1.1　單片機概述

單片機雖然體積微小，但“麻雀雖小，五臟俱全”，它具備一般計算機的特征，內部同樣存在CPU、存儲器和各種接口電路等，不過它的CPU與普通微型計算機的CPU相比要簡單得多，運算能力相差較大。因此，單片機通常用來完成某些專項的控制功能，在控制、邏輯、實時性等方面比普通微型計算機具有更大優勢。

1.微處理器、微型計算機和單片機

微處理器是集成在一塊芯片上的具有運算和邏輯控制功能的CPU，它是構成微型計算機系統的核心部件。

以CPU為核心，再加上存儲器，I/O接口和中斷系統等構成一個統一的整體，稱為微型計算機。它們可集中裝在同一塊或數塊印制電路板上，一般不包括外設和軟件。以微型計算機為核心，配上外圍設備、電源和軟件等，構成了能獨立工作的完整的計算機系統。

單片機是將CPU、存儲器、各類接口和中斷系統等集成在一塊芯片上，具有完整功能的微型計算機，這塊芯片就是其全部硬件。軟件程序存放在片內或片外擴展的只讀存儲器內。由于其物理存在形式是一塊芯片，因此簡稱為單片機。

2.單片機由來與發展

最早的單片機是美國Fairchild公司于1974年推出的F8系列機，1976年Intel公司推出了影響巨大、應用廣泛的MCS-51系列單片機，完善了單片機的體系結構，由此開始了一個單片機的時代。

單片機的發展大體經歷了以下幾代：

（1）第一代單片機（1974—1976年）：起步階段。這個時期生產的單片機制造工藝落后，集成度較低，而且采用雙片形式，典型的代表產品有Fairchild公司的F8系列單片機和Intel公司的3870系列單片機。

（2）第二代單片機（1976—1978年）：完善階段。這個階段已經將各類接口、存儲器和CPU等集成到一塊芯片上。但性能較低，產品數量和品種較少，典型產品是Intel公司的MCS-48系列單片機。

（3）第三代單片機（1979—1982年）：成熟階段。以Intel公司的MCS-51系列單片機和Motorola公司的MC6801系列單片機為代表，是8位單片機技術的成熟階段。MCS-51系列單片機體系結構完善，成了事實上的單片機結構標準。

（4）第四代單片機（1983年至今）：發展階段。隨著單片機在各個領域的廣泛應用，出現了高速度、大尋址范圍、強運算能力的8位、16位、32位通用型單片機。不斷擴展滿足嵌入式應用對象系統要求的各種外圍電路和接口電路，提高智能化控制能力。針對應用對象的不同，各大廠商相繼推出了應用于不同領域的專門化單片機，如空調、電冰箱、電子游戲、汽車控制等專用單片機。

3.單片機的封裝及命名規則

單片機是集成在一塊芯片上的計算機，從外觀上看，只是一塊芯片而已。因使用的場合不同，單片機常以不同的封裝形式出現，如圖1-1所示。單片機常見的封裝形式主要有DIP（直插封裝）形式、PLCC（貼片，引腳向內折起）形式、TQFP（貼片，引腳向外側伸展）形式等。

DIP形式封裝的單片機比較多見，一般實驗板上應用的也是DIP形式封裝的單片機。對于DIP封裝的單片機來說，在外殼正中央印有字（型號）的一面是它的正面，在單片機外殼的正面的一側邊有一個半月形的小凹陷，同時還有一個圓形的小坑在旁邊。將半月形凹陷向上此時離圓形小坑最近的引腳為單片機的1號引腳。把單片機印有型號的一側朝上，1號引腳放在左手邊，逆時針順序依次為2，3，4，…，40腳。這樣數的引腳號與電路圖上所標的引腳號是一一對應的。對于其他封裝的器件，方法與此類似，也可參考實際的器件使用手冊來找到引腳的排列。

