1.1 概述

單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）簡稱單片機，是指集成在一塊芯片上的計算機，它具有結構簡單、控制功能強、可靠性高、體積小、價格低等優點，在許多行業都得到了廣泛的應用。

1.1.1 單片機及其應用

1．單片機芯片技術的發展概況

單片機的發展歷史并不長，但其發展速度很快，目前已普及到各行各業，而且正朝著多系列、多型號方向發展。從它的發展歷程上看，大體經歷了四個發展階段：

第一階段是單片機的初級階段，時間在1971～1974年。1971年，Intel公司首次宣布推出4004的4位微處理器。1974年12月，仙童公司推出了8位單片機F8，從此開創了單片機發展的初級階段。F8單片機只包含了8位CPU、64B數據存儲器和2個并行輸入/輸出接口，必須外加一片3815（內含1KB ROM、1個定時/計數器和2個并行I/O口）才能構成一個完整的微型計算機。

第二階段是低性能單片機階段，時間在1974～1978年。此時的單片機是真正的8位單片微型計算機，它具有體積小、功能全的特點，在單塊芯片上已集成了CPU、并行口、定時器、RAM和ROM等。如1976年，Intel公司推出了MCS-48單片機，1977年，GI公司推出了PIC1650，但這個階段的單片機仍然處于低性能階段。

第三階段是高性能單片機階段，時間在1978～1983年。此時的單片機品種多、功能強，一般片內RAM、ROM都相對增大，而且尋址范圍可達64KB，并有串行輸入/輸出接口，還可以進行多級中斷處理。1980年，Intel公司在MCS-48的基礎上推出的MCS-51，使單片機的應用躍上了一個新的臺階。此后，各公司的8位單片機迅速發展起來，如Mortorola公司的6801系列等。

第四階段是單片機的發展、鞏固、提高階段，時間1983年至現在，單片機朝著高性能和多品種方向發展。1983年，Intel公司開始推出MCS-96系列16位單片機，1988年，Intel公司又推出了MCS-96系列中的8098/8398/8798單片機，使MCS-96系列單片機的應用更為廣泛。20世紀90年代，是單片機制造業大發展時期。這個時期的MOTOROLA、Intel、AT-MEL、德州儀器、三菱、日立、飛利浦、LG等公司也開發了一大批性能優越的單片機，極大地推動了單片機的應用。此階段單片機的一個重要標志就是超8位單片機的各檔機種增加了直接數據存取通道、特殊串行接口等，而且近幾年發展的單片機又增加了看門狗、A/D轉換、D/A轉換、LCD直接驅動等功能。例如80C552片內帶8路10位A/D、2路PWM、1個輸入捕捉和1個輸出比較的16位定時器等。帶LCD驅動的單片機有8xC055、83CL167/168、83CL267/268等。出現了單片機市場豐富多彩的局面。此階段的主要特點是片內面向測控系統外圍電路增強，使單片機可以方便靈活地用于復雜的自動測控系統及設備?！拔⒖刂破鳌钡姆Q謂更能反映單片機的本質。

2．單片機的特點

（1）體積小 由于單片機已將微計算機的所有結構濃縮于單一芯片內，因此可使產品符合輕薄短小的要求。

（2）接線簡單 由于單片機的外部只要接上少許器件即可動作，接線簡單，可靠性高，不論裝配或檢修都容易操作。

（3）價格低廉 由于各制造商展開市場爭奪戰，單片機的價格不斷下降。若大量采購，則價格已足以與一般傳統的邏輯（數字）電路較量。

（4）簡單易學 由于單片機所需的外部器件甚少，初學者只需花費極少的時間學習硬件電路的設計，而把大部分的時間放在軟件（設計程序）的學習上，可縮短學會單片機應用所需的時間。

3．單片機的應用

單片機之所以能夠發展至今天，而且發展勢頭強勁，關鍵在于它的應用非常廣闊。自20世紀80年代以來，單片機的應用已經深入到工業、農業、國防、科研、機關、教育、商業以及家電、生活、娛樂、玩具等各個領域之中。

（1）主要應用領域

1）智能產品。單片機與傳統的機械產品結合，使傳統機械產品結構簡化，控制智能化，構成新一代的機電一體化產品。

2）智能儀表。用單片機改造原有的測量、控制儀表，能促進儀表向數字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化發展。

