1.1 單片機(jī)的概念及發(fā)展

項(xiàng)目任務(wù)1 一只會(huì)閃光的燈

在還沒(méi)有學(xué)習(xí)單片機(jī)這門課程之前，我們先看一個(gè)案例：現(xiàn)在有一塊單片機(jī)開發(fā)板，接上電源，打開開關(guān)，我們看到有一個(gè)發(fā)光二極管在閃爍，即每隔0.5 s發(fā)光二極管亮一次，然后再滅一次，依此規(guī)律循環(huán)。單片機(jī)是如何控制一個(gè)發(fā)光二極管（LED）閃爍的呢？本任務(wù)要求在學(xué)習(xí)什么是單片機(jī)、單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及單片機(jī)最小系統(tǒng)的應(yīng)用等基礎(chǔ)知識(shí)后，再動(dòng)手實(shí)施與本案例相類似電路的設(shè)計(jì)過(guò)程。

1.1.1 單片機(jī)的定義

隨著單片機(jī)性價(jià)比的不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，單片機(jī)開發(fā)可參考的資料、案例日益豐富，開發(fā)平臺(tái)也日臻完善，單片機(jī)已不再局限于高端產(chǎn)品中的應(yīng)用。因此，在新產(chǎn)品開發(fā)及老產(chǎn)品改造中將會(huì)更廣泛地使用單片機(jī)技術(shù)。

1．單片機(jī)的概念與特點(diǎn)

單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)。它是微型計(jì)算機(jī)發(fā)展中的一個(gè)重要分支，以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、網(wǎng)絡(luò)、通信以及人們?nèi)粘９ぷ鳌⑸铑I(lǐng)域中。

1）什么是單片機(jī)

單片機(jī)（Single Chip Computer）又稱單片微控制器（Microcontroller），它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是將計(jì)算機(jī)主要部件集成到一塊芯片上。概括地講，一塊芯片集成了計(jì)算機(jī)的主要功能模塊。

單片機(jī)主要由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM）、輸入/輸出接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等部分組成。

它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。將單片機(jī)裝入各種智能化產(chǎn)品中，便成為嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller）。

2）單片機(jī)的特點(diǎn)

單片機(jī)具有如下特點(diǎn)：

（1）體積小、質(zhì)量輕。

（2）電源單一、功耗低（突出特點(diǎn)）。

許多單片機(jī)可在2.2V的電壓下工作，有的能在1.2V或0.9V電壓下工作，功耗降為μA級(jí)。

（3）功能強(qiáng)、價(jià)格低，有優(yōu)異的性能價(jià)格比。

（4）元器件全部集成在芯片上，布線短、合理，集成度高。

（5）數(shù)據(jù)大部分在單片機(jī)內(nèi)傳遞，運(yùn)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。

2．單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)

單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)有兩種，一是傳統(tǒng)的馮·諾依曼（John Von Neumann）結(jié)構(gòu)；另一種是哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)。

1）馮·諾依曼結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)多數(shù)是馮·諾依曼型的，即它是通過(guò)執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的程序而工作的。計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序自動(dòng)按序進(jìn)行，無(wú)須人工干預(yù)，程序和數(shù)據(jù)由輸入設(shè)備輸入存儲(chǔ)器，執(zhí)行程序所獲得的運(yùn)算結(jié)果由輸出設(shè)備輸出。因此，計(jì)算機(jī)通常由運(yùn)算控制部件、存儲(chǔ)部件、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備四部分組成，如圖1.1所示。

2）哈佛結(jié)構(gòu)

如圖1.2所示為哈佛結(jié)構(gòu)示意圖。下面結(jié)合圖1.2簡(jiǎn)單地介紹其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

數(shù)據(jù)與程序分別存于兩個(gè)存儲(chǔ)器中，是哈佛結(jié)構(gòu)的重要特點(diǎn)。由圖1.2可見(jiàn)系統(tǒng)有兩條總線，即數(shù)據(jù)總線和指令傳輸總線完全分開。哈佛結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：指令和數(shù)據(jù)空間是完全分開的，一個(gè)用于取指令，另一個(gè)用于存取數(shù)據(jù)。所以與常見(jiàn)的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)不同的第一點(diǎn)：程序和數(shù)據(jù)總線可以采用不同的寬度。數(shù)據(jù)總線都是8位的，但低擋、中擋和高擋系列的指令總線位數(shù)分別為12、14和16位。第二點(diǎn)：由于可以對(duì)程序和數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行訪問(wèn)，CPU的取指和執(zhí)行指令采用指令流水線結(jié)構(gòu)，如圖1.3所示，當(dāng)一條指令被執(zhí)行時(shí)允許下一條指令同時(shí)被取出，使得每個(gè)時(shí)鐘周期都可以獲得最高效率。

而在指令流水線結(jié)構(gòu)中，取指和執(zhí)行在時(shí)間上是相互重疊的，所以才可能實(shí)現(xiàn)單周期指令。只有涉及改變程序計(jì)數(shù)器PC（Program Counter）值的分支程序指令時(shí)，才需要兩個(gè)周期。

