基本工作原理 图13 微机结构图211 1CPUCPU的结构的结构CPUCPU的基本结构如的基本结构如图图1414中虚线以上部分所示。中虚线以上部分所示。1.3 1.3 微型计算机的基本工作原理微型计算机的基本

24、工作原理 22图图1414中各单元定义如下：中各单元定义如下：ALU ALU 算术逻辑单元；算术逻辑单元； F F 标标志寄存器志寄存器 A A 累加器；累加器； B B 寄存器寄存器 AR AR 地址寄存器；地址寄存器； DR DR 数据寄存器数据寄存器 IR IR 指令寄存器；指令寄存器； ID ID 指令译码器指令译码器 PC PC 程序计数器程序计数器( (指令指针寄存器指令指针寄存器) )； PLA PLA 可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列 AB AB 地址总线；地址总线； DB DB 数据总线数据总线程序计数器程序计数器PCPC：存放执行的指令地址；存放执行的指令地址；地址寄存器地址寄

25、存器ARAR：存储单元地址；从该地址存储单元中取出存储单元地址；从该地址存储单元中取出指令后，由数据寄存器指令后，由数据寄存器DRDR送至指令译码器送至指令译码器IDID译码，再通过译码，再通过控制电路发出执行该条指令所需要的各种控制信息。控制电路发出执行该条指令所需要的各种控制信息。 232. 2. 存储器存储器 存储器的结构如存储器的结构如图图1414中虚线以下部分所示。中虚线以下部分所示。 存储器以二进制代码的形式存储数据和程序，具有非存储器以二进制代码的形式存储数据和程序，具有非破破坏性读出的特点。坏性读出的特点。 存储器由许多存储单元存储器由许多存储单元( (简称单元简称单元) )组

26、成，每个存储单组成，每个存储单元元可以是可以是1 1、4 4、8 8、1616、3232位等二进制数，其中位等二进制数，其中1 1位：位：位单元位单元，4 4位：位：半个字节半个字节，8 8位：位：字节字节， 1616位：位：字字，3232位：位：双字双字。单元地址：单元地址：内存储器中的每个存储单元都对应一个编号，称内存储器中的每个存储单元都对应一个编号，称 为该存储单元地址，简称单元地址。为该存储单元地址，简称单元地址。内存容量：内存容量：地址单元数乘以每个单元的二进制位数，也可用地址单元数乘以每个单元的二进制位数，也可用 上述乘积即总位数来表示。上述乘积即总位数来表示。1.3 1.3 微

27、型计算机的基本工作原理微型计算机的基本工作原理 242. 2. 存储器存储器 微处理器就是按照微处理器就是按照存储单元的地址存储单元的地址来来访问内存访问内存。每。每次向次向内存中写入数据或从内存中读出数据时，都首先由微处理器内存中写入数据或从内存中读出数据时，都首先由微处理器给出给出地址地址，然后再发出读或写控制信号，从而把数据写入指，然后再发出读或写控制信号，从而把数据写入指定的定的地址单元地址单元或从指定的或从指定的地址单元地址单元中中读出数据读出数据。3. 3. 简单程序举例简单程序举例有三条用汇编语言指令表示的程序为：有三条用汇编语言指令表示的程序为：汇编语言源程序汇编语言源程序 翻

28、译成的机器代码翻译成的机器代码(1) MOV (1) MOV A, 09H B009HA, 09H B009H(2) ADD (2) ADD A, 12H 0412HA, 12H 0412H(3) HLT (3) HLT F4H F4H 1.3 1.3 微型计算机的基本工作原理微型计算机的基本工作原理 253. 3. 简单程序举例简单程序举例第第1 1条指令条指令MOV A, 09HMOV A, 09H：把立即数：把立即数09H09H送入累加器送入累加器A A；第第2 2条指令条指令ADD A, 12HADD A, 12H：把：把A A中的内容和立即数中的内容和立即数12H12H相加，相加，

29、结果结果(09H+12H=lBH)(09H+12H=lBH)存入存入A A中；中；第第3 3条指令条指令HLTHLT：暂停指令。：暂停指令。 这段程序的功能就是把这段程序的功能就是把09H09H和和12H12H相加后存放在相加后存放在A A中。中。4. 4. 程序执行的过程程序执行的过程 程序执行前，三条指令的机器代码装入内存储器，同时将第一条指令的起始地址(如图14的100H存储单元)赋予程序计数器PC。程序启动后，计算机根据PC的值从第一条指令开始执行。264. 4. 程序执行的过程程序执行的过程（1 1）取第一条指令的过程）取第一条指令的过程 PCPC的值的值100H100H送入地址寄存

