PDF《第1章概述》

・1・ 第1章概述本章教学要求: (1)了解单片机与微型计算机的区别.

(2)熟悉单片机的结构组成. (3)了解单片机的特点与指标. (4)了解单片机的发展历史、常用产品及应用领域. (5)了解单片机基本应用系统的组成. 1.1 单片机的结构组成、特点和指标 微型计算机由运算器、控制器、存储器、输入/输出接口

4 个基本部分和输入/输出设备等 组成.如果把运算器与控制器封装在一小块芯片上,则该芯片称为微处理器.如果将 CPU 与大 规模集成电路制成的存储器和输入/输出接口电路在印制电路板上用总线连接起来, 再配以适当 的输入/输出设备(如磁盘存储器、键盘和显示器等) ,就构成了微型计算机.如果在一块芯片 上,集成了一台微型计算机的

4 个基本组成部分,则这种芯片就称为单片微型计算机 (Single-Chip Microcomputer) ,简称单片机.以单片机为核心的硬件电路称为单片机系统. 1.1.1 微型计算机的基本结构 微型计算机的基本结构如图 1-1 所示. 图1-1 微型计算机的基本结构 1.控制器 控制器(Controller)是计算机的控制核心,它的功能是负责从内部存储器中取出指令,对 指令进行分析、判断,并根据指令发出控制信号,使计算机有条不紊地协调工作. 2.运算器 运算器的核心部件是算术/逻辑单元(ALU) ,主要完成算术运算和逻辑运算. 3.存储器 存储器(Memory)是具有记忆功能的部件,用于存储程序和数据.存储器根据其位置不 同可分为两类:内部存储器和外部存储器.内部存储器(简称内存)和CPU 直接相连,存放当 ・2・ 前要运行的程序和数据, 故称主存储器 (简称主存) . 它的特点是存取速度快, 基本上可与 CPU 处理速度相匹配,但价格较高,存储容量较小.外部存储器(简称外存) ,主要用于保存暂时不 用但又需长时间保留的数据和程序.存放在外存的程序必须调入内存才能运行.外存的存储容 量大,价格较低,但存取速度较慢. 4.输入/输出接口 输入/输出接口(Input/Output,I/O)又称 I/O 接口,是CPU 与外设相连的逻辑电路,外设 必须通过接口才能和 CPU 相连.不同的外设所用接口不同.每个 I/O 接口有一个地址,CPU 按照地址通过对不同的 I/O 接口进行操作来完成对外设的操作. 5.输入和输出设备 输入和输出设备(如键盘、鼠标、显示器、打印机等)用于和计算机进行信息交流的输入 和输出操作. 6.总线 总线 (Bus) 是控制器、 运算器、 存储器、 I/O 接口之间相连的一组线. 数据总线 (Data Bus, DB)是用于传送程序或数据的总线;

地址总线(Address Bus,AB)用于传送地址,以识别不 同的存储单元或 I/O 接口;

控制总线(Control Bus,CB)用于传输控制信号,这些控制信号控 制计算机按一定的时序有规律地自动工作. 1.1.2 单片机的基本结构 单片机的基本结构可用图 1-2 所示的框图描述.图1-2 与图 1-1 的对应关系是:中央处理 器(CPU)包含了控制器和运算器;

只读存储 器(ROM)和随机存储器(RAM) ,ROM 存 放程序,RAM 存放数据;

I/O 对应输入接口 和输出接口. 另外, 在单片机内部还集成了定 时/计数器(T/C) 、中断控制器和系统时钟电 路等. 单片机用总线实现 CPU, ROM, RAM, I/O 各模块之间的信息传递.其实,具体到某 一种型号的单片机,其芯片内部集成的 ROM 和RAM 的大小、I/O 端口的多少、定时/计数 器的多少和位数都不尽相同,但CPU 只有一 个,各模块的功能大致相同. 1.中央处理器 中央处理器 (CPU) 是单片机的核心单元, 由算术/逻辑运算部件和控制部件构成. 2.程序存储器 程序存储器采用 ROM,用来存放用户程序,可分类为 EPROM,Mask ROM,OTP ROM 和Flash ROM 等. 3.数据存储器 数据存储器采用 RAM,用来存放程序运行中的工作变量和数据. 4.并行输入/输出端口 并行输入/输出端口通常为独立的双向 I/O 口,一般既可以用作输入方式,又可以用作输出 方式,通过软件编程设定.I/O 口是单片机的重要资源,也是衡量单片机功能的重要指标之一. 图1-2 单片机的基本结构 ・3・ 5.串行输入/输出端口 串行输入/输出端口用于单片机和串行设备或其他单片机系统的通信. 串行通信有同步和异 步之分,可用硬件或通用串行收/发器件实现. 6.定时/计数器 定时/计数器(T/C)用于单片机内部精确定时或对外部事件进行计数,有的单片机内部有 多个定时/计数器. 7.系统时钟 系统时钟通常需要外接石英晶体或其他振荡源提供时钟信号输入,也有的使用内部 RC 振 荡器.系统时钟相当于 PC 中的主频. 以上只是单片机的基本结构,现代的单片机又加入了许多新的功能部件,如模数转换器 (ADC) 、数模转换器(DAC) 、温度传感器、液晶驱动电路、电压监控、 看门狗 电路、低压 检测电路等. 1.1.3 单片机的特点 单片机除了具备体积小、价格低、性能强大、速度快、用途广、灵活性强、可靠性高等优 点外,它与通用微型计算机相比,在硬件结构和指令功能方面还具有以下独特之处. 1.存储器 ROM 和RAM 严格分工 ROM 用作程序存储器,只存放程序、常数和数据表格;

