一、初识单片机

单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机，是指集成在一个芯片上的微型计算机，它的各种功能部件，包括CPU（Central Processing Unit）、存储器（Memory）、基本输入／输出（Input／Output，简称I／O）、接口电路、定时／计数器和中断系统等，都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机。单片机内部结构示意图如图1.18所示。由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又称为微控制器（Micro－Controller Unit，简称MCU）。

在实际应用中，通常很难将单片机直接和被控对象进行电气连接，必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件和软件，才能构成一个单片机应用系统。如图1.19所示。

图1.18　单片机内部结构示意图

图1.19　单片机应用系统的组成

由此可见，单片机应用系统的设计人员必须从硬件和软件两个角度深入了解单片机，并能够将二者有机结合起来，才能形成具有特定功能的应用系统或整机产品。

二、单片机的应用

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到没有单片机踪迹的领域。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通信与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，全自动洗衣机的控制，以及程控玩具和电子宠物，等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表和医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

图1.20　单片机的应用

三、单片机发展历史

单片机（Microcontrollers）诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。早期的SCM单片机都是8位或4位的。其中最成功的是Intel的8051，此后在8051基础上发展出了MCS－51系列MCU系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想，并未得到很广泛的应用。20世纪90年代后，随着Intel i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。

当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。

四、单片机的分类

1.51系列单片机

MCS－51单片机是基础入门的一种单片机，也是应用最广泛的一种。MCS－51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。在学习时以典型8051单片机的基本功能为主来介绍。

（1）综合介绍。

51单片机是对所有兼容Intel 8051指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8004单片机，后来各方面性能都取得了长足的进展，特别是应用了Flash rom技术，这一系列的单片机都使用了Intel公司的内核技术，它们是MCS－51的兼容机，软件兼容、开发工具兼容、引脚也兼容，它们都支持同一编程环境Keil μVision，因此把它们归为同一类型。MCS－51系列单片机硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史悠久，有先入为主的优势，已成为应用最广泛的8位单片机之一，许多著名的芯片公司在其基础上进行性能上的扩充，使芯片得到了进一步的完善，形成了一个庞大的体系。很多公司都有51系列的兼容机型推出，代表型号是Atmel公司的AT89系列和STC公司的STC89系列，它们被广泛应用于工业测控系统之中。

51系列单片机优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。它的处理对象是位，它不仅能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，这体现出了单片机面向控制的特点。

①主要产品。

·Intel：80C31、80C51、87C51、80C32、80C52、87C52等；

·Atmel：89C51、89C52、89C2051、89S51（RC）、89S52（RC）等；

·STC单片机：89C51、89C52、89C516、90C516等；

·Philips、华邦、Dallas、Siemens等公司的许多产品。

②性能特点。

·专为控制应用所设计的8位CPU；

·具有布尔代数的运算能力；

·有双向且可被独立寻址的I／O口；

·芯片内有数据存储器（RAM）；

·芯片内有程序存储器（ROM）；

·有中断结构、串行端口和定时／计数器；

·程序存储器可扩展至64KB（ROM）；

·数据存储器可扩展至64KB（RAM）。

③基本逻辑结构。

典型单片机8051的基本结构如图1.21所示。

图1.21　8051单片机的基本结构

单片机的各功能部件由内部总线连接在一起，其中主要有CPU、存储器、I／O口、中断系统、定时／计数器和串行口等。

④引脚特性。

图1.22为51单片机典型的外形及引脚封装，其引脚特性归纳如下：

图1.22　外形及引脚封装

并行I／O引脚有：

·P0.0～P 0.7：一般I／O口引脚或数据／地址总线复用引脚；

·P1.0～P1.7：一般I／O口引脚或部分第二功能引脚；

·P2.0～P2.7：一般I／O口引脚或高位地址总线引脚；

·P3.0～P3.7：一般I／O口引脚或第二功能引脚。(www.daowen.com)

控制线引脚有：

·：地址锁存允许信号引脚／编程脉冲输入引脚；

·：外部程序存储器读选通信号输出引脚；

·：内外存储器选择引脚／片内EPROM（或FlashROM）程序电压输入引脚；

·RST／VPD：复位信号输入引脚／备用电源输入引脚；

·XTAL1和XTAL2：外接晶体引脚。

电源及时钟引脚有：

·VCC：电源接入引脚；

·VSS：接地引脚。

（2）Atmel单片机。

AT89系列是以51内核为标准的单片机，和8051的指令系统兼容。对于AT89系列单片机都是Flash型单片机，只要芯片上带有“S”字样的单片机都可以支持ISP（在线烧录）。

