1.3 单片机、51单片机及其系列

单片机作为微型计算机的一个分支，产生于20世纪70年代，经过二三十年的发展，在各行各业中已经广泛应用。单片机因为具有体积小、质量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好等优点，所以被广泛应用于工业控制、智能仪器仪表、机电一体化产品、家用电器等领域。

1.3.1 单片机的基本概念

单片机是把微型计算机中的微处理器、存储器、I/O接口、定时/计数器、串行接口、中断系统等电路集成到一个集成电路芯片上形成的微型计算机，因而被称为单片微型计算机，简称为单片机。

单片机属于微型计算机的一种，它集成了微型计算机中的大部分功能部件，工作的基本原理一样，但具体结构和处理方法不同。我们知道，微型计算机由微处理器CPU、存储器、I/O接口三大部分通过总线有机连接而成，各种外部设备通过I/O接口与微型计算机连接。各个功能部件分开，功能强大。

单片机是应测控领域的需要而诞生的，用以实现各种测试和控制。它的组成结构既包含通用微型计算机中的基本组成部分，又增加了具有实时测控功能的一些部件。在主芯片上集成了大部分功能部件，另外，可在外部扩展A/D转换器、D/A转换器、脉冲调制器等用于测控的部件，现在一部分单片机已经把A/D、D/A转换器及HSO、HIS等外设集成在单片机中以增强处理能力。

单片机按照用途可分为通用型和专用型两大类。

①通用型单片机的内部资源丰富，性能全面，适应能力强。用户可以根据需要设计各种不同的应用系统。

②专用型单片机是针对各种特殊场合专门设计的芯片。这种单片机的针对性强，设计时根据需要来设计部件。因此，它能实现系统的最简化和资源的最优化，可靠性高、成本低，在应用中有很明显的优势。

1.3.2 单片机的主要特点

51单片机的基本组成和基本工作原理与一般的微型计算机相同，但在具体结构和处理过程上又有自己的特点，其主要特点如下。

（1）在存储器结构上，单片机的存储器通常采用哈佛（Harvard）结构

存储器结构一般有两种：普林斯顿（Princeton）结构和哈佛结构（Harvard）结构。通用微型计算机一般采用普林斯顿结构，将程序和数据合用一个存储器空间，在使用时才分开；单片机一般采用哈佛结构，将程序和数据分别用不同的存储器存放，各有自己的存储空间，分别用不同的寻址方式。存放程序的存储器称为程序存储器，存放数据的存储器称为数据存储器。单片机系统处理的程序基本不变，所以程序存储器一般由只读存储器芯片构成，又可简称为ROM；数据是随时变化的，所以数据存储器一般用随机存储器构成，又可简称为RAM。考虑单片机用于控制系统的特点，程序存储器的存储空间一般比较大，数据存储器的存储空间较小。另外，程序存储器和数据存储器又有片内和片外之分，而且访问方式也不相同。所以，单片机的存储器在操作时可分为片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。

（2）在芯片引脚上，大部分采用分时复用技术

单片机芯片内集成了较多的功能部件，需要的引脚信号较多。但由于工艺和应用场合的限制，芯片上引脚数目又不能太多。为解决实际的引脚数和需要的引脚数之间的矛盾，一根引脚往往设计了两个或多个功能。每条引脚在当前起什么作用，由指令和当前机器的状态来决定。

（3）在内部资源访问上，采用特殊功能寄存器（SFR）的形式

单片机中集成了微型计算机的微处理器、存储器、I/O接口、定时/计数器、串行接口、中断系统等电路。用户对这些资源的访问是通过对对应的特殊功能寄存器进行访问来实现的，访问方法与CPU内的寄存器访问类似。

（4）在指令系统上，采用面向控制的指令系统

为了满足控制系统的要求，单片机有很强的逻辑控制能力。在单片机内部一般都设置有一个独立的位处理器，又称布尔处理器，专门用于位运算。

（5）内部一般都集成一个全双工的串行接口

通过这个串行接口，可以很方便地和其他外设进行通信，也可以与另外的单片机或微型计算机通信，组成计算机分布式控制系统。

（6）单片机有很强的外部扩展能力

在内部的各功能部件不能满足应用系统要求时，单片机可以很方便地在外部扩展各种电路，它能与许多通用的微机接口芯片兼容。

1.3.3 单片机的发展及其主要品种

自1971年Intel公司制造出世界上第一块微处理器芯片4004不久，就出现了单片微型计算机，经过之后的二三十年，单片机得到了飞速的发展，在发展过程中，单片机先后经过了4位机、8位机、16位机、32位机几个有代表性的发展阶段。