在后面的學(xué)習(xí)中，本書主要介紹的AT89S52單片機(jī)采用的就是哈佛結(jié)構(gòu)。

1.1.2 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

單片機(jī)是在一塊芯片上集成了一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)所需的CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出部件和時(shí)鐘電路等。因此它具有體積小、使用靈活、成本低、易于產(chǎn)品化、抗干擾能力強(qiáng)、可在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作等特點(diǎn)。特別是它應(yīng)用面廣、控制能力強(qiáng)，使它在工業(yè)控制、智能儀表、外設(shè)控制、家用電器、機(jī)器人、軍事裝置等方面得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)主要可用于以下幾方面：

1）家用電器

單片機(jī)已廣泛應(yīng)用于家用電器的自動(dòng)控制中。如洗衣機(jī)、空調(diào)、電冰箱、彩色電視機(jī)、錄像機(jī)、VCD、音響設(shè)備、手機(jī)和BP機(jī)等。單片機(jī)的使用提高了家用電器的性能和質(zhì)量，降低了家用電器的生產(chǎn)成本和銷售價(jià)格。

2）智能卡

盡管目前使用的各種卡主要是磁卡和IC卡，但是，帶有CPU和存儲(chǔ)器的智能卡，已經(jīng)并將日益廣泛地用于金融、通信、信息、醫(yī)療保健、社會(huì)保險(xiǎn)、教育、旅游、娛樂(lè)和交通等各個(gè)領(lǐng)域。

3）智能儀器儀表

單片機(jī)體積小、耗電少，被廣泛用于各類儀器儀表。如智能電度表、智能流量計(jì)、氣體分析儀、智能電壓電流測(cè)試儀和智能醫(yī)療儀器等。單片機(jī)使儀器儀表走向了智能化和微型化，使儀器儀表的功能和可靠性大大提高。

4）網(wǎng)絡(luò)與通信

許多型號(hào)的單片機(jī)都有通信接口可方便地進(jìn)行機(jī)間通信，也可方便地組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如單片機(jī)控制的無(wú)線遙控系統(tǒng)、列車無(wú)線通信系統(tǒng)和串行自動(dòng)呼叫應(yīng)答系統(tǒng)等。

5）工業(yè)控制

單片機(jī)可以構(gòu)成各種工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如數(shù)控機(jī)床、汽車安全檢測(cè)系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)和生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)等。

1.1.3 單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展階段

單片機(jī)自問(wèn)世以來(lái)，性能不斷提高和完善，其資源不僅能滿足很多應(yīng)用場(chǎng)合的需要，且具有集成度高、功能強(qiáng)、速度快、體積小、功耗低、使用方便、性能可靠、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。因此，在工業(yè)控制、智能儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和處理、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、汽車工業(yè)、國(guó)防工業(yè)、高級(jí)計(jì)算器具、家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，并且正在逐步取代現(xiàn)有的多片微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)的潛力越來(lái)越被人們所重視，特別是當(dāng)前用CMOS工藝制成的各種單片機(jī)，由于其功耗低、使用的溫度范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、能滿足一些特殊場(chǎng)合的要求，更加擴(kuò)大了單片機(jī)的應(yīng)用范圍，也進(jìn)一步促進(jìn)了單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展。

單片機(jī)的發(fā)展主要經(jīng)歷了3個(gè)階段（以Intel公司產(chǎn)品為例）。

第1階段（1971—1978年）：初級(jí)單片機(jī)階段，以MCS-48系列為代表。有4位、8位CPU，并行I/O口，8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，無(wú)串行口，中斷處理比較簡(jiǎn)單，RAM、ROM容量較小，尋址范圍不超過(guò)4KB。

第2階段（1978—1983年）：?jiǎn)纹瑱C(jī)普及階段，以MCS-51系列為代表。8位CPU，片內(nèi)RAM、ROM容量加大，片外尋址范圍可達(dá)64KB，增加了串行口，多級(jí)中斷處理系統(tǒng)， 16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。

第3階段（1983年以后）：16位單片機(jī)階段，以MCS-96系列為代表。16位CPU，片內(nèi)RAM、ROM容量進(jìn)一步增大，增加了A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，8級(jí)中斷處理功能，實(shí)時(shí)處理能力更強(qiáng)，它允許用戶采用面向工業(yè)控制的專用語(yǔ)言，如C語(yǔ)言等。

總之，單片機(jī)發(fā)展可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面：

（1）增加字長(zhǎng)，提高數(shù)據(jù)精度和處理速度；

（2）改進(jìn)制作工藝，提高單片機(jī)的整體性能；

（3）由復(fù)雜指令集CISC轉(zhuǎn)向簡(jiǎn)單指令集RISC技術(shù)；

（4）多功能模塊集成技術(shù)，使一塊嵌入式芯片具有多種功能；

（5）微處理器與DSP技術(shù)相結(jié)合；

（6）融入高級(jí)語(yǔ)言的編譯程序；

（7）低電壓、低功耗。

目前，國(guó)際市場(chǎng)上8位、16位系列單片機(jī)已有很多，32位的單片機(jī)也已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段。隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，新型單片機(jī)還將不斷涌現(xiàn)，單片機(jī)技術(shù)正以驚人的速度向前發(fā)展著。