單片機中51系列單片機是基礎入門的一種單片機，也是應用最為廣泛一種單片機，其代表型號是Atmel公司生產的AT89系列，它廣泛應用于工業測控系統之中。世界上很多公司都有51系列的兼容機型。表1-1列出了世界上主要的51單片機廠商及其產品。

續表

表1-1中也只是列舉了部分廠商的部分產品，實際上生產51系列單片機的企業很多，產品種類也多，不可能一一列出。但由于這些企業生產的都是51內核的單片機，所以只要學會了一種51單片機的操作，這些單片機就都可以拿來使用，其操作具有通用性。

Atmel公司是第一家將Flash E2PROM存儲器用于80C51系列單片機的廠商，其典型產品有AT89C51、AT89C52，對應的低功耗產品為AT89LV51和AT89LV52。下面以Atmel公司產品AT89C51-12PI為例，簡單說明一下單片機編碼的命名規則。

AT：前綴，表示芯片的生產廠商是Atmel公司。

8：表示該芯片為8051內核芯片，即這是一個51單片機。

9：表示內部含有Flash E2PROM存儲器。

C：表示該芯片為CMOS產品。LV、LE表示該芯片為低電壓產品，S表示該芯片具有可以串行下載功能的Flash存儲器，即具有ISP在線編程功能。

5：固定不變。

1：表示該芯片內部存儲空間的大小。1為4KB，2為8KB，3為12KB，即該數字×4KB。

“-”以后的部分為后綴，這部分用來標明該芯片的晶振頻率、產品級別（商用、工業、軍用等）、封裝形式等等。

12：表示該芯片的晶振頻率是12MHz，如果為16就表示16MHz，等等。

P：表示該芯片的封裝形式為塑料雙列直插DIP封裝。D表示陶瓷封裝，Q表示PQFP封裝，J表示PLCC封裝，A表示TQFP封裝，W表示裸芯片，S表示SOIC封裝。

I：表示該芯片工作的溫度范圍，或者說是產品級別。C表示商用產品（溫度范圍為0～70℃），I表示工業用產品（溫度范圍為-40～85℃），A表示汽車用產品（溫度范圍為-40～125℃），M表示軍用產品（溫度范圍為-55～150℃）。

上面的單片機型號AT89C51-12PI，表示意義為該單片機是Atmel公司生產的帶有Flash E2PROM的51單片機，內部采用CMOS工藝，晶振頻率為12MHz，封裝為塑封DIP，按工業用品標準工藝生產。

4.單片機的引腳及功能

較為常見的是40引腳DIP形式封裝的51單片機，也有20、28、32、44等不同引腳數的51單片機。本書以較為常見的40引腳DIP封裝的單片機為例介紹單片機的引腳與功能。51單片機的引腳按功能大致可分為4類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。其引腳分布情況如圖1-2所示。

下面分類說明各引腳的功能：

1）電源引腳

（1）VCC：芯片電源引腳，接+5V電源。

（2）GND：芯片接地引腳。

2）時鐘引腳

有兩個引腳XTAL1、XTAL2，分別為晶體振蕩電路的反相輸入端和輸出端。

3）控制信號引腳

（1）ALE/：地址鎖存允許/片內EPROM編程脈沖。

ALE功能：用于指示當前在P0復用引腳上輸出的是地址信號，并使外部鎖存器鎖存低8位地址。即使單片機不訪問外部存儲器，ALE引腳仍會周期性地輸出正脈沖信號，頻率為振蕩頻率的1/6，可以用作系統中其他電路的時鐘。

功能：片內有EPROM芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。

（2）：程序存儲器允許信號或外部ROM的讀選通信號。

（3）RST/VPD：復位信號/備用電源。

RST功能：復位信號輸入端。當該引腳上出現兩個機器周期的高電平時，將使機器復位。

VPD功能：接備用電源。在VCC掉電情況下，VPD可為內部RAM供電。

（4）/VPP：內外ROM選擇/片內EPROM編程電源。

功能：內外ROM選擇端。當為低電平時，只能訪問外部程序存儲器，而不管內部是否有程序存儲器。對于8031/8032芯片，由于其內部沒有程序存儲器，所以必須為低電平。

