嵌入式微控制器概述
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在一块芯片上集成了中央处理单元(CPU)、存储器 (RAM/ROM等)、定时器/计数器及多种输入输出(I/O)接口的 比较完整的数字处理系统。
3
目前典型的MCU内部框图
工作支撑模块
CPU
RAM
Flash存储器
MCU内部总线（控制总线、数据总线、地址总线）
定时器接口
串行通信接口
A/D转换接口
……
其他I/O模块
26
④嵌入式片上系统(System
On Chip，SOC) 在一个硅片上实现多个更为复杂的系统。随着EDA的推 广和VLSI设计的普及，以及半导体工艺的迅速发展，在一个 硅片上实现多个更为复杂的系统的时代已来临，这就是片上 系统SoC(System on Chip)。它结合了许多功能模块，将整 个系统做在一个芯片上。 SOC（片上系统）是IC设计的发展趋势。
二 十 世 纪 九 十 年 代 是 MCU 制 造 业 大 发 展 时 期 ， 这 个 时 期 的 Motorola、Intel、ATMEL、德州仪器、三菱、日立、飞利浦、韩国 LG等一批企业开发一批性能优越的MCU，极大地推动了MCU的应 用。
目前MCU正向①大容量、高性能化；②小容量、低价格化；③ 外围电路内装化等几个方向快速发展，应用领域也不断地扩大。
从1999年开始，Motorola公司及后来独立出来的Freescale公司在 我国推广其新一代单片机HC08系列及增强型HCS08系列，已经对我 国的单片机应用产生积极的影响。本书即以HC08系列单片机及 HCS08系列单片机为蓝本学习嵌入式技术基础。
10
1.1.3 MCU的体系结构
至少由CPU，存储器与I/O端口组成， 它们可以以不同的方式组合，形成不同的体 系结构。 A存储器分离编址 哈佛结构 生成双倍空间 B存储器统一编址 冯诺依蔓结构
24
其中，飞思卡尔公司（Freescale）以其丰富多彩的单片机
系列（8位、16位和32位）在移动通信、PDA、汽车、网络 通信、工业控制等方面均获得成功。 飞思卡尔微控制器的有着51单片机不可比拟的特点：技术 成熟，可靠性高，抗干扰和电磁兼容性强，内部资源丰富， 品种齐全，选择余地大，新产品多。更重要的是飞思卡尔 单片机的调试方式有了根本性的变革，与过去的调试方式 不同，不再需要仿真器，调试是通过BDM头直接对MCU中的 程序进行调试。BDM头除实现Flash写入、擦除功能外，还 可以在应用程序运行时，动态地获取CPU、存储器等瞬态信 息。BDM调试工具与单片机的通信通过双向的BKGD引脚实现。 调试模式有两种：单步调试和断点调试。
12
13
I/O端口的编址
分离编址方按:INTEL的MCU将I/O端口作为内
部寄存器处理,独立与程序存储器和外部数据 存储器空间,类似哈佛结构的分离编址
MOTOROLA
的MCU则将I/O地址与存储器地 址统一在一个空间.仅分配不同单元
14
寄存器编址
INTEL的MCU使用内部的RAM作为寄存器用
21
②嵌入式微控制器(Micro
Controller Unit，MCU)
MCU就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。MCU的典型
代表是单片机。 嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心， 芯片内部集成Flash、RAM、EEPROM、总线、总线逻辑、定时 /计数器、WatchDog、I/O、串行口等各种必要功能模块。 MCU目前的品种和数量最多。
地址 大端方式 0x0000 0x12 0x0001 0x34
小端方式 0x34 0x12
17
1.2 嵌入式系统的基本概念
1.2.1
嵌入式系统的定义及内涵
广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入
式系统。 从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立 系统，具有自己的操作系统，具有特定功能，用于特定场合的 嵌入式系统。 目前国内一个普遍被认同的定义是： 以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用 计算机系统。 简而言之，它是完成特定任务的专用计算机系统。
