1.3 项目相关知识

1.3.1 单片机的基础知识

单片机自问世以来，以其极高的性能价格比越来越受到人们的重视和关注。目前，单片机被广泛地应用于智能仪表、机电设备、过程控制、数据处理、自动检测和家用电器等方面。

1.单片机名称的由来

无论规模大小、性能高低，计算机的硬件系统都是由运算器、存储器、输入设备、输出设备及控制器等单元组成的。在通用计算机中，这些单元被分成若干块独立的芯片，通过电路连接而构成一台完整的计算机。而单片机技术则将这些单元全部集成到一块集成电路中，即一块芯片（芯片外形见图1-3）就构成一个完整的计算机系统。这成为当时这一类芯片的典型特征，因此，就以Single Chip Microcomputer来称呼这一类芯片，中文译为“单片机”，这在当时是唯一准确的表达。但随着单片机技术的不断发展，“单片机”已无法确切地表达其内涵，国际上逐渐采用MCU（Micro Controller Unit）来称呼这一类计算机，并成为单片机界公认的、最终统一的名词。但国内由于多年来一直使用“单片机”的称呼，已经约定俗成，所以目前仍采用“单片机”这一名词。

2.单片机的技术发展历史

1）单片机的发展阶段

单片机的发展可分为以下4个阶段。

（1）第一代：单片机探索阶段。主要有通用CPU68xx系列和专用CPUMCS-48系列。（2）第二代：单片机完善阶段。表现在：

① 面对对象，突出控制功能，专用CPU满足嵌入功能。

② 寻址范围为16位或8位。

③ 规范的总线结构，有8位数据线，16位地址线及多功能异步串行口（UART）。

④ 特殊功能寄存器（SFR）的集中管理模式。

⑤ 海量位地址空间，提供位寻址及位操作功能。

⑥ 指令系统突出控制功能。

（3）第三代：微控制器形成阶段。这一阶段已形成系列产品：以805l系列为代表，如8031、8032、805l和8052等。

（4）第四代：微控制器百花齐放。表现在：

① 电气商、半导体商广泛加入。

② 满足最低层电子技术的应用（玩具、小家电）。

③ 大力发展专用型单片机。

④ 致力于提高单片机的综合品质。

2）单片机的发展方向

未来单片机技术的发展趋势可归结为以下10个方面。

（1）主流型机发展趋势。8位单片机为主流，少量32位机，16位机可能被淘汰。

（2）全盘CMOS化趋势。指在HCMOS基础上的CMOS化，CMOS速度慢、功耗小，而HCMOS具有低功耗及低功耗管理技术等特点。

（3）RISC体系结构的发展。早期CISC指令较复杂，指令代码周期数不统一，难以实现流水线（单周期指令仅为1MIPS）。采用RSIC体系结构可以精简指令系统，使其绝大部分为单周期指令，很容易实现流水线作业（单周期指令速度可达12MIPS）。

（4）大力发展专用单片机。

（5）OTPROM、FlashROM成为主流供应状态。

（6）ISP及基于ISP的开发环境。FlashROM的应用推动了ISP（系统可编程技术）的发展，这样就可实现目标程序的串行下载，PC可通过串行电缆对远程目标高度仿真、更新软件等。

（7）单片机的软件嵌入。目前的单片机只提供程序空间，没有驻机软件。ROM空间足够大后，可装入如平台软件、虚拟外设软件和用于系统诊断管理的软件等，以提高开发效率。

（8）实现全面功耗管理。例如，采用ID、PD模式、双时钟模式、高速时钟/低速时钟模式和低电压节能技术。

（9）推行串行扩展总线，如I2C总线等。

（10）ASMIC技术的发展，如以MCU为核心的专用集成电路（ASIC）。

3.单片机的应用模式

1）单片机应用系统的结构

单片机应用系统的结构分为以下3个层次。

（1）单片机：通常指应用系统的主处理机，即所选择的单片机器件。

（2）单片机系统：指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统，如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机构成了单片机系统。

（3）单片机应用系统：指能满足嵌入对象要求的全部电路系统。在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道（键盘、显示器、打印机等）和串行通信口（RS232）及应用程序等。

单片机应用系统3个层次的关系如图1-4所示。

2）单片机的种类

单片机可按应用领域、通用性和总线结构分类。

（1）按应用领域可分为：家电类、工控类、通信类和个人信息终端等。

（2）按通用性可分为：通用型和专用型（如计费率电表、电子记事簿）。

（3）按总线结构可分为：总线型和非总线型。例如，89C51 为总线型，有数据总线、地址总线及相应的控制线（WR、RD、EA、ALE 等）；89C2051 为非总线型，其外部引脚少，可使成本下降。

3）单片机的供应状态

单片机按提供的存储器类型可分为以下5种。

（1）MASKROM类：程序在芯片封装过程中用掩膜工艺制作到ROM区中，如80C51，适合大批生产。

（2）EPROM类：紫外线可擦写存储器类，如87C51，价格较贵。

（3）ROMless类：无ROM存储器，如80C31，电路扩展复杂，较少用。

（4）OTPROM类：可一次性写入程序。

（5）FlashROM（MTPROM）类：可多次编程写入的存储器，如89C51、89C52，其成本低，开发调试方便，在恶劣环境下可靠性不及OTPROM。

4）单片机的应用模式

单片机应用模式的分类如图1-5所示。各应用模式的结构如图1-6～图1-9所示。

4.单片机的应用开发过程

单片机的应用开发可分为以下5个过程。

（1）硬件系统设计调试。如电路设计、PCB印制板绘制等。

（2）应用程序的设计。可使用如Wave、Keil等汇编工具软件进行源程序编写、编译调试等。

（3）应用程序的仿真调试。用仿真器对硬件进行在线调试或软件仿真调试，在调试中不断修改、完善硬件及软件。

（4）单片机应用程序的烧写。用专用的单片机烧写器可将编译过的二进制源程序文件写入单片机（FlashROM）芯片内。

（5）系统脱机运行检查。进行全面检查，针对出现的问题修正硬件、软件或总体设计方案。

5.单片机的具体型号

MCS-51是指由美国Intel公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了多个种类，如803l、8051、8751、8032、8052和8752等，其中8051是最早、最典型的产品。该系列其他单片机都是在 8051 的基础上进行功能的增、减改变而来的，所以人们习惯用 8051来称呼MCS-51系列单片机。Intel公司将MCS-51的核心技术授权给了很多其他公司，所以有很多公司在开发以8051为核心的单片机。

由于单片机的种类很多，在选择单片机时要依据实际设计要求选择合适的单片机。例如，当设计仅需要一个单片机定时器时，可选择89C1051或89C2051即可，而不需要选择89C51或 89C52，因为后者比前者贵了一倍。当然，如果程序和数据区的要求较高，那么选择的单片机还要能满足程序空间的要求。表1-1所示为常用的51单片机的内部资源。

51系列单片机除了上述常用的种类外，还有一些功能增强型的系列，例如，内置A/D型、存储器增大型等。芯片的资源如表1-2所示。

除了常用的51系列单片机外，还有一些其他的单片机系列，这些单片机和51系列单片机不兼容，程序指令也不相同，如摩托罗拉、PIC等系列的单片机。常用的PIC单片机如表1-3所示。