1.4 位单片机

自1975年美国得克萨斯仪器公司首次推出4位单片机TMS-1000后，各个计算机生产公司相继推出4位单片机，4位单片机的主要生产国是日本，如Sharp公司的SM系列、东芝公司的TLCS系列、NEC公司的Ucom75XX系列等。国内已能生产COP400系列单片机。

4位单片机的特点是价格便宜，主要用于控制洗衣机、微波炉等家用电器及高档电子玩具。

2.8位单片机

1976年9月，美国Intel公司首先推出MCS-48系列8位单片机，使单片机的发展进入了一个新的阶段。随后各个计算机公司先后推出各自的8位单片机。例如，仙童公司（Fairchild）的F8系列，Motorola公司的6801系列，Zilog公司的Z8系列，NEC公司的uPD78XX系列。

1978年以前各厂家生产的8位单片机，由于集成度的限制，一般都没有串行接口，只提供小范围的寻址空间（小于8KB），性能相对较低，称为低档8位单片机，如Intel公司的MCS-48系列和仙童公司（Fairchild）的F8系列。

1978年以后，集成电路水平有所提高，出现了一些高性能的8位单片机，它们的寻址能力达到了64KB，片内集成了4～8KB的ROM，片内除了带并行I/O接口外，还有串行I/O接口，甚至有些还集成A/D转换器。这类单片机称为高档8位单片机，如Intel公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801系列，Zilog公司的Z8系列，NEC公司的uPD78XX系列。

8位单片机由于功能强、价格低廉、品种齐全，被广泛用于工业控制、智能接口、仪器仪表等各个领域，特别是高档8位单片机，是现在使用的主要机型。

3.16位单片机

1983年以后，集成电路的集成度可达到十几万只管/片，出现了16位单片机。16位单片机把单片机性能又推向了一个新的阶段。它内部集成多个CPU、8KB以上的存储器、多个并行接口、多个串行接口等，有的还集成高速输入/输出接口、脉冲宽度调制输出、特殊用途的监视定时器等电路，如Intel公司的MCS-96系列，美国国家半导体公司的HPC16040系列和NEC公司的783XX系列。

16位单片机往往用于高速复杂的控制系统。

4.32位单片机

近年来，各个计算机厂家已经推出更高性能的32位单片机，但在测控领域对32位单片机的应用很少，因而，32位单片机使用的并不多。

5.单片机的主要品种

单片机种类繁多，不同种类单片机的内部结构不同，集成的功能部件不一样，指令系统和使用方法各不相同，主要有以下几种。

（1）MCS-51单片机

51单片机最早由Intel公司推出，由于Intel公司将重点放在通用微型计算机及其产品开发上，因此后来Intel公司将51内核使用权以专利互换或出让给世界许多著名IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、Dallas、Siemens、Fujutsu、OKI、华邦、LG等。在保持与51单片机兼容的基础上，这些公司融入了自身的优势，扩展了针对满足不同测控对象要求的外围电路，如满足模拟量输入的A/D、满足伺服驱动的PWM、满足高速输入/输出控制的HSL/HSO、满足串行扩展总线I2C、保证程序可靠运行的WDT、引入使用方便且价廉的Flash ROM等，开发出上百种功能各异的新品种。

（2）Atmel 单片机

Atmel公司是世界上著名的高性能低功耗非易失性存储器和数字集成电路的一流半导体制造公司，Atmel公司最令人注目的是它的闪速存储器技术和质量可靠的生产技术。在CMOS器件生产领域中Atmel的先进设计水平、优秀的生产工艺及封装技术一直处于世界的领先地位，这些技术用于单片机生产使单片机也具有优秀的品质，在结构性能和功能等方面都有明显的优势。Atmel公司的单片机是目前世界上一种独具特色而性能卓越的单片机，它在计算机外部设备、通信设备、自动化工业控制、宇航设备、仪器仪表和各种消费类产品中都有着广泛的应用前景。其生产的AT90系列是增强型RISC内载Flash单片机，通常称为AVR系列。AT91M系列是基于ARM7TDMI嵌入式处理器的Atmel 16/32微处理器系列中的一个新成员，该处理器用高密度的16位指令集实现了高效的32位RISC结构，且功耗很低。另外，基于51内核的增强型AT89系列单片机目前在市场上仍然十分流行。

