第1章 单片机概述

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第四阶段（1983年～现在）：8位单片机巩固发展及16位
单片机、32位单片机推出阶段。 16位典型产品Intel公司的MCS-96系列单片机。而32位单 片机除了具有更高的集成度外，其数据处理速度比16位单 片机提高许多，性能比8位、16位单片机更加优越。 20世纪90年代单片机制造业大发展时期，Mortorola、 Intel、ATMEL、德州仪器（TI）、三菱、日立、飞利浦、 LG等公司开发一大批性能优越的单片机，极大推动单片机
1983年，Intel推出MCS-96系列单片机。 16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全 双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还 有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。
特点是：准16位机、面向测控系统，I/O接口增强。 “微控制器” 更能反映单片机的本质。
智能仪器仪表
机电一体化产品 实时工业控制
分布式系统的前端模块
家用电器 在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单 片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、 黑匣子等 。
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1.5
单片机的发展趋势 单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化，外围电
路内装化等方面发展。
1．CPU的改进 （1）增加CPU数据总线宽度。例如，各种16位单片机和32位 单片机，数据处理能力要优于8位单片机。另外，8位单片 机内部采用16位数据总线，其数据处理能力明显优于一般 8位单片机。 （2）采用双CPU结构，以提高数据处理能力。
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1.6
MCS-51系列与AT89C5x系列单片机
单片机机型很多，但是在20世纪80年代以及90年代，在我 国使用最多的8位单片机还是Intel公司的MCS-51系列单片 机以及与其兼容的单片机（称为51系列单片机）。
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1.6.1
MCS-51系列单片机
1、MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列。 基本型：﹡8051/8751/8031； ﹡80C51/87C51/80C31；（低功耗型） 增强型：﹡8052/8752/8032； ﹡80C52/87C52/80C32等 。 （低功耗型）
AT89S5x 的“ S ”档系列机型是 ATMEL 公司继 AT89C5x 系列之后 推出的新机型，代表性产品为AT89S51和AT89S52。基本型的AT89C51 与AT89S51以及增强型的AT89C52与AT89S52的硬件结构和指令系统完 全相同。
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1.7单片机应用系统开发
单片机与通用微机相比，它自身没有开发功能，必须 借助开发机来完成： 利用非独立型仿真器开发
和VFD（荧光显示器）。
（2）有些单片机设置了一些特殊的串行I/O功能，为构成分 布式、网络化系统提供方便条件。
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4．低功耗化
CMOS化，功耗小，配置有等待状态、睡眠状态、关闭状态 等工作方式。消耗电流仅在µA或nA量级，适于电池供电的 便携式、手持式的仪器仪表以及其它消费类电子产品。 5．外围电路内装化 众多外围电路全部装入片内，即系统的单片化是目前发展 趋势之一。 综上所述，单片机正在向多功能、高性能、高速度（时钟 达 40MHz ）、低电压（ 2.7V 即可工作）、低功耗、低价格 （几元钱）、外围电路内装化以及片内程序存储器和数据 存储器容量不断增大的方向发展。
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1.6.1
MCS-51系列单片机
3、当前常用的8051系列单片机 与80C51兼容的主要产品： *ATMEL融入Flash存储器技术的AT89系列； *Philips的80C51、80C552系列； *Cygnal的C8051XXX系列。

非80C51结构单片机新品种主要有: ﹡TI的MSP430F系列16位低功耗单片机 ; ﹡TI的TMS320系列DSP单片机 ; ﹡ATMEL的ATmega系列AVR(Advnced RISC), RISC(Reduced Instruction Set Computer)单片机 ; * ARM系列（Advanced RISC Machine)
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1.2
单片机的发展历史
单片机按其处理的二进制位数主要分为：4位单片机、
8位单片机、16位单片机和32位单片机。

