第1章概述11.1單片機的基本概念1.2單片機的發(fā)展1.3單片機的特點及應用1.4單片機的類型與常用單片機系列1.1單片機的基本概念

1.1.1單片機的發(fā)展歷程

電子數(shù)字計算機誕生于1946年，在其后的一個歷史進程中，計算機始終是被供養(yǎng)在特殊的機房中、實現(xiàn)數(shù)值計算的大型昂貴設備。直到20世紀70年代微處理器的出現(xiàn)，才使得計算機以小型、廉價、高可靠性的特點，迅速走出機房，并被逐漸嵌入到一個對象體系中，實現(xiàn)對象體系的智能化控制。這樣一來，計算機便失去了原來的形態(tài)，其功能也有所不同。為了區(qū)別于原有計算機系統(tǒng)，把嵌入到對象體系中實現(xiàn)對象體系智能化控制的計算機稱做嵌入式計算機系統(tǒng)。

早期，人們通過改裝通用計算機系統(tǒng)，在大型設備中實現(xiàn)嵌入式應用。然而，在眾多的對象系統(tǒng)(如家用電器、儀器儀表、控制單元等)中，無法嵌入通用計算機系統(tǒng)，且嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)的技術發(fā)展方向完全不同。因此，必須獨立地發(fā)展通用計算機系統(tǒng)與嵌入式計算機系統(tǒng)，這就形成了現(xiàn)代計算機技術的兩大分支。通用計算機系統(tǒng)與嵌入式計算機系統(tǒng)的專業(yè)分工發(fā)展，導致20世紀末計算機技術的飛速發(fā)展。計算機專業(yè)領域集中精力發(fā)展通用計算機系統(tǒng)的軟、硬件技術，不必兼顧嵌入式應用的要求，通用微處理器迅速從286、386、486、586到雙核甚至四核的64位，操作系統(tǒng)則迅速升級到具有高速海量的數(shù)據文件處理能力，使通用計算機進入了一個新的階段。

嵌入式計算機系統(tǒng)則走上了一條完全不同的道路，這條獨立發(fā)展的道路就是單片化道路，將計算機做在一塊芯片上，從而開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展的單片機時代。單片機是最典型的嵌入式系統(tǒng)，起源于微型計算機時代。單片機的出現(xiàn)實現(xiàn)了最底層的嵌入式系統(tǒng)應用，帶有明顯的電子系統(tǒng)設計模式的特點，大多數(shù)從事單片機應用開發(fā)的人員都是對象系統(tǒng)領域中的電子工程師?？梢哉f單片機脫離了計算機專業(yè)領域，以“智能化”器件身份進入電子系統(tǒng)領域，不過，單片機仍不具有“嵌入式系統(tǒng)”概念。因此，“單片機”與“嵌入式系統(tǒng)”被看做兩個獨立的名詞。由于單片機是典型的、獨立發(fā)展起來的嵌入式系統(tǒng)，因此，從學科的角度應該把它統(tǒng)一成“嵌入式系統(tǒng)”。單片機的生產與應用將計算機技術擴展到傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)領域，使計算機成為人類社會全面智能化時代的有力工具。1.1.2單片機技術的多學科交叉特點

嵌入式系統(tǒng)的嵌入式應用特點，決定了它多學科交叉的特點。作為計算機的內容，要求計算機專業(yè)領域人員介入其體系結構、軟件技術、工程應用方面的研究。然而，要了解對象體系的控制要求，實現(xiàn)系統(tǒng)控制模式，則必須具備對象領域的專業(yè)知識。因此，由嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的歷史過程以及嵌入式應用的多樣性，形成了兩種應用模式，這兩種應用模式是電子系統(tǒng)設計模式和計算機應用設計模式。電子系統(tǒng)設計模式是指單片機以器件形態(tài)進入到傳統(tǒng)電子技術領域中，以電子技術應用工程師為主體，實現(xiàn)電子系統(tǒng)的智能化。電子技術應用工程師以自己習慣的電子技術應用模式，從事單片機的應用開發(fā)。這種應用模式最主要的特點是：軟/硬件的底層性、隨意性，對象系統(tǒng)專業(yè)技術的密切相關性，缺少計算機工程設計方法。

