任务1.2 了解单片机的基本情况

1.任务书

2.活动

活动① 单片机应用已经渗透到我们日常生活的方方面面，例如我们在超市看到购买散装食品时所使用的电子秤（具有称重、自动计算金额并打印条形码的功能），请根据自己理解，简单描述一下电子秤工作原理以及实现方式。

附注：描述工作原理过程，同时附上原理方框图。

活动② 市场调查

请上网查阅资料，粗略统计目前市场上常用单片机的厂商、型号及使用情况，并完成下表。

附注：表格不够时，可自行添加。

活动③ 请阅读项目1中的知识点1.1，完成下面的表格。

活动④ 计算机已经深入我们生活的方方面面，单片机作为计算机的一个分支，也正在丰富和改善我们的生活，通过项目1中知识点1.1的资料，对计算机（PC）与单片机进行比较，完成下面的表格。

活动⑤ 通过阅读项目1中知识点1.1的材料，说明什么是单片机，并总结出学习单片机的重要性。

活动⑥ 通过阅读项目1中知识点1.1的材料，请说明MCS-51单片机与8051、8031、89C51之间的联系和区别？

活动⑦ 拓展讨论

以本任务查阅单片机的资料为例，说明如何在互联网上获取权威真实资料？

__________________

__________________

__________________

3.任务考核

附：参考资料收集情况

__________________

__________________

__________________

知识点1.1 单片机的发展及应用特点

1.什么是单片机

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术将中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、定时/计数器和多种接口电路集成到一块芯片上构成的微型计算机。虽然只是一块集成电路，但从组成和功能上看，已经具有计算机系统的基本属性，因此被称为单片微型计算机，简称单片机。单片机芯片如图1-5所示。

单片机是功能极其强大的超规模集成电路芯片，是一个最小的、完整的微型计算机控制系统。它与个人计算机（PC）有着本质的区别。单片机的应用属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统，以及其它集成电路应用技术，使用特定芯片设计应用程序，从而使单片机芯片具备特定的功能。

2.单片机的发展

自1971年Intel公司4位微处理器4004研制成功，单片机经过几十年的发展，应用范围不断扩大，逐渐成为微型计算机的一个重要分支，单片机的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步，单片机的发展过程可分为以下4个阶段。

1）第一代单片机（1974—1976年）

这是单片机发展的初级阶段。这时生产的单片机，制造工艺比较落后，集成度也较低，并且普遍采用了双片形式，其代表产品为仙童公司的F8+3851、Mostek公司的3870等。

2）第二代单片机（1976—1978年）

这是单片机发展的成长阶段。主要实现了单个芯片上的计算机集成，成为计算机发展史上的重要里程碑。自此，单片机应用进入测控领域，开启进入了智能化的工业控制时代。其最典型的代表产品为Intel公司的MCS-48系列。

3）第三代单片机（1979—1982年）

这是8位单片机发展的成熟阶段。这一代单片机结束了以往计算机单片集成的简单形式，真正开创了单片机作为微控制器的发展道路，具有品种齐全、兼容性强、软/硬件资源丰富以及性能较高等特点。其典型代表产品主要有Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的MC6801系列以及Zilog公司的Z8系列等。

4）第四代单片机（1983年以后）

这是单片机发展的高速阶段。8位高性能单片机、16位单片机和后来的32位单片机并行发展，以及在此基础上实现的高速I/O口，可用来快速探测外部事件和触发外部事件，为了保证程序可靠运行的监视计数器WDT，满足传感器接口要求的模数转换器和数模转换器以及各种人机对话接口等。单片机的广泛应用使世界各大电气公司都积极开发出自己的单片机系列，许多小型半导体厂商也纷纷参与单片机的发展，世界上一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有50多个系列，400多个品种。特别是20世纪90年代以来推出的各种8位、16位以及32位单片机，性能更高、功能更多、功耗更低，而且品种众多，单片机得到了空前的高速发展，美国的Intel与Motorola、荷兰的Philips、德国的Siemens、日本的NEC等世界知名公司都开发出自己的系列产品，其典型代表产品主要有Intel公司的MCS-96系列、Motorola公司的M68HC08系列等。单片机的产品已占整个微机产品的80%以上，其中8位单片机的产量又占整个单片机产量的60%以上，这说明8位单片机今后一段时期仍是工业检测、控制应用的主流。

