单片机的基本知识

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1、单片机的基本知识随着电子技术的飞速发展，各种形形色色的“智能”电子产品走进我们的生活。在这些电子产品中不乏单片机的身影，其中那些所谓的“智能”部分的工作就可以由单片机来控制完成。单片机主要应用于工业控制方面，同时也应用到通信、检测等各行各业。1、单片机的概念单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。在一块小芯片上有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统。目前大部分还会具有外存。同时还集成了通信接口、定时器、实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统称之为偏上系统，在一块芯片内可以集成声音、图像、网络、数模转换等复杂的输入输出系统。在通用微机中央处理器基础上，

2、将输入/输出（I/O）接口电路、时钟电路以及一定容量的存储器等部件集成在同一芯片上，再加上必要的外围器件，如晶体振荡器，就构成了一个较为完整的计算机硬件系统。由于这类计算机系统的基本部件均集成在同一芯片内，因此被称为单片微控制器（Single-Chip-MicroController简称单片机）或微控制单元（MicroControllerUnit,MCU）.2、单片机的分类（1）按生产厂商分类。美国的英特尔（Intel）公司、摩托罗拉（Motorola）公司、国家半导体（NS）公司、Atmel公司、微芯片（Microchip）公司、洛克威尔（Rockwell）公司、莫斯特克公司（Mostek）

3、、齐洛格（Zilog）公司、仙童（Fairchid）公司、德州仪器（TI）公司等。日本的电气（NS）公司、东芝（Toshiba）公司、富士通（F）公司、松下公司、日立（Hitachi）公司、日电（NEC）公司、夏普公司等。（2）根据应用领域来分。1）工控型/家电型。工控型的单片机主要是面向测控，要求寻址范围大，运算能力强。家电型的单片机要求体积小、价格低，外围器件少，使用方便。2）总线型/非总线型。总线型单片机是指单片机设有并行总线，用以扩展并行外围器件。非总线型单片机是指单片机通过串行口与外围器件链接，或直接把外围器件、外设接口集成在片内。3）通用型/专用型。通用型单片机，它的应用范围宽，如

4、Intel公司的MCS-51系列产品8031、8051等通过不同的外围扩展就可以用在不同的设备中。专用型单片机是专门为某一产品设计生产的如电子体温计、计费电度表等。（3）按字长分1）4-BIT单片机。4位单片机的控制功能较弱。CPU一次只能处理4位二进制数。这类单片机常用于计算器、各种形态的只能单元以及作为家用电器中的控制器。典型产品有NEC公司的CPD75系列、NS公司的COP400系列、松下公司的MN1400系列、ROCKWELL公司的PPS/1系列、富士通公司的MB88系列、夏普公司的SM系列、Toshiba公司的TMP47系列等。2）8-BIT单片机。8位单片机的控制功能较强，品种最为

5、齐全。和4位单片机相比，它不仅具有较大的存储容量和寻址范围，而且中断源、并行I/O接口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加，并集成有全双工串行通信接口。在指令系统方面，普遍增设了乘除指令和比较指令。特别是8位机中的高性能增强型单片机，除片内增加了A/D和D/A转换器外，还集成有定时器捕捉/比较寄存器、监视定时器(Watchdog)、总线控制部件和晶体振荡电路等。这类单片机由于其片内资源丰富和功能强大，主要在工业控制、智能仪表、家用电器和办公自动化系统中应用。代表产品有Intel公司的MCS-48系列和MCS-51系列、Microchip公司的PIC16CXX系列和PIC17CXX系列以及P

6、IC1400系列、Motorola的M68HC05系列和M68HC11系列、Zilog公司的Z8系列、飞利浦公司的80C51系列(同MCS-51兼容)、Atmel公司的AT89系列(同MCS-51兼容)、NEC公司的UPD78XX系列等等。3) 16-BIT单片机。16位单片机是在1983年以后发展起来的。这类单片机的特点是：CPU是16位的，运算速度普遍高于8位机，有的单片机的寻址能力高达1MB，片内含有A/D和D/A转换电路，支持高级语言。这类单片机主要用于过程控制、智能仪表、家用电器以及作为计算机外部设备的控制器等。典型产品有Intel公司的MCS-96/98系列、Motorola公司的