計算機應用設計模式是指基于嵌入式系統(tǒng)軟、硬件平臺，以網絡、通信為主的非嵌入式底層應用，從計算機專業(yè)角度介入嵌入式系統(tǒng)應用，帶有明顯的計算機工程應用特點。兩種應用模式代表了兩個專業(yè)領域的特色，但又相互交織、相互滲透，形成互補。雖然計算機專業(yè)人士會愈來愈多地介入嵌入式系統(tǒng)的應用，但由于對象專業(yè)知識的隔閡，其應用領域會集中在網絡、通信、多媒體、電子商務等方面，不可能替代原來電子工程師在控制、儀器儀表、機械電子等方面的嵌入式應用。因此，兩種應用模式會長期并存，在不同的應用領域中相互補充。電子系統(tǒng)設計模式應從計算機應用設計模式中學習計算機工程方法和嵌入式系統(tǒng)軟件技術；計算機應用設計模式應從電子系統(tǒng)設計模式中了解嵌入式系統(tǒng)應用的電路系統(tǒng)特性、基本外圍電路設計方法和對象系統(tǒng)的基本要求等。

由于嵌入式系統(tǒng)的兩種應用模式并存和互補，形成了單片機技術的多學科交叉特點。正因如此，單片機原理及應用成為電子電氣類、機電類、計算機類專業(yè)都開設的重要應用技術課程。1.1.3單片機的功能結構特征

1．單片機與微型計算機的基本功能組成部分

由于單片機是從通用微型計算機分化出來的一個應用分支，因此，它的基本功能組成部分和工作原理與通用微型計算機具有一致性。

微型計算機(簡稱微機)的基本組成結構如圖1.1所示。圖1.1微機基本組成結構框圖微型計算機由微處理器(CPU)、存儲器、I/O接口三大功能部分通過總線連接成一個有機的整體，在外部通過I/O接口配置各種外部設備就構成微機的硬件系統(tǒng)?？偩€按其傳輸信息的不同分為地址總線(AddressBus，AB)、數(shù)據總線(DataBus，DB)和控制總線(ControlBus，CB)。

單片機也具有微機的三大功能組成部分，且具有類似的結構體系。

2．單片機與通用微機不同的功能結構特征

由于嵌入式系統(tǒng)與對象系統(tǒng)密切相關，因此其主要技術發(fā)展方向是滿足嵌入式應用的要求。所以，單片機除具有通用微機的基本功能組成部分外，還包括實時控制所要求的一些相關功能器件。單片機的組成結構可用圖1.2來描述。圖1.2單片機組成框圖從功能組成上看，單片機是這樣一種芯片，它把微機的三大組成部分(CPU?+?存儲器?+?I/O接口)和一些實時控制需要的功能器件集成在一塊芯片上。實時控制器件包含的內容十分廣泛，可以包括定時器/計數(shù)器、中斷控制、模/數(shù)轉換器(ADC)、數(shù)/模轉換器(DAC)、脈沖調制器(PWM)、電壓比較器、看門狗(Watchdog)、DMA、串行口、傳感器等，以及I2C、SPI、1—Wire等外部串行總線接口。實時控制器件配置的多少也是衡量單片機性能優(yōu)劣的重要方面，不同規(guī)格、不同系列或型號的單片機實時控制器件的配置可能不同。從結構上看，單片機不但與通用微型計算機一樣，是一個有效的數(shù)據處理機，而且是一個功能很強的過程控制機。從某種意義上講，一塊單片機就具有一臺微型計算機的功能，只需加上所需的輸入/輸出設備，就可以構成一個完整的系統(tǒng)，滿足各種應用領域的需要。