30、器送入地址寄存器ARAR。 程序计数器程序计数器PCPC的程序指针自动增的程序指针自动增1 1，指向下一条指令的单元地，指向下一条指令的单元地 址，即址，即101H101H。 地址寄存器地址寄存器ARAR将地址码将地址码100H100H通过地址总线通过地址总线ABAB送到地址译码器，送到地址译码器， 经译码后选中经译码后选中100H100H单元。单元。 CPUCPU发出读控制信号。发出读控制信号。 所选中的所选中的100H100H单元内容单元内容B0HB0H通过数据总线通过数据总线DBDB送到数据寄存器送到数据寄存器DRDR。 因是取指令操作阶段，取出的是指令操作码因是取指令操作阶段，取出的是

31、指令操作码B0HB0H，故，故DRDR把它送到把它送到 指令寄存器指令寄存器IRIR。 指令寄存器指令寄存器IRIR中的操作码中的操作码B0HB0H经指令译码器经指令译码器IDID译码后，通过可编译码后，通过可编 程逻辑阵列程逻辑阵列PLAPLA发出执行该指令的有关控制命令。发出执行该指令的有关控制命令。27 然后转入执行第一条指令阶段。 操作码B0H经译码后知道这是一条把立即数送累加器A的指令，立即数在指令的第二字节中，则执行第一条指令就是从内存中取出指令第2个字节(即09H)送入A。（2）执行第一条指令的过程）执行第一条指令的过程 将PC的内容101H送入地址寄存器AR。 PC的内容自动加

32、1(变为102H)，指向下一条指令的单元地址。 地址寄存器AR通过地址总线AB把地址码101H送到地址译码 器，经地址译码后选中相应的101H存储单元。 CPU发出读控制信号。 所选中的101H单元内容09H经数据总线DB送到数据寄存器DR。 因已知读出的是操作数，且指令要求把它送累加器A，所以数 据寄存器DR中的数据09H通过内部总线送到A。 第一条指令的执行过程全部完成。28第二条指令的执行过程第二条指令的执行过程 第二条指令的取操作码阶段和第二条指令的执行阶第二条指令的取操作码阶段和第二条指令的执行阶段段和第一条指令类似，由PC的值取得操作码04H，经指令译码器ID译码后知道这是一条加法

33、指令，其中第一个操作数已在A中，另一个操作数(12H)在指令的第二个字节中。此时，首先从内存中取出12H送ALU的I2端，然后将A中的内容与12H相加，结果再送回A。 第三条指令只是告诉CPU进入“暂停”。这是通过第三条指令HLT的机器码F4H的取指、译码后实现的。第二条指令的执行过程第二条指令的执行过程 第二条指令的取操作码阶段和第二条指令的执行阶第二条指令的取操作码阶段和第二条指令的执行阶段段和第一条指令类似，由PC的值取得操作码04H，经指令译码器ID译码后知道这是一条加法指令，其中第一个操作数已在A中，另一个操作数(12H)在指令的第二个字节中。此时，首先从内存中取出12H送ALU的I

34、2端，然后将A中的内容与12H相加，结果再送回A。 第三条指令只是告诉CPU进入“暂停”。这是通过第三条指令HLT的机器码F4H的取指、译码后实现的。29 4. 程序执行的过程程序执行的过程 分析以上模型机执行程序的工作过程，将CPU执行指令的操作归纳如下： 把存储指令的存储器单元地址放在地址总线上。 通过数据总线从存储器中取出指令，并对指令译码。 根据指令中的地址码取出操作数据。 执行指令码所规定的操作。 在操作过程中提供表示状态的标志信号、控制信号和定 时信号。 1.3 1.3 微型计算机的基本工作原理微型计算机的基本工作原理 30 单片微型计算机单片微型计算机( (简称单片机简称单片机)

35、 )技术已成为计算机技技术已成为计算机技术中术中的一个独特的分支，由于具有体积小、价格低、功能强的特的一个独特的分支，由于具有体积小、价格低、功能强的特点，其应用领域越来越广泛，在工业控制、智能仪器仪表研点，其应用领域越来越广泛，在工业控制、智能仪器仪表研发等领域中发挥着越来越重要的作用。发等领域中发挥着越来越重要的作用。 1.4.1 单片机的特点 单片机由单片机由一片半导体硅片集成一片半导体硅片集成：中央处理单元中央处理单元（CPUCPU）、）、存储器（存储器（RAMRAM、ROMROM）、并行）、并行I/OI/O、串行、串行I/OI/O、定时器、定时器/ /计数器、计数器、中断系统、系统时

