第一部分——基础知识

重点：单片机的硬件组成、基本结构、 应用范围及其作用
难点：指令的执行过程
1.1 单片机简介
单片机的由来
单片微型计算机的诞生是计算机发展史上 一个新的里程碑。单片机的出现将计算机系统 一分为二，形成了嵌入式计算机系统和通用计 算机系统两大分支。 单片机作为微型机的一个主要分支，在结构 上的最大特点就是把CPU、存储器、定时器和多 种输入输出接口电路集成在一块超大规模集成电 路芯片上。就其组成和规模而言，一块单片机就 是一台计算机。
8位单片机的主要生产厂家和机型
目前世界上较为著名的8位单片机的生产厂家和主 要机型：
Intel（美国英特尔）公司:MCS-51系列及其增强型系 列 Zilog（美国齐洛格）公司：Z8及系列和SUPER8系 列 Fairchild（美国仙童）公司：F8系列和3870系列 Motorola（美国摩托罗拉）公司：6801系列和6805 系列 Rockwell（美国洛克威尔）公司：6500/1系列
（1）存储器ROM和RAM严格分工。 ROM用于做程序存储器，RAM用于做数据 存储器。 （2）输入/输出端口引脚通常设计有多种 功能。 （3）硬件功能的通用性。同一种单片机可 以用在不同的控制系统中，只是其中配 置的软件不同。
单片机应用领域 1.3.1 智能仪器仪表
交直流电压电流表
单片机具有体积小、功耗低、控制 功能强、扩展灵活、微型化和使用方便 等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合 不同类型的传感器，可实现诸如电压、 功率、频率、湿度、温度、流量、速度、 厚度、角度、长度、硬度、元素、压力 等物理量的测量。采用单片机控制使得 仪器仪表数字化、智能化、微型化，且 功能比起采用电子或数字电路更加强大。 例如精密的测量设备（功率计，示波器， 各种分析仪）。
第三阶段——微控制器形成阶段(1983年
一1990年)。这一阶段单片机的主要技术 发展方向是满足测控对象要求的外围电 路的增强，如A／D转换、D／A转换、 高速I／O口、WDT(程序监视定时器)、 DMA（高速数据传输）等，强化了智能 控制的特征。 第四阶段－－微控制器全面发展阶段 (1990年以后)。即当前的单片机时代，其 显著特点是百花齐放、技术创新。单片 机正在满足各个方面的需求．从玩具、 小家电、工程控制单元到机器人、智能 仪表，过程控制，个人信息终端等无所 不能。