3.单片机的应用

单片机可分为通用型单片机和专用型单片机两类。通用型单片机就是一种基本芯片，其内部资源比较丰富、性能全面，且适用性较强，应用范围较广，用户可根据需要进行再设计与开发。而专用型单片机是针对某些特定的场合而专门设计的芯片，其应用范围有一定的局限性，但它指令执行时间短，运算速度快，精度较高。人们通常所说的单片机指的就是通用型单片机。单片机自身的特点决定了其应用非常广泛，已经深入到工业、农业、国防、科研、教育以及日常生活等各个领域，对各行各业的技术改造以及产品的更新换代起到了极大的推动作用。

1）单机应用

在一个应用系统中，只使用一片单片机，这是目前应用最多的方式。

（1）智能仪表。单片机应用于各种仪器仪表的更新改造，实现仪表的数字化、智能化、多功能化、综合化及柔性化，并使长期以来关于测量仪表中的误差修正和线性化处理等难题迎刃而解。由单片机构成的智能仪表，集测量、处理、控制功能于一体，测量速度和测量精度得到提高，控制功能得到增强，简化了仪器仪表的结构，利于使用、维修和改进。

（2）工业实时控制。单片机应用于各种工业实时控制中，如炉温控制系统、火灾报警系统、化学成分的测量和控制等，单片机技术与测量技术、自动控制技术相结合，利用单片机作为控制器，发挥其数据处理和实时控制功能，提高系统的生产效率和产品的自动化程度。采用单片机作为机床数控系统的控制机，可以提高机床数控系统的可靠性、增强功能、降低控制机成本，并有可能改变数控控制机的结构模式。

（3）机电一体化。单片机促进了机电一体化的发展，利用单片机改造传统的机电产品，能够使产品体积减小、功能增强、结构简化，与传统的机械产品相结合，构成了自动化、智能化的机电一体化新产品。例如，在电传打字机的设计中，由于采用单片机，从而取代了近千个机械部件。

（4）通信接口。在数据采集系统中，用单片机对模数转换接口进行控制，不仅可以提高采集速度，而且还可以对数据进行预处理，如数字滤波、线性化处理及误差修正等，在通信接口中，采用单片机，可以对数据进行编码、解码、分配管理以及接受/发送等工作。在一般计算机测控系统中，除打印机、键盘、磁盘驱动器、CRT等通用外部设备接口外，还有许多外部通信、采集、多路分配管理以及驱动控制等接口，如果完全由主机进行管理，势必造成主机负担过重，降低系统的运行速度，降低接口的管理水平。利用单片机进行通信接口的控制与管理，能够提高系统的运行速度，减少接口的通信密度，提高接口的管理水平。单片机在计算机网络和数字通信中具有非常广阔的应用前景。

（5）家用电器。目前，国内外各种家用电器已普遍采用MCU代替传统的控制电路，使用的MCU大多是小型廉价型的单片机。在这些单片机中集成了许多外设的接口，如键盘、显示器接口及A/D等功能单元，而不用并行扩展总线，故常制作成单片机应用系统。例如，洗衣机、电冰箱、微波炉、电饭锅、电视机及其他视频音像设备的控制器。目前的主要发展趋势是模糊控制化，以形成众多的模糊控制家电产品。

此外，单片机成功应用于玩具、游戏机、充电器、IC卡、电子锁、电子秤、步进电机、电子词典、照相机、电风扇和防盗报警等日常生活用品中；在汽车的点火控制、变速控制、排气控制、节能控制、冷气控制以及防滑刹车中也有很多应用。总之，单片机技术集计算机技术、电子技术、电气技术、微电子技术于一身，作为一种智能化的现代开发工具，从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法，随着现代电子技术的普及与发展，其应用领域无所不至，无论是工业部门、民用部门乃至国防等，都有其广泛应用。

2）多机应用

（1）多功能离散系统。多功能离散系统是为了满足工程系统多种外围功能要求而设置的多机系统。例如，加工中心的刀具管理系统，坐标显示系统、状态监视系统、换刀系统以及伺服系统等。