3）測控系統。用單片機可以構成各種工業控制系統、適應控制系統、數據采集系統等。

4）數控控制機。在目前機床數控系統的建議控制中，采用單片機可提高其可靠性及增強功能，降低控制成本。

5）智能接口。計算機系統特別是較大型的工業測、控系統中，除通用外部設備外，還有許多外部通信、采集、多路分配管理、驅動控制等接口。這些外部設備與接口如果完全由主機進行管理，勢必造成主機負擔過重，降低運行速度，接口的管理水平也不可能提高。如果用單片機進行接口的控制與管理，單片機與主機均可單獨進行工作，大大提高了系統的運行速度。同時，由于單片機可對接口信息進行加工處理，可以大量減少接口界面的通信密度，極大地提高接口控制管理水平。

（2）單片機在各個領域中的典型應用舉例

1）工業控制。數控機床、溫度控制、可編程順序控制、電動機控制、工業機器人、智能傳感器、離散與連續過程控制等。

2）儀器儀表。智能儀器、醫療器械、液晶和氣體色譜儀、數字示波器、金屬探測儀等。

3）電信技術。調制解調器、聲像處理、數字濾波、智能線路運行控制、通信設備等。

4）辦公自動化和計算機外部設備。圖形終端機、傳真機、復印機、打印機、繪圖儀、磁盤驅動器、智能終端機等。

5）汽車與節能。點火控制、排放控制、噴油控制、變速控制、防滑控制、安全氣囊控制、門鎖控制、刮水器控制、座椅控制、防盜報警控制、空調控制、前照燈控制、導航控制、計費器、交通控制等。

6）導航。導彈控制、魚雷制導、智能武器裝置、航天導航系統等。

7）商用產品。自動售貨機、電子收款機、電子秤、銀行統計機等。

8）家用電器。微波爐、電視機、空調機、洗衣機、錄像機、攝像機、數碼相機、音響設備、游戲機、智能玩具等。

綜上所述，單片機技術遍布每一個角落，從家用電器、智能儀器與儀表、工業控制直到導彈火箭導航等尖端技術領域，單片機都發揮著十分重要的作用。

4．主流單片機簡介

隨著微電子設計技術及計算機技術的不斷發展，單片機產品和技術日新月異。單片機產品近況可以歸納為以下兩個方面。

1）80C51系列單片機產品繁多，主流地位已經形成。通用微型計算機計算速度的提高主要體現在CPU位數的提高（16位、32位、64位），而單片機更注重的是產品的可靠性、經濟性和嵌入性。多年來的應用實踐已經證明，80C51的系統結構合理、技術成熟。因此，許多單片機芯片生產廠商傾力于提高80C51單片機產品的綜合功能，從而形成了80C51的主流產品地位。近年來推出的與80C51兼容的主要產品如下：

● ATMEL公司融入Flash存儲器技術推出的AT89系列單片機。

● Philips公司推出的80C51、80C52系列高性能單片機。

● Winbond公司推出的W78C51、W77C51系列高速低價單片機。

● ADI公司推出的ADuC8xx系列高精度ADC單片機。

● LG公司推出的GMS90/97系列低電壓高速單片機。

● Cygnal公司推出的C8051F系列高速SOC單片機等。

● Maxim公司推出的DS89C420高速（50MIPS）單片機。

由此可見，80C51已經成為事實上的單片機主流系列。

2）非80C51結構單片機不斷推出，給用戶提供了更為廣泛的選擇空間。

在80C51及其兼容產品流行的同時，一些單片機芯片生產廠商也推出了一些非80C51結構的產品，影響比較大的如下：

● MOTOROLA單片機。品種全、選擇余地大、新產品多是其特點，MOTOROLA是世界上最大的單片機廠商。

● Microchip公司推出的PIC系列RISC結構單片機。

● ATMEL公司推出的AVR系列RISC結構單片機。

● TI公司推出的MSP430F系列16位低電壓、低功耗單片機。

5．微型計算機及微型計算機系統

微型計算機（Microcomputer）簡稱微機，是計算機的一個重要分支。微型計算機不但具有其他計算機快速、精確、程序控制等特點，最突出的是它具有體積小、重量輕、功耗低、價格便宜等優點。個人計算機簡稱PC（Personal Computer）機，是微型計算機中應用最為廣泛的一種，也是近年來計算機領域中發展最快的一個分支。

通過分析人們如何利用算盤這種工具來解題的過程，就很容易了解計算機的工作過程和基本的結構組成。人們利用算盤進行計算時，必須具有以下裝置。

● 運算裝置：算盤。

● 記錄（存放）計算步驟、計算結果的裝置：紙張和筆。

● 控制裝置：上述計算過程都是在人腦的控制下，由手去執行。

● 輸入輸出裝置。

下面把組成計算機的六個基本部件作簡單說明：

（1）運算器 運算器是計算機的運算部件，用于實現算術和邏輯運算。計算機的數據運算和處理都在這里進行（相當于算盤）。

（2）控制器 控制器是計算機的指揮控制部件，使計算機各部分能自動協調地工作（相當于使用紙、筆、算盤的人的大腦）。運算器和控制器是計算機的核心部分，常把它們合在一起稱為中央處理器，簡稱CPU。