根据CPU一次数据运算和数据传送的位数，单 片机可分为4位机，8位机，16位机，32位机。
存储器
一.程序存储器
•ROM •EPROM •EEPROM •Flash Memory
二.数据存储器
单片机内部的数据存储器一般为静态随机存 取的存储器RAM，容量为几十字节~几千字节。
输入/输出部件
一、最基本的I/O部件 并行口和定时器 二、特殊的I/O部件 1.串行接口：同步或异步串行口，扩展串口，I2C BUS 串行口，SPI总线串行口。 2.模数，数模转换器：A/D，D/A。8位、10位或12位 3.多功能定时器：16位多功能定时器，具有定时、测量 外部输入信号功能，有的还有比较输出、PWM等多种功 能。 4.显示驱动器：可驱动： LED ， LCD 5.其它：看门狗定时器，DMA通道等
1.3.2 工业控制
用单片机可以构成形式多样的 控制系统、数据采集系统。例如工 厂流水线的智能化管理，电梯智能 化控制、各种报警系统，与计算机 联网构成二级控制系统等。
数控线切割机床
数控车床
1.3.3 家用电器
◇ 智能冰箱、空调 ◇ 智能电饭煲 ◇ 智能食品配料机 ◇……………………
现在的家用电器基 本上都采用了单片机控制， 从电饭褒、洗衣机、电冰 箱、空调机、彩电、其他 音响视频设备、再到 电 子秤量设备，五花八门, 无所不在。
什么是单片机
一台能够工作的计算机要有这样几个部分： CPU ：进行运算、控制 RAM ：数据存储
ROM ：程序存储
输入/输出设备（例如：串行口、并行输出口等）
在个人计算机上,这些部分被分成若干块 芯片，安装在一个称之为主板的印刷线路 板上。 在单片机中，这些部分全部被做到一块 集成电路芯片中了，所以就称为单片（单 芯片）机。
低耗化
MOSCMOSCHMOS
MCS-51 系列中的80C31/80C51/87C51 采用的就是CHMOS工艺，正常运行时， 工作电流为16mA。
CHMOS(互补金属氧化物HMOS)是CMOS和 HMOS(高密度沟道MOS工艺)的结合，除了保持 HMOS高速度和高密度之外，还有CMOS低功耗的 特点。 两类器件的功能是完全兼容的，区别在 CHMOS器件具有低功耗的特点。它所消耗的电流 比HMOS器件少很多，主要在于其采用了两种降低 功耗的方式：空闲方式和掉电方式。
单片机的定义： 在一块硅片上集成了中央处理器 （CPU），存储器（RAM,ROM,EPROM）和 各种输入、输出接口（定时器，计数器， 并行I/O口，串行口，A/D转换器以及脉 冲调制器PWM等），这样一块芯片具有一 台计算机的属性，因而被称为单片微型 计算机。
单片机英文名称的变更： SCM (Single Chip Microcomputer)
第一章 单片机概述 基 础 知 识 部 分
1.1 单片机简介 1.2 单片机发展历史和趋势
1.3 单片机编程语言
1.4 嵌入式系统
1.5 单片机应用系统设计
教学目的要求：
基 础 知 识 部 分
1、熟练掌握单片机的硬件组成、基本结 构； 2、掌握单片机研究的内容、应用范围及 其作用； 3、了解微型计算机与单片机的区别、指 令的执行过程和单片机的发展方向。
3)
片内I/O口的改进
1) 2) 3)
增加并行口的驱动能力。 增加I/O口的逻辑控制能力。 设置一些特殊的串行接口功能，为构成 分布式、网络化系统提供了方便。
外围电路内装化
随着集成度的提高，尽可能将众多 的外围功能器件都集成在片内。除了一 般必须具有的ROM、RAM、定时/计数 器、中断系统外，片内集成的部件还有 模/数转换器、数/模转换器、DMA控制 器、中断控制器、锁相器、频率合成器、 字符发生器、声音发生器、CRT控制器、 译码驱动器等。
存储器的扩展
1)
加大存储器容量 新型单片机 片内RAM：128K256K 片内ROM：可达4KB至8KB,有的高达128KB。
2)
片内EPROM采用EEPROM或闪存
EPROM特点：高压编程写入，紫外线擦抹。 EEPROM(闪存)特点：＋5V下读写，读写操 作方便，掉电时不丢失数据。
程序保密化 对片内的EPROM或EEPROM加锁

1.3 单片机编程语言
单片机常用的编程语言包括机器语言、汇 编语言和高级语言。 汇编语言与硬件关系密切，占用系统资 移植源小，执行速度快，但可读性差。 高级语言可读性好，可移植性强，执行 效率高，应用广泛。 C语言
1.3.3 医用设备
医用呼吸机 各种分析仪 监护仪 超声诊断设备 病床呼叫系统等等
麻醉信 息管理 系统 电池分 析仪
医用呼Leabharlann Baidu吸机
1.2 单片机发展历史和趋势
单片机的发展历史可分为四个阶段(划分不 唯一)： 第一阶段——单片机阶段(1976午～ 1978年)。这阶段的任务是探索计算机 的单芯片集成。以Intel公司的MCS— 48为代表，其CPU、存储器、定时器／ 计数器、中断系统、I/O端口、时钟以 及指令系统都是按嵌入式系统要求专门 设计的。参与这—阶段探索的公司还有 Motorola、Zilog等。
第二阶段——单片机的完善阶段(1978年一
1982年)。计算机的单芯片集成探索取得成功 后，随后的任务就是要完善单片机的体系结构。 作为这一阶段的典型代表是Inlel公司将MCS— 48向MCS—5l系列的过渡。它在以下几个重要 方面奠定了单片机的体系结构。 (1)完善的外部总线。有8位数据总线、16位地 址总线、控制总线及具有多机通信功能的串行 通信接口。 (2)CPU外围功能单元的集中管理模式。 (3)设置面向工控的位地址空间及位操作方式。 (4)指令系统突出控制功能。
◇ ◇ ◇ ◇ ◇ ◇ ◇
手机、电话机 程控交换机 楼宇自动通信呼叫系统 列车无线通信 日常工作中随处可见的移动电话 集群移动通信 无线电对讲机等。
可以这样说,现代工业、农 业、商业、金融业等无处不出现 单片机的身影,这些领域正是利 用单片机构成的智能化通讯设备 进行高速率的通信。现代学习、 生活工作环境更是离不开单片机。
TI（美国德克萨司仪器仪表）公司：TMS7000系列 NS（美国国家半导体）公司：NS8070系列 RCA（美国无线电）公司：CDP1800系列 NEC（日本电气）公司：uCOM87(uPD7800) 系列 HITACHI （ 日 本 日 立 ） 公 司 ： HD6301HD63L05,
HD6305
单片机的内部结构
外部中断请求线
中断控制
VCC GND
内部中断源
外部输入线
程序存贮器 中央 处理器 并行I/O接口
数据存贮器
定时器
特殊I/O接口
时钟电路
并行I/O 特殊I/O
外部时钟
中央处理器

