1.3 項目相關知識

1.3.1 單片機的基礎知識

單片機自問世以來，以其極高的性能價格比越來越受到人們的重視和關注。目前，單片機被廣泛地應用于智能儀表、機電設備、過程控制、數據處理、自動檢測和家用電器等方面。

1.單片機名稱的由來

無論規模大小、性能高低，計算機的硬件系統都是由運算器、存儲器、輸入設備、輸出設備及控制器等單元組成的。在通用計算機中，這些單元被分成若干塊獨立的芯片，通過電路連接而構成一臺完整的計算機。而單片機技術則將這些單元全部集成到一塊集成電路中，即一塊芯片（芯片外形見圖1-3）就構成一個完整的計算機系統。這成為當時這一類芯片的典型特征，因此，就以Single Chip Microcomputer來稱呼這一類芯片，中文譯為“單片機”，這在當時是唯一準確的表達。但隨著單片機技術的不斷發展，“單片機”已無法確切地表達其內涵，國際上逐漸采用MCU（Micro Controller Unit）來稱呼這一類計算機，并成為單片機界公認的、最終統一的名詞。但國內由于多年來一直使用“單片機”的稱呼，已經約定俗成，所以目前仍采用“單片機”這一名詞。

2.單片機的技術發展歷史

1）單片機的發展階段

單片機的發展可分為以下4個階段。

（1）第一代：單片機探索階段。主要有通用CPU68xx系列和專用CPUMCS-48系列。（2）第二代：單片機完善階段。表現在：

① 面對對象，突出控制功能，專用CPU滿足嵌入功能。

② 尋址范圍為16位或8位。

③ 規范的總線結構，有8位數據線，16位地址線及多功能異步串行口（UART）。

④ 特殊功能寄存器（SFR）的集中管理模式。

⑤ 海量位地址空間，提供位尋址及位操作功能。

⑥ 指令系統突出控制功能。

（3）第三代：微控制器形成階段。這一階段已形成系列產品：以805l系列為代表，如8031、8032、805l和8052等。

（4）第四代：微控制器百花齊放。表現在：

① 電氣商、半導體商廣泛加入。

② 滿足最低層電子技術的應用（玩具、小家電）。

③ 大力發展專用型單片機。

④ 致力于提高單片機的綜合品質。

2）單片機的發展方向

未來單片機技術的發展趨勢可歸結為以下10個方面。

（1）主流型機發展趨勢。8位單片機為主流，少量32位機，16位機可能被淘汰。

（2）全盤CMOS化趨勢。指在HCMOS基礎上的CMOS化，CMOS速度慢、功耗小，而HCMOS具有低功耗及低功耗管理技術等特點。

（3）RISC體系結構的發展。早期CISC指令較復雜，指令代碼周期數不統一，難以實現流水線（單周期指令僅為1MIPS）。采用RSIC體系結構可以精簡指令系統，使其絕大部分為單周期指令，很容易實現流水線作業（單周期指令速度可達12MIPS）。

（4）大力發展專用單片機。

（5）OTPROM、FlashROM成為主流供應狀態。

（6）ISP及基于ISP的開發環境。FlashROM的應用推動了ISP（系統可編程技術）的發展，這樣就可實現目標程序的串行下載，PC可通過串行電纜對遠程目標高度仿真、更新軟件等。