單片機結構中包含了通用微機的功能部分，且也具有較強的數(shù)據處理功能，那么，二者的發(fā)展能否相互取代呢？其實，單片機與通用微機的相同功能部分在具體構造中存在許多不同點。正因如此，單片機與通用微機是兩個不同的發(fā)展分支。下面對二者構造中的主要不同進行簡要說明。

(1)通用微機的CPU主要面向數(shù)據處理，其發(fā)展主要圍繞數(shù)據處理功能、計算速度和精度的進一步提高。例如，現(xiàn)今微機的CPU都支持浮點運算，采用流水線作業(yè)、并行處理、多級高速緩沖(Cache)技術等，CPU的主頻達到數(shù)吉赫茲(GHz)，字長達到32位以上。單片機主要面向控制，控制中的數(shù)據類型及數(shù)據處理相對簡單，滿足控制要求的數(shù)據處理容易實現(xiàn)，所以單片機的數(shù)據處理功能相對通用微機要弱一些，計算速度和精度也相對要低一些。例如，現(xiàn)在的單片機產品的CPU大多不支持浮點運算，CPU還采用串行工作方式，振蕩頻率大多在百兆以下，在一些簡單應用系統(tǒng)中采用4位字長的單片機，在中、小規(guī)模應用場合，8位字長單片機還被廣泛采用，在一些復雜的中、大規(guī)模的應用系統(tǒng)中，才采用16位字長、32位字長單片機。

(2)通用微機中，存儲器組織結構主要針對增大存儲容量和CPU對數(shù)據的存取速度。現(xiàn)今微機的內存容量達到了數(shù)吉字節(jié)(GB)，存儲體系采用多體、并讀技術和段、頁等多種管理模式。單片機中存儲器的組織結構比較簡單，存儲器芯片直接掛接在單片機的總線上，CPU讀/寫存儲器時直接按物理地址來尋址存儲器單元，尋址空間一般都是64?KB。還有，通用微機中程序存儲器(ROM)和數(shù)據存儲器(RAM)是一個地址空間，而單片機中，把程序存儲器和數(shù)據存儲器設計為兩個獨立的地址空間，這是考慮了控制的實際需要。

(3)通用微機中I/O接口主要考慮標準外設(CRT、標準鍵盤、鼠標、打印機、硬盤、光盤等)，用戶通過標準總線連接外設，能實現(xiàn)即插即用。單片機應用系統(tǒng)的外設都是非標準的，千差萬別，種類很多，單片機的I/O接口實際上是向用戶提供了外設連接的物理界面，用戶對外設的連接要設計具體的接口電路，需有熟練的接口電路設計技術。下面介紹結構上有相同之處但也有區(qū)別的幾個名詞。

微處理器(MPU)：把運算器、控制器和一定數(shù)量的寄存器集成在一塊芯片上，是構成微型計算機的核心部件，所以也稱為中央處理單元(CPU)。

單板機：將微處理器(CPU)、存儲器、I/O接口電路以及簡單的輸入/輸出設備組裝在一塊印刷電路板上，稱為單板微型計算機，簡稱單板機。一些開發(fā)板產品及實驗室提供的試驗箱都是單板機形態(tài)的。

微型計算機：微處理器(CPU)、存儲器、I/O接口電路由總線有機地連接在一起的整體，稱為微型計算機。

微型計算機系統(tǒng)：將微型計算機與外圍設備、電源、系統(tǒng)軟件一起構成的系統(tǒng)，稱為微型計算機系統(tǒng)。

1.2單片機的發(fā)展

1.2.1單片機的發(fā)展概況

隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機先后經歷了4位機、8位機、16位機、32位機和64位機的發(fā)展階段。

1．4位單片機

1971年，美國Intel公司首先推出了4位微處理器芯片4004；1975年美國德克薩斯儀器公司首次推出4位單片機TMS-1000；此后，各個計算機生產公司競相推出4位單片機。例如，美國國家半導體(NationalSemiconductor)公司的COP402系列，日本電氣(NEC)公司的μPD75XX系列，美國洛克威爾(Rockwell)公司的PPS/1系列，日本松下公司的MN1400系列，富士通公司的MB88系列等。近幾年來，4位單片機在結構和性能上做了很大的改進，在市場中仍占有一席之地。

