第1章 单片机概述

1. 第1章单片机概述 曲阜师范大学杏坛学院 王香

2. 主要内容 1.1 单片机的基本概念 1.2 单片机的发展概况 1.3 单片机的特点及应用 1.4 常用单片机简介 1.5 单片机系统的开发方法

3. 第1章 概述 本章主要介绍了单片机的基本概念，单片机的发展概况，单片机的应用及其特点，以及一些常用的单片机。 通过本章的学习，我们可以了解到什么是单片机，单片机的发展历史。并且对单片机的应用和开发方法有个初步的认识。

4. 1.1 单片机的基本概念 微机是微型计算机的简称，它是由主机和外部设备等组成的。如图1.1所示。 单片机就是把微机的主机部分（图1.1虚线框内的）集成到一块集成电路芯片上所得到的。

5. 接口适配器 外部设备 微处理器 存储器 1.1 单片机的基本概念 地址总线 数据总线 控制总线 图1-1 微机的组成

6. 1.1单片机的基本概念 单片机：将中央处理器，随机存储器，只读存储器，中断系统，定时器/计数器以及I/O接口电路等主要微型计算机的部件集成在一块芯片上，使其具有计算机的基本功能。就叫做单片微型计算机（Single Chip Micro Computer，SCMC），简称单片机。

7. 1.2 单片机的发展概况 1.2.1 单片机的历史 1.2.2 单片机技术的发展

8. 1.2.1 单片机的历史 一 、4位单片机阶段 1975年美国德克萨斯仪器公司（TI）首次推出4位单片机TMS-1000。之后又有美国国家半导体公司（COP402系列）、日本电气公司（uPD75xx系列）、美国洛克威尔公司（PPS/1）、富士通公司（MB88系列）等。 4位单片机主要用于家用电器、电子玩具等领域。

9. 二、 8位单片机阶段 1976年9月，美国Intel公司首先推出了MCS-48系列8位单片机。 1978年以前的8位单片机，由于受集成度（几千只晶体管/只）的限制，一般没有串行接口，并且寻址空间的范围小（小于8KB），从性能上看属于低档8位单片机。 在1978年到1983年间，集成度提高到几万只晶体管/片，高性能的8位单片机相继问世。这类单片机的寻址能力达64KB，片内容量达4-8KB，片内除有并行I/O口，还有串行I/O口，甚至还有A/D转换器功能。 1985年后还推出了超8位单片机，功能更为强大，代表了单片机的发展方向。 8位单片机由于功能强，被广泛用于工业控制、智能接口、仪器仪表等各个领域。

10. 1.2.1 单片机的历史 三、16位单片机阶段 1983 年Intel公司推出了16位单片机MCS-96系列，1987年推出的80C96系列，HPC16040系列等。 16位单片机可用于高速复杂的控制系统。 四、32位单片机 近年来，各个计算机生产厂家已进入更高性能的32位单片机研制、生产阶段。

11. 1.2.2 单片机技术的发展 一、片内程序存储器的发展 ROM用于存放程序和表格等固定数据，掉电数据不丢失，每种单片机在其内部都会有0—64K容量不等的ROM，可以在外部扩展 。 单片机的程序存储器（ROM）的发展历程：掩膜ROM（只读）—可编程ROM（ PROM，写入不能修改）-- EPROM （电信号编程，紫外线擦除） —E2PROM（电信号编程，电信号擦除）—FLASH MEMORY（电擦除，速度快，成本低），容量也由小变大。 市面上主要有 FLASH MEMORY和OTP两种， PROM和EPROM等形式的单片机已经很少见了。

12. 二、看门狗定时器（WDT） 看门狗电路就是用于在CPU处于软件混乱时使系统正常工作的一种恢复方法。 WDT由一个计数器和一个看门狗定时器复位特殊功能寄存器（WDTRST ）组成。默认设置为无效。 若启动WDT，需依次向WDTRST写入01EH和0E1H，以避免WDT溢出。当计数器达到最大值时将溢出并复位系统。 当WDT工作时，在振荡器工作期间，它将随每个机器周期加法计数，因此，至少每到最大计数器值之前需对WDT重新设置。 WDTRST是只写寄存器，因此WDT计数器不能读写。 WDT的休息时间依赖于外部时钟频率。 WDT的取消只能通过硬件复位或WDT溢出复位。当溢出复位时，在RST引脚将输出一个高电平脉冲。