单片微机形成阶段
1976年，Intel MCS- 48系列。 8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位
定时/计数器。 特点是：存储器容量较小，寻址范围小， 无串行接口，指令系统功能不强。
将 Flash 技术与 80C51 内核相结合，形成了片内带有 Flash
存储器的AT89C5x/AT89S5x系列单片机。
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AT89C5x/AT89S5x 系列与 MCS-51系列在原有功能、引脚以及指令系 统方面完全兼容。 此外，某些品种又增加了一些新的功能，如看门狗定时器WDT、ISP （在系统编程也称在线编程）及SPI串行接口技术等。片内Flash存储器 允许在线（+5V）电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。 另外， AT89C5x/AT89S5x 单片机还支持由软件选择的两种节电工作 方式，非常适于低功耗的场合。 与MCS-51 系列的87C51 单片机相比，AT89C51/AT89S51 单片机片内的 4KB Flash 存储器取代了 87C51 片内的 4KB EPROM 。 AT89S51 片内的 Flash 存储器可在线编程或使用编程器重复编程，且价格较低。
单片机，是在8051的基础上又增加一些功能模块（称其为增
强型、扩展型子系列单片机）。
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1.6.2 AT89C5x（AT89S5x）系列单片机
在众多的衍生机型中，ATMEL公司的AT89C5x/AT89S5x 系列，尤其是 AT89C51/AT89S51 和 AT89C52/AT89S52 在 8 位 单片机市场中占有较大的市场份额。 ATMEL 公司 1994 年以 E2PROM 技术与 Intel 公司的 80C51 内核的使用权进行交换。 ATMEL公司的技术优势是闪烁（Flash）存储器技术，
的应用。近年，又有不少新型的高集成度的单片机产品涌
现出来，出现了产品丰富多彩的局面。目前，除8位单片 机得到广泛应用外，16位单片机、32位单片机也得到广大
用户青睐。
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1.3
单片机的特点
1.控制性能和可靠性高 实时控制功能特别强,集成在同一芯片内,可靠性高。 近 期 产 品 PIPELINE,RISC 结 构 ， 集 成 有 FLASH 、
第1章
础知识、发展历史、应用领域及发展趋势。 8位单片机的主流机型，较大市场份额的MCS-51系列单片机 及其兼容的单片机（统称为51系列单片机） 对目前流行的51单片机的代表性机型：美国ATMEL公司的 AT89C5x/AT89S5x系列单片机及代表性产品AT89S51详细 介绍。
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性能完善提高阶段
1980年，Intel公司推出了MCS-51系列： 8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口 、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范 围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。 特点是：结构体系完善，性能大大提高，面向控 制。公认经典机种 。
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微控制器化阶段
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（1）基本型
典型产品：8031/8051/8751。 8031内部包括1个8位CPU、128B RAM，21个特殊功能寄存器 （SFR）、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口，2个16位 定时器/计数器，5个中断源，但片内无程序存储器，需外
扩程序存储器芯片。
8051是在8031的基础上，片内又集成有4KB ROM作为程序存 储器。所以8051是一个程序不超过4KB的小系统。ROM内的
SARAM 、 DARAM 、 高 速 I/O 、 ADC 、 PWM （ OR
SVPWM)、WDT、 2C 、SPI、SCI、CAN、QEP等部件， 在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开
发方式（如ISP）等方面都大大增强。
2.体积小、价格低、易于产品化
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1.4

单片机的应用
应用领域
RS-232C
仿真头
仿真器
目标系统
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1.7单片机应用系统开发

单片机开发方式的发展
RS-232C 适配器
JTAG OR SPI
目标系统
利用JTAG,全速在线系统调试,目标程序的串行下载,实 现在线系统编程（ISP）。
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程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的。
8751与8051相比，片内集成的4KB EPROM取代了8051的4KB ROM来作为程序存储器。
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（2）增强型 Intel公司在基本型基础上，推出增强型-52子系列，典
型产品：8032/8052/8752。内部RAM增到256B，8052、片内
程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个，6个中 断源，串行口通信速率提高5倍。
简要介绍其它类型的单片机。
初步了解嵌入式处理器：单片机，数字信号处理器（DSP）、 嵌入式微处理器
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1.1
什么是单片机
一片半导体硅片集成：中央处理单元（ CPU ）、存储
器（RAM、ROM）、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中
断系统、系统时钟电路及系统总线的微型计算机。 具有微型计算机的属性，因而被称为单片微型计算机， 简称单片机。 主要应用于测控领域。单片机使用时，通常是处于测 控系统的核心地位并嵌入其中，所以国际上通常把单片机 称 为 嵌 入 式 控 制 器 （ EMCU ， Embedded MicroController Unit），或微控制器（MCU，MicroController Unit）。我
表1-1列出了基本型和增强型的MCS-51系列单片机片内
的基本硬件资源。
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1.6.1
MCS-51系列单片机
2、片内程序存储器的配置 早期有三种形式：即掩膜ROM、EPROM和无片内ROM。 ﹡8051有4K字节的掩膜ROM；8751有4K字节的EPROM ； 8031无ROM。
目前，片内ROM的配置形式： ﹡ 无ROM（即ROMLess）型，应用时需片外扩展ROM； ﹡ 掩膜ROM（即Mask ROM）型，程序由芯片生产厂家写入； ﹡ EPROM型，程序通过写入装置写入，紫外线照射擦除； ﹡ FlashROM型，程序电写入或擦除（当前常用方式）； ﹡ OTPROM型（一次性编程写入ROM）, 具有较高的环境适 应性和可靠性。
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Intel公司以专利形式把8051内核技术转让给ATMEL、
Philips、Cygnal、ANALOG、LG、ADI、Maxim、DALLAS等公司。 生产的兼容机与8051兼容，采用CMOS工艺，因而常用 80C51系列单片机来称呼所有这些具有8051指令系统的单片机， 这些兼容机的各种衍生品种统称为51系列单片机或简称为51
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2．存储器的发展
（1）片内程序存储器普遍采用闪烁（Flash）存储器。可不 用外扩展程序存储器，简化系统结构。 （2）加大存储容量。目前有的单片机片内程序存储器容量 可达128KB甚至更多。 3．片内I/O的改进 （1）增加并行口驱动能力，以减少外部驱动芯片。有的单 片机可以直接输出大电流和高电压，以便能直接驱动LED
国习惯于使用“单片机”这一名称。
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按照其用途可分为通用型和专用型两大类。 （1）通用型单片机就是其内部可开发的资源（如存储器、
I/O等各种外围功能部件等）可以全部提供给用户。
用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心，再配
以外围接口电路及其它外围设备，并编写相应的软件来满
足各种不同需要的测控系统。通常所说的和本书介绍的是 指通用型单片机。 （2）专用型单片机是专门针对某些产品的特定用途而制作 的单片机。