4位單片機的主要應用領域有：PC機的輸入裝置(鼠標、游戲桿)，電池充電器，運動器材，帶液晶顯示的音/視頻產品控制器，一般家用電器的控制及遙控器，電子玩具，鐘表，計算器，多功能電話等。

2．8位單片機

1972年，美國Intel公司首先推出了8位微處理器8008，并于1976年9月率先推出MCS-48系列8位單片機，使單片機發(fā)展進入了一個新的階段。在這之后，8位單片機紛紛面市。例如，莫斯特克(Mostek)和仙童(Fairchild)公司共同合作生產的3870(F8)系列，摩托羅拉(Motorola)公司的6801系列等。在1978年以前，各廠家生產的8位單片機受集成度(幾千只管/片)的限制，一般沒有串行接口，并且尋址空間的范圍小(小于8KB)，從性能上看屬于低檔8位單片機。

隨著集成電路工藝水平的提高，在1978年到1983年期間，集成度提高到幾萬只管/片，因而一些高性能的8位單片機相繼問世。例如，1978年摩托羅拉公司推出的MC6801系列及齊洛格(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。這類單片機的尋址能力達64?KB，片內ROM容量達4～8?KB，片內除帶有并行I/O口外，還有串行I/O口，甚至某些還有A/D轉換器功能。因此，把這類單片機稱為8位高檔單片機。隨后，在高檔8位單片機的基礎上推出了超8位單片機，如Intel公司的8X252、UPI-45283C152，Zilog公司的Super8，Motorola公司的MC68HC等，它們不但進一步擴大了片內ROM和RAM的容量，同時還增加了通信功能、DMA傳輸功能以及高速I/O功能等。自1985年以來，各種高性能、大存儲容量、多功能的超8位單片機不斷涌現(xiàn)，它們代表了單片機的發(fā)展方向，在單片機應用領域起著越來越大的作用。

8位單片機由于功能強，被廣泛用于自動化裝置、智能儀器儀表、智能接口、過程控制、通信、家用電器等各個領域。

3．16位單片機

1983年以后，集成電路的集成度可達十幾萬只管/片，各系列16位單片機逐漸問世。這一階段的代表產品有1983年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司推出的80C96，美國國家半導體公司推出的HPC16040，NEC公司推出的783XX系列等。

16位單片機把單片機的功能又推向了一個新的階段。如MCS-96系列的集成度為12萬只管/片，片內含16位CPU、8?KBROM、232?BRAM、5個8位并行I/O口、4個全雙工串行口、4個16位定時器/計數(shù)器、8級中斷處理系統(tǒng)，具有多種I/O功能，如高速輸入/輸出(HSIO)、脈沖寬度調制(PWM)輸出、特殊用途的監(jiān)視定時器(Watchdog)等。近幾年，16位單片機在功能、性能、價格等方面采取了許多技術措施，發(fā)展迅速，推出了許多新產品。如Intel的80C196、80C251、80C51XA，美國國家半導體公司的HPC16104，TI的MSP430系列，Motorola的68HC11系列等。

16位單片機主要應用于工業(yè)控制、智能儀器儀表、便攜式設備等場合。

4．32位單片機

隨著高新技術在智能機器人、光盤驅動器、激光打印機、圖像與數(shù)據實時處理、復雜實時控制、網絡服務器等領域的應用發(fā)展，20世紀80年代末推出了32位單片機，如Motorola推出的MC683XX系列，Intel的80960系列，以及近年來流行的ARM系列單片機。32位單片機是單片機的發(fā)展趨勢，隨著技術的發(fā)展及開發(fā)成本和產品價格的下降，將會與8位單片機并駕齊驅。