20
①嵌入式微处理器(Embedded
Micro Processor Unit，
EMPU) MPU是由通用计算机中的CPU演变而来的，它与CPU的关系 是专用和通用的关系。MPU只保留与嵌入式应用紧密相关 的功能硬件，去除其他冗余功能部分，配上了必要的扩展 外围电路，如存储器的扩展电路、I/O的扩展电路和一些专 用的接口电路等，以最低功耗和资源满足嵌入式应用的特 殊要求。 MPU目前流行体系有ARM、MIPS、Power PC、68000、 Am186/88等系列。 处理能力和速度通常按字长划分为8位(仍然存在!)、16位 (主流)和32位(开始流行)。
9
1.1.3 MCU在我国的应用与教学简况
二十世纪八十年代前后，单片机在我国开始应用，各理工科院 校 陆 续 开 设 了 有 关 课 程 。 在 教 学 及 应 用 上 ， Zilog 公 司 生 产 的 Z80CPU成为我国工业控制的主流，以Z80为CPU组成的TP801单板 机在教学上及应用领域发挥过巨大作用。 二十世纪八十年代末至九十年代初，我国的工业控制领域开始 转向使用Intel公司生产的MCS-51。
比较有代表性的有51系列和非51系列，51系列包括：1980
年Intel公司推出MCS-51、Philips公司从Intel公司获得授 权开始生产80C51单片机、Atmel公司推出的Flash型51单片 机以及后来，欧美、日本、台湾、韩国等很多厂商从Intel 公司获得51专利，结合自己的技术优势，生产兼容型或增强 型51核单片机，51逐渐成为业界的一个事实标准（非垄断 性）。
1：MCU
11
存储器的访问
哈佛结构的存储器地址出现重叠,通过不同的控制线 并配合不同的指令就可以区分开来. 冯诺依曼结构可以使用同一指令访问两种存储器,仅 由指令中的地址参数寻址不同的单元即可.
哈拂结构地址重叠,用不同指令访问.用MOVC访问 程序存储器,用MOVX 访问数据存储器.
冯-诺依曼结构可以用统一指令访问两种存储器,地 址参数不同.
航空航天、武器装备
医疗设备和仪器 智能玩具
6
微控制器应用领域
军事国防 消费领域
信息家电 智能玩具
测控领域
工控设备 智能仪表 汽车电子
军事电子
嵌入式应用
通信设备 移动存贮
网络设备
电子商务
7
网络
具体产品
8
1.1.2 MCU的发展简史
1971年11月Intel公司首次宣布4004的4位微处理器，1974年12月 Fairchild(仙童)公司即推出了8位MCU F8，开创了MCU的初级阶段。 1978年，Zilog公司推出Z8 MCU。1980年，Intel公司在MCS-48的 基础上，推出了MCS-51，它使MCU的应用跃上了一个新台阶。 Motorola公司于1974年开始推出MC6800微处理器，在1979年开始 生产MCU MC6801，在1983年前后发展成为较高性能的M68HC05系 列。
第一章
微控制器概述
1
1.1 嵌入式系统的含义与发展历史
1.1.wenku.baidu.com 嵌入式系统与单片机
（1）嵌入式系统的由来
计算机产生：因科学家需要一个高速的计算工具而产生。
计算机应用领域的发展：数字计算→逻辑运算与推理→信息处理 →通信→工业控制 →家用电器……
嵌入式系统（Embedded System）含义：面向测控对象，嵌入
一个典型的MCU内部框图
4
（3）微控制器应用范围 微控制器应用范围遍及航空航天、医疗、通讯、楼宇自动、网络 通讯等各个领域，典型应用领域如下：
测控领域
包括自动控制/装备控制/仪器控制/仪表控制等，该领域的 应用是嵌入式系统最主要、最基本的应用形式，这种应用主要集 中在生产领域，在该领域的应用已经持续了将近30年，并一直保 持持续发展。
消费领域
家用电器、家用视频音频、娱乐产品、数码相机、DVD、DV、 MP3播放机、掌上电脑、游戏机、PDA、数字电视等。
5
网络通信、移动通讯领域
交换机、嵌入式网关、路由器、防火墙、手机、网络电 话、机顶盒等。
办公自动化设备和微机周边设备
传真机、复印机、打印机、鼠标、键盘、扫描仪、移动 磁盘等。
25
③嵌入式DSP处理器(Embedded