①Atmel 51单片机的主要特性。

·主振频率：12～33MHz；

·工作电压：2.7～6.0V；

·内部含有Flash存储器，在系统开发过程中很容易修改程序，可以大大缩短系统的开发时间；

·与MCS－51系列单片机引脚兼容，可以直接进行代换；

·AT89系列并不是对8051的简单继承，而是功能进一步增强；

·拥有看门狗功能，即当单片机受外界电磁场的干扰，造成程序跑飞而陷入死循环，单片机无法正常工作时，看门狗产生复位信号给单片机，使程序重新回到起点。避免整个系统陷入停滞状态，发生不可预料的后果。

②Atmel 51常用的AT89系列单片机选型表见表1.5。

表1.5　AT89系列单片机选型表

注：AT89S8252和AT89LS8252芯片内有2KB的EEPROM存储器。

（3）STC单片机。

STC公司推出的高性价比STC89系列单片机，增加了大量的新功能，提高了51单片机的性能。

STC89系列单片机是MCS－51系列单片机的派生产品。它们在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8051单片机完全兼容，DIP40封装系列与8051的引脚兼容。STC89系列单片机高速，低功耗，在系统／在应用可编程（ISP／IAP），不占用户资源。

①STC89系列单片机主要特性。

·8051核心处理器单元；

·3V／5V工作电压，工作频率0～33MHz／0～40MHz；

·大容量内部数据RAM，64／32／16／8KB片内Flash程序存储器；

·在应用可编程（IAP），在系统可编程（ISP），可实现远程软件升级，不需要编程器；

·支持12时钟（默认）或6时钟模式；

·双DPTR数据指针；

·SPI（串行外围接口）和增强型串口UART；

·PCA（可编程计数器阵列），具有PWM的捕获／比较功能；

·4个8位I／O口，外部中断4路，3个16位定时／计数器，可编程看门狗定时器（WDT）；

·低EMI方式（ALE禁止）；

·兼容TTL和COMS逻辑电平；

·掉电检测和低功耗模式等。

②STC89系列单片机选型表见表1.6。

表1.6　STC89系列单片机选型表

2.PIC单片机

PIC系列单片机是美国微芯公司（Microship）的产品，Micro Chip单片机的主要产品是PIC16系列和PIC17系列8位单片机，PIC系列单片机以其独特的硬件系统和指令系统的设计、较高的性价比，逐渐被广大工程设计人员采用。

PIC系列单片机CPU采用RISC结构，按等级的不同分别仅有33、35、58条指令（8051单片机和AVR单片机的指令都超过100条），具有运行速度快，低工作电压，低功耗，较大的输入、输出直接驱动能力，价格低，小体积等特点。适用于用量大、档次低、价格敏感的产品。在办公自动化设备、消费电子产品、通信、智能仪器仪表、汽车电子、金融电子、工业控制等不同领域都有广泛的应用。

3.AVR单片机

Atmel公司的单片机产品主要有AT89、AVR、ARM三个系列，ARM系列是32位单片机。下面主要讨论AVR系列单片机。

1997年，Atmel公司挪威设计中心的A先生和V先生，出于市场需求考虑，推出了全新配置的精简指令集RISC内置Flash的高速8位单片机，简称为AVR。AVR单片机最大的特色是没有对外部时钟分频，用一个时钟周期执行一条指令。

AVR单片机的快速存取寄存器由32个通用寄存器组成，这32个寄存器全部直接与运算逻辑单元（ALU）相连，每一个寄存器都可以代替累加器工作，相当于有了32条立交桥，可以快速通行，从而避免了传统的累加器结构造成的累加器和存储器之间的数据传输的瓶颈效应，提高了指令执行速度（lMips／MHz），因而提高了系统性能。因此，AVR单片机是高性价比的单片机，已广泛地应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表和机器人制作等领域，使产品功能、精度和质量大幅度提升，且电路简单、故障率低、可靠性高、成本低廉。