《单片机微型计算机原理与接口技术》第一章 绪论.ppt

1、单片机原理与接口技术40学时(理论课34学时，实验课6学时)2学分讲师：董经纬2010年3月，第1章：绪论，1.1单片机的发展1.1.1单片机的概念，是SCMC(单片机)的翻译缩写，在中国常被称为“单片机”或“单片机”。它包括中央处理器、随机存取存储器、只读存储器、中断系统、定时器/计数器、串口和输入输出等。除了工业控制领域，单片机还在家用电器、电子玩具、通信、高级音频、图形处理、语言设备、机器人、计算机等各个领域得到了迅速发展。目前，世界上单片机年产量已达100亿片，而中国大陆单片机的年应用量已达6亿片左右。截至2001年4月，中国大陆设计生产的单片机数量已达2000万台。这显示了单片机的广

2、泛应用和发展前景！1970年微型计算机研制成功后，随着大规模集成电路的发展，出现了单片机，并根据不同的发展要求形成了两个独立的分支。美国英特尔公司1971年生产的4位单片机4004和1972年生产的8位单片机8008样机，特别是自1976年MCS-48单片机问世以来，在短短20多年的时间里，经历了4次升级，其发展速度每两三年就将是新一代，集成度翻一番，功能翻一番。发展迅速，应用范围广泛，已达到惊人的水平。它已经渗透到生产生活的各个领域，可以说是“无孔不入”。1976年，英特尔公司首次推出MCS48系列单片机。它包含了计算机的三个基本单元，已成为真正的单片机，赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定

3、了基础，成为单片机发展过程中的一个重要阶段。在MCS48单片机成功的刺激下，许多半导体公司和计算机公司都争相开发自己的单片机系列，包括摩托罗拉的6801和6802、Zilog的Z8系列、罗克韦尔的6501和6502等。此外，日本NEC公司、日立公司和爱普生公司相继推出了自己独特的单片机品种。对于工业控制和智能仪器等许多高级应用，8位单片机系列在性能和价格之间有很好的平衡。虽然目前单片机的种类很多，但最典型的是英特尔公司的MCS51系列单片机。此外，它还具有品种齐全、兼容性强、软硬件数据丰富等特点。到目前为止，单片机51仍然是单片机的主流机型。由于8位单片机的高性能价格比，预计近十年8位单片机仍

4、将是单片机的主流机型。继8位单片机之后，16位单片机也取得了长足的进步。例如，1983年，英特尔公司推出了MCS96系列单片机。与MCS51相比，MCS96不仅字长加倍，而且具有4或8路10位模数转换功能。此外，它在其他性能方面也有一些改进。飞利浦推出了一款源代码级的与80C51兼容的16位单片机，即80C51XA(每一条80C51指令在11个地方都可以翻译成XA指令，XCHD指令除外)，这样用户不用花费大量的软件和人员就可以大大提高产品性能。80C51XA的高性能包括：执行速度快，支持高级语言(如c语言)，支持实时多任务执行，易于形成衍生产品，可变地址宽度(用户可以轻松选择外部地址线宽度为1

5、2位、16位、20位、24位等)。在工业控制产品、高档智能仪器、彩色复印机、录像机等应用领域。目前，单片机正朝着多功能、多选择、高速、低功耗、低价格、扩展存储容量和智能化的方向发展未来的发展趋势不外乎以下几个方面：多功能将应用系统中尽可能多的存储器和I/O端口集成在一个芯片上，即外设是内置的，如在8位单片机中集成LED、LCD或VFD显示驱动器，如A/D、D/A，甚至在单片机芯片中集成多路模拟开关和采样/保持器件，从而实现高性能为了提高速度和执行效率，RISC架构， 单片机采用并行流水线和数字信号处理器设计技术，大大提高了单片机的指令运行速度，其电磁兼容性能明显优于同类微处理器。 全互补金属氧

6、化物半导体单片微机的发展趋势是由两种半导体工艺产生的：HMOS工艺，即高密度短沟道金属氧化物半导体工艺，它具有高速度和高密度；CHMOS工艺，即互补金属氧化物HMOS工艺，不仅具有HMOS工艺的优点，还具有CMOS工艺低功耗的特点。例如，8051的功耗为630mw，而80C51的功耗仅为120mw。自第三代单片机问世以来，非CMOS技术已被淘汰。目前，数字逻辑电路和外围设备一般都是CMOS。实现串行扩展总线可以显著减少引脚数量，简化系统结构。随着外围设备串行接口的发展和单片机串行接口的普及和高速化，并行扩展接口技术日益衰落。许多公司引进了没有并行总线的非总线单片微型计算机。外部扩展设备(内存、

7、输入/输出等)时。)时，采用串行扩展总线甚至软件虚拟串行总线。随着集成度的进一步提高，一些单片机的寻址能力已经超过了64 KB的极限，8位和16位单片机的寻址能力达到了IMB和16 MB。片上只读存储器的容量为62 KB，随机存取存储器的容量为2 KB。1.2 80C51系列单片机，8051单片机是英特尔公司于1980年推出的MCS-51系列单片机的第一个成员。MCS是英特尔公司的注册商标。所有其他由英特尔公司生产的以8051为核心单元的派生单片机都可以称为MCS-51系列，有时简称为51系列。其他公司生产的以8051为核心单元的派生单片机不能称为MCS-51系列，只能称为8051系列。805

