《單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用》單片機(jī)概述-講義一、單片機(jī)的發(fā)展第一代單片機(jī)（1970年代末至1980年代初）第一代單片機(jī)的代表產(chǎn)品是Intel公司的MCS-48系列。其主要特點(diǎn)如下：CPU為4位或8位；存儲(chǔ)器容量較小，通常為1KB以下；指令系統(tǒng)簡(jiǎn)單；外部接口較少；采用PMOS或NMOS工藝。第二代單片機(jī)（1980年代中期至1990年代初）第二代單片機(jī)的代表產(chǎn)品有Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的MC68HC系列等。其主要特點(diǎn)如下：CPU為8位或16位；存儲(chǔ)器容量較大，可達(dá)64KB；指令系統(tǒng)豐富；增加了中斷、定時(shí)器等功能；采用HMOS或CMOS工藝。第三代單片機(jī)（1990年代中期至今）第三代單片機(jī)以32位單片機(jī)為主，代表產(chǎn)品有ARM、MIPS等。其主要特點(diǎn)如下：CPU為32位或64位；存儲(chǔ)器容量更大，可達(dá)數(shù)MB；指令系統(tǒng)更加豐富，支持高級(jí)語(yǔ)言編程；集成了更多的外設(shè)接口，如USB、Ethernet等；采用先進(jìn)的制造工藝，如0.18μm、0.13μm等。二、單片機(jī)的分類按照處理能力分類（1）4位單片機(jī)：主要用于簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合，如洗衣機(jī)、電風(fēng)扇等；（2）8位單片機(jī)：應(yīng)用廣泛，如家用電器、工業(yè)控制、通信設(shè)備等；（3）16位單片機(jī)：適用于較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如汽車電子、機(jī)器人等；（4）32位單片機(jī)：適用于高性能場(chǎng)合，如網(wǎng)絡(luò)通信、圖像處理等。按照存儲(chǔ)器類型分類（1）哈佛結(jié)構(gòu)：程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開，提高了數(shù)據(jù)吞吐率；（2）馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)：程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器共用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。按照指令集分類（1）復(fù)雜指令集（CISC）：指令豐富，但執(zhí)行速度相對(duì)較慢；（2）精簡(jiǎn)指令集（RISC）：指令簡(jiǎn)化，執(zhí)行速度較快。按照制造工藝分類（1）PMOS、NMOS：早期單片機(jī)制造工藝；（2）HMOS、CMOS：第二代單片機(jī)制造工藝；（3）先進(jìn)制造工藝：如0.18μm、0.13μm等。(單項(xiàng)選擇題)下列關(guān)于第一代單片機(jī)的說(shuō)法，錯(cuò)誤的是？（）A.第一代單片機(jī)的CPU通常是4位或8位B.第一代單片機(jī)的存儲(chǔ)器容量通常較大C.第一代單片機(jī)采用PMOS或NMOS工藝D.第一代單片機(jī)的指令系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單【答案】B【解析】第一代單片機(jī)的存儲(chǔ)器容量通常較小，通常為1KB以下。【要點(diǎn)】考查第一代單片機(jī)的特點(diǎn)。(單項(xiàng)選擇題)下列關(guān)于第二代單片機(jī)的說(shuō)法，正確的是？（）A.第二代單片機(jī)的CPU為4位B.第二代單片機(jī)的存儲(chǔ)器容量較小C.第二代單片機(jī)采用HMOS或CMOS工藝D.第二代單片機(jī)不支持中斷功能【答案】C【解析】第二代單片機(jī)采用HMOS或CMOS工藝。【要點(diǎn)】考查第二代單片機(jī)的特點(diǎn)。(單項(xiàng)選擇題)下列關(guān)于第三代單片機(jī)的說(shuō)法，錯(cuò)誤的是？（）A.第三代單片機(jī)的CPU為32位或64位B.第三代單片機(jī)的存儲(chǔ)器容量可達(dá)數(shù)MBC.第三代單片機(jī)不支持高級(jí)語(yǔ)言編程D.第三代單片機(jī)集成了更多的外設(shè)接口【答案】C【解析】第三代單片機(jī)支持高級(jí)語(yǔ)言編程?！疽c(diǎn)】考查第三代單片機(jī)的特點(diǎn)。(判斷題)哈佛結(jié)構(gòu)單片機(jī)的特點(diǎn)是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開，這可以提高數(shù)據(jù)吞吐率。（）【答案】√【解析】哈佛結(jié)構(gòu)單片機(jī)的確具有這樣的特點(diǎn)。