Digital Signal
Processor，EDSP) DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器。 DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于 执行DSP算法。DSP核心代码使用汇编，有较高的执行效率， 指令执行速度也较快。在数字滤波、语音处理和编码解码、 谱分析等方面有着广泛的应用。 比较有代表性的产品是TI公司的TMS320系列和Motorola公 司的DSP56000系列等。
MOV指令访问,类似哈佛结构的存储器分离编 址
MOTOROLA
的MCU 的寄存器占用存储器资
源
15
统一编址体系结构
CPU 程序存储器 数据存储 I/O端口 寄存器
16
内存大、小端排序问题
对于需要多于8位的数据，为其分配一组连续的存储 空间，字节排序有两种方式：小端(little endian)和 大端(big endian)。 所谓大端是指高字节存储在低的地址中，而低字节 则存在高地址中；小端则恰好相反。 例如：将0x1234写入到以0x0000开始的内存中，则 结果为：
Silabs的C8051F系列；
23
在51得到广泛应用的同时，其他一些非51单片机由于具有某些特
色各自具有一定的市场份额： Microchip的PIC系列单片机； 摩托罗拉08系列单片机； Zilog公司的Z8/Z86系列单片机； ST的ST系列8位单片机； Atmel的AVR系列单片机； NS（美国国家半导体）的COP8系列单片机 ； 三星的KS86/KS88系列单片机； Scenix公司的SX系列单片机； NEC公司的78K系列8位单片机； 富士通的MB8900系列单片机； 东芝的970/90系列单片机； Epson的带LCD驱动的S1C88系列单片机； 瑞萨（日立、三菱）的H8系列、740系列等； cypress的CG/CY系列PSoC混合信号阵列。
19
1.2.3
嵌入式系统的构成 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式 操作系统及上层应用软件系统等组成，它是集软件、硬件于 一体的可独立工作的系统。 （1）嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系 统运行的硬件单元。目前，世界上嵌入式处理器的种类已经 超过1000种，流行的体系结构包括MCU、MPU等30多个系列， 速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。 嵌入式处理器可以分为：嵌入式微处理器(MPU)、嵌入 式微控制器(MCU) 、嵌入式DSP处理器(DSP) 和嵌入式片上 系统(SOC) 。
22
目前，除了Philips和Atmel的51核单片机外，市场上还有
大量的51核单片机产品： Infineon的C500系列；
台湾华邦的W77、W78、W79系列； Maxim（Dallas）的的DS80C320系列； OKI的MSM80C系列； HYUNDAI的GMS90/97系列； ST的uPSD系列； ADI的μC8XX系列； TI的MSC1211、TUSB系列； 上海新茂公司的SM系列； SST公司的89E系列；
到实际应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系 统，简称嵌入式系统。
2
（2）单片机的含义
单片机是单片微型计算机（Single Chip Micro
Computer）的简称，也称之为微控制器（Microcontroller
Unit，MCU）或嵌入式计算机(Embedded computer)，即
它是“嵌入到对象中的专用计算机系统”，“嵌入性”、“专 用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素，对象 18 体是嵌入式系统所嵌入的宿主系统。
1.2.2
嵌入式系统的特点 软硬件一体化 需要实时操作系统（RTOS）支持 实时性：代码小、执行速度快 专用紧凑：用途固定、成本敏感 可靠性高 多样性：应用广泛、种类繁多 技术密集：集计算机技术、微电子技术、行业技术为一体
3