5．64位單片機

雖然，單片機的發(fā)展按先后順序經歷了4位、8位、16

位、32位、64位的階段，但從實際使用情況看，并沒有出現(xiàn)像微處理器那樣推陳出新，更新?lián)Q代的局面，這也是單片機發(fā)展的一大特點。4位、8位、16位、32位單片機都存在于市場中，各有應用領域。不過，各類單片機為適應市場需求，都在原來的基礎上采取新技術，提高性能，推出新產品。

圖1.3是電子工程師對單片機選型的市場調查，從中可以看出，8位單片機仍是市場主流產品，但32位單片機發(fā)展很

迅速。圖1.3單片機選型市場調查1.2.2單片機技術的發(fā)展

1．體系結構的變化

從體系結構上看，單片機自誕生以來，經歷了從SCM到MCU再到SOC的發(fā)展過程。

(1)?SCM(SingleChipMicrocomputer)—單片微型計算機。其主要是尋求單片形態(tài)的嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結構，開創(chuàng)了單片機與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。MCS-51奠定了SCM的經典體系結構。

(2)?MCU(MicroControllerUnit)—微控制器。隨著SCM在技術上、體系結構上不斷擴展嵌入式對象要求的各種控制功能，增加對象系統(tǒng)要求的外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力，使單片機迅速進入MCU階段。一塊單片機芯片就是一個比較完整的小型控制系統(tǒng)。Philips公司推出的80C51是MCU的典型代表。

(3)?SOC(SystemOnChip)—片上系統(tǒng)。片上系統(tǒng)是尋求應用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決。單片機芯片上不僅包含完整的硬件系統(tǒng)，并有嵌入軟件的全部內容。單片機芯片的內部功能越來越大，目前除了具有ROM、RAM、I/O口、定時器/計數(shù)器、中斷、串行口等傳統(tǒng)的內容外，一些新型單片機還擴充了許多新功能，如內置多通道模/數(shù)轉換器ADC、數(shù)/模轉換器DAC、電壓比較器、WDT看門狗定時器、可編程定時器/計數(shù)器陣列PCA以及I2C、SMBus、SPI等外部串行總線接口，有的專用單片機甚至還內置USB、IRDA紅外和無線電接口，并具有在線編程、調試、仿真功能。

SOC使得單片機功能越發(fā)完善，用戶不需要擴充資源就可以完成項目開發(fā)，不僅使開發(fā)簡單，而且大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。美國Cygnal公司推出的C8051F系列單片機是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)SOC，它具有與MCS-51單片機的內核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標準8051的數(shù)字外設部件外，片內還集成了數(shù)據采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設及功能部件。

2．單片機速度越來越快

為提高單片機的抗干擾能力，降低噪聲和時鐘頻率而不犧牲運算速度是單片機技術發(fā)展的一個方向。一些8051單片機兼容廠商改善了單片機的內部時序，在不提高時鐘頻率的條件下，使運算速度提高了很多，Motorola單片機使用了瑣相環(huán)技術或內部倍頻技術，使內部總線速度大大高于時鐘產生器的頻率；68HC08單片機使用4.9MHz外部振蕩器而內部時鐘達32MB；三星電子新近推出了1.2?GHz的ARM處理器內核Halla。

3．低電壓與低功耗

幾乎所有的單片機都有Wait、Stop等省電運行方式，允許使用的電源電壓范圍也越來越寬。一般單片機都能在3～6?V范圍內工作，電池供電的單片機不再需要對電源采取穩(wěn)壓措施。低電壓供電的單片機電源下限已由2.7?V降至2.2?V、1.8?V，0.9?V供電的單片機已經問世。

4．低噪聲與高可靠性技術

為提高單片機系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，使產品能適應惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標準的要求，各單片機商家在單片機內部電路中采取了一些新的技術措施。如ST公司的μPSD系列單片機片內增加了看門狗定時器，NS的COP8單片機內部增加了抗EMI電路，增強了“看門狗”的性能。