而RAM 用作数据存储器,存放临 时数据和变量.这样的设计方案使单片机更适合用于实时控制(也称为现场控制或过程控制) 系统.配置较大的程序存储空间,将已调试好的程序固化(即对 ROM 编程,也称为烧录或者 烧写) ,这样不仅掉电时程序不会丢失,还避免了程序被破坏,从而确保了程序的安全性.实时 控制仅需容量较小的 RAM,用于存放少量随机数据,这样有利于提高单片机的操作速度. 2.采用面向控制的指令系统 单片机的指令系统有很强的端口操作和位操作能力,在实时控制方面,尤其是在位操作方 面单片机有着不俗的表现. 3.I/O 端口引脚具有复用功能 I/O 端口引脚通常设计有多种功能,以充分利用数量有限的芯片引脚.在应用时,究竟使 用多功能引脚的哪一种功能,可以由用户编程确定. 4.品种规格的系列化 属于同一个产品系列、 不同型号的单片机, 通常具有相同的内核、 相同或兼容的指令系统. 其主要的差别仅在于片内配置了一些不同种类或不同数量的功能部件和容量大小不同的 ROM 或RAM,以适用于不同的被控对象. 5.硬件功能具有广泛的通用性 单片机的硬件功能具有广泛的通用性. 同一种单片机可以用在不同的控制系统中, 只是其中所 配置的软件不同而已.换言之,给单片机固化上不同的软件,便可形成用途不同的专用智能芯片. 1.1.4 单片机的重要指标 1.位数 位数是指单片机能够一次处理的数据的宽度,有1 位机(如PD7502) 、4 位机(如MSM64155A) 、8 位机(如MCS-51) 、16 位机(如MCS-96) 、32 位机(如IMST414) . ・4・ 2.存储器 存储器包括程序存储器和数据存储器.程序存储器空间较大,字节数一般从几 KB 到几 十KB(1KB =

210 B = 1024B) ,另外还有不同的类型,如ROM,EPROM,EEPROM,Flash ROM 和OTP ROM.数据存储器的字节数则通常为几十字节到几百字节之间.程序存储器的编程方式 也是用户选择的一个重要因素,有的是串行编程,有的是并行编程,新一代的单片机有的还具有 在系统编程 (In-System-Programmable, ISP) 或在应用编程 (In-Application re-Programmable, IAP) 功能,有的还有专用的 ISP 编程接口 JTAG 口. 3.I/O 端口 I/O 端口即输入/输出端口,一般有几个到几十个,用户可以根据自己的需要进行选择. 4.速度 速度指的是 CPU 的处理速度,以每秒执行多少条指令衡量,常用单位是 MIPS(百万条指 令每秒) ,目前最快的单片机可达到 100MIPS.单片机的速度通常是和系统时钟(相当于 PC 的 主频)相联系的,但并不是频率高的处理速度就一定快,对于同一种型号的单片机来说,采用 频率高的时钟一般比频率低的速度要快. 5.工作电压 单片机的工作电压通常是 5V,范围是±5%或±10%,也有 3V/3.3V 电压的产品,更低的可在 1.5V 工作.现代单片机又出现了宽电压范围型,即在 2.5~6.5V 内都可正常工作. 6.功耗 低功耗是现代单片机所追求的一个目标, 目前低功耗单片机的静态电流可以低至微安 (μA, 10?6 A)或纳安(nA,10?9 A)级.有的单片机还具有等待、关断、睡眠等多种工作模式,以此 来降低功耗. 7.温度 单片机根据工作温度可分为民用级(商业级) 、工业级和军用级

3 种.民用级的温度范围是 0~70℃,工业级是?40~85℃,军用级是?55~125℃(不同厂家的划分标准可能不同) . 1.2 单片机的发展历史和产品类型 1.2.1 单片机的发展历史 在1970 年微型计算机研制成功之后,单片微型计算机就随之出现了.1976 年,Intel 公司 首先推出了 MCS-48 系列的单片微型计算机,它具有体积小、功能全、价格低等特点,获得了 广泛的应用,为单片机的发展奠定了基础. 单片机的发展历史大致可分为

3 个阶段. 第1阶段 (1976―1978 年) : 这是单片机刚开始出现时的初级阶段, 以Intel 公司的 MCS-48 系列为代表,此系列单片微型计算机具有