（2）并行多机控制系统。为了解决工程应用系统的快速响应问题，常用多片单片机构成大型实时工程应用系统，这些系统中有快速并行数据采集、处理以及图像处理系统等。

（3）局部网络应用系统。单片机在网络中出现，通常就是分布式测控系统。

4.单片机的特点

单片机是计算机的一个重要分支，自问世以来所走的路线与微处理器都是不同的。微处理器向着高速运算、数据分析与处理能力、大规模容量存储等方向发展，以提高通用计算机的性能，其接口界面也是为了满足外设和网络接口而设计的。而单片机则是从工业测控对象、环境、接口特点出发，向着增强控制功能、提高工业环境下的可靠性、灵活、方便的构成应用计算机系统的界面接口的方向发展。因此，单片机有着自己的特点，主要表现以下几个方面。

（1）品种多样，型号繁多。品种型号逐年扩充以适应各种需要。使系统开发者有很大的选择自由。CPU从4位、8位、16位、32位到64位，有些还采用RISC技术。

（2）提高性能，扩大容量。集成度已达200万个晶体管以上。总线工作速度已达数十微秒。工作频率达到30MHz甚至40MHz。指令执行周期减到十几微秒。存储器容量RAM发展到1KB、2KB，ROM发展到32KB、64KB。

（3）增加控制功能，向外部接口延伸。把原属外围芯片的功能集成到本芯片内。现今的单片机已发展到在一块含有CPU的芯片上，除嵌入RAM、ROM存储器和I/O接口外，还有A/D、PWM、U ART、Timer/Counter、DMA、Watchdog、Serial Port、Sensor、driver，以及显示驱动、键盘控制、函数发生器、比较器等，构成一个完整的功能强的计算机应用系统。

（4）低功耗。供电电压从5V降到3V、2V甚至1V左右。工作电流从mA级降到μA级。在生产工艺上以CMOS代替NMOS，并向HCMOS过渡。

（5）应用软件配套。提供了软件库，包括标准应用软件、示范设计方法。使用户开发单片机应用系统时更快速、方便，有可能做到用一周时间开发一个新的应用产品。

（6）系统扩展与配置。有供扩展外部电路用的三总线结构DB、AB、CB，以方便构成各种应用系统。根据单片机网络系统、多机系统的特点专门开发出单片机串行总线。此外，还特别配置有传感器、人机对话、网络多通道等接口，以便构成网络和多机系统。

5.单片机主要产品

51系列单片机源于Intel公司的MCS-51系列，在Intel公司将MCS-51系列单片机实行技术开放政策之后，许多公司，如Philips、Dallas、Siemens、Atmel、华邦、LG等都以MCS-51中的基础结构8051为基核推出了许多各具特色、具有优异性能的单片机。这样，把这些厂家以8051为基核推出的各种型号的兼容型单片机统称为51系列单片机。Intel公司MCS-51系列单片机中的8051是其中最基础的单片机型号。由于它应用广泛且功能不断完善，因此成为单片机初学者的首选机型。

现将产品销量大、发展前景好的各系列8位单片机简单介绍如下。

1）Intel公司的MCS-51系列单片机

Intel公司的MCS-51系列部分单片机型号和性能指标如表1-4所示，其中带“C”的为CHMOS工艺的低功耗芯片，否则就是HMOS工艺芯片。该类单片机大多采用PDIP、PLCC封装形式，图1-6为Intel公司的单片机。

2）Atmel公司的AT89系列单片机

AT89系列单片机与MCS-51系列单片机完全兼容，已成为使用者的首先主流单片机机型，其特征为片内Flash是一种高速的EEPROM，可在内部存放程序，方便实现系统扩展和多机系统。芯片型号中带“C”的为CHMOS工艺的低功耗芯片，“LV”表示低电压，“S”表示该芯片含有可编程功能，该类单片机大多采用PDIP、PLCC和TQFP封装形式。目前市场有一种S系列代替C系列的趋势，S系列的最大优点是具有在线编程功能，即可以在不拔下芯片的情况下，直接对芯片进行编程操作，同时该芯片自带看门狗电路，图1-7为Atmel公司的单片机。

3）Philips公司的89系列单片机

荷兰Philips公司推出的89系列单片机也是一种8位的Flash单片机，与Atmel公司的89系列产品相似，具体性能指标如表1-4所示，图1-8为Philips公司的单片机。

4）Motorola公司的MC68HC系列单片机

MC68HC系列单片机是Motorola公司推出的8位单片机，其型号庞大，同一系列单片机的CPU相同，指令也完全相同。但与MCS-51系列单片机不兼容，指令系统也不相同。表1-5列出MC68HC系列部分单片机型号与性能指标。图1-9为Motorola公司的单片机。