【要點(diǎn)】考查哈佛結(jié)構(gòu)單片機(jī)的特點(diǎn)。(判斷題)所有單片機(jī)都只能實(shí)現(xiàn)降壓功能，不能實(shí)現(xiàn)升壓功能。（）【答案】×【解析】單片機(jī)并非只能實(shí)現(xiàn)降壓功能，有些單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)升壓功能?！疽c(diǎn)】考查單片機(jī)的功能。(填空題)第一代單片機(jī)采用的制造工藝主要有______和______?！敬鸢浮縋MOS、NMOS【解析】第一代單片機(jī)主要采用PMOS和NMOS工藝。【要點(diǎn)】考查第一代單片機(jī)的制造工藝。(填空題)按照指令集分類，單片機(jī)可以分為______和______?！敬鸢浮繌?fù)雜指令集（CISC）、精簡(jiǎn)指令集（RISC）【解析】單片機(jī)按照指令集分類，可以分為CISC和RISC。【要點(diǎn)】考查單片機(jī)的指令集分類。數(shù)據(jù)單位、存儲(chǔ)容量和地址1.數(shù)據(jù)單位：?jiǎn)纹瑱C(jī)中的數(shù)據(jù)單位通常是指數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的基本單元，如位（bit）、字節(jié)（byte）等。一個(gè)字節(jié)由8位組成，是單片機(jī)中常用的數(shù)據(jù)單位。2.存儲(chǔ)容量：?jiǎn)纹瑱C(jī)的存儲(chǔ)容量包括程序存儲(chǔ)器（ROM）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）的容量。例如，MCS-51系列單片機(jī)具有0-8KB的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)容量的大小決定了單片機(jī)能夠存儲(chǔ)的程序和數(shù)據(jù)的多少。3.地址：?jiǎn)纹瑱C(jī)中的地址是指存儲(chǔ)器中每個(gè)存儲(chǔ)單元的唯一標(biāo)識(shí)。例如，MCS-51系列單片機(jī)具有16位地址總線，可以尋址64KB的程序存儲(chǔ)器和64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。地址空間的劃分包括片內(nèi)存儲(chǔ)器和片外存儲(chǔ)器，片內(nèi)存儲(chǔ)器的地址范圍是0000H到FFFFH，片外存儲(chǔ)器的地址范圍也是0000H到FFFFH，容量為64KB。常用數(shù)制與碼制1.常用數(shù)制：?jiǎn)纹瑱C(jī)中常用的數(shù)制包括二進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制。計(jì)算機(jī)處理的信號(hào)都是由二進(jìn)制數(shù)表示的，人們?nèi)粘Ｊ褂玫氖鞘M(jìn)制數(shù)，而十六進(jìn)制數(shù)則用來(lái)縮寫二進(jìn)制數(shù)。二進(jìn)制數(shù)和十進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換可以通過(guò)展開求和法和除2取余法實(shí)現(xiàn)。具體如下：（1）二進(jìn)制（Binary）：基于2的數(shù)制，用0和1表示。在單片機(jī)中，二進(jìn)制用于表示數(shù)據(jù)和指令。（2）十進(jìn)制（Decimal）：基于10的數(shù)制，用0-9表示。日常生活中常用的數(shù)制。（3）十六進(jìn)制（Hexadecimal）：基于16的數(shù)制，用0-9和A-F表示。在單片機(jī)編程中，十六進(jìn)制數(shù)常用于表示地址和數(shù)據(jù)。2.常用碼制：在單片機(jī)中，除了數(shù)制，還涉及到不同的編碼方式，如ASCII碼、BCD碼等。ASCII碼是用于表示字符的編碼方式，而BCD碼（二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)）是一種將十進(jìn)制數(shù)每一位用四位二進(jìn)制數(shù)表示的編碼方式，常用于數(shù)字顯示和計(jì)算。具體如下：（1）原碼：直接將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，最高位表示符號(hào)（0為正，1為負(fù)）。（2）反碼：正數(shù)的反碼與其原碼相同，負(fù)數(shù)的反碼是將原碼除符號(hào)位外的各位取反。（3）補(bǔ)碼：正數(shù)的補(bǔ)碼與其原碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是在其反碼的基礎(chǔ)上加1。在單片機(jī)中，通常使用補(bǔ)碼進(jìn)行運(yùn)算。（4）BCD碼（Binary-CodedDecimal）：二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)。每個(gè)十進(jìn)制數(shù)位用4位二進(jìn)制數(shù)表示，范圍為0000-1001。