8、1系列一般指所有公司(包括英特尔公司)生产的以8051为核心单元的所有单片机。80C51系列单片机包括英特尔公司的MCS-51单片机，以及世界上许多公司生产的以8051为核心单元的单片机，如飞利浦的83C552和51LPC系列、西门子的SAB80512、AMD的8053、日本OKI的MSM80C154等。ATMEL公司的89C51闪存单片机，DALLAS公司的DS5000/DS5001，华邦公司的W78C51和W77C51等。从MCS48单片机到新一代单片机，经历了三代。例如，以英特尔8位单片机为例，这三代大致可分为以下几种。第一代以MCS48系列单片机为代表。属于低性能单片机阶段。第二代以M

9、CS5l系列8051和8052单片机为代表。可以看出，这一代单片机的主要技术特点是配备了完善的具有多机识别功能的外部并行总线(AB、DB、CB)和串行通信接口(UART)，规范了功能单元的特殊功能寄存器(SFR)的控制方式，以及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统，为开发兼容性好的新一代单片机打下了良好的基础。第三代以80C51系列单片机为代表。它包括英特尔公司开发的新一代MCS51系列产品，如8XC152、80C51FA/FB、80C5lGA/GB XC451、8XC452，还包括大量由Phlips、西门子、ADM、Fujutsu、OKI、ATMEL等公司推出的以80C51为核心的独特的单

10、片机。在此基础上开发了80C51系列单片机从表中可以看出，80C51系列单片机保留了MCS51单片机的所有特性，其内部组成基本相同。80C51系列单片机增加了两种可由软件选择的低功耗工作模式：空闲模式和掉电模式。87C51单片机是80C51含EPROM的产品，89C51单片机是80C51含EEPROM的产品。除了上述结构特点，新一代80C51系列单片机还扩展到外部电路。有些公司型号配备了串行延长线，如芯片间总线(飞利浦公司的I2C总线)和设备间网络系统总线(CAN总线)，为外界提供了一个完美的总线结构。采用总线模式的应用系统大多是复杂的工业控制系统、智能仪表和监控系统，或满足这些应用的多机网络

11、系统。当不使用外部并行总线时，外部并行总线引脚可以用作输入/输出端口。屏蔽用户程序时，还需要将这些输入/输出端口转换为具有各种驱动能力的输入/输出端口。根据应用的需要，一些产品对总线结构进行了很大的改进，并引入了一种非总线单片机，它没有并行的三条总线(AB、DB、CB)对外，必要时可以通过串行总线进行扩展。1.3单片机的应用根据所用单片机的不同类型，单片机的应用系统结构可分为总线模式和非总线模式。在总线模式的应用系统中，单片机有完善的外部扩展总线，如并行总线(AB、DB、CB)和串行通信总线(如UART)，通过这些总线可以方便地扩展外围设备和外围接口。采用总线模式的应用系统大多是复杂的工业控制

12、系统、智能仪表和监控系统，或满足这些应用的多机网络系统。当不使用外部并行总线时，外部并行总线引脚可以用作输入/输出端口。屏蔽用户程序时，还需要将这些输入/输出端口转换为具有各种驱动能力的输入/输出端口。非总线应用系统(如80C51系列的83C751、87C751、83C752和WC752以及摩托罗拉MC68HC05系列的许多产品)省略了外部并行总线，可以形成各种小型封装芯片。有限的引脚可以提供更多的用户输入/输出端口，从而最大限度地减少应用系统中的芯片数量。采用非总线模式的应用系统大多是小型控制器、测控单元、单元仪表等。下面简要介绍一些典型的应用领域和特点。在家用电器领域，我国各类家用电器普遍

13、采用单片机控制来代替传统的控制电路，并制成单片机控制系统，如洗衣机、冰箱、空调、微波炉、电饭锅、电视机、录像机等影音设备的控制器。例如，在办公室自动化领域，一台个人计算机可以嵌入10个单片微型计算机，如控制键盘、鼠标、监视器、光盘、声卡、打印机、软/硬盘驱动器、调制解调器等。现代办公室中使用的大多数通信和信息产品，如绘图仪、复印机、电话和传真机，都使用单片机。工业自动化领域的在线应用，如工业过程控制、过程监控、工业控制器和机电一体化控制系统等。大多是以单片机为核心的单机或多机网络系统。例如，工业机器人的控制系统是由中央控制器、传感系统、行走系统和抓取系统组成的多机网络系统。每个小系统都由单片机

14、控制。4.在智能仪器和集成智能传感器领域，单片机被用来“更新”传统仪器仪表行业的产品，这提供了非常理想的条件。目前，各种变送器和电气测量仪表普遍采用单片机应用系统来代替传统的测量系统，这使得测量系统具有多种智能功能，如存储、数据处理、搜索、判断、联网和语音功能。汽车电子和航空航天电子系统通常在这些电子系统中，如集中显示系统、电源监控系统、自动控制系统、通信系统和操作监视器(黑匣子)等。都必须构成冗余网络系统。例如，RMW-7系列宝马汽车使用63个单片机，其中大部分是16位单片机。单片机的应用从根本上改变了控制系统的传统设计思想和设计方法。过去由模拟电路或数字电路实现的大多数控制功能现在都可以通过使用单片机的软件来实现。这种以软件代替硬件、提高系统性能的控制技术被称为微控制技术。这标志着一个全新概念的确立。1.4本课程的教学安排，MCS5l系列和80C51系列单片机，硬件结构简单明了，特殊功能寄存器功能规范，软件指令系统易于掌握，是一种便于教与学、理解与掌握的单片机。本书以80C51系列为典型例子，介绍了单片机的硬件结构和软件知识。硬件知识是指80C51的硬件资源，如输入输出端口、定时器/计数器、中断系统等。软件知识是指8