36、钟电路及中断系统、系统时钟电路及以及单片机扩展外部电路的数据以及单片机扩展外部电路的数据总线、地址总线和控制总线的系统三总线总线、地址总线和控制总线的系统三总线系统总线系统总线的微型计的微型计算机。算机。 1.4 单片机的基本概念 31其独特的主要特点如下：其独特的主要特点如下：1. 1. 体积小，重量轻，功耗低，性价比好体积小，重量轻，功耗低，性价比好 显著特点：显著特点：高性能、低功耗、低电压、低价格。 为提高速度和效率，有的单片机已采用流水线和数字信号处理)技术；增加了I2C(Inter-Integrated Circuit)串行总线、SPI(Serial Peripheral Inte

37、rface)串行接口等，进一步优化了系统结构，缩小单片机体积。而低功耗、低电压的特点又使得它便于生产便携式产品，许多单片机已经可以工作于2.2V的电压，有的甚至能在1.2V或0.9V电压下工作，功耗降为A级，一粒纽扣电池就可以长期工作。 1.4.1 单片机的特点322. 2. 可靠性高可靠性高 单片机是根据工业控制环境的要求设计，各功能部件集成在一块单片机是根据工业控制环境的要求设计，各功能部件集成在一块芯芯片上，内部采用总线结构，其信号通道受外界影响小，大大提高了单片片上，内部采用总线结构，其信号通道受外界影响小，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，由于其体积小，对于强磁场环境易于机

38、的可靠性与抗干扰能力。另外，由于其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施。单片机分为军用级、工业用级及民用级三个等级系列。采取屏蔽措施。单片机分为军用级、工业用级及民用级三个等级系列。3. 3. 控制功能强控制功能强 单片机的指令系统均有转移指令、单片机的指令系统均有转移指令、I/OI/O口的逻辑操作以及位处理口的逻辑操作以及位处理功功能等控制功能命令，其位逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微能等控制功能命令，其位逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微型计算机。型计算机。4. 4. 易扩展易扩展 单片机的系统配置较典型、规范，与很多外围芯片可以直接连接，单片机的系统配置较典型、规范，与很

39、多外围芯片可以直接连接，容易进行相应的扩展构成各种不同规模的应用系统。容易进行相应的扩展构成各种不同规模的应用系统。1.4.1 单片机的特点331. 41. 4位单片机阶段位单片机阶段 1971 1971年美国年美国IntelIntel公司首先研制出公司首先研制出4 4位单片机位单片机40044004以来，各以来，各个个计算机生产公司竞相推出各自的计算机生产公司竞相推出各自的4 4位单片机。主要应用于家用电器、位单片机。主要应用于家用电器、计算器、电子玩具等初级电子产品。这一阶段属于单片机的计算器、电子玩具等初级电子产品。这一阶段属于单片机的萌芽阶萌芽阶段段。2. 2. 中、低档中、低档8 8

40、位机阶段位机阶段 1976 1976年年9 9月，月，IntelIntel公司推出了公司推出了MCS48MCS48系列系列8 8位单片机，特位单片机，特点点是片内集成了是片内集成了8 8位位CPUCPU，8 8位并行位并行I/OI/O口，口，8 8位定时位定时/ /计数器以及计数器以及RAMRAM、ROMROM等，但没有串行口，中断处理比较简单。等，但没有串行口，中断处理比较简单。 此后，单片机发展进入了一个新的阶段，此后，单片机发展进入了一个新的阶段，8 8位单片机纷纷位单片机纷纷应运应运而生。例如：而生。例如：MotorolaMotorola公司的公司的68016801系列，系列，Zilo

41、gZilog公司的公司的Z8Z8系列，系列，RockwellRockwell公司的公司的65016501、65026502，日本的，日本的NECNEC公司、日立公司等也公司、日立公司等也推出了具有特色的初级推出了具有特色的初级8 8位单片机产品。位单片机产品。 1.4.2 单片机的发展概况 341.4.2 单片机的发展概况单片机的发展概况 3. 高档高档8位机阶段位机阶段 Intel公司于1980年推出MCS51系列单片机。 技术特点：完善了外部总线，确立了单片机的控制功能。串行接口、16位定时/计数器、2级中断功能、片内的RAM、ROM容量增大。 虽然是8位单片机，功能有很大的增强，属高档8