（7）單片機的軟件嵌入。目前的單片機只提供程序空間，沒有駐機軟件。ROM空間足夠大后，可裝入如平臺軟件、虛擬外設軟件和用于系統診斷管理的軟件等，以提高開發效率。

（8）實現全面功耗管理。例如，采用ID、PD模式、雙時鐘模式、高速時鐘/低速時鐘模式和低電壓節能技術。

（9）推行串行擴展總線，如I2C總線等。

（10）ASMIC技術的發展，如以MCU為核心的專用集成電路（ASIC）。

3.單片機的應用模式

1）單片機應用系統的結構

單片機應用系統的結構分為以下3個層次。

（1）單片機：通常指應用系統的主處理機，即所選擇的單片機器件。

（2）單片機系統：指按照單片機的技術要求和嵌入對象的資源要求而構成的基本系統，如時鐘電路、復位電路和擴展存儲器等與單片機構成了單片機系統。

（3）單片機應用系統：指能滿足嵌入對象要求的全部電路系統。在單片機系統的基礎上加上面向對象的接口電路，如前向通道、后向通道、人機交互通道（鍵盤、顯示器、打印機等）和串行通信口（RS232）及應用程序等。

單片機應用系統3個層次的關系如圖1-4所示。

2）單片機的種類

單片機可按應用領域、通用性和總線結構分類。

（1）按應用領域可分為：家電類、工控類、通信類和個人信息終端等。

（2）按通用性可分為：通用型和專用型（如計費率電表、電子記事簿）。

（3）按總線結構可分為：總線型和非總線型。例如，89C51 為總線型，有數據總線、地址總線及相應的控制線（WR、RD、EA、ALE 等）；89C2051 為非總線型，其外部引腳少，可使成本下降。

3）單片機的供應狀態

單片機按提供的存儲器類型可分為以下5種。

（1）MASKROM類：程序在芯片封裝過程中用掩膜工藝制作到ROM區中，如80C51，適合大批生產。

（2）EPROM類：紫外線可擦寫存儲器類，如87C51，價格較貴。

（3）ROMless類：無ROM存儲器，如80C31，電路擴展復雜，較少用。

（4）OTPROM類：可一次性寫入程序。

（5）FlashROM（MTPROM）類：可多次編程寫入的存儲器，如89C51、89C52，其成本低，開發調試方便，在惡劣環境下可靠性不及OTPROM。

4）單片機的應用模式

單片機應用模式的分類如圖1-5所示。各應用模式的結構如圖1-6～圖1-9所示。

4.單片機的應用開發過程

單片機的應用開發可分為以下5個過程。

（1）硬件系統設計調試。如電路設計、PCB印制板繪制等。

（2）應用程序的設計。可使用如Wave、Keil等匯編工具軟件進行源程序編寫、編譯調試等。

（3）應用程序的仿真調試。用仿真器對硬件進行在線調試或軟件仿真調試，在調試中不斷修改、完善硬件及軟件。

（4）單片機應用程序的燒寫。用專用的單片機燒寫器可將編譯過的二進制源程序文件寫入單片機（FlashROM）芯片內。

（5）系統脫機運行檢查。進行全面檢查，針對出現的問題修正硬件、軟件或總體設計方案。

5.單片機的具體型號

MCS-51是指由美國Intel公司生產的一系列單片機的總稱，這一系列單片機包括了多個種類，如803l、8051、8751、8032、8052和8752等，其中8051是最早、最典型的產品。該系列其他單片機都是在 8051 的基礎上進行功能的增、減改變而來的，所以人們習慣用 8051來稱呼MCS-51系列單片機。Intel公司將MCS-51的核心技術授權給了很多其他公司，所以有很多公司在開發以8051為核心的單片機。

由于單片機的種類很多，在選擇單片機時要依據實際設計要求選擇合適的單片機。例如，當設計僅需要一個單片機定時器時，可選擇89C1051或89C2051即可，而不需要選擇89C51或 89C52，因為后者比前者貴了一倍。當然，如果程序和數據區的要求較高，那么選擇的單片機還要能滿足程序空間的要求。表1-1所示為常用的51單片機的內部資源。

51系列單片機除了上述常用的種類外，還有一些功能增強型的系列，例如，內置A/D型、存儲器增大型等。芯片的資源如表1-2所示。

除了常用的51系列單片機外，還有一些其他的單片機系列，這些單片機和51系列單片機不兼容，程序指令也不相同，如摩托羅拉、PIC等系列的單片機。常用的PIC單片機如表1-3所示。