13. 1.2.2 单片机技术的发展 三、节电模式 空闲方式：CPU自身进入睡眠状态，但片上其他外围部件处于激活状态。这种方式由软件调用。此期间，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲方式可被任何允许的中断或硬件来终止。当空闲方式由硬件复位终止时，通常系统在空闲处恢复程序的执行。 掉电方式：片内振荡器停止工作。调用掉电指令是执行的最后一条指令。片内RAM和所有特殊功能寄存器的值保持不变，直到掉电方式终止。退出掉电方式可以通过硬件复位或一个允许的外部中断。复位后将重新定义所有专用寄存器，但不改变RAM的内容。 在节电模式下，CPU和部分部件进入睡眠状态，但片内RAM和寄存器等部件保持工作状态，以达到节能的目的。

14. 四、加强输入输出功能 有些单片机具备大功率的输入/输出接口，可直接驱动荧光显示器、LCD和LED。 有些增加了P4口，增加了定时器/计时器的数量。 还有一些片内集成了A\D、D\A转换器、SPI接口等。 五、单片机制造工艺提高 半导体制作工艺的提高，使单片机的体积可以做的更小，时钟频率更高。可以集成更多的存储器和部件。降低产品的价格。 六、在线编程和调试技术 一些新型的单片机实现了在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）功能。首先在PC机上完成应用程序的编辑、汇编、模拟运行，然后实现目标程序的串行下载。

15. 1.3 单片机的特点及应用 1.3.1 单片机的特点 1.3.2 单片机的应用

16. 1.3.1 单片机的特点 一、单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的 ROM称为程序存储器，只存放程序、固定常数及数据表格。 RAM则为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。 单片机把开发成功的程序固化在ROM中，而把少量的随机数据存放在RAM中，这样，小容量的数据存储器能以高速RAM的形式集成在单片机内部，以加速单片机的执行速度。 二、采用面向控制的指令系统 为满足控制的需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。

17. 1.3.1单片机的特点 三、单片机的I/O引脚通常是多功能的 由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法。引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。 四、单片机的外部扩展能力强 在内部的各种功能部分不能满足应用需求时，均可在外部进行扩展（如扩展ROM、RAM，I/O接口，定时器/计数器，中断系统等），与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。

18. 1.3.1 单片机的特点 五、体积小，成本低，运用灵活 易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。 六、面向控制 能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。 七、适应性强、抗干扰 在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其它类型计算机无法比拟的。 八、方便实现多机和分布式控制 使整个控制系统的效率和可靠性大为提高

19. 1.3.2 单片机的应用 单片机的应用范围十分广泛，主要的应用领域有： • 工业控制：各种工业控制系统、数据采集系统等，如数控机床、自动生产线控制、电机控制、测控系统等。 • 仪器仪表：智能仪表、医疗器械、数字示波器等。 • 计算机外部设备与智能接口：图形终端机、传真机、打印机等。 • 商用产品：自动售货机、电子收款机、电子秤等。 • 家用电器：微波炉、电视机、空调、洗衣机等。 • 消费类电子产品 • 通讯设备和网络设备 • 儿童智能玩具 • 汽车，建筑机械，飞机等大型机械设备 • 交通控制设备

26. 1.4 常用单片机简介 1.4.1 MCS-51系列单片机 1.4.2 ATMEL89系列单片机 1.4.3 STC89/12系列单片机 1.4.4 常见的其它系列单片机介绍

27. 1.4.1 MCS-51系列单片机 MCS-51系列单片机：Intel在1980-1982年陆续推出了指令系统完全相同，内部结构基本相同的8031、8051和8751等型号单片机，初步形成MCS-51系列，被奉为“工业控制单片机标准”。 51家族的单片机从形态到功能可能差别很大，但是它们的指令是完全一致的。