7、M68HC16系列、TI公司的MSP430系列等。其中，以MSP430系列最为突出。它集成了较丰富的片内外设：看门狗(WDT)、模拟比较器A、定时器A(Timer_A)、定时器B(Timer_B)、串口0、1(US-ART0、1)、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、12C总线直接数据存取(DMA)、端口0(P0)、端口16(P1-P6)、基本定时器(BasicTimer)等的一些外围模块。4) 32-BIT单片机。32位单片机的字长为32位，是单片机的顶级产品，具有极高的运算速度。随着家用电子系统的新发展，32位单片机的市场前景看好。继16位单片机出现后不久，几大公司先后推出了代表

8、当前最高性能和技术水平的32位单片微机系列。32为单片机具有极高的集成度，内部采用新颖的RISC(精简指令系统计算机)结构，CPU可与其他微控制器兼容，主频频率可大33MHz以上，指令系统进一步优化，运算速度可动态改变，设有高级语言编译器，具有性能强大的中断控制系统、定时/时间控制系统、同步/异步通信控制系统。代表产品有Intel公司的MCS-8090系列Motorola公司的M68300系列、Hitachi公司的SuperH(简称SH)系列等。1) (4)按制造工艺分HMOS工艺。高密度短沟道MOS工艺，具有高速度、高密度的特点。2) CHMOS(或HCMOS)工艺。互补的金属氧化物的HMO

9、S工艺，是CMOS和HMOS的结合，具有高密度、高速度、低功耗的特点。Intel公司产品型号中若带有字母“C”，Motorola公司产品型号中若带有字母“HC”或“L”，通常为CHMOS工艺。1.2单片机技术发展单片机发展经历的三个阶段单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。1) SCM即单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)阶段，为单片机发展奠定基础的主要阶段，是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。2) MCU即微控制器(MicroControllerUnit)阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的

10、各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。3）所谓SOC技术，是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。实用SOC技术设计系统的核心思想，就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片上。在实用SOC技术设计应用系统，除了那些无法集成的外部电路或机械部分以为，其他所有的系统电路全部集成在一起。

11、随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片机应用系统。1. 单片机的发展趋势随着制造工艺不断提高，单片机将向着低功耗、容量大、性能高、外围电路内装等几个方面发展。1）低功耗。由于CHMOS技术的进步，CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，是单片机可以工作在功耗精细管理状态。单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺，静态电流可降到1mA以下；低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。2）容量大。以往单片机内的ROM为

12、14KB,RAM为64128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，是片内存储器大容量化。目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。3）性能高。主要是指进一步改变CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS（MillionInstructionPerSeconds，即兆指令每秒），并加强了位处理、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，可以

13、使用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。4）外围电路内装。这是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种外围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器？声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。5）串行扩展技术。在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位OTP（OneTimeProgramble）及各种特殊类型片内程序存储器的发展，加之外围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。特

14、别是FC、SPI等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。1.3单片机的应用领域目前，只要有智能电子应用的地方都能见到单片机的身影。例如导弹的导航装置，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，录音机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴。1. 在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便

15、等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不用类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度等物理量的测量。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）等。2. 在家用电器中的应用所有的智能家电基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、音响视频器材等。3. 在通信领域中的应用单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件。例如手机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、无线电对讲机等。4. 在工业控制中的应用单片机在工业控制领域的应用越来越广。例如数据检测系统、数据采集系统、工厂

16、流水线的智能化管理系统，电梯智能化控制系统、各种报警系统等。5. 单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机、各种分析仪、监护仪、超声诊断设备及病床呼叫系统等。6. 单片机在汽车设备领域中的应用单片机在汽车电子钟的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器、GPS导航系统、abs防抱死系统、制动系统等。此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。1.4典型单片机芯片的简介1. Intel单片机Intel公司的单片机产品主要有MCS-48、MCS-51和MCS-96系列。其中MCS-48系

