任務1-1 單片機概述

1．什么是單片機

單片機這個詞大家可能聽說過很多次了，那到底什么叫單片機呢？

大家應該都接觸過微機吧？大家知道微機是由主板、CPU、內存、硬盤等設備組合在一起構成的，而單片機將所有的這些設備集成在一塊芯片內，所以稱它為“單片機”。單片機又稱為“微控制器（MCU）”。中文“單片機”的稱呼是由英文名稱“Single Chip Microcomputer”直接翻譯而來的。

2．單片機的主要分類

（1）按應用領域可分為：家電類，工控類，通信類，個人信息終端類等等；

（2）按通用性可分為：通用型和專用型。

通用型單片機的主要特點是：內部資源比較豐富，性能全面，而且通用性強，可適應多種應用要求。所謂資源豐富就是指功能強。性能全面，通用性強就是指可以應用在非常廣泛的領域。通用型單片機的用途很廣泛，使用不同的接口電路及編制不同的應用程序就可完成不同的功能。小到家用電器、儀器儀表，大到機器設備和整套生產線都可用單片機來實現自動化控制。

專用型單片機的主要特點是：針對某一種產品或某一種控制應用而專門設計，設計時已使結構最簡，軟硬件應用最優，可靠性及應用成本最佳。專用型單片機用途比較專一，出廠時程序已經一次性固化好，不能再修改。例如電子表里的單片機就是其中的一種，其生產成本很低。

3．單片機的發展

自1946 年第一臺電子計算機誕生至今，依靠微電子技術和半導體技術的進步，計算機經歷了電子管—晶體管—集成電路—大規模集成電路這樣的發展路線，使得其體積更小，功能更強。特別是最近20 年時間里，計算機技術獲得了飛速的發展，計算機在工農業、科研、教育、國防和航空航天領域獲得了廣泛的應用，計算機技術已經是體現一個國家現代科技水平的重要標志。

單片機誕生于20世紀70年代，像Fairchild公司研制的F8單片微型計算機就是當時的產品。所謂單片機是利用大規模集成電路技術把中央處理單元（Center Processing Unit，即所謂的CPU）和數據存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM）及其他I/O通信口集成在一塊芯片上，構成一個最小的計算機系統，而現代的單片機則加上了中斷單元，定時單元及A/D轉換等更復雜、更完善的電路，使得單片機的功能越來越強大，應用更廣泛。

20世紀70年代，微電子技術正處于發展階段，集成電路處于中規模發展時期，各種新材料新工藝尚未成熟，單片機仍處在初級的發展階段，元件集成規模還比較小，功能比較簡單，多數公司均把CPU、RAM（有的還包括了一些簡單的I/O口）集成到芯片上，像Fairchild公司就屬于這一類型，這種芯片還需配上外圍的其他處理電路方可構成完整的計算系統。類似的單片機還有Zilog公司的Z80微處理器。

1976年Intel公司推出了MCS-48單片機，并推向市場，這個時期的單片機才是真正的8位單片微型計算機。它因為體積小，功能全，價格低而獲得了廣泛的應用，為單片機的發展奠定了基礎，成為單片機發展史上重要的里程碑。

其后，在MCS-48 的帶領下，各大半導體公司相繼研制和發展了自己的單片機，像Zilog公司的Z8 系列。到了80 年代初，單片機已發展到了高性能階段，像Intel公司的MCS-51 系列，Motorola公司的6801 和6802 系列，Rokwell公司的6501 及6502 系列等等，此外，日本的著名電氣公司NEC和Hitachi都相繼開發了具有自己特色的專用單片機。

80年代，世界各大公司競相研制出多種功能強大的單片機，約有幾十個系列，300多個品種，此時的單片機均屬于真正的單片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、數目繁多的I/O接口以及多種中斷系統，甚至還有一些帶A/D轉換器的單片機，功能越來越強大，RAM和ROM的容量也越來越大，尋址空間甚至可達64KB，可以說，單片機發展到了一個全新階段，應用領域更廣泛，許多家用電器均走向利用單片機控制的智能化發展道路。

1982 年以后，16 位單片機問世，代表產品是Intel公司的MCS-96 系列，16 位單片機比起8 位機，數據寬度增加了一倍，實時處理能力更強，主頻更高，集成度達到了12 萬只晶體管，RAM增加到了232 字節，ROM則達到了8KB，并且有8個中斷源，同時配置了多路的A/D轉換通道，高速的I/O處理單元，適用于更復雜的控制系統。

90 年代以后，單片機獲得了飛速的發展，世界各大半導體公司相繼開發了功能更為強大的單片機。美國Microchip公司發布了一種完全不兼容MCS-51 的新一代PIC系列單片機，引起了業界的廣泛關注，特別是其精簡指令集只有33 條指令，吸引了不少用戶，使人們從Intel的111 條復雜指令集中走出來。PIC單片機獲得了快速的發展，在業界中占有了一席之地。