（3）存儲器 存儲器是計算機的記憶部件，用于存放程序和數據（相當于紙和筆）。

按功能可以分為只讀和隨機存取存儲器兩大類。

所謂隨機存取存儲器，英文縮寫為RAM（Random Access Memory）。汽車運行時，需要暫時存儲的信息由微處理器傳送到RAM。RAM中存儲的信息隨時都可以更改。由于傳感器輸出到微型計算機的信息，隨著汽車工況的變化而頻繁地變化，這類信息就得存在RAM中，既能從RAM中讀出信息，還能擦除RAM中的信息。

所謂只讀存儲器，英文縮寫為ROM（Read Only Memory）。微處理器能從ROM中讀取信息，但不能把信息寫入ROM中。而且，微處理器不能擦除ROM中的信息。在ROM芯片的制造過程中，各種永久性的程序和數據經編程送入ROM內，如電子控制燃油噴射發動機系統中的一系列控制程序軟件、噴油特性脈譜、點火控制特性脈譜以及其他特性數據等，即使蓄電池的接線斷開，ROM中的信息也不會丟失。

ROM中有查詢表，其中包括汽車該如何運行的信息。圖1-1所示為點火提前和混合氣空燃比脈譜圖，微處理器根據傳感器的輸入信息獲知發動機的轉速和負荷信息，從ROM中查取相應的理想點火提前角和理想空燃比，并進行相應的控制。

注意：所謂的只讀和隨機存取都是指在正常工作情況下而言，也就是在使用這塊存儲器的時候，而不是指制造這塊芯片的時候。

程序存儲器的類型：

PROM，稱之為可編程程序只讀存儲器。這就像我們的練習本，買來的時候是空白的，可以寫東西上去，可一旦寫上去，就擦不掉了，因此它只能寫一次，要是寫錯了，就報銷了。

EPROM，稱之為紫外線擦除的可編程只讀存儲器。它里面的內容寫上去之后，如果覺得不滿意，可以用一種特殊的方法去掉后重寫，這就是用紫外線照射，紫外線就像“消字靈”，可以把字去掉，然后再重寫。

EEPROM，稱之為電可擦除的可編程只讀存儲器。這種存儲器和EPROM類似，寫上去的東西也可以擦掉重寫，但它要方便一些，不需要光照了，只要用電學方法就可以擦除，所以就方便許多。它是上述幾種只讀存儲器中價格最貴的一種，常用于在使用過程中需要時常修改其重要數據的存儲器。汽車里程表的數據存儲器就常用這種存儲器。根據需要更改汽車里程數據或更換微機時，都需要將原來存儲的數據擦掉，寫入新的數據。

Flash ROM，稱之為閃速存儲器，Flash ROM是一種新型的電可擦除、非易失性存儲器，使用方便，價格低廉，可多次擦寫，近年來應用廣泛。

串行EEPROM，稱之為I²C接口存儲器，內部有頁寫入緩沖器，頁寫入緩沖器容量P的大小與芯片生產廠家、型號有關，例如汽車AT93C46/56/57/66型防盜芯片和AT24C01A/02/04/08/16型音響防盜芯片。

（4）接口 一種在微處理器和外部設備之間控制數據流動和數據格式的電路稱為接口。簡單地說，接口就是連接兩個電子設備單元的部件。單片機要通過外部設備與外界聯系，例如，在發動機的優化控制中，CPU要在極短的時間內對發動機的許多工況（通過傳感器）進行巡回檢測。另外，CPU又要對點火提前角、燃油噴射、自動變速等進行自動控制或是優化控制。因此，許多輸入、輸出設備與微機連接時，必須有其專用的接口電路。

接口一般可分為并行和串行接口兩種。

1）串行接口。一次傳輸一位數據稱為串行傳輸，以串行傳輸方式通信時使用的接口叫串行接口。串行接口由接收器、發送器和控制器三部分組成。接收器把外部設備送來的串行數據變為并行數據送到數據總線；發送器把數據總線上的并行數據變為串行數據發送到外部設備去；控制器是控制上面兩種變換過程的電路。串行接口的主要用途是進行串/并、并/串轉換。

2）并行接口。同時傳輸兩位或兩位以上的數據稱為并行傳輸，以并行傳輸方式通信是把多位數據，例如8位數據的各位同時傳送。微機內部幾乎都是使用并行傳輸方式。由于CPU與外部設備的速度不同，外部設備的數據線不能直接接到總線上。為使CPU與外部設備的動作匹配，中間需要有緩沖器和鎖存器，用于暫時保存數據。由上述器件組成的電路稱為并行接口。