28. 1.4.1 MCS-51系列单片机 MCS-51增强型单片机：MCS-51系列单片机除了89C51之外，主要包括89C52、89C54、89C58、89C516等型号，它们的区别主要是三个方面：一是片内RAM由128B增加到256B；二是多一个定时器/计数器；三是片内Flash ROM由4KB分别增加到了8KB、16KB、32KB和64KB。 不同厂家的产品可能还增加有其它外设或功能，但引脚和指令都是完全兼容的。 为了讨论方便起见，我们将89C51（包括8031、8051等）称为基本型，其他的型号称为增强型。

29. 1.4.2 ATMEL89系列单片机 Atmel公司生产的89系列单片机是市场上比较具有代表性的MCS-51单片机。 一、ATMEL89系列单片机型号说明 AT89系列单片机型号由三个部分组成，它们分别是前缀、型号、后缀。 其格式如下： AT89C（LV、S）XXXX-XXXX 1、前缀 前缀由字母“AT”组成，它表示该器件是ATMEL公司的产品。 2、型号 型号由“89CXXXX”或“89LVXXXX”或“89SXXXX”等表示。 “9”表示芯片内部含Flash存储器； “C”表示是CMOS产品； “LV”表示低电压产品； “S”表示含可下载的Flash存储器。 “XXXX”为表示型号的数字，如：51、52、2051、8252等。

30. 1.4.2 ATMEL89系列单片机 3、后缀 后缀由“XXXX”四个参数组成，与产品型号间用“-”号隔开。 后缀中第一个参数“X”表示速度 X=12，表示速度为12MHZ； X=16，表示速度为16MHZ； X=20，表示速度为20MHZ； X=24，表示速度为24MHZ； 后缀中第二个参数“X”表示封装 X=D，表示陶瓷封装； X=J，表示PLCC封装； X=P，表示塑料双列直插DIP封装； X=S，表示SOIC封装； X=Q，表示PQFP封装； X=A，表示TQFP封装； X=W，表示裸芯片。 后缀中第三个参数“X”表示温度范围 X=C表示商业用产品，温度范围为0--70℃ X=I表示工业用产品，温度范围为-40--85℃ X=A表示汽车用产品，温度范围为-40--125℃ X=M表示军用产品，温度范围为-55--150℃ 后缀中第四个参数“X” 说明产品的处理情况 X为空表示标准处理工艺 X=/883，表示处理工艺采用MIL－STD－883标准。

31. 例如：单片机型号为“AT89C51-12PI” 代表的意思是： 9：ATMEL公司的Flash单片机 C：采用CMOS结构 12：速度为12MHZ P：封装为塑封DIP I：工业用品 空：按标准处理工艺生产

32. 1.4.2 ATMEL89系列单片机 二、AT89C51单片机 AT89C51单片机特点： • 与MCS-51产品完全兼容； • 具有4K字节可在系统编程的Flash内部程序存储器，可写/擦1000次； • 全静态操作：0Hz～24MHz； • 三级程序存储器加密； • 128字节内部RAM； • 32根可编程I/O线； • 2个16位定时器/计数器； • 6个中断源； • 可编程串行UART通道； • 低功耗空闲和掉电方式；

33. 1.4.2 ATMEL89系列单片机 三、AT89S52单片机 AT89S52单片机特点： （1）与MCS-51产品兼容； （2）具有8K字节可在系统编程的Flash内部程序存储器，可写/擦1000次； （3）4.0V～5.5V的工作电压范围； （4）全静态操作：0Hz～24MHz； （5）三级程序存储器加密； （6） 256字节内部RAM； （7） 32根可编程I/O线 （8） 3个16位定时器/计数器 （9） 8个中断源 （10）全双工异步串行通信信道 （11）低功耗空闲模式和掉电模式 （12）通过中断中止掉电方式 （13）看门狗定时器 （14）两个数据指针

34. 1.4.3 STC89/12系列单片机 一、STC 89C51RC/RD＋系列单片机 STC 89C51RC/RD＋系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机。 指令代码完全兼容传统8051 单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择。

35. 1.4.3 STC89/12系列单片机 STC 89C51RC/RD＋系列单片机特点如下： • 增强型6/12时钟/机器周期8051 CPU； • 工作电压：5.5V～3.4V（5V单片机）/ 3.8V～2.0V（3V 单片机）； • 工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051 的0～80MHz； • 用户应用程序空间 4K ～ 64K 字节； • 片上集成1280字节/512字节RAM； • 通用I/O口32 / 36 个； • ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器；