（3）Microchip单片机

Microchip单片机是市场份额增长最快的单片机。它的主要产品是16C系列8位单片机，CPU采用RISC结构，仅33条指令，运行速度快，且以低价位著称，一般单片机价格都在1美元以下。Microchip单片机没有掩模产品，全部都是OTP器件（现已推出Flash型单片机），Microchip强调节约成本的最优化设计，是使用量大、档次低、价格敏感的产品。

（4）TI公司的MSP430系列单片机

MSP430系列单片机是由美国德州仪器（TI）公司开发的16位单片机。其突出特点是超低功耗，非常适合于各种功率要求低的场合。有多个系列和型号，分别由一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成。典型应用是流量计、智能仪表、医疗设备和保安系统等方面。由于其较高的性能价格比，应用已日趋广泛。

（5）凌阳单片机

中国台湾凌阳科技股份有限公司（Sunplus Technology CO.LTD）致力于8位和16位机的开发。SPMC65系列单片机是凌阳主推产品，采用8位SPMC65 CPU内核，并围绕这个通用的CPU内核，形成了不同的片内资源的一系列产品。SPMC75系列单片机内核采用凌阳科技自主知识产权的μ'nSP（Microcontroller and Signal Processor）16位微处理器，SPMC75系列单片机集成了多种功能模块：多功能I/O口、串行口、ADC、定时/计数器等常用硬件模块，以及能产生电机驱动波形的PWM发生器、多功能的捕获比较模块、BLDC电机驱动专用位置侦测接口、两相增量编码器接口等特殊硬件设备，主要用于变频电机驱动控制。凌阳单片机最大的特点是超强抗干扰，广泛应用于家用电器、工业控制、仪器仪表、安防报警、计算机外围等领域。

（6）Motorola 单片机

Motorola是世界上最大的单片机厂商，品种全，选择余地大，新产品多，在8位机方面有68HC05和升级产品68HC08，68HC05有30多个系列200多个品种，年产量超过20亿片。8位增强型单片机68HC11也有30多个品种，年产量1亿片以上，升级产品有68HC12。16位单片机68HC16也有10多个品种，32位单片机683XX系列也有几十个品种。近年来以PowerPC，Codfire，M.CORE等作为CPU，用DSP作为辅助模块集成的单片机也纷纷推出，目前仍是单片机的首选品牌。Motorola单片机特点之一是在同样的速度下所用的时钟较Intel类单片机低得多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合用于工控领域以及恶劣环境。在32位机上，M.CORE在性能和功耗上都胜过ARM7。

（7）Zilog单片机

Z8单片机是Zilog公司的主要产品，采用多累加器结构，有较强中断处理能力。产品为OTP型，Z8单片机的开发工具可以说是物美价廉。Z8单片机以低价位的优势面向低端应用。最近Zilog公司又推出了Z86系列单片机，该系列内部集成廉价的DSP单元。

（8）Scenix单片机

Scenix单片机（Ubicom公司）的I/O模块最有创意，Scenix单片机采用了RISC结构的CPU，使CPU最高工作频率达50MHz，运算速度接近50MIPS。Scenix单片机在I/O模块的处理上引入了虚拟I/O的概念，各种I/O功能可以用软件的办法模拟，公司提供各种I/O的库函数，用于实现各种I/O模块的功能。

（9）NEC单片机

NEC单片机自成体系，以8位机78K系列产量最高，也有16位、32位单片机。16位单片机采用内部倍频技术，以降低外时钟频率。有的单片机采用内置操作系统，NEC的销售策略注重服务大客户，并投入相当大的技术力量帮助大客户开发新产品。

（10）东芝单片机

东芝单片机从4位到64位，门类齐全。4位机在家电领域仍有较大市场，8位机主要有870系列、90系列等。该类单片机允许使用慢模式，采用32kHz时钟，功耗低至10μW。CPU内部使用多组寄存器，使得中断响应与处理更加快捷。东芝公司的32位机采用MIPS3000 ARISC的CPU结构，面向VCD、数字相机、图像处理市场。

（11）富士通单片机

富士通也有8位、16位和32位单片机，但是8位机使用的是16位的CPU内核，也就是说8位机与16位机指令相同，使得开发比较容易。8位机有MB8900系列，16位机有MB90系列。富士通注重服务大公司、大客户，帮助大客户开发产品。

（12）Epson单片机

Epson（日本爱普生）公司以擅长制造液晶显示器著称，故Epson单片机主要为该公司生产的LCD配套，其单片机的LCD驱动做得特别好，在低电压、低功耗方面也很有特色。目前0.9V供电的单片机已经上市，不久LCD显示手表将使用0.5V供电。