5．OTP與掩膜

OTP(OneTimeProgramable)是一次性寫入的單片機。過去認為，一個單片機產品的成熟是以投產掩膜型單片機為標志的。由于掩膜需要一定的生產周期，而OTP型單片機價格不斷下降，使得近年來直接使用OTP完成最終產品制造更為流行。它較之掩膜具有生產周期短、風險小的特點。近年來，OTP型單片機需求量大幅度上揚，為適應這種需求，許多單片機都采用了在系統(tǒng)編程技術(InSystemProgramming)。未編程的OTP芯片可采用裸片Bonding技術或表面貼裝技術，先焊在印刷板上，然后通過單片機上的編程線、串行數(shù)據、時鐘線等對單片機編程，解決了批量寫OTP芯片時容易出現(xiàn)的芯片與寫入器接觸不好的問題，使OTP的裸片得以廣泛應用，降低了產品的成本。編程線與I/O線共用，不增加單片機的額外引腳。而一些生產廠商推出的單片機不再有掩膜型，全部為有ISP功能的OTP。

6．MTP向OTP挑戰(zhàn)

MTP是可多次編程的意思。一些單片機廠商以MTP的性能、OTP的價位推出他們的單片機，如ATMELAVR單片機，片內采用FLASH，可多次編程。華邦公司生產的8051兼容的單片機也采用了MTP性能、OTP的價位。這些單片

機都使用了ISP技術，等安裝到印刷板線路板上以后再下載程序。

7．在線編程技術

在線編程目前有兩種不同方式：

(1)?ISP(InSystemProgramming)，即在系統(tǒng)編程。具備ISP的單片機內部集成FLASH存儲器，用戶可以通過下載線以特定的硬件時序在線編程，但用戶程序自身不可以對內部存儲器做修改。這類產品如ATMEL8990系列。

(2)?IAP(InApplicationProgramming)，即在應用編程。具備IAP的單片機廠家在出廠時向其內部寫入了單片機引導程序，用戶可以通過下載線對它在線編程，用戶程序也可以自己對內存重新修改。這對于工業(yè)實時控制和數(shù)據的保存提供了方便。這類產品如SST的89系列。

8．在線仿真技術

一些新型的SOC單片機都具有在線仿真功能，這些單片機都配置了JTAG接口。JTAG(JointTestActionGroup，聯(lián)合測試行動小組)是一種國際標準測試協(xié)議(IEEE1149.1兼容)，主要用于芯片內部測試。JTAG接口的引入，使單片機傳統(tǒng)的仿真調試產生了徹底的變革。在上位機軟件的支持下，通過串行的JTAG接口直接對產品系統(tǒng)進行仿真調試。如配置有JTAG接口的C8052F單片機不僅支持FlashROM的讀/寫操作及非入侵式在線調試，它的JTAG邏輯還為在系統(tǒng)測試提供邊界掃描功能。通過邊界寄存器的編程控制，可對所有器件引腳、SFR和I/O口的功能實現(xiàn)觀察和控制。

9．增加I2C、SPI串行接口功能

單片機增加I2C、SPI串行接口功能是為了方便系統(tǒng)與外圍設備連接，用戶可以通過I2C、SPI串行接口連接諸如傳感器等設備，完成檢測功能，同時把系統(tǒng)情況通過串口傳送給上位機管理系統(tǒng)，完成遠程設備的控制。大部分單片機廠家的后繼產品都提供了這樣的功能。

1.3單片機的特點及應用

1.3.1單片機的特點

(1)單片機的存儲器ROM和RAM是嚴格區(qū)分的。ROM稱為程序存儲器，只存放程序、固定常數(shù)及數(shù)據表格。RAM則為數(shù)據存儲器，用作工作區(qū)及存放用戶數(shù)據。這樣的結構主要是考慮到單片機用于控制系統(tǒng)中，有較大的程序存儲器空間，把開發(fā)成功的程序固化在ROM中，而把少量的數(shù)據存放在RAM中。這樣，小容量的數(shù)據存儲器能以高速RAM形式集成在單片機片內，以加速單片機的執(zhí)行速度。