3.數(shù)制轉(zhuǎn)換：二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)，只需將二進(jìn)制數(shù)從右向左每4位為一組分組，最后一組若不足4位，則在其左邊添加0，以湊成4位，每組按表1-2用1位十六進(jìn)制數(shù)表示。十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，只需按表1-2用4位二進(jìn)制數(shù)表示1位十六進(jìn)制數(shù)。(單項(xiàng)選擇題)下列關(guān)于單片機(jī)數(shù)據(jù)單位的說(shuō)確的是？（）A.1KB等于1000BB.1Byte等于8位C.1Word等于16位D.單片機(jī)的地址通常用二進(jìn)制數(shù)表示【答案】B【解析】1Byte等于8位二進(jìn)制數(shù)?！疽c(diǎn)】考查單片機(jī)數(shù)據(jù)單位的基本概念。(單項(xiàng)選擇題)以下關(guān)于存儲(chǔ)容量的表示，錯(cuò)誤的是？（）A.256KBB.512MBC.1GBD.1024TB【答案】D【解析】1024TB的正確表示應(yīng)為1PB（Petabyte）?！疽c(diǎn)】考查存儲(chǔ)容量的常見表示方法。(單項(xiàng)選擇題)下列關(guān)于地址的描述，正確的是？（）A.地址用于表示存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)內(nèi)容B.地址用于表示存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)單元C.地址可以用十進(jìn)制數(shù)表示D.地址的長(zhǎng)度與存儲(chǔ)器的容量無(wú)關(guān)【答案】B【解析】地址用于唯一標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)單元?！疽c(diǎn)】考查地址的基本概念。(判斷題)在單片機(jī)中，二進(jìn)制數(shù)的基本單位是字節(jié)。（）【答案】×【解析】二進(jìn)制數(shù)的基本單位是位（bit），而不是字節(jié)（Byte）。【要點(diǎn)】考查二進(jìn)制數(shù)的基本單位。(判斷題)原碼、反碼和補(bǔ)碼都是用于表示負(fù)數(shù)的編碼方式。（）【答案】×【解析】原碼、反碼和補(bǔ)碼都可以表示正數(shù)和負(fù)數(shù)，不僅限于負(fù)數(shù)?！疽c(diǎn)】考查原碼、反碼和補(bǔ)碼的概念。(填空題)一個(gè)字節(jié)由____位二進(jìn)制數(shù)組成。【答案】8【解析】一個(gè)字節(jié)由8位二進(jìn)制數(shù)組成。【要點(diǎn)】考查字節(jié)與二進(jìn)制數(shù)的關(guān)系。(填空題)在單片機(jī)中，用于表示地址的數(shù)制通常是____進(jìn)制?！敬鸢浮渴窘馕觥吭趩纹瑱C(jī)中，地址通常用十六進(jìn)制數(shù)表示?！疽c(diǎn)】考查地址的表示數(shù)制。一、單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)控制：?jiǎn)纹瑱C(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如自動(dòng)化生產(chǎn)線、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集與處理、智能儀表等。通過(guò)單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能。智能家居：?jiǎn)纹瑱C(jī)在家居領(lǐng)域中的應(yīng)用包括智能照明、家電控制、安全防范、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的智能化和網(wǎng)絡(luò)化。交通控制：?jiǎn)纹瑱C(jī)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用包括交通信號(hào)燈控制、智能交通系統(tǒng)、車輛檢測(cè)與監(jiān)控等。單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)交通數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和優(yōu)化調(diào)度。醫(yī)療設(shè)備：?jiǎn)纹瑱C(jī)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用包括心電監(jiān)護(hù)、超聲設(shè)備、生化分析儀器等。單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)醫(yī)療設(shè)備的精確控制和數(shù)據(jù)處理。