（13）STC单片机

STC单片机完全兼容51单片机，并有其独到之处，其抗干扰性强，加密性强，超低功耗，可以远程升级，内部有MAX810专用复位电路，价格也较便宜，由于这些特点使得STC系列单片机的应用日趋广泛。

（14）三星单片机

三星单片机有KS51和KS57系列4位单片机，KS86和KS88系列8位单片机，KS17系列16位单片机和KS32系列32位单片机，三星还为ARM公司生产ARM单片机，常见的S344b0等。三星单片机为OTP型ISP在线编程功能。

（15）SST单片机

美国SST公司推出的SST89系列单片机为标准的51系列单片机，包括SST89E/V52RD2、SST89E/V54RD2、SST89E/V58RD2、SST89E/V554RC、SST89E/V564RD等。它与8052系列单片机兼容，提供系统在线编程（ISP功能），内部Flash擦写次数1万次以上，程序保存时间可达100年。

（16）华邦单片机

华邦单片机属于8051类单片机，其W78系列与标准的8051兼容，W77系列为增强型51，对8051的时序做了改进，同样时钟下速度快了不少。在4位机上华邦有921系列，带LCD驱动的741系列。在32位机方面，华邦使用了惠普公司PA-RISC单片机技术，生产低32位RISC单片机。

（17）Silicon Labs公司单片机

Silicon Labs公司推出了C8051F系列单片机，基于增强的CIP-51内核，其指令集与MCS-51完全兼容，具有标准8051的组织架构，可以使用标准的803x/805x汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51采用流水线结构，70%的指令执行时间为1个或2个系统时钟周期，是标准8051指令执行速度的12倍；其峰值执行速度可达100MIPS（C8051F120等），是目前世界上速度较快的8位单片机。

在上面介绍的单片机产品中，其中Intel公司的MCS-51系列及其兼容产品是目前最常用的一种单片机类型，其引进历史较长，学习资料齐全，影响面较广、应用成熟，已被单片机控制装置的开发设计人员广泛接受。本书将以这种单片机产品为主介绍单片机的结构原理、指令系统、编程应用及接口电路等内容。

1.3.4 单片机的应用

单片机由于具有体积小，功耗低，易于产品化，面向控制，抗干扰能力强，适用温度范围宽，可以方便地实现多机和分布式控制等优点，因而被广泛地应用于各种控制系统和分布式系统中。

1.单机应用

单机应用是指在一个系统中只用到一块单片机，这是目前单片机应用最多的方式。主要在以下领域采用单机应用。

（1）工业自动化控制

在自动化技术中，单片机广泛应用在各种过程控制、数据采集系统、测控技术等方面。如数控机床、自动生产线控制、电机控制和温度控制。新一代机电一体化处处都离不开单片机。

（2）智能仪器仪表

单片机技术运用到仪器仪表中，使得原有的测量仪器向数字化、智能化、多功能化和综合化的方向发展，大大地提高了仪器仪表的精度和准确度，减小了体积，使其易于携带，并且能够集测量、处理、控制功能于一体，从而使测量技术发生了根本的变化。

（3）计算机外部设备和智能接口

在计算机系统中，很多外部设备都用到单片机，如打印机、键盘、磁盘、绘图仪等。通过单片机来对这些外部设备进行管理，既减小了主机的负担，也提高了计算机整体的工作效率。

（4）家用电器

目前家用电器的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度，如电视机、录像机、电冰箱、洗衣机、电风扇和空调机等家用电器中都用到单片机或专用的单片机集成电路控制器。单片机的使用，提高了家用电器的功能，使其操作起来更加方便，故障率更低，而且成本更低廉。

2.多机应用

多机应用是指在一个系统中用到多块单片机。它是单片机在高科技领域的主要应用，主要用于一些大型的自动化控制系统。这时整个系统分成多个子系统，每个子系统是一个单片机系统，用于完成本子系统的工作，即从上级主机接收信息后，并发送信息给上级主机。上级主机则根据接收的下级子系统的信息，进行判断，产生相应的处理命令传送给下级子系统。多机应用可分为功能弥散系统、并行多机处理系统和局部网络系统。

3.单片机的等级

单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，能够适应于各种恶劣的环境，有很强的温度适应能力。按对温度的适应能力，可以把单片机分成以下3个等级。

（1）民用级或商用级

温度适应能力在0℃～70℃之间，适用于机房和一般的办公环境。

（2）工业级

温度适应能力在-40℃～85℃之间，适用于工厂和工业控制中，对环境的适应能力较强。

（3）军用级

温度适应能力在-65℃～125℃之间，适用于环境条件苛刻，温度变化很大的野外，主要用在军事上。