串行和并行接口統稱為輸入、輸出接口。

（5）輸入設備 輸入設備用于將程序和數據輸入到計算機中，如鍵盤。

汽車上用的微機系統一般尺寸很小，不便于安裝鍵盤。微機是專門用于汽車檢測與自動控制（如點火、噴油、防滑制動等）的。它的程序是固定不變的，是事先編好存在微機存儲器內的。只要通過傳感器等信號啟動相應的程序即可完成相應的自動控制。如果汽車的自動控制系統出現問題，需要調用系統的自診斷程序時，通過開關或簡單的連接線即可實現人機對話的目的。有的高級汽車裝有微型鍵盤，以方便進行較多的人機對話。

（6）輸出設備 輸出設備用于把計算機數據計算或加工的結果，以用戶需要的形式顯示或保存，如顯示器、打印機。

通常把外存儲器（微機用的較多的外部存儲器是磁盤，磁盤又分為硬盤和軟盤）、輸入設備和輸出設備合在一起稱為計算機的外部設備，簡稱“外設”。

微型計算機系統由硬件系統和軟件系統兩大部分組成。

硬件系統是指構成微機系統的實體和裝置，通常由運算器、控制器、存儲器、輸入接口電路和輸入設備、輸出接口電路和輸出設備等組成。其中，運算器和控制器一般做在一個集成芯片上，統稱中央處理單元（Central Processing Unit, CPU），是微機的核心部件，配上存放程序和數據的存儲器、輸入輸出（Input/Output, I/O）接口電路及外部設備即構成微機的硬件系統，如圖1-2所示。

軟件系統是指微機系統所使用的各種程序的總體。軟件的主體駐留在存儲器中，人們通過它對整機進行控制并與微機系統進行信息交換，使微機按照人的意圖完成預定的項目。

軟件系統與硬件系統共同構成實用的微機系統，兩者是相輔相成、缺一不可的。

6．單片微型計算機

單片微型計算機（Single Chip Microcomputer, SCM）簡稱單片機，又稱微控制器或嵌入式計算機，是指集成在一個芯片上的微型計算機，也就是把組成微型計算機的各種功能部件，包括CPU（Central Processing Unit）、隨機存取存儲器RAM（Random Access Memory）、只讀存儲器ROM（Read Only Memory）、基本輸入/輸出（Input/Output）接口電路、定時器/計數器等部件制作在一塊集成芯片上，構成一個完整的微型計算機，從而實現微型計算機的基本功能。

單片機應用系統是以單片機為核心，配以輸入、輸出、顯示、控制等外圍電路和軟件，能實現一種或多種功能的實用系統。本書的項目電路也是一個單片機的應用系統，它除了有單片機芯片以外，還有許多的外圍電路，再配以后續章節一系列的項目程序，可以完成很多功能。單片機應用系統是由硬件和軟件組成，硬件是應用系統的基礎，軟件是在硬件的基礎上對其資源進行合理調配和使用，從而完成應用系統所要求的項目，二者相互依賴，缺一不可。

1.1.2 MCS-51系列單片機

MCS-51系列單片機主要包括8031、8051和8751等通用產品。下面對MCS-51系列單片機進一步說明。

1．51子系列和52子系列

MCS-51系列又分為51和52兩個子系列，并以芯片型號的最末位數字作為標志。其中51子系列是基本型，而52子系列屬于增強型。52子系列功能增強的具體方面如下：

① 片內ROM從4KB增加到8KB。

② 片內RAM從128B增加到256B。

③ 定時器/計數器從2個增加到3個。

④ 中斷源從5個增加到6個。

2．單片機芯片半導體工藝

MCS-51系列單片機采用兩種半導體工藝生產。一種是HMOS工藝，即高速度高密度短溝道MOS工藝。另外一種是CHMOS工藝，即互補金屬氧化物的HMOS工藝。

CHMOS是CMOS和HMOS的結合，除保持了HMOS高速度和高密度的特點之外，還具有CMOS低功耗的特點。例如8051的功耗為630mW，而80C51的功耗只有120mW。在便攜式、手提式或野外作業儀器設備上，低功耗是非常有意義的。因此，在這些產品中必須使用CHMOS的單片機芯片。

3．80C51系列單片機

80C51是MCS-51系列單片機的典型品種，所有生產廠商以80C51為核開發出的CHMOS工藝單片機產品稱為80C51系列單片機。

80C51系列單片機基本組成雖然相同，但不同型號的產品在某些方面仍會有一些差異。80C51系列單片機分類見表1-1。

表中列出了80C51系列單片機的芯片型號，以及它們的技術性能指標，使我們對它們的基本情況有一個概括的了解。