1.1 單片機概述

1.1.1 嵌入式系統與單片機

現代計算機系統有兩大分支：通用計算機系統和嵌入式計算機系統（簡稱嵌入式系統）。前者是人類的“智力平臺”；后者是人類工具的“智力嵌入”。

嵌入式系統是嵌入到應用對象中的微型計算機系統，是硬件、軟件結合的智力系統。硬件包括中央處理器、存儲器、外設器件、I/O（輸入/輸出）端口和圖形控制器等。軟件部分包括系統軟件和應用程序。

嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU）又稱單片機，它將整個計算機系統集中到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某種微處理器內核為核心，根據某些典型的應用，在芯片內部集成了ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時器/計數器、I/O口、串行口、A/D轉換器、D/A轉換器、FlashRAM、E2PROM、PWM控制器等各種必要的功能部件和外設。為適應不同的應用需求，對功能的設置和外設的配置進行必要的修改和裁剪定制。嵌入式微控制器使應用系統的體積大大減小，功耗和成本大幅下降，可靠性提高，這使得嵌入式微控制器成為嵌入式系統應用的主流。

單片機接上振蕩元件、復位電路、接口電路，載入軟件后，可以構成單片機應用系統。將它嵌入形形色色的應用系統中，它將成為眾多產品、設備的智能化核心。單片機種類很多，型號也很多，例如，AT89C51、AT89S51、P87C51、W7851E、MCS-51、PIC、ARM7、ARM9等。AT89S51單片機內部結構原理示意框圖如圖1-1所示。

1.1.2 單片機的發展概況

1.單片機發展簡要歷程

1976年Intel公司推出8位單片機MCS-48系列單片機。

1980年Intel公司推出8位單片機MCS-51系列單片機。

1982年Intel公司推出16位單片機MCS-96系列單片機。

近年來，ARM等公司推出了各種型號的32位單片機，并獲得了迅速發展。例如，ST公司推出了基于ARM9為內核的32位STR91x系列產品，該產品是包含以太網、CAN、USB和DSP功能的Flash單片機。

三十多年來，單片機經歷了4位、8位、16位、32位機的各個階段。64位的單片機走向市場也指日可待。

8位單片機系列多，型號多，并且在更多的市場找到了發揮的空間，因此占據國內單片機市場的主流地位。國內使用最多的8位單片機系列中有MCS-51、AT89、P87C、W78E系列機、PIC、HT等。AT89系列機、P87C系列機、W78E系列機均是MCS-51系列機的兼容機。表1-1列出了幾種常用8位單片機的主要配置。

表1-1 幾種常用8位單片機的主要配置

單片機在目前的發展形勢下，表現出以下幾大趨勢：

• 采用多核CPU提高處理能力。
• 采用新型存儲器方便用戶擦寫程序及數據，加大存儲容量，加強程序的保密措施。
• 單片機內部的集成度越來越高，和模擬電路結合越來越緊密，使其應用水平不斷提高。如NS（美國國家半導體公司）的單片機已把語言、圖像部件也集成到單片機中。
• 通信和聯網功能不斷增強。
• 集成度不斷提高，功耗越來越低，電源電壓范圍加寬。

2.AT89系列單片機

AT89系列機是Atmel公司將先進的Flash存儲器（快閃擦寫存儲器）技術和Intel80C51單片機的內核相結合的系列單片機，是與MCS-51系列機兼容的Flash系列單片機。它既繼承了MCS-51原有的功能，又擁有一些獨特的優點，是目前應用廣泛的主流機型之一。AT89系列有AT89C系列和AT89S系列，各系列中又有低檔型、標準型和高檔型之分。AT89C51、AT89S51還與80C51、87C51的引腳兼容，可直接進行代換。

AT89C51單片機是AT89系列機的標準型單片機，是低功耗高性能的8位單片機，使用最高晶振頻率為24MHz。

AT89S51單片機的基本功能、基本優點、引腳等都與AT89C51相同，但增加了一些新功能。例如，增加了ISP在線系統編程、看門狗、雙DPTR等功能，并將工作頻率提高到33MHz。AT89S51在眾多嵌入式控制應用系統中得到廣泛應用。

AT89SXX系列單片機實現了ISP下載功能，故而取代了89CXX系列的下載方式，也是因為這樣，Atmel公司已經停止生產89CXX系列的單片機，現在市面上的89CXX多是停產前的庫存產品。

1.1.3 單片機的應用領域

單片機由于其體積小、功耗低、價格低廉，且具有邏輯判斷、定時計數和程序控制等多種功能，廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，處處可以見到它的身影，單片機主要應用于以下方面。

（1）儀表、傳感器智能化

這是單片機應用最多、最活躍的領域之一。各種測量儀器、儀表普遍以單片機為核心的系統替代傳統的系統，使測量系統具有各種智能功能。如存儲、數據處理、查找、判斷、聯網和語音功能等。

將單片機與傳感器結合可以構成新一代的智能傳感器，可實現諸如電壓、頻率、功率、溫度、流量、速度等物理量的測量。

（2）工業控制智能化

單片機廣泛用于工業生產過程的自動控制、物理量的自動檢測與處理、工業機器人、電機控制等領域。

（3）家用電器智能化

國內外各種家用電器已普遍采用單片機控制電路，構成單片機智能化控制系統。如電冰箱、空調器、微波爐、電飯煲、洗衣機、電視機等的控制器都以單片機為核心。

（4）通信產品智能化

現代通信設備基本上都實現了單片機智能控制。如程控交換機、手機、電話機、智能線路運行控制等。

（5）汽車電子系統智能化

單片機已應用到汽車電子系統中。例如，汽車點火控制、變速控制、防滑剎車、排氣控制、節能控制、汽車報警、冷氣控制、測試設備等。