第一章单片机原理与接口技术

单片机原理与接口技术

任课教师：刘秀敏

电话一章单片微型计算机概述

在工业、农业、军事、保安、金融、仪器仪表、航空航天、医疗、通讯、办公设备、娱乐休闲、健身、体育竞赛、服务领域……,大量单片机-嵌入式技术已经无处不在。正迅速改变着人们传统的生产和生活方式。

单片机技术的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域

1.1单片微型计算机发展概况1.什么是单片机？单片机是单片微型计算机的简称。它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、中断系统、定时器/计数器以及串行通信接口等制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。

单片机主要应用于控制领域，它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又称为微控制器（MicroControllerUnit）。在国际上，“微控制器”的叫法更通用些，在我国比较习惯“单片机”这一名称。

单片微型计算机是20世纪70年代初期发展起来的，它是微型计算机发展中的一个重要分支。

不同生产厂家的不同型号的单片机，由于用途、功能等的不同，具体的结构和性能也有较大的差异，但总的模块结构是一样的，因此我们只要掌握了某个型号的单片机的原理及应用，就可以触类旁通，通过自学很快地掌握其他型号的单片机知识。2.单片机的发展阶段

单片机出现的历史并不长，它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体上同步，经历了4个阶段：

第一阶段（1971～1974年）：1971年11月美国Intel公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel4004，并且配有随机存取存储器RAM、只读存储器ROM和移位寄存器等芯片，构成第一台MCS-4微型计算机。1972年4月Intel公司又研制成功了处理能力较强的8位微处理器—Intel8008。这些微处理器虽说还不是单片机，但从此拉开了研制单片机的序幕。

第二阶段（1974～1978年）：初级单片机阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。这个系列单片机内集成有8位CPU、并行I/O接口、8位定时器/计数器，寻址范围不大于4K，且无串行口。

第三阶段（1978～1983年）：高性能单片机阶段。在这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、16位定时器/计数器。片内RAM、ROM容量加大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换器接口。这类单片机有Intel公司的MCS-51、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。这类单片机的应用领域极其广泛，这个系列的各类产品仍然是目前国内外产品的主流。其中MCS-51系列产品，以其优良的性能价格比，成为我国广大科技人员的首选。

第四阶段（1983年～现在）：8位单片机巩固发展及16位、32位单片机推出阶段。此阶段主要特征是一方面发展16位单片机及专用单片机；另一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，以满足不同的用户需要。3.单片机的发展趋势当前，单片机在以8位机为主流的基础上正朝着多功能、精简指令集、高速、低功耗、高可靠性、专用的方向发展。其技术革新与进步主要表现在以下几个方面：

CPU的发展

CPU的字长目前有8位、16位和32位。时钟频率高达40MHZ。

片内存储器的发展扩大存储容量片内EPROM开始由FlashROM、EEPROM代替片内输入/输出接口功能：接口类型、数量都有很大发展；提高了单片机的功能，也简化了系统的总体结构。

特种单片机发展迅速：许多公司推出了性能、功能多样化的单片机。1.2微型计算机系统的概念1.微型计算机系统

微型计算机系统是由硬件和软件两部分组成的。硬件是组成计算机的物质基础。是指组成计算机的所有机械、电子和磁性部件及装置。软件是指为了方便使用和充分发挥计算机效能的各种程序的总称，包括各种程序设计语言、系统程序、应用程序和数据库等，它们都属于信息性的东西。2.微型计算机的组装形式分类微型计算机是由多个功能部件构成的一个完整的硬件系统，除核心部件微处理器之外，还配置有相应的存储部件、输入输出接口等。按部件的组装形式可分为单片机、单板机和多板微型计算机三类。（1）单片机

