Freescale MC9S08单片机原理与应用(第01章)

第1章 绪 论

1.1 微型计算机概述

1.1.1 微型计算机的组成

一个典型的微型计算机包括：运算器、控制器、存储器和输入/输出接口四部分。如果把运算器与控制器集成在一个硅片上，则该芯片为中央处理器CPU （Central Processing Unit ）。存储器包括程序存储器和数据存储器两类。输入/输出接口包括模拟量输入/输出和开关量输入/输出。软件部分包括系统软件（如操作系统）和应用软件（如字处理软件）。典型微型计算机的组成如图1-1所示。

⎪⎪⎪⎪⎩

⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧)DO /DI (/AO /AI (//CPU 输出开关量输入）输出模拟量输入输出接口输入数据存储器

程序存储器存储器控制器运算器）中央处理器（微型计算机 图1-1 典型微型计算机的组成

1.1.2 微型计算机的分类

微型计算机种类繁多，型号各异。因此，可以从不同角度对其进行分类。最常见的是按微处理器的字长和按微型机的构成形式进行分类。微处理器是微型计算机的核心部件，微处理器的性能（特别是字长）在很大程度上决定了微型机的性能。

1．按微处理器（CPU ）字长分类

按微处理器字长来分，微型计算机一般分为4位、8位、16位、32位和64位机几种。

（1）4位微型计算机

用4位字长的微处理器作CPU ，其数据总线宽度为4位，一个字节数据要分两次来传送或处理。4位机的指令系统简单、运算功能单一，主要用于袖珍或台式计算器、家电、娱乐产品和简单的过程控制，是微型机的低级阶段。

（2）8位微型计算机

用8位字长的微处理器作CPU ，其数据总线宽度为8位。8位机中字长和字节是同一个

概念。8位微处理器推出时，微型机在硬件和软件技术方面都已比较成熟，所以8位机的指令系统比较完善，寻址能力强，外围配套电路齐全，因而使8位机通用性强，应用宽广，广泛应用于事务管理、工业生产过程的自动检测和控制、通信、智能终端、教育以及家用电器控制等领域。

（3）16位微型计算机

用高性能的16位微处理器作CPU，数据总线宽度为16位。16位微处理器不仅在集成度和处理速度、数据总线宽度、内部结构等方面与8位机有本质上的不同，由它们构成的微型机在功能和性能上已基本达到了当时的中档小型机的水平，特别是以Intel 8086为CPU的16位微型机IBM PC／XT不仅是当时相当一段时间内的主流机型，而且其用户拥有量也是世界第一，以至在设计更高档次的微机时，都要保持对它的兼容。16位机除原有的应用领域外，还在计算机网络中扮演了重要角色。

（4）32位微型计算机

32位微机使用32位的微处理器作CPU。从应用角度看，字长32位是较理想的，它可满足了绝大部分用途的需要，包括文字、图形、表格处理及精密科学计算等多方面的需要。典型产品有Intel 80386、Intel 80486、MC68020、MC68030、Z-80000等。特别是1993年Intel 公司推出Pentium微处理器之后，使32位微处理器技术进入一个崭新阶段。不仅继承了其前辈的所有优点，而且在许多方面有新的突破，同时也满足了人们对图形图像、实时视频处理、语言识别、大流量客户机／服务器应用等应用领域日益迫切的需求。

（5）64位微型计算机

64位微机使用64位的微处理器作CPU，这是目前的各个计算机领军公司争相开发的最新产品。其实高档微处理器早就有了64位字长的产品，只是价格过高，不适合微型计算机使用，通常用在工作站或服务器上。

2. 按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。按照微型机多个部件的组装形式分类，可分为多板微型计算机、单板机和单片机三类。

（1）多板微型计算机

多板微型计算机也称单机系统或系统机，把微处理器芯片、存储器芯片、各种I／O接口芯片和驱动电路、电源等装配在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板的微型计算机。目前广泛使用的个人微型计算机（常称为PC）就是用这种方式构成的。

（2）单板机

如果将CPU芯片、存储器芯片、I／O接口芯片及简单的输入、输出设备（如键盘、数码显示器LED）装配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计算机，称为单板微型计算机，简称单板机。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。国内曾经最流行的单板机是TP801（CPU为Zilog公司生产的Z-80），在教学及应用领域发挥过巨大作用。TP801单板机的原理框图如图1-2所示。

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图1-2 TP801单板机的原理框图

由于单板机的输入/输出设备简单、存储容量有限，工作时只能用机器码（二进制）编程输入，故通常只能应用于一些简单控制系统和教学中。

（3）单片机

如果将构成微型计算机的各功能部件（CPU、RAM、ROM及I／O接口电路等）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，则该微型机就称为单片微型计算机，早期的英文名称是Single-chip Microcomputer，简称单片机。后来将单片机称之为微控制器（Microcontroller），这也是目前比较正规的名称。我国学者或技术人员一般使用“单片机”一词，所以本书后面还是统一使用“单片机”这个术语。

单片机的基本定义：在一块芯片上集成了中央处理单元（CPU）、存储器（RAM/ROM 等）、定时/计数器以及多种输入/输出（I/O）接口的比较完整的数字处理系统。一个典型的单片机组成框图如图1-3所示。

图1-3 一个典型的单片机组成框图

单片机具有集成度高、体积小、功耗低、可靠性高、使用灵活方便、控制功能强、编程保密化、价格低廉等特点。利用单片机可以较方便地构成控制系统。单片机在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信和分布式控制系统、家用电器等领域的应用日益广泛。

1.2 单片机技术发展的特点

单片机技术的发展已经逐步走向成熟。一方面，不断出现性能更高、功能更多的16位单片机和32位单片机；另一方面，在目前的实际应用中，还是以8位单片机居多，8位单片机也在不断地采用新技术，以取得更高的性能价格比。单片机技术的发展特点有以下几个方面：

（1）集成度更高、功能更强

目前已经有许多单片机，不仅集成了构成微型计算机的中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出接口、定时器等传统功能单元，而且还集成了A/D转换模块、D/A转换模块和多种通信方式（如UART、CAN、SPI、I2C等）。单片机技术朝着片上系统（System On Chip，SOC）的方向发展。

许多单片机都集成了在系统可编程（In System Programming，ISP）功能，用户可以对已经焊接到用户电路板上的单片机进行编程，不再需要专门的编程器。

另外，有些单片机集成了在系统调试（In System Debugging，ISD）功能，用户可以省去价格较贵的仿真器，只要有计算机，结合相应的仿真软件就可以进行仿真调试。如美国德州仪器公司（Texas Instruments，简称Ti）的MSC121X系列单片机就具有ISD功能。有些单片机使用JTAG接口进行调试，如Silicon Laboratories公司的C8051系列单片机、Ti公司的MSP430系列单片机，等等。Freescale公司的单片机采用BDM方式仿真调试。

以上特点，使得用户可以很方便容易地设计和调试测控系统。

（2）使用更加方便

许多单片机内部集成程序存储器（EPROM或FLASH）和数据存储器（RAM），在实际应用中一般不再需要外部扩展程序存储器和数据存储器，从而不再需要外部扩展总线。构成系统的电路结构简单，体积减小，稳定性提高。

（3）低电压、低功耗