42、位单片机。 近年来又相继推出了超8位单片机。如Intel公司8X252、UPI45283C152，Motorola公司的MC68HC，Zilog公司的Super8等，一方面扩大了片内存储器容量，更重要的是还增加了通信、DMA传输以及高速I/O等功能，由于这类单片机性价比较高，也是得到广泛应用的单片机。 354. 164. 16位机阶段位机阶段 1983 1983年以后，年以后，1616位单片机也逐渐问世。代表产品有位单片机也逐渐问世。代表产品有IntelIntel公司公司19831983年推出的年推出的MCS96MCS96系列单片机，系列单片机，19871987年推出年推出的的80C9680C

43、96，美国国家半导体公司推出的，美国国家半导体公司推出的HPC16040HPC16040，NECNEC公公司推出的司推出的783XX783XX系列，系列，SiemensSiemens公司的公司的80C16780C167、HitachiHitachi公公司的司的H8H8和和MotorolaMotorola公司的公司的M68HC16M68HC16等。等。 此外，期间还推出了此外，期间还推出了3232位单片机，除了具有更高的集位单片机，除了具有更高的集成成度外，其主频更高，从而使单片机数据处理速度得以大幅度度外，其主频更高，从而使单片机数据处理速度得以大幅度提高，性能更加优越，进一步拓展了单片机的应

44、用范围。提高，性能更加优越，进一步拓展了单片机的应用范围。1.4.2 单片机的发展概况单片机的发展概况 365. 5. 单片机全面发展阶段单片机全面发展阶段 显著技术特点：显著技术特点：全面发展单片机的各种功能，提高性能，应全面发展单片机的各种功能，提高性能，应用用流水线技术提高单片机执行程序的速度。流水线技术提高单片机执行程序的速度。 Intel Intel公司将公司将80518051单片机单片机CPUCPU内核使用权以专利互换或出售形内核使用权以专利互换或出售形式式转让给世界许多著名转让给世界许多著名ICIC制造厂商，如制造厂商，如AtmelAtmel、PhilipsPhilips、Mot

45、orolaMotorola、Analog DevicesAnalog Devices、DALLASDALLAS、SiemensSiemens、OKIOKI、DallasDallas、NECNEC、SSTSST华邦等公司，这些厂家生产以华邦等公司，这些厂家生产以80518051为内核的增强型为内核的增强型80518051系列单系列单片机及其派生型单片机，这些兼容产品与片机及其派生型单片机，这些兼容产品与80518051的系统结构相同，的系统结构相同，80518051单片机单片机事实上已经成为事实上已经成为单片机结构标准单片机结构标准。375. 5. 单片机全面发展阶段单片机全面发展阶段 这些公司

46、以这些公司以80518051单片机的单片机的CPUCPU为内核推出的为内核推出的增强型增强型80518051系系列单片机列单片机，与，与80518051单片机兼容单片机兼容，增强了，增强了80518051的许多特性，改善其的许多特性，改善其结构，将外围电路内装化，在芯片内部嵌入集成了测控系统常用的结构，将外围电路内装化，在芯片内部嵌入集成了测控系统常用的模数、数模转换器、监视定时器模数、数模转换器、监视定时器WDTWDT、脉宽调制器、液晶显示控、脉宽调制器、液晶显示控制器、制器、CANCAN总线控制器，总线控制器，I I2 2C C、SPISPI、MICROWIREMICROWIRE等串行总线

47、及等串行总线及其接口，较大容量的数据存储器，实时处理能力更强，大大降低了其接口，较大容量的数据存储器，实时处理能力更强，大大降低了单片机应用系统的电路规模。单片机应用系统的电路规模。385. 5. 单片机全面发展阶段单片机全面发展阶段 高速、大寻址范围、强运算能力、低电压及低功耗，高速、大寻址范围、强运算能力、低电压及低功耗，外外围电路内装化、增强围电路内装化、增强I/OI/O功能，高度集成化的低成本的功能，高度集成化的低成本的8 8位、位、1616位乃至位乃至3232位的通用及专用等多种系列单片机并存，成为当位的通用及专用等多种系列单片机并存，成为当前阶段单片机发展的显著特征。前阶段单片机发

