单片机的基本概念

微机组成结构框图

单片机组成框图  
(1) 单板机：将微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路以及简单的输入/输出设备组装在一块印刷电路板上，称其为单板微型计算机，简称单板机。
(2) 单片机：将微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路和相应实时控制器件集成在一块芯片上，称其为单片微型计算机，简称单片机。
(3) 微型计算机：微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路由总线有机地连接在一起的整体，称为微型计算机。
(4) 微型计算机系统：微型计算机与外围设备、电源、系统软件一起构成的系统，称为微型计算机系统。

(1) 通用微机的CPU主要面向数据处理，其发展主要围绕数据处理功能、计算速度和精度的进一步提高。例如，现今微机的CPU都支持浮点运算，采用流水线作业，并行处理、多级高速缓冲(Cache)技术等。CPU的主频达到数百兆赫兹(MHz)，字长普遍达到32位。单片机主要面向控制，控制中的数据类型及数据处理相对简单，所以单片机的数据处理功能比通用微机相对要弱一些，计算速度和精度也相对要低一些。例如，现在的单片机产品的CPU大多不支持浮点运算，CPU还采用串行工作方式，其振荡频率大多在百兆赫兹范围内;在一些简单应用系统中采用4位字长的CPU，在中、小规模应用场合广泛采用8位字长单片机，在一些复杂的中、大规模的应用系统中才采用16位字长单片机，32位单片机产品目前应用得还不多。
(2) 通用微机中存储器组织结构主要针对增大存储容量和CPU对数据的存取速度。现今微机的内存容量达到了数百兆字节(MB)，存储体系采用多体、并读技术和段、页等多种管理模式。单片机中存储器的组织结构比较简单，存储器芯片直接挂接在单片机的总线上，CPU对存储器的读写按直接物理地址来寻址存储器单元，存储器的寻址空间一般都为64 KB。
(3) 通用微机中I/O接口主要考虑标准外设(如CRT、标准键盘、鼠标、打印机、硬盘、光盘等)。用户通过标准总线连接外设，能达到即插即用。单片机应用系统的外设都是非标准的，且千差万别，种类很多。单片机的I/O接口实际上是向用户提供的与外设连接的物理界面。用户对外设的连接要设计具体的接口电路，需有熟练的接口电路设计技术。
1.2  单片机的发展概况
1．4位单片机阶段
       自1975年美国德克萨斯仪器公司首次推出4位单片机TMS-1000后，各个计算机生产公司竞相推出4位单片机。例如美国国家半导体公司(National Semiconductor)的COP402系列，日本电气公司(NEC)的μPD75XX系列，美国洛克威尔公司(Rockwell)的PPS/1系列，日本松下公司的MN1400系列，富士通公司的MB88系列等。
         4位单片机主要用于家用电器、电子玩具等。
2．8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位单片机以后，单片机发展进入了一个新的阶段，8位单片机纷纷应运而生。例如，莫斯特克(Mostek)和仙童(Fairchild)公司共同合作生产的3870(F8)系列，摩托罗拉(Motorola)公司的6801系列等。
        在1978年以前各厂家生产的8位单片机，由于受集成度(几千只管/片)的限制，一般没有串行接口，并且寻址空间的范围小(小于8 KB)，从性能上看属于低档8位单片机。
随着集成电路工艺水平的提高，在1978年到1983年期间集成度提高到几万只管/片，因而一些高性能的8位单片机相继问世。例如，1978年摩托罗拉公司的MC6801系列，齐洛格(Zilog)公司的Z8系列，1979年NEC公司的μPD78XX系列，1980年Intel公司的MCS-51系列。这类单片机的寻址能力达64 KB，片内ROM容量达4~8 KB，片内除带有并行I/O口外，还有串行I/O口，甚至某些还有A/D转换器功能。因此，把这类单片机称为高档8位单片机。
在高档8位单片机的基础上，单片机功能进一步得到提高，近年来推出了超8位单片机。如Intel公司的8X252、UPI-45283C152，Zilog公司的Super8，Motorola公司的MC68HC等，它们不但进一步扩大了片内ROM和RAM的容量，同时还增加了通信功能、DMA传输功能以及高速I/O功能等。自1985年以来，各种高性能、大存储容量、多功能的超8位单片机不断涌现，它们代表了单片机的发展方向，在单片机应用领域发挥着越来越大的作用。
        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。
3．16位单片机阶段
        1983年以后，集成电路的集成度可达十几万只管/片，16位单片机逐渐问世。这一阶段的代表产品有1983 年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司又推出的80C96，美国国家半导体公司推出的HPC16040和NEC公司推出的783XX系列等。
        16位单片机把单片机的功能又推向了一个新的阶段。如MCS-96系列的集成度为12万只管/片，片内含16位CPU、8 KB ROM、232字节RAM、5个8位并行I/O口、4个全双工串行口、4个16位定时器/计数器、8级中断处理系统。MCS-96系列还具有多种I/O功能，如高速输入/输出(HSIO)、脉冲宽度调制(PWM)输出、特殊用途的监视定时器(Watchdog)等等。
        16位单片机可用于高速复杂的控制系统。
4．32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。由于控制领域对32位单片机需求并不十分迫切，所以32位单片机的应用并不很多。
        需要提及的是，单片机的发展虽然按先后顺序经历了4位、8位、16位的阶段，但从实际使用情况看，并没有出现推陈出新、以新代旧的局面。4位、8位、16位单片机仍各有应用领域，如4位单片机在一些简单家用电器、高档玩具中仍有应用，8位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地位，16位单片机在比较复杂的控制系统中才有应用。
1.3  单片机的特点及应用
1.3.1  单片机的特点
(1) 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。这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中，有较大的程序存储器空间，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形式集成在单片机内，以加速单片机的执行速度。但单片机内的RAM是作为数据存储器用，而不是当作高速缓冲存储器(Cache)使用。
(2) 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。
        (3) 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。
       (4) 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。
1.3.2  单片机的应用
(1) 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。
       (2) 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。
       (3) 抗干扰能力强，适用温度范围宽，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。
       (4) 可以方便地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。
单片机的应用范围十分广泛，主要的应用领域有：
       (1) 工业控制。单片机可以构成各种工业控制系统、数据采集系统等。如数控机床、自动生产线控制、电机控制、温度控制等。
       (2) 仪器仪表。如智能仪器、医疗器械、数字示波器等。
       (3) 计算机外部设备与智能接口。如图形终端机、传真机、复印机、打印机、绘图仪、磁盘/磁带机、智能终端机等。
       (4) 商用产品。如自动售货机、电子收款机、电子秤等。
       (5) 家用电器。如微波炉、电视机、空调、洗衣机、录像机、音响设备等。
1.4.1  MCS系列产品
第一阶段(1971~1976年)：单片机发展的初级阶段。1971年11月，Intel公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel 4004，并配有RAM、ROM和移位寄存器，构成了第一台MCS-4微处理器。它的推出拉开了单片机研制的序幕。
         第二阶段(1976~1980年)：低性能单片机阶段。这一阶段以1976年Intel公司推出的MCS-48系列为代表产品。
第三阶段(1980~1983年)：高性能单片机阶段。这一阶段以1980年Intel公司推出的MCS-51系列为代表产品。
         第四阶段(1983年至今)：16位单片机阶段。这一阶段以1983年Intel公司推出的MCS-96系列为代表产品。
表1.1  INTEL主要单片机系列