VPP功能：片內有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，用于施加21V的編程電源。

4）I/O引腳

51單片機共有4個8位并行I/O接口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。單片機的輸入/輸出接口具有多種功能，其中一種功能是連接成“三總線”形式，如圖1-3所示。由于現在大部分系統都不采用“三總線”結構，故不贅述。

5.單片機的內部邏輯結構

因為單片機有特定的應用方式，所以它的內部結構和普通計算機相比有很大的差別。單片機內部含有大量的CPU輔助電路、接口電路和片內存儲器，這些特點使得用單片機構建的計算機系統既簡單又高效。圖1-4是典型的單片機內部結構框圖。

51單片機內部由內部總線將CPU、程序存儲器（ROM）、數據存儲器（RAM）、定時計數器、串并行接口、中斷系統等連接在一起，構成了一個功能齊全的計算機硬件系統。下面逐一介紹各主要部件：

1）CPU

C.U是單片機的核心部件，主要由運算器、控制器和寄存器陣列構成。運算器用來完成算術運算和邏輯運算功能，主要由算術邏輯單元（ALU）、累加器（ACC）、暫存寄存器（TMP1、TMP2）和狀態寄存器（PSW）組成。控制器是單片機內部按一定時序協調工作的控制核心，是分析和執行指令的部件。控制器主要由程序計數器（PC）、指令寄存器（IR）、指令譯碼器（ID.）和定時控制邏輯電路等構成。

2）ROM

ROM又稱程序存儲器，可以用來存放程序、常數或表格等。不同的單片機其內部ROM的大小也不相同。8052單片機內部ROM為8KB，8051單片機內部ROM為4KB。而8031/8032等單片機不提供內部ROM，只能通過外部存儲器存儲程序。常用的單片機其ROM容量一般為4～64KB。

3）RAM

RAM是單片機的內存，用來保存程序運行期間產生的臨時數據等，又稱數據存儲器。單片機中RAM普遍較小，MCS-51系列單片機中內部的RAM只有256B，并且只有低128B可以作為內部的隨機存儲器進行訪問，其余高128B作為特殊功能寄存器被占用。特殊功能寄存器對應單片機內部各個接口電路的控制、狀態和數據寄存器。

4）定時/計數器

定時/計數器可以周期性地產生定時或計數信號，完成精確定時、外部事件計數等功能，還可以為串行接口提供時鐘。51系列單片機中提供兩個16位的定時/計數器。而52子系列單片機內部有3個定時/計數器。

5）并行接口

51單片機有四個8位并行接口，分別命名為P0口、P1口、P2口和P3口，除P0外其余都是8位準雙向口，每次可以并行輸入或輸出8位二進制信息。也可以按位操作進行輸入或輸出信息。每個并行I/O接口內部都有一個8位數據鎖存器、一個輸出驅動器和一個8位輸入緩沖器。因此，CPU進行數據輸出時可以將數據鎖存，進行數據輸入時可以得到緩沖。除P1口外，其余3個接口還都具有第二功能。

6）串行接口

51單片機的串行口主要用于與遠程設備進行全雙工的異步串行通信，也可用于同步移位寄存器來擴展I/O接口。

7）中斷系統

單片機中的中斷是指CPU暫停正在執行的原程序轉而為中斷源服務（執行中斷服務程序），在執行完中斷服務程序后再回到原程序繼續執行。中斷系統是指能夠處理上述中斷過程所需要的那部分接口電路。51單片機的中斷系統可以管理5個中斷源，共有2個中斷優先級。此中斷系統還可以進行擴充。

8）時鐘電路

時鐘電路主要產生單片機需要的時鐘信號，51單片機的時鐘有兩種方式：一種是片內的時鐘振蕩方式，需要兩個引腳（XTAL1、XTAL2）外接石英晶體振蕩器和振蕩電容器（一般取10～30pF）；另一種是外部時鐘方式，直接使用外部時鐘輸入（XTAL2接入）。