(2)采用面向控制的指令系統(tǒng)。為滿足控制的需要，單片機有更強的邏輯控制能力，特別是單片機具有很強的位處理能力。

(3)單片機的I/O引腳通常是多功能的。由于單片機芯片上引腳數(shù)目有限，為了解決實際引腳數(shù)和需要的信號線的矛盾，采用了引腳功能復用的方法，引腳處于何種功能，可由指令來設置或由機器狀態(tài)來區(qū)分。

(4)單片機的外部擴展能力很強。在內部的各種功能部分不能滿足應用需求時，均可在外部進行擴展(如擴展ROM、RAM，I/O接口，定時器/計數(shù)器，中斷系統(tǒng)等)，與許多通用的微機接口芯片兼容，給應用系統(tǒng)設計帶來極大的方便和靈活。單片機在控制領域中還有以下幾方面的優(yōu)點：

(1)體積小，成本低，運用靈活，易于產品化，能方便地組成各種智能化的控制設備和儀器，做到機電一體化。

(2)面向控制，能針對性地解決從簡單到復雜的各類控制任務，因而能獲得最佳的性能價格比。

(3)抗干擾能力強，適用溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠地工作，這是其他類型計算機無法比擬的。

(4)可以方便地實現(xiàn)多機和分布式控制，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。1.3.2單片機的應用

單片機的應用范圍十分廣泛，主要的應用領域有：

(1)工業(yè)控制，單片機可以構成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據采集系統(tǒng)等，如數(shù)控機床、自動生產線控制、電機控制、溫度控制等。

(2)儀器儀表，如智能儀器、醫(yī)療器械、數(shù)字示波器等。

(3)計算機外部設備與智能接口，如圖形終端機、傳

真機、復印機、打印機、繪圖儀、磁盤/磁帶機、智能終端機等。

(4)商用產品，如自動售貨機、電子收款機、電子秤等。

(5)家用電器，如微波爐、電視機、空調、洗衣機、錄像機、音響設備等。

1.4單片機的類型與常用單片機系列

1.4.1單片機的類型

眾多的單片機可以從不同角度進行分類。按單片機數(shù)據總線的位數(shù)，可將單片機分為4位、8位、16位、32位。

4位單片機在整個單片機市場中所占的比例逐年減少，主要應用于各種規(guī)模較小的家電類消費產品。在4位單片機市場中，日本廠家生產的產品占據主流地位，使用較多的有OKI公司的MSM64164C、MSM64481，NEC公司的75006X系列，EPSON公司的SMC62系列等。

8位單片機是目前世界上品種最為豐富、應用最為廣泛的單片機。雖然單片機經歷了從SMC到SCU再到SOC的變遷，但8位單片機始終是嵌入式低端應用的主要機型，而且在未來相當長的時間里，仍會保持這個勢頭。8位單片機也是我國單片機市場的主流產品。

16位單片機的操作速度及數(shù)據吞吐能力在性能上比8位單片機有較大提高，目前以Intel的MCS-96/196系列、TI公司的MSP430系列、Motorola公司的68HC11系列為主。

32位單片機在尋址能力、操作速度、運算能力、開發(fā)手段與環(huán)境方面大為增強，尋址能力在吉兆級以上，指令執(zhí)行速度達每秒百萬條指令，有的嵌入浮點運算部件，直接支持高級語言和實時多任務執(zhí)行，是單片機的發(fā)展趨勢。在32位單片機的生產廠家中，Motorola、ATMEL、HITACH、NEC、EPSON、MITSUBISHI、SAMSUNG等廠商群雄割據，其中以32位ARM嵌入式微處理器及Motorola的MC683XX、68K系列應用相對廣泛。