8 位CPU、并行 I/O 端口、8 位时序同步计数器,寻 址范围不大于 4KB,但没有串口. 第2阶段 (1978―1982 年) : 高性能单片微型计算机阶段, 如Intel 公司的 MCS-

51、 Motorola 公司的

6801 和Zilog 公司的 Z-8 等系列.该类单片微型计算机具有串口、多级中断处理系统和

16 位时序同步计数器,RAM 和ROM 容量加大,寻址范围可达 64KB,有的芯片还有 A/D 转换 接口. 第3阶段(1982 年至今) :8 位单片微型计算机改良型及

16 与32 位单片微型计算机阶段, 如Intel 公司的

16 位单片机 MCS-96 系列、32 位单片机 ARM 系列. ・5・ Intel 公司在

20 世纪

80 年代初发布了 MCS-51 系列单片机,其代表芯片包括基本型 8051/8751/8031 和增强型 8052/8752/8032,随后几年又相继推出了 80C51/87C51/80C31 和80C52/87C52/80C32,这些统称为

51 系列单片机. 到目前为止,世界各地厂商研制出大约

50 个系列、300 多个各具特色的单片机产品.尽管 目前单片机的品种繁多,但其中最具典型性的仍当属 Intel 公司的 MCS-51 系列单片机和以

51 技术为内核的众多派生单片机产品, 目前市场上流行并占据主导地位的仍是

51 内核及其兼容单 片机.这些单片机和 MCS-51 单片机的指令完全兼容,资料和开发设备比较齐全,价格也比较 便宜.另外,从学习的角度来看,有了

51 单片机的基础后,再学习其他单片机时则非常容易. 这也正是学习单片机技术要从学习 MCS-51 开始的原因. 1.2.2 单片机的产品类型 自从

8 位单片机诞生至今已

30 多年,在百花齐放的单片机家族中,Intel 公司的 MCS-51 以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理,众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰 富的指令系统,堪称为一代 名机 ,为以后的其他单片机的发展奠定了基础.正因为其优越的 性能和完善的结构, 导致后来的许多半导体厂商多沿用或参考 MCS-51 体系结构, 以8051 为基 核,推出了许多兼容性单片机产品,丰富和发展了 MCS-51 单片机,形成了品种丰富的 80C51 系列产品.MCS-51 系列在 Intel 公司转让技术给 Philips 公司后也产生出很多个型号,产品性能 也有所提高. 1.80C51 系列单片机产品 80C51 系列单片机产品繁多, 已成为单片机应用的主流产品. 除了 Intel 公司的 80C51 系列 产品之外,近年来各半导体厂商相继推出的与 80C51 兼容的主要产品有:Atmel 公司融入 Flash 存储器技术的 AT89 系列;

宏晶公司的成本低、高性能 STC89 系列;

SST 公司的 SST89 系列;

Siemens 公司的高抗扰性和电磁兼容性 C500 系列;

Philips 公司的 80C

51、 80C552 系列;

Winbond (台湾华邦)的W78C

51、W77C51 高速低价系列;

ADI 公司的 ADμC8XX 高精度 ADC 系列;

LG 公司的 GMS90/97 低压高速系列;

Maxim 公司的 DS89C420 高速(50 MIPS)系列;

Cygnal 公司的 C8051F 高速 SOC 系列. 2.非80C51 结构的单片机产品 非80C51 结构的单片机新品不断推出,给用户提供了更为广泛的选择空间,近年来推出的 非80C51 系列的主要产品有:Intel 的MCS-96 系列

16 位单片机;

Microchip 的PIC 系列 RISC 单片机;

德州仪器公司的 TMS370 和MSP430F 系列

16 位低功耗单片机;

Atmel 公司的 AT90 系列 AVR 单片机;

Ubicom 公司的 Scenix 单片机;

Zilog 公司的 Z86 系列单片机;

美国国家半 导体公司的 NSCOP8 单片机;

台湾义隆电子的 EM78 系列单片机;

以及 Motorola、 ARM、 NEC、 EPSON、东芝、三星、富士通等单片机. 1.2.3 80C51 系列单片机 1.MCS-51 系列 MCS-51 是Intel 公司生产的单片机系列名称,属于这一系列的单片机有 8051/8751/

8031、 8052/8752/

8032、80C51/87C51/80C

31、80C52/87C52/80C32 等.该系列生产工艺有 HMOS(具 有高速度和高密度的特点)和CHMOS(具有 CMOS 低功耗和 HMOS 高速度、高密度的特点) 两种工艺.在产品型号中凡带有字母 C 的即为 CHMOS 芯片.CHMOS 芯片的电平既能与 TTL 电平兼容,又与能 CMOS 电平兼容. ・6・ 在本书的其他章节论述中,常用到 MCS-51 或8031 这两个词.前者的含义包括了 8051/ 8751/8031 和80C51/87C51/80C31 这一系列产品. 本书在第........