1.2 單片機的硬軟件系統及種類

1.2.1 單片機的硬件系統

單片機的硬件系統包含5個基本組成部分，即運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。其基本組成與通用微型計算機是一樣的，但在硬件結構上單片機也有著自己獨特之處。

1）存儲器ROM和RAM是嚴格分工的

ROM用做程序存儲器，只存放應用程序和常數表格；而RAM用做數據存儲器，存放臨時的中間結果、數據和變量（這樣的存儲器結構稱為哈佛結構）。這樣的設計方案使單片機更適用于實時控制系統：配置幾KB到幾十KB的程序存儲空間ROM，將已調試好的程序固化其中，不僅掉電時程序不丟失，還可避免程序被修改和破壞，從而確保了程序的安全。實時控制場合一般僅需容量較小的RAM，用于存放少量隨機數據，這樣有利于提高單片機的操作速度。

2）輸入/輸出（I/O）端口引腳通常設計有多種功能

為了減小單片機的體積，芯片封裝的引腳數受到限制。為了解決I/O引腳數量少而實際需要信號功能種類多的矛盾，可以將一個引腳分時復用。應用設計時，使用多功能引腳的哪一種功能，可由用戶根據需要確定。

3）單片機的硬件功能具有廣泛的通用性

同一種單片機可以應用在不同的控制系統中，只是其中所配置的軟件不同而已。也就是說，給單片機固化上不同的軟件，便可形成用途不同的專用智能芯片，這種芯片稱為固件。

1.2.2 單片機的軟件系統

硬件系統作為實體為單片機工作提供了基礎和條件，但要想使單片機有效地工作，還必須有軟件的配合。所謂軟件，是指完成各種功能的計算機程序的集合，如操作、監控、管理、控制、計算和自診斷程序等。

一般來說，計算機的軟件系統包括系統軟件、應用軟件和程序設計語言3個部分。單片機由于硬件支持和需要所限，其軟件系統比較簡單。

1）監控程序

單片機的系統管理不需要像微型計算機那樣復雜的操作系統。8051單片機的系統管理只使用簡單的監控程序。

2）集成開發系統

單片機集成開發系統軟件是指用來在計算機上編寫、匯編、仿真、調試單片機應用程序的軟件。目前用得比較多的有WAVE公司的WAVE6000、Keil公司的Keil C51以及萬利公司的MedWin等，本書選用WAVE6000作為集成開發環境。系統軟件一般不需要用戶自己設計，它只是開發應用軟件的工具。

3）應用軟件

應用軟件是面向生產過程的程序，大都由用戶自己根據實際需要進行開發。如A/D轉換程序、D/A轉換程序、數據采樣程序、數據濾波程序、鍵盤處理程序、顯示程序和過程控制程序等。

4）程序設計語言

早期的單片機中通常使用匯編語言，單片機并沒有自己專用的匯編程序，用戶的應用程序是在其他微型計算機上通過交叉匯編的方法得到的二進制目標碼。由于C語言使用的方便性和廣泛性，在單片機的開發應用中，除了使用匯編語言外，也逐漸引入了C語言。早在1985年便出現了適用于8051單片機的C語言，簡稱C51。本書為使讀者更加透徹地了解單片機的工作原理，以匯編語言為主來講解單片機應用程序的開發。

1.2.3 單片機的分類與選擇

本小節主要介紹目前主流的單片機廠商生產的幾種使用比較廣泛、有代表性的單片機芯片。

1）Motorola單片機

Motorola是世界上最大的單片機廠商。從M6800開始，開發了大量的品種，涉及4位、8位、16位、32位單片機。其中典型的產品有：M6805和M68HC05系列（8位）、M68HC11和M68HC12（8位增強型）、M68HC16（16位）、M683××（32位）。Motorola單片機在同樣的速度下所用的時鐘頻率較Intel類單片機低得多，因而使得高頻噪聲低、抗干擾能力強，更適合于工控領域及惡劣的環境。

2）AVR單片機

Atmel公司的AVR單片機是增強型RISC內載Flash（閃存）的單片機，芯片上的Flash存儲器附在用戶的產品中，可隨時編程、再編程，使用戶的產品設計容易，更新換代方便。AVR單片機采用增強的RISC結構，具有高速處理能力，在一個時鐘周期內可執行復雜的指令，1MHz可達到1MIPS的處理能力。AVR單片機工作電壓范圍為2.7～6.0V，可以實現耗電最優化。AVR單片機廣泛應用于計算機外部設備、工業實時控制、儀器儀表、通信設備、家用電器和宇航設備等領域。

另外，Atmel公司的AT89系列單片機（簡稱89系列單片機）是目前使用比較廣泛的一種單片機。該系列單片機與51系列單片機完全兼容，內部含有大容量的Flash存儲器，在便攜式商品、手提式儀器等方面有著十分廣泛的應用。

3）MicroChip單片機

MicroChip單片機的主要產品是PIC16C系列和PIC17C系列8位單片機，采用RISC結構和Harvard雙總線結構、運行速度快、工作電壓低、功耗低、有較大的輸入/輸出直接驅動能力、價格低、一次性編程、體積小。適用于用量大、檔次低、價格敏感的產品。在辦公自動化設備、消費電子產品、智能儀器儀表、汽車電子、金融電子和工業控制等領域都有廣泛的應用。PIC系列單片機在世界單片機市場份額排名中逐年提高，發展非常迅速。

4）Philips單片機

Philips公司是國際上生產51兼容單片機種類最多的廠家之一。Philips公司的單片機都屬于51系列兼容的單片機，型號有上百種。其8位機的主要產品型號有P80C××、P87C××和P89C××系列。16位機的主要產品型號有PXAC××、PXAG××和PXAS××等。常用的51系列單片機如表1.2所示。