48、展的显著特征。 FLASH FLASH存储器存储器(Flash Memory(Flash Memory，简称闪存，简称闪存) )的出现及使的出现及使用，能够应用在线编程技术用，能够应用在线编程技术ISP(IN System Programmable)ISP(IN System Programmable)在在PCPC机上编好程序通过所建立的机上编好程序通过所建立的SPISPI或其它串行接口直接传或其它串行接口直接传输并且烧录到单片机的闪存上，单片机芯片可以直接焊接到输并且烧录到单片机的闪存上，单片机芯片可以直接焊接到电路板上，免去了调试时由于频繁地插入取出芯片对芯片和电路板上，免去了调试时由于频

49、繁地插入取出芯片对芯片和电路板带来的不便，大大改进了开发环境。电路板带来的不便，大大改进了开发环境。 391.4.3 1.4.3 单片机的应用单片机的应用 单片机主要的应用领域有：单片机主要的应用领域有：（1 1）家用电器。）家用电器。目前国内外各种家用电器已普遍采用单片机作目前国内外各种家用电器已普遍采用单片机作为控制芯片，提高智能化程度。为控制芯片，提高智能化程度。（2 2）仪器仪表）仪器仪表。应用最多、最活跃的领域之一。应用最多、最活跃的领域之一。（3 3）工业控制。）工业控制。单片机应用的主要领域，单片机能解决从简单单片机应用的主要领域，单片机能解决从简单到复杂的各种控制任务，获得最佳

50、的性能价格比。到复杂的各种控制任务，获得最佳的性能价格比。（4 4）计算机外围设备与商用产品。）计算机外围设备与商用产品。如传真机、复印机、打印如传真机、复印机、打印机、绘图仪、硬盘驱动器、智能终端机；一些商用产品，如自动机、绘图仪、硬盘驱动器、智能终端机；一些商用产品，如自动售货机、电子收款机、电子秤等。售货机、电子收款机、电子秤等。（5 5）信息技术领域的应用。）信息技术领域的应用。在互联网和在互联网和ITIT技术领域的应用得技术领域的应用得到很大发展，如音视频和数字图像、手机、可视电话、到很大发展，如音视频和数字图像、手机、可视电话、MP3MP3、MP4MP4、数码相机、数码摄像机等；而

51、调制解调器、程控交换机、数码相机、数码摄像机等；而调制解调器、程控交换机、无线局域网、无线家居网等各种通信设备和系统也都有应用。无线局域网、无线家居网等各种通信设备和系统也都有应用。 401.4.4 1.4.4 常用的系列单片机常用的系列单片机1. MCS511. MCS51系列单片机系列单片机 MCSMCS系列单片机：系列单片机：Intel公司生产的单片机的总称。 MCS51MCS51系列单片机：系列单片机：三个基本型8031、8051、8751和对应的低功耗型80C31、80C5180C51、87C5187C51，以及三个增强型8032、8052、8752和对应的低功耗型80C32、80C

52、5280C52、87C5287C52。 表13 MCS51系列单片机分类表41 （1 1） 51 51子系列基本型子系列基本型 51 51子系列基本型包括子系列基本型包括80318031、80518051和和87518751，其中，其中80318031内部无程序存储内部无程序存储器，需要外扩器，需要外扩EPROMEPROM芯片；芯片；80518051内部集成了内部集成了4KB4KB的的ROMROM，但，但ROMROM内的程内的程序是公司制作芯片时，代用户烧制的，一般用于大批量产品生产；序是公司制作芯片时，代用户烧制的，一般用于大批量产品生产；87518751是在是在80318031基础上增加了

53、基础上增加了4KB4KB的的EPROMEPROM可供用户修改、调试程序。可供用户修改、调试程序。 （2 2）5252子系列增强型子系列增强型 52 52子系列增强型包括子系列增强型包括80328032、80528052和和87528752，与，与5151子系列基本型相比，子系列基本型相比，片内片内ROMROM从从4KB4KB增加到增加到8KB8KB；片内；片内RAMRAM从从128B128B增加到增加到256B256B；定时；定时/ /计数计数器从器从2 2个增加到个增加到3 3个；中断源从个；中断源从5 5个增加到个增加到6 6个；串行口通信速率提高个；串行口通信速率提高5 5倍。倍。 （3