隨后更多的單片機品種蜂擁而至，Motorola公司接著發布了MC68HC系列單片機，MC68HC05系列以其高速低價等特點贏得了不少用戶，日本的幾個著名公司也都研制出了性能更強的產品，但不同于Intel等公司投放到市場的通用單片機，日本的單片機一般均用于專用系統控制。例如NEC公司生產的uCOM87系列單片機，其代表作uPC7811是一種性能相當優異的單片機。

Zilog公司的Z8系列產品代表作是Z8671，其內含的BASIC Debug解釋程序極大地方便了用戶。而美國國家半導體公司的COP800系列單片機則采用先進的哈佛結構。Atmel公司則把單片機技術與先進的Flash存儲技術完美地結合起來，發布了性能相當優秀的AT89系列單片機。包括中國臺灣的Holtek和Winbond等公司也紛紛加入了單片機發展行列，憑著它們廉價的優勢，分享一杯美羹。

1990 年美國Intel公司推出的80960 超級32 位單片機引起了計算機界的轟動，產品相繼投放市場，成為單片機發展史上又一個重要的里程碑。

此期間，單片機園地里，單片機品種異彩紛呈，爭奇斗艷。有8 位、16 位甚至32 位機，但8 位單片機仍以它的價格低廉、品種齊全、應用軟件豐富、支持環境充分、開發方便等特點而占據著主導地位。而Intel公司憑著他們雄厚的技術，性能優秀的機型和良好的基礎，其生產的單片機目前仍是主流產品。只不過90 年代中期，Intel公司忙于開發個人電腦微處理器，已沒有足夠的精力繼續發展自己創導的單片機技術，而由Philips等公司繼續發展C51系列單片機。

我國目前最常用的單片機的研制廠家有如下幾家：

Intel公司（MCS51系列，MCS96系列）

Atmel公司（AT89系列，MCS51內核）

Microchip公司（PIC系列）

Motorola公司（68HCXX系列）

Zilog公司（Z86系列）

Philips公司（87，80系列，MCS51內核）

Siemens公司（SAB80系列，MCS51內核）

NEC公司（78系列）

Epson公司（EOC88系列）

4．單片機的兄弟姐妹

MCS51是指由美國Intel公司（對了，就是大名鼎鼎的Intel）生產的一系列單片機的總稱，這一系列單片機包括了很多品種，如8031, 8051, 8751, 8032, 8052, 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，所以人們習慣于用8051來稱呼MCS51系列單片機，而8031是前些年在我國最流行的單片機，所以很多場合會看到8031的名稱。

1）MCS-51系列單片機

MCS-51系列單片機分為兩大子系列，即51子系列與52子系列。

51子系列：基本型，根據片內ROM的配置，對應的芯片為8031, 8051, 8751。

52子系列：增強型，根據片內ROM的配置，對應的芯片為8032, 8052, 8752。

這兩大系列單片機的主要硬件特性如表1-1-1。

從上表中可以看到，8031, 80C31, 8032, 80C32片內是沒有ROM的，而且我們可以發現，51系列的單片機的RAM大小為128B，52系列的RAM大小為256B；51系列的計數器為兩個16位計數器，52系列的計數器為三個16位計數器；51系列的中斷源為5個，52系列的中斷源為6個。

2）8051與80C51的區別

80C51 單片機是在8051 的基礎上發展起來的，也就是說在單片機的發展過程中是先有8051，然后才有80C51的。

8051 單片機與80C51 單片機從外形看是完全一樣的，其指令系統、引腳信號、總線等完全一致（完全兼容），也就是說在8051 下開發的軟件完全可以在80C51 上應用，反過來，在80C51下開發的軟件也可以在8051上應用。這兩種單片機是完全可互相移植的。

既然這兩種單片機外形及內部結構都一樣，那它們之間的主要差別在哪里呢？8051 與80C51 單片機的主要差別就在于芯片的制造工藝上。80C51 的制造工藝在8051 基礎上進行了改進。

8051系列單片機采用的是HMOS工藝：高速度、高密度；

80C51系列單片機采用的是CHMOS工藝：高速度、高密度、低功耗；

也就是說80C51單片機是一種低功耗單片機。

Intel公司將MCS51 的核心技術授權給了很多其他公司，所以有很多公司在做以8051為核心的單片機，當然，功能或多或少有些改變，以滿足不同的需求，其中AT89C51 就是這幾年在我國非常流行的單片機，AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的高性能單片機，可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。它是由美國Atmel公司開發生產的。以后我們將用AT89C51來完成一系列的實驗。