目前典型的MCU内部框图
工作支撑模块
CPU
RAM
Flash存储器
MCU内部总线（控制总线、数据总线、地址总线）
定时器接口
串行通信接口
A/D转换接口
……
其他I/O模块
26
④嵌入式片上系统(System
On Chip，SOC) 在一个硅片上实现多个更为复杂的系统。随着EDA的推 广和VLSI设计的普及，以及半导体工艺的迅速发展，在一个 硅片上实现多个更为复杂的系统的时代已来临，这就是片上 系统SoC(System on Chip)。它结合了许多功能模块，将整 个系统做在一个芯片上。 SOC（片上系统）是IC设计的发展趋势。
二 十 世 纪 九 十 年 代 是 MCU 制 造 业 大 发 展 时 期 ， 这 个 时 期 的 Motorola、Intel、ATMEL、德州仪器、三菱、日立、飞利浦、韩国 LG等一批企业开发一批性能优越的MCU，极大地推动了MCU的应 用。
目前MCU正向①大容量、高性能化；②小容量、低价格化；③ 外围电路内装化等几个方向快速发展，应用领域也不断地扩大。
从1999年开始，Motorola公司及后来独立出来的Freescale公司在 我国推广其新一代单片机HC08系列及增强型HCS08系列，已经对我 国的单片机应用产生积极的影响。本书即以HC08系列单片机及 HCS08系列单片机为蓝本学习嵌入式技术基础。
10
1.1.3 MCU的体系结构
至少由CPU，存储器与I/O端口组成， 它们可以以不同的方式组合，形成不同的体 系结构。 A存储器分离编址 哈佛结构 生成双倍空间 B存储器统一编址 冯诺依蔓结构
24
其中，飞思卡尔公司（Freescale）以其丰富多彩的单片机
系列（8位、16位和32位）在移动通信、PDA、汽车、网络 通信、工业控制等方面均获得成功。 飞思卡尔微控制器的有着51单片机不可比拟的特点：技术 成熟，可靠性高，抗干扰和电磁兼容性强，内部资源丰富， 品种齐全，选择余地大，新产品多。更重要的是飞思卡尔 单片机的调试方式有了根本性的变革，与过去的调试方式 不同，不再需要仿真器，调试是通过BDM头直接对MCU中的 程序进行调试。BDM头除实现Flash写入、擦除功能外，还 可以在应用程序运行时，动态地获取CPU、存储器等瞬态信 息。BDM调试工具与单片机的通信通过双向的BKGD引脚实现。 调试模式有两种：单步调试和断点调试。
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13
I/O端口的编址
分离编址方按:INTEL的MCU将I/O端口作为内
部寄存器处理,独立与程序存储器和外部数据 存储器空间,类似哈佛结构的分离编址
MOTOROLA
的MCU则将I/O地址与存储器地 址统一在一个空间.仅分配不同单元
14
寄存器编址
INTEL的MCU使用内部的RAM作为寄存器用
21
②嵌入式微控制器(Micro
Controller Unit，MCU)
MCU就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。MCU的典型
代表是单片机。 嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心， 芯片内部集成Flash、RAM、EEPROM、总线、总线逻辑、定时 /计数器、WatchDog、I/O、串行口等各种必要功能模块。 MCU目前的品种和数量最多。
地址 大端方式 0x0000 0x12 0x0001 0x34
小端方式 0x34 0x12
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1.2 嵌入式系统的基本概念
1.2.1
嵌入式系统的定义及内涵
广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入
式系统。 从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立 系统，具有自己的操作系统，具有特定功能，用于特定场合的 嵌入式系统。 目前国内一个普遍被认同的定义是： 以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用 计算机系统。 简而言之，它是完成特定任务的专用计算机系统。