1.4.2  MCS-51系列单片机的结构特点
就CPU的结构来说，通用微机的CPU内部有一定数量的通用或专用寄存器，而MCS-51系列单片机则在数据RAM区开辟了一个工作寄存器区。该区共有4组，每组8个寄存器，共计可提供32个工作寄存器，相当于通用微机CPU中的通用寄存器。除此之外，MCS-51系列单片机还有颇具特色的21个特殊功能寄存器SFR。要理解MCS-51系列单片机的工作，就必须对特殊功能寄存器SFR的工作有清楚的了解。SFR使仅具有40条引脚的单片机系统的功能有很大的扩展。由于这些SFR的作用，每个通道在程序控制下，都可有第二功能，从而使得有限的引脚能衍生出更多的功能。而且，利用SFR可完成对定时器、串行口、中断逻辑的控制，这就使得单片机可以把定时/计数器、串行口、中断逻辑等集成在一个芯片上。
MCS-51系列单片机在存储器结构上与通用微机也有不同之处，通用微机中程序存储器和数据存储器是一个地址空间，而单片机把程序存储器和数据存储器分成两个独立的地址空间，采用不同的寻址方式，使用两个不同的地址指针，PC指向程序存储器，DPTR指向数据存储器。采用这种结构主要是考虑到工业控制的特点。一般工业控制系统中，需要较大的程序存储器空间和较小的随机存储器空间，不同于通用微机需要较大的数据存储器空间。
MCS-51系列单片机在输入输出接口方面的特点是，通道口引线在程序的控制下都可有第二功能，可由用户系统设计者灵活选择。比如数据线和地址线低8位可分时合用通道0，而地址线高8位与其它信号线也可合用通道2。由于存储器和接口都在片内，就给应用提供了方便，往往只在其引脚处增加驱动器即可简化接口设计工作，提高单片机与外设数据交换的处理速度。同时，功能变换和选择由相应的指令来控制实现，而不是靠硬件上的跳线短接等方法实现。MCS-51系列单片机I/O引脚一线多功能的特点方便了用户，但在组成应用系统时，也应根据其特点分时使用。
MCS-51系列单片机的另一个显著特点是内部有一个全双工串行口，即可同时发送和接收；有两个物理上独立的接收、发送缓冲器。发送缓冲器只能写入不能读出，接收缓冲器只能读出不能写入。在程序的控制下，串行口能工作于四种方式，用户可根据需要，设定为移位寄存器方式以扩展I/O口和外接同步输入输出设备，或用作异步通信口，以实现双机或多机通信，极为方便地组成分布式控制系统。
         最后还值得一提的是，MCS-51系列单片机内部有一个功能相对独立的位处理机(即布尔处理机)，因而其具有较强的位处理功能。
MCS-51系列单片机的另一个显著特点是内部有一个全双工串行口，即可同时发送和接收；有两个物理上独立的接收、发送缓冲器。发送缓冲器只能写入不能读出，接收缓冲器只能读出不能写入。在程序的控制下，串行口能工作于四种方式，用户可根据需要，设定为移位寄存器方式以扩展I/O口和外接同步输入输出设备，或用作异步通信口，以实现双机或多机通信，极为方便地组成分布式控制系统。
         最后还值得一提的是，MCS-51系列单片机内部有一个功能相对独立的位处理机(即布尔处理机)，因而其具有较强的位处理功能。