54、 3）低功耗型）低功耗型 表表1313的芯片型号中凡有字母的芯片型号中凡有字母“C C”的表示采用的表示采用CMOSCMOS工艺的工艺的CHMOSCHMOS芯片，属于芯片，属于低功耗型低功耗型产品。例如产品。例如80518051的功耗为的功耗为630mW630mW，而，而80C5180C51的功耗只的功耗只有有120mW120mW。此类单片机有。此类单片机有2 2种节电工作方式种节电工作方式：一是：一是等待方式等待方式，CPUCPU停止工停止工作，其它部分仍继续工作；二是作，其它部分仍继续工作；二是掉电方式掉电方式，此时片内振荡器停止工作，单片，此时片内振荡器停止工作，单片机内部所有运行状态停

55、止，只有机内部所有运行状态停止，只有RAMRAM继续保持数据，这对于便携式、手提式继续保持数据，这对于便携式、手提式或野外作业仪器设备具有非常重要的意义。或野外作业仪器设备具有非常重要的意义。 42 2. 2. 增强型增强型80518051单片机单片机 常用的增强型常用的增强型80518051单片机有以下几种：单片机有以下几种：（1 1）AtmelAtmel公司的公司的8989系列系列单片机，将单片机，将FlashFlash存储器技术与存储器技术与 80C5x 80C5x内核结合内核结合，形成片上带有，形成片上带有FlashFlash存储器的存储器的AT89C5xAT89C5x、 AT89S5

56、x AT89S5x系列单片机。系列单片机。（2 2）PhilipsPhilips公司的公司的80518051内核单片机。如内核单片机。如P89V51RB2/RC2 P89V51RB2/RC2 /RD2 /RD2等。等。（3 3）STST公司的增强型公司的增强型80518051内核单片机。如内核单片机。如PSD32PSD32系列、系列、 PSD33 PSD33系列单片机等。系列单片机等。（4 4）SSTSST公司的公司的8989系列单片机，如系列单片机，如SST89E516RDSST89E516RD等。等。（5 5）Silicon LaboratoriesSilicon Laboratories

57、公司的公司的C8051C8051系列单片机，如系列单片机，如 C8051F020 C8051F020等。等。（6 6）WinBond(WinBond(华邦华邦) )公司的公司的80518051内核单片机。如内核单片机。如W78W78、W79W79 系列单片机。系列单片机。 43几种增强型几种增强型80518051单片机的功能及特点：单片机的功能及特点： （1 1） PhilipsPhilips系列单片机系列单片机 P89V51RB2/RC2/RD2 P89V51RB2/RC2/RD2以以80518051为内核增强型为内核增强型80518051单片机。单片机。 16/32/64kB16/32/6

58、4kB的片内的片内FlashFlash程序存储器，具有程序存储器，具有ISPISP和和IAPIAP功能功能 通过软件或通过软件或ISPISP选择支持选择支持1212时钟时钟( (默认默认) )运行或运行或6 6时钟运行模式时钟运行模式 SPI(SPI(串行外围接口串行外围接口) )和增强型和增强型UART(UART(通用异步收发器通用异步收发器) ) PCA(PCA(可编程计数器阵列可编程计数器阵列) )，具有，具有PWM PWM 和捕获和捕获/ /比较功能；比较功能； 4 4个个8 8位位I/OI/O口，含有口，含有3 3个高电流个高电流P1P1口口( (每个每个I/OI/O口的电流为口的电

59、流为16mA)16mA) 3 3个个1616位定时位定时/ /计数器计数器 可编程看门狗定时器可编程看门狗定时器(WDT)(WDT) 8 8个中断源，个中断源，4 4个中断优先级个中断优先级44几种增强型几种增强型80518051单片机的功能及特点：单片机的功能及特点： （1 1） PhilipsPhilips系列单片机系列单片机 2 2个个DPTRDPTR寄存器寄存器 低低EMI (Electro Magnetic Interference)EMI (Electro Magnetic Interference)方式：控制方式：控制ALEALE信信 号输出以降低号输出以降低EMIEMI干扰等干

60、扰等 Philips Philips的的P89P89系列增强型系列增强型80518051单片机内部的单片机内部的FlashFlash程序存程序存储器支持并行和串行储器支持并行和串行在系统编程在系统编程(ISP(ISP，In-System Programming)In-System Programming)。ISPISP允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。 P89V51RB2/RC2/RD2 P89V51RB2/RC2/RD2 支持支持在应用编程在应用编程(IAP(IAP，In-In-Application Application Progra