通信設(shè)備：?jiǎn)纹瑱C(jī)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用包括無(wú)線通信模塊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、光纖通信等。單片機(jī)負(fù)責(zé)信號(hào)的處理、傳輸和交換。消費(fèi)電子：?jiǎn)纹瑱C(jī)在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用包括電視、音響、手機(jī)、玩具等。單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化和個(gè)性化。自動(dòng)化測(cè)試：?jiǎn)纹瑱C(jī)在自動(dòng)化測(cè)試領(lǐng)域中的應(yīng)用包括功能測(cè)試、性能測(cè)試、故障診斷等。單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和分析。二、常見單片機(jī)型號(hào)MCS-51系列：這是最經(jīng)典的單片機(jī)系列之一，具有以下特點(diǎn)：8位CPU4KB的程序存儲(chǔ)器（EPROM/FLASH）128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）32根I/O口線2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1個(gè)全雙工串行通信口中斷系統(tǒng)PIC系列：美國(guó)微芯科技公司（Microchip）生產(chǎn)的單片機(jī)，具有以下特點(diǎn)：8位/16位/32位CPU一次性編程（OTP）或FLASH存儲(chǔ)器集成度高，外圍電路簡(jiǎn)單豐富的I/O口資源多種通信接口（如SPI、I2C、UART等）AVR系列：Atmel公司生產(chǎn)的單片機(jī)，具有以下特點(diǎn)：8位/32位CPUFLASH存儲(chǔ)器Harvard架構(gòu)（程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開）集成度高，功耗低豐富的外設(shè)資源（如ADC、PWM、定時(shí)器等）ARM系列：32位高性能單片機(jī)，具有以下特點(diǎn)：32位RISC架構(gòu)高速運(yùn)算能力大容量存儲(chǔ)器（FLASH、RAM）豐富的外設(shè)接口（如USB、Ethernet、CAN等）低功耗設(shè)計(jì)(單項(xiàng)選擇題)下列關(guān)于單片機(jī)在工業(yè)控制中的應(yīng)用，錯(cuò)誤的是？（）A.單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制B.單片機(jī)可以用于過(guò)程控制中的數(shù)據(jù)采集C.單片機(jī)在工業(yè)控制中只能用于簡(jiǎn)單的開關(guān)量控制D.單片機(jī)可以用于智能儀表的設(shè)計(jì)【答案】C【解析】單片機(jī)在工業(yè)控制中的應(yīng)用非常廣泛，不僅限于簡(jiǎn)單的開關(guān)量控制，還可以進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算和控制?！疽c(diǎn)】考查單片機(jī)在工業(yè)控制中的應(yīng)用范圍。(單項(xiàng)選擇題)下列關(guān)于PIC系列單片機(jī)的特點(diǎn)，不正確的是？（）A.PIC系列單片機(jī)具有豐富的I/O口資源B.PIC系列單片機(jī)支持多種通信接口C.PIC系列單片機(jī)只有8位CPUD.PIC系列單片機(jī)采用哈佛架構(gòu)【答案】C【解析】PIC系列單片機(jī)不僅有8位CPU，還有16位、32位CPU。【要點(diǎn)】考查PIC系列單片機(jī)的特點(diǎn)。(單項(xiàng)選擇題)下列關(guān)于AVR系列單片機(jī)的描述，正確的是？（）A.AVR系列單片機(jī)采用馮·諾依曼架構(gòu)B.AVR系列單片機(jī)功耗較高C.AVR系列單片機(jī)具有哈佛架構(gòu)D.AVR系列單片機(jī)不支持PWM功能【答案】C【解析】AVR系列單片機(jī)采用哈佛架構(gòu)，具有低功耗特點(diǎn)，并支持PWM功能。【要點(diǎn)】考查AVR系列單片機(jī)的架構(gòu)和功能。(判斷題)單片機(jī)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用僅限于家電控制。（）【答案】×【解析】單片機(jī)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用不僅限于家電控制，還包括智能照明、安全防范、環(huán)境監(jiān)測(cè)等?！疽c(diǎn)】考查單片機(jī)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。(判斷題)MCS-51系列單片機(jī)的中斷系統(tǒng)只能處理一個(gè)中斷源。（）【答案】×【解析】MCS-51系列單片機(jī)的中斷系統(tǒng)可以處理