又称为“微控制器”和“嵌入式计算机”，是单片微型计算机。它是将构成微型计算机的各功能部件集成在同一块大规模集成电路芯片上，一个芯片就是一台微型机。单片机的特点是集成度高、体积小、功耗低、可靠性高、使用灵活、控制功能强、编程保密化、价格低廉。（2）单板机单板机属于计算机系统。它将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片及简单的输入、输出设备组装在同一块印刷电路板上。这块印刷电路板就是一台完整的微型机。单板机具有完全独立的操作功能，加上电源就可以独立工作。（3）多板微型计算机它是单板机的扩展，也常称系统机。它是把微处理器、存储器芯片、各种I/O接口芯片和驱动电路、电源等组装到不同的印刷电路板上，各印刷电路板插在主机箱内标准的总线插槽上，通过系统总线相互连接起来，就构成了一个多插件的微型计算机。1.3单片机的特点及应用领域1.单片机的特点性价比高单片机体积小、功耗低、集成度高、功能强，它能极方便地嵌入到各种自动化、智能化的测控系统中，且同等条件下，使用单片机能有效地降低应用系统的成本。可靠性高易于扩展及多系统通信具有串行口、I2C或CAN总线等通信接口，可以方便地实行多机、上位机与终端机之间的通信。开发成本低控制功能强2.单片机的种类单片机从用途上可分为通用型单片机和专用型单片机。专用型单片机是指用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好了，不能在修改的单片机。通用型单片机是把所有资源全部提供给用户使用。当今通用型单片机的生产厂家已有不下几十家，生产种类有几百种之多。从生产厂家来说，有Intel公司、美国国家半导体公司、TI公司、Zilog公司、Atmel公司、美国微芯公司、韩国现代公司、韩国三星公司、中国台湾华邦公司、日本东芝公司、日本EPSON公司等。3.单片机的应用领域工业自动化智能化仪表各种机器人民用消费类电子产品汽车、航空、导航和武器装备数据处理及终端设备通信领域1.常用术语（1）字长字长是指计算机的运算器能同时处理的二进制数据的位数,它与计算机的功能和用途有很大关系。通常称处理字长为8位数据的CPU叫8位CPU，32位CPU就是在同一时间内处理字长为32位的二进制数据。二进制的每一位0或1是组成二进制的最小单位,称为一个比特.

在其他指标相同时，字长越长计算机的处理数据的速度就越快，精度就越高。1.4单片机的基础知识

（2）存储容量存储容量是指存储器能够存储信息的总字节数。

1KB=1024B=210B1MB=1024KB=220B1GB=1024MB=230B

（3）总线总线是信息传送的公共通道。每一位二进制数由总线中的一根线来传送。根据总线传输信息的内容不同，总线可分为数据总线、地址总线和控制总线。（4）堆栈堆栈是在RAM区中，按照先进后出的原则设置的专用存储区域。（5）数制二进制数、十进制数、十六进制数2.单片机的软件系统（1）系统软件 单片机的系统软件是由软件技术人员开发的，确保系统运行和用户使用单片机的一类程序，它主要包括操作系统、监控程序、编译程序、诊断程序等。（2）应用软件 应用软件是用户利用不同编程语言编写的，为解决实际问题的而编写的程序。3.编程语言（1）机器语言是机器能直接识别的二进制指令代码编写的集合。（2）汇编语言在机器语言的基础上，用反映指令的特征和功能的助记符代替机器指令，编程人员容易记忆和使用，指令与机器码一一对应。（3）高级语言为方便用户，应使编程语言更接近于实际问题，即不需全面了解机器，而是考虑要解决的问题，这就是面向问题的语言，如BASIC、FORTRAN、PASCAL等，这些语言易学，易掌握，通用性强。但需要机器中有将高级语言翻译成机器语言、让各类机器识别的编译程序。

1.5MCS-51系列单片机

1、基本型有8031、8051、8751等，典型产品是8051，基本特性如下：具有8位的CPU及指令系统256字节的片内RAM(含80H-FFH的SFR)21个片内特殊功能寄存器4个8位并行I/O口2个16位定时/计数器一个全双工串口5个中断源，2个优先级4KB片内ROM一个片内时钟振荡电路片外可扩展64KBROM和64KBRAM2、低功耗型

如80C31、80C51、87C51等，此类单片机均采用了CMOS工艺，故功耗很低。另外87C51还具有两级程序存储器加密系统，