17、列单片机属于低档单片机，功能较弱，目前很少使用。MCS-51系列单片机是Intel公司于1980年推出的高性能8位单片机，它的片内RAM和ROM容量、I/O功能系统的扩展能力以及指令体统的功能都很强。MCS-51系列单片机采用模式结块式结构。一般采用HMCS和CHMOS工艺制造。这两种单片机完全兼容，COMS的工艺较先进，它具有HMOS的高速度和COMS的低功耗特点。美国Intel公司生产的MCS-51系列单片机特性见表1-1。表1-1Intel公司生产的单片机典型产品特性系列典型芯片I/O口定时/计数器中断源串行通信口片内F51系列80c314x8位2x16位5UART128字80c514x

18、8位2x16位5UART128字80c514x8位2x16位5UART128字80c514x8位2x16位5UART128字52系列80c324x8位2x16位6UART256字80c524x8位2x16位6UART256字80c524x8位2x16位6UART256字80c524x8位2x16位6UART256字2. Motorola单片机Motorola是世界上最大的单片机厂商，品种全,选择余地大,新产品多。在8位机方面有68HC05和升级产品68HC08,68HC05有30多个系列200多个品种,产量超过20亿片。16位单片机68HC16也有十多个品种.32位单片机683XX系列也有几十

19、个品种.Motorola单片机特点之一是在同样的速度下所用的时钟较Intel类单片机低的多，因而使得高频噪声低、抗干扰能力强，更适合用于工控领域以及恶劣环境。3. Microchip单片机Microchip单片机是市场上份额增长最快的单片机。它的主要产品是16C系列8位单片机,CPU采用RISC结构，仅33条指令，其高速度，低电压，低功耗，大电流LCD驱动能力和底价位OTP技术等都提现出单片机产业的发展新趋势。Microchip单片机单片机没有掩膜产品，Microchip强调节约成本的最优化设计、使用量大。档次低、价格敏感的产品。4. Atmel单片机Atmel公司的90系列单片机是增强RIS

20、C的内载Flash的单片机，通称为AVR单片机。90系列单片机是基于新的精简指令RISC结构的。这种结构是在90年代开发出来的综合了半导体集成技术和软件性能的新结构，这种结构是在90年代开发出来的综合了半导体集成技术和软件性能的新结构。这种结构使得在8位微处理器市场上AVR单片机具有最高MIPS/mw能力。它内部含Flash存储器高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读，程序存储器器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯

21、片，到目前为止，已经形成三大系列，即AT89系列、AT90系列和AT91系列。5. NEC单片机NEC单片机有8位、16位、32位单片机。16位以上单片机采用内部倍频技术，以降低外时钟频率。有的单片机采用内置操作系统。6. 东芝单片机东芝单片机种类繁多，从4位单片机到64位单片机都有。4位机在家电领域仍有较大的市场。8位机主要有870系列、90系列等，该类单片机允许使用慢模式，采用32K时钟时功耗降至10mA数量级。CPU内部多组寄存器的使用，使得中断响应与处理更加快捷。东芝的32位单片机采用MIPS3000ARISC的CPU结构，面向VCD、数字相机、图象处理等市场。常用单片机性能见表1-2

22、表1-2常用单片机性能表公司系列片内ROM片内RAM寻址范围并行口串行口定时/计数器中断IntelMCS-481K/4K64/256B4KB3x8位1x82MCS-514K/8K128/256B64KB4x8位URAT2x165/68XC51FX-8/32K256B64K4x8位URAT3x1678XC51GB-8K256B64K6x8位2URAT3x1615Motorola68012K/4K128/256B64K3x8位1x5位URAT3x16位268051K/4K64/112B2K/8K2x8位1x4位1x8位1/468HC11A8K256B64K22-38位1SCI1SCP16位20ZilogZ82K/4K124B64K8x1位4x4位1x8位URAT2x8位6FairchildF864K4K2x8位NECUPD78XX4K/6K128/256B64K6x8位URAT1x12位3TITMS70002K/12K128B64K4x8位URAT1/2x13位26NS80702K/2.5K64/128B64/128K5x8位URATPhilips8XC5528K256B64K6x8位URAT3x16位158K