5）Microchip（微芯）公司的PIC系列单片机

PIC系列单片机是由美国Microchip（微芯）公司推出的8位高性能单片机。该系列单片机采用RISC结构，指令系统只有35条，4种寻址方式，指令总线和数据总线分离，功耗低，驱动能力强，部分机型还具有I2C总线和SPI串行总线端口。常用的PIC系列单片机的性能指标，如表1-6所示。图1-10为Microchip（微芯）公司的单片机。

知识点1.2 数制与编码

单片机内部是由各种基本的数字电路组成的，只能识别和处理数字信息，因此单片机的各种数据都必须是以二进制数来表示。但二进制数书写太长，也不便于阅读和记忆，故通常情况下采用十六进制数来表示。

1.2.1 单片机中的常用数制

数制是数的一种表示形式，即使用有限个基本数码来表示数据。通常按进位的方法来进行计数就称为进位计数制。它通常包含两大要素：基数和位权。

基数：用来表示数据基本数码的个数，大于此数时必须进位。

位权：数码在表示数据时所处的所具有的单位常数，简称“权”。

1）十进制（Decimal）数

基数为10，逢10进1，有0、1、…、9共10个数码，各位的权是10i。十进制在表示数据的时候通常省略标志D，如45、36、1099等

2）二进制（Binary）数

基数为2，逢2进1，有0、1两个数码，各位的权是2i。二进制在表示数据的时候通常带上标志B，如1011B、0.1101B、111011.111B等

3）十六进制（Hexadecimal）数

基数为16，逢16进1，有0～9和A、B、C、D、E、F共16个数码，各位的权是16i。十六进制在表示数据的时候通常带上标志H，如1011H、4BH、3FFH等。二进制、十进制及十六进制之间的对应关系，如表1-7所示。

1.2.2 单片机中数的表示

在实际生活中，人们通常采用十进制数表示，并且数据还有正、负之分。而单片机只能识别0、1两个数据，那么正、负数据又是如何在单片机中表示呢？

1）机器数与真值

机器数是机器中数的一种表示形式。它是数值与符号在一起的一段数码，在单片机中，特别是8位机中，其长度通常是8位。机器数通常有两种，即有符号数和无符号数。有符号数的最高位是符号位，代表数据的正、负，其余各位表示数值的大小；无符号数的最高位不作符号，所有各位都代表数值大小。

真值是指机器数所代表的实际正负数值。

在计算机界，通常规定“0”表示符号位时为“+”，“1”表示符号位时为“-”

2）有符号数的表示方法

有符号数的表示方法通常有原码、反码和补码3种。

（1）原码。将8位二进制数的最高位（D7）作为符号位（0正1负），其余7位（D6～D0）表示数值大小。

例如，+127的原码为01111111B，-127的原码为11111111B。

从上面看来8位长度的二进制有符号数的范围就是-127～+127（FFH～7FH）。根据规定0的原码有两个，分别是+0（00H）和-0（80H）。

（2）反码。正数的反码与原码相同，负数的反码是保持符号位不变，其余各数值位按位取反即得到该数据的反码。

例如：

+0的原码是00000000B 反码是00000000B

-0的原码是10000000B 反码是11111111B

+127的原码是01111111B 反码是01111111B

-127的原码是11111111B 反码是10000000B

因此，有符号数的反码表示范围为-127～+127，0的反码也有两个。

（3）补码。正数的补码与原码相同，负数的补码等于其反码加1。

例如，+1的原码是00000001B，反码是00000001B，补码是00000001B；-1的原码是10000001B，反码是11111110B，补码是11111111B。其中0的补码只有一种表示，即+0=-0=00000000。

1.2.3 单片机中常用编码

1）BCD码（Binary code Decimal）

利用4位二进制数表示十进制0～9这个10数字所形成的编码就称为BCD码。在单片机中常用的就是8421BCD码。BCD码、二进制、十进制及十六进制之间的关系如表1-8所示。

2）ASCII码

美国标准信息交换码，简称ASCII码（American Standard Code Information Interchange），用于表示在计算机中需要进行处理的一些字母、符号等。ASCII码通常由7位二进制数码构成，表示了52个大小英文字母、10个十进制数、7个标点符号、9个运算符号以及50个其他控制符号。详细见附录C