20
①嵌入式微处理器(Embedded
Micro Processor Unit，
EMPU) MPU是由通用计算机中的CPU演变而来的，它与CPU的关系 是专用和通用的关系。MPU只保留与嵌入式应用紧密相关 的功能硬件，去除其他冗余功能部分，配上了必要的扩展 外围电路，如存储器的扩展电路、I/O的扩展电路和一些专 用的接口电路等，以最低功耗和资源满足嵌入式应用的特 殊要求。 MPU目前流行体系有ARM、MIPS、Power PC、68000、 Am186/88等系列。 处理能力和速度通常按字长划分为8位(仍然存在!)、16位 (主流)和32位(开始流行)。
9
1.1.3 MCU在我国的应用与教学简况
二十世纪八十年代前后，单片机在我国开始应用，各理工科院 校 陆 续 开 设 了 有 关 课 程 。 在 教 学 及 应 用 上 ， Zilog 公 司 生 产 的 Z80CPU成为我国工业控制的主流，以Z80为CPU组成的TP801单板 机在教学上及应用领域发挥过巨大作用。 二十世纪八十年代末至九十年代初，我国的工业控制领域开始 转向使用Intel公司生产的MCS-51。
比较有代表性的有51系列和非51系列，51系列包括：1980
年Intel公司推出MCS-51、Philips公司从Intel公司获得授 权开始生产80C51单片机、Atmel公司推出的Flash型51单片 机以及后来，欧美、日本、台湾、韩国等很多厂商从Intel 公司获得51专利，结合自己的技术优势，生产兼容型或增强 型51核单片机，51逐渐成为业界的一个事实标准（非垄断 性）。
1：MCU
11
存储器的访问
哈佛结构的存储器地址出现重叠,通过不同的控制线 并配合不同的指令就可以区分开来. 冯诺依曼结构可以使用同一指令访问两种存储器,仅 由指令中的地址参数寻址不同的单元即可.
哈拂结构地址重叠,用不同指令访问.用MOVC访问 程序存储器,用MOVX 访问数据存储器.
冯-诺依曼结构可以用统一指令访问两种存储器,地 址参数不同.
航空航天、武器装备
医疗设备和仪器 智能玩具
6
微控制器应用领域
军事国防 消费领域
信息家电 智能玩具
测控领域
工控设备 智能仪表 汽车电子
军事电子
嵌入式应用
通信设备 移动存贮
网络设备
电子商务
7
网络
具体产品
8
1.1.2 MCU的发展简史
1971年11月Intel公司首次宣布4004的4位微处理器，1974年12月 Fairchild(仙童)公司即推出了8位MCU F8，开创了MCU的初级阶段。 1978年，Zilog公司推出Z8 MCU。1980年，Intel公司在MCS-48的 基础上，推出了MCS-51，它使MCU的应用跃上了一个新台阶。 Motorola公司于1974年开始推出MC6800微处理器，在1979年开始 生产MCU MC6801，在1983年前后发展成为较高性能的M68HC05系 列。
第一章
微控制器概述
1
1.1 嵌入式系统的含义与发展历史
1.1.wenku.baidu.com 嵌入式系统与单片机
（1）嵌入式系统的由来
计算机产生：因科学家需要一个高速的计算工具而产生。
计算机应用领域的发展：数字计算→逻辑运算与推理→信息处理 →通信→工业控制 →家用电器……
嵌入式系统（Embedded System）含义：面向测控对象，嵌入
一个典型的MCU内部框图
4
（3）微控制器应用范围 微控制器应用范围遍及航空航天、医疗、通讯、楼宇自动、网络 通讯等各个领域，典型应用领域如下：
测控领域
包括自动控制/装备控制/仪器控制/仪表控制等，该领域的 应用是嵌入式系统最主要、最基本的应用形式，这种应用主要集 中在生产领域，在该领域的应用已经持续了将近30年，并一直保 持持续发展。
消费领域
家用电器、家用视频音频、娱乐产品、数码相机、DVD、DV、 MP3播放机、掌上电脑、游戏机、PDA、数字电视等。
5
网络通信、移动通讯领域
交换机、嵌入式网关、路由器、防火墙、手机、网络电 话、机顶盒等。
办公自动化设备和微机周边设备
传真机、复印机、打印机、鼠标、键盘、扫描仪、移动 磁盘等。
25
③嵌入式DSP处理器(Embedded
Digital Signal