對于8位單片機，目前主要分為MCS-51系列及其兼容機型和非MCS-51系列單片機。

MCS系列單片機是Intel公司生產的單片機的總稱。Intel公司是生產單片機的創(chuàng)始者，最早推出的MCS系列單片機，因應用早而產生了很大影響，已成為事實上的工業(yè)標準。20世紀80年代中期，Intel公司將8051內核使用權以專利互換或出售形式轉給世界許多著名IC制造廠商，如PHILIPS、西門子、AMD、OKI、NEC、Atmel等，這樣，8051就變成有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出數(shù)百個品種的大家族。與MCS-51單片機兼容的單片機都具有8051內核體系結構，引腳信號和指令系統(tǒng)完全兼容?，F(xiàn)在一般把與8051內核相同的單片機統(tǒng)稱為“51系列單片機”。

MCS-51系列及其兼容單片機因開發(fā)工具及軟硬件資

源齊全而占主導地位，在國內市場流行的8位單片機中，8051體系的占有多半。生產8051及其兼容單片機的廠家有

20多個，代表產品有Atmel公司的89C5X、89S5X系列，WINBOND公司的W77E5X、W78E5X系列，PHILIPS公司的P87C5X、P89C5X、P8LPC7X系列，SST公司的SST89C5X系列，Cygnal公司的C8051F系列，ST公司的μPSD系列等，粗略統(tǒng)計，僅51內核的單片機就有350多種衍生品。

MCS-51單片機的體系結構一直是單片機發(fā)展過程中的經典體系，在嵌入式系統(tǒng)SOC的最終體系中，MCS-51仍以8051內核的形式延續(xù)下去，這對國內外從事單片機教學和科研的廣大人士來說，無論是過去、現(xiàn)在和未來，都能感受到它帶來的好處。正因如此，各高等學校的教材仍以MCS-51單片機作為代表，進行應用基礎學習。

非51系列單片機在我國應用較廣的是Motorola公司的68HC05/08系列、MICROCHIP公司的PIC單片機以及ATMEL公司的AVR單片機等。

單片機還可以從編程方式上分為OTPROM型、Flash型、ISP型、IAP型及JTAG接口型；從制造工藝技術上可分為普通MOS型、CMOS型、HMOS型、CHMOS型和HCMOS型；從功耗上可分為普通型和低功耗型；從性價比上可分為普通型和經濟型等。1.4.2目前流行的51內核的8位單片機

目前，在國內市場上流行的單片機不下十幾種，占據主導地位的仍是51內核及其兼容單片機。這些單片機和MCS-51單片機的指令完全兼容，資料和開發(fā)設備也比較齊全，價格也比較便宜。另外，從學習的角度來看，有了51單片機的基礎后，再學習其他單片機則非常容易。

1．MCS-51系列單片機

MCS-51系列單片機是Intel公司生產的功能比較強、價格比較低、較早應用的單片機，目前仍被廣泛應用。MCS-51系列單片機有三種基本產品：8031/8051/8751；三種基本增強型產品：8032/8052/8752；三種基本低功耗型產品：80C31/80C51/87C51。近幾年，又在基本產品的基礎上，不斷改進性能，形成了不同子系列，有50多種型號的產品，如，51單片機系列、8XC52/54/58系列、8XC51FA/FB/FC系列、8XL51FA/FB/FC系列、8XL51GX/8X152系列、8XL52/54/58系列、8XC51SL系列。MCS-51系列單片機的主要產品及其性能如表1.1所示。

2．ATMEL公司的89系列單片機

89系列單片機內含F(xiàn)lash存儲器，因此在系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易地進行程序修改，反復進行試驗，這就大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，同時可以保證用戶的系統(tǒng)設計達到最優(yōu)，而且可以隨用戶的需要和發(fā)展，能使系統(tǒng)不斷追隨用戶的最新要求。

ATMEL公司為適應技術及市場的變化和需求，在AT89C51、AT89C52系列單片機的基礎上又推出了ISP_Flash、I2C_Flash等系列單片機。其主要機型及性能如表1.2所示。

3．SST公司的SST89系列單片機

美國SST公司生產的SST89系列單片機以51為內核，與MCS-51系列單片機完全兼容。它具有獨特的超級Flash技術和小扇區(qū)結構設計，其最大特點是采用在應用可編程(IAP)和在系統(tǒng)可編程