36. 1.4.3 STC89/12系列单片机 • 内部E2PROM 功能； • 硬件看门狗； • 内部集成MAX810专用复位电路（D版本才有）,外部晶体20M以下时，可省外部复位电路； ⑾ 共3个16位定时器/计数器； ⑿ 外部中断4路； ⒀ 通用异步串行口，还可用定时器软件实现多个UART； ⒁ 工作温度范围：0 ～75℃，—40～＋85℃； ⒂ 封装：LQFP-44 ,PDIP-40 , PLCC -44 , PQFP-44 。

37. 1.4.4 常见的其它系列单片机介绍 • AVR单片机 ② Motorola单片机 • MicroChip单片机 • Scenix单片机 ⑤ EPSON单片机 ⑥ 东芝单片机 ⑦ GMS90单片机 ⑧ 华邦单片机 ⑨ Zilog单片机 ⑩ NS单片机 ⑾ AX1001单片机

38. 1.5 单片机系统的开发方法 主要内容 1.5.1 单片机系统的设计要求 1.5.2 单片机系统的开发特点 1.5.3 单片机系统的开发工具及环境 1.5.4 单片机系统设计中芯片的选择

39. 1.5 单片机系统的开发方法 单片机系统是软件和硬件的逻辑结合体，必须根据对系统功能、性能参数的要求，对软件和硬件统一考虑进行设计开发，以求达到最佳效果。

40. 1.5.1 单片机系统的设计要求 单片机系统设计开发非常受制于功能和具体的应用环境，所以单片机系统的设计具有一些特殊的要求： • 接口方便、操作容易 • 稳定可靠、维护简便 • 功耗管理、降低成本 • 并发处理、及时响应

41. 1.5.2 单片机系统的开发特点 需要软硬件综合开发，二者密切相关。因为任何一个单片机系统产品都是软件和硬件的结合体。 一旦单片机系统产品研发完成，软件就固化在硬件环境中，单片机软件是针对相应的单片机硬件系统开发的，是专用的。

42. 1.5.3 单片机系统的开发工具及环境 一、单片机C语言开发工具Keil C51 Keil C51是Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。 提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具μVision2，全Windows界面，生成的目标代码效率非常高。

43. 1.5.3 单片机系统的开发工具及环境 二、Proteus嵌入式系统仿真与开发平台 Proteus：Proteus是一个嵌入式系统仿真与开发平台，是英国Labcenter Electronics公司出版的EDA工具软件。是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台。 特点： （1） Proteus可以快速地完成原理图，原件都已经做好，只需要把它们放在上面，边上线即可。 （2） Proteus具有仿真功能，除了各种模拟/数字、交/直流元器件外，还提供了诸如：逻辑分析仪、计数器等特殊的仪器仪表。 （3） Proteus具有强大的仿真功能，以及原理图和PCB设计能力，而且Proteus可以与Keil C整合构建完整的开发平台，完成从原理图制作，程序开发，仿真验证，测试修改到PCB制作等一系列设计。 （4） Proteus是一种低投资、高性能的电子设计自动化软件。不需维护，使用方便。

44. 1.5.4 单片机系统设计中芯片的选择 现在市场上的单片机品种很丰富，89C51只是个基本型。在进行单片机系统设计的时候就要根据系统的需求，灵活地选用具有不同特性的单片机。

45. 本章小结 本章首先给出了单片机的概念，单片机即单片微机，也叫微控制器。 然后介绍了单片机的发展概况，使我们基本了解了单片机的历史及发展。 接着讨论了单片机的特点及应用，使我们树立起学习单片机的目标。 接下来对常见及常用的单片机作了一个总体介绍，使我们了解了单片机更多的功能和特点。 最后简单地介绍了单片机开发的一些问题，如开发环境与工具、芯片选择与设计要求等。

46. 思考题与习题 1. 什么是单片机？ 2. 单片机有哪些特点？ 3. 单片机的应用有哪些？ 4. 常见的单片机有哪些类型？