中央处理器（CPU）是单片机的核心部件，它
由运算器、控制器、中断部件、时钟和定时控 制逻辑等组成，CPU控制数据的处理和整个系 统的各种操作。
CHMOS器件在掉电方式(CPU停止工作，片内 RAM的数据继续保持)下时，消耗的电流可低于 10μA。
采用CHMOS的器件在编号中用一个C来加以区 别, 如 : 80C51，80C31，89C51等。
单片机的分类：
按其基本操作处理位数可分为：4位单片机，8

位单片机，16位单片机, 32位单片机。 按适用范围可分为：通用型/专用型 按是否提供并行总线来分：总线型/ 非总线型
MCU(EMCU)(Microcontroller Unit)

单片机的特点 功能强、体积小、功耗低、价格便宜、低 电压、低功耗、易于产品化；有较强的抗干扰 性和较高的可靠性，温度适应范围较宽，能够 在各种恶劣环境条件下正常工作；可以方便的 实现多机、分布式的集散控制。
与通用微机相比，单片机的主要特点：
单片机发展趋势
趋势：大容量、高性能化、外围电路 内装化等。
1. 2. 3.
4.
5.
CPU的改进 存储器的扩展 片内I/O口的改进 外围电路内装化 低耗化
CPU的改进
（1）采用双CPU结构，以提高处理能力。 （2）增加数据总线宽度（16位数据总线），以 提高数据处理能力。 （3）串行总线结构。IIC总线（Inter-IC bus）。 该总线用两根信号线代替现行的8位数据总线, 从而大大地减少了单片机外部引线，简化了单 片机与外部的接口电路，降低了成本。
PHILIPS（荷兰菲力浦）公司：8×C552系列
介绍MCS –51系列单片机
MCS-51系列、80C51系列、8051、AT89C51的区别？
MCS是Intel公司专用的单片机的系列符号，例如 20世纪80年代中期，Intel公司以专利转让的形式把 AT89C51是美国 8051是MCS-51系列基本产品当中的一个。 MCS-48、MCS-51、MCS-96系列单片机。MCS-51系 8051内核技术转让给了许多半导体芯片生产厂家， ATMEL公司的产品。它 列单片机既包括三个基本型8031、8051、8751也包 如ATMEL、PHILIPS、DALLAS公司等。这些厂家 在我国使用较多。该芯片 生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品（指令系统兼 具有低功耗、高性能的特 括对应的低功耗型80C31、80C51、87C51, 因此 容）。这些兼容机与8051的系统结构相同，采用 点，其内部含有4KB的闪 MCS-51系列特指Intel公司的这几种型号的单片机。 CMOS工艺，因此常用80C51系列来称呼所有具有 烁存储器在线编程，价格 8051指令系统的单片机。 较低，在国内很受欢迎。
通用单片机： 是一个基本芯片，内部资源比较丰富， 性能全面且通用性强，覆盖多种应用需 求。 专用单片机： 针对某一种产品，或某一种控制应用而 专门设计的。设计时已经使系统结构最 简；软硬件资源利用最优；可靠性以及 经济成本最佳。
本课程介绍的MCS-51系列单片机是一种通用单片机， 其结构和原理对所有单片机都是适用的。