Processor，EDSP) DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器。 DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于 执行DSP算法。DSP核心代码使用汇编，有较高的执行效率， 指令执行速度也较快。在数字滤波、语音处理和编码解码、 谱分析等方面有着广泛的应用。 比较有代表性的产品是TI公司的TMS320系列和Motorola公 司的DSP56000系列等。
MOV指令访问,类似哈佛结构的存储器分离编 址
MOTOROLA
的MCU 的寄存器占用存储器资
源
15
统一编址体系结构
CPU 程序存储器 数据存储 I/O端口 寄存器
16
内存大、小端排序问题
对于需要多于8位的数据，为其分配一组连续的存储 空间，字节排序有两种方式：小端(little endian)和 大端(big endian)。 所谓大端是指高字节存储在低的地址中，而低字节 则存在高地址中；小端则恰好相反。 例如：将0x1234写入到以0x0000开始的内存中，则 结果为：
Silabs的C8051F系列；
23
在51得到广泛应用的同时，其他一些非51单片机由于具有某些特
色各自具有一定的市场份额： Microchip的PIC系列单片机； 摩托罗拉08系列单片机； Zilog公司的Z8/Z86系列单片机； ST的ST系列8位单片机； Atmel的AVR系列单片机； NS（美国国家半导体）的COP8系列单片机 ； 三星的KS86/KS88系列单片机； Scenix公司的SX系列单片机； NEC公司的78K系列8位单片机； 富士通的MB8900系列单片机； 东芝的970/90系列单片机； Epson的带LCD驱动的S1C88系列单片机； 瑞萨（日立、三菱）的H8系列、740系列等； cypress的CG/CY系列PSoC混合信号阵列。
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1.2.3
嵌入式系统的构成 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式 操作系统及上层应用软件系统等组成，它是集软件、硬件于 一体的可独立工作的系统。 （1）嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系 统运行的硬件单元。目前，世界上嵌入式处理器的种类已经 超过1000种，流行的体系结构包括MCU、MPU等30多个系列， 速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。 嵌入式处理器可以分为：嵌入式微处理器(MPU)、嵌入 式微控制器(MCU) 、嵌入式DSP处理器(DSP) 和嵌入式片上 系统(SOC) 。
22
目前，除了Philips和Atmel的51核单片机外，市场上还有
大量的51核单片机产品： Infineon的C500系列；
台湾华邦的W77、W78、W79系列； Maxim（Dallas）的的DS80C320系列； OKI的MSM80C系列； HYUNDAI的GMS90/97系列； ST的uPSD系列； ADI的μC8XX系列； TI的MSC1211、TUSB系列； 上海新茂公司的SM系列； SST公司的89E系列；
到实际应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系 统，简称嵌入式系统。
2
（2）单片机的含义
单片机是单片微型计算机（Single Chip Micro
Computer）的简称，也称之为微控制器（Microcontroller
Unit，MCU）或嵌入式计算机(Embedded computer)，即
它是“嵌入到对象中的专用计算机系统”，“嵌入性”、“专 用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素，对象 18 体是嵌入式系统所嵌入的宿主系统。
1.2.2
嵌入式系统的特点 软硬件一体化 需要实时操作系统（RTOS）支持 实时性：代码小、执行速度快 专用紧凑：用途固定、成本敏感 可靠性高 多样性：应用广泛、种类繁多 技术密集：集计算机技术、微电子技术、行业技术为一体