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第二级,技术凝聚实力,专业创新出版,单击此处编辑母版标题样式,第1章 单片机基础知识,在学习MCS-51单片机开发之前，有必要先了解一下单片机的基本概念，本章介绍单片机的基础知识，包括单片机的基本概念、发展历史、应用领域以及主要的MCS-51单片机介绍。,1.1 单片机简介,目前生产单片机的厂商主要有Intel公司、Motorola公司、Philips公司、ATMEL公司、Microchip公司、AMD公司、Zilog公司、WinBond公司等，产品型号种类众多，性能各具特色。,本书主要介绍的是在各个应用场合占有较大市场份额的MCS-51结构系列单片机，其中又以ATMEL公司生产的AT89S51单片机为具体实例，讲解MCS-51单片机在嵌入式系统中的使用与设计方法，通过具体的实例，读者不但能够掌握MCS-51单片机的开发，还能够由浅入深地学习单片机系统的设计方法，为学习其他单片机打下厚实的基础。,1.2 单片机的发展状况,经过几十年的不断发展，现今的单片机产品在功能、体积、功耗、价格等各个方面已经达到了非常优异的水平，单片机具有以下一些突出的优点：,体积小巧灵活，成本低，开发周期短，易于产品化，能方便地集成到各种智能式测控设备及各种智能仪器仪表中，很容易满足仪器设备既智能化又微型化的要求。,工作可靠性高，温度范围宽。单片机一般按工业测控环境要求设计的，能适应各种恶劣的环境。,控制能力强，扩展性能好。通过单片机本身或扩展可方便地构成各种规模的应用系统及多机和分布式计算机控制系统。,指令系统相对简单，较易掌握，开发成本低，有较丰富的逻辑控制功能指令，能较方便地直接操作外部I/O设备。,1.3 单片机的应用领域,目前单片机的应用已深入到国民经济的各个领域，几乎每一个智能产品都集成了至少一片单片机，对各个行业的技术改造和产品更新换代起到了非常重要的作用。单片机的应用领域包括机电一体化、工业控制、智能仪器仪表、实时控制、军民用电子产品等各个方面。,1.3.1 机电一体化,机电一体化是机械工业发展的重要方面机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术与一体，具有智能化特征的机电产品。,例如现代汽车已经成为机电一体化技术应用最成功的产品之一，在汽车中的发动机控制、ABS控制、门窗控制、安全气囊控制、空调、音响等，无一不是集成了单片机控制的智能化机电一体化产品。,据统计，在一辆高档轿车内，已经集成了30100个不同的微处理器，如图1.1所示为德国著名企业BOSCH生产的发动机电控单元，采用英飞凌公司生产的C167高性能16位单片机。,单片机的出现促进了机电一体化的进程，大大提升了机器的功能，提高了机器的精度、自动化和智能化水平。,1.3.2 智能仪表仪器,在实验室、测试设备、计量等各种仪器仪表之中，单片机也得到了广泛地应用。仪器仪表的智能化、测量速度和测量精度的提高、控制功能的复杂、仪器仪表结构的简化等都需要基于单片机开发的测量系统来进行。,例如如电度表校验仪，电阻、电容、电感测量仪，汽车行驶状态记录仪，化工成分测试仪，智能超声测距仪，发动机测功机等。,1.3.3 工业现场控制,在各种实时控制系统中，单片机也得到了非常广泛地应用，如流量、液位、转速、位移、压力、温度、化学成分、酸度等等测量和控制工业上过程控制中的各种物理参数，经过单片机的实时处理和控制，可以控制到一个精度很高的水平。,单片机技术和测量技术、自动化控制技术相结合，数据处理和实时控制功能能够得到充分发挥，使系统工作于最佳状态，提高系统的生产效率和产品的质量。,1.3.4 军事技术,由于单片机使用温度范围广、利用可靠性高、适应各种恶劣环境的优异的特点，在导弹控制、鱼雷制导控制、智能武器装备、航天飞机巡航系统等领域，单片机也得到了广泛应用。,1.3.5 分布式控制系统,在比较复杂的系统中，都采用分布式多机系统，分布式系统具有功能强、可靠性高的特点。,利用单片机构成的分布式测控系统，系统中有若干台由单片机组成的功能各异的仪器设备，之间通过通信相互联系和交换数据，各自完成特定的任务的同时协调完成整个任务，能同时采集或处理的信息更多。,1.3.6 家用电子产品,在民用电子产品中，单片机也得到了很广泛的应用，几乎大部分的现代家用电器里都集成了不止一块的单片机。采用单片机控制能够明显提高产品的性能价格比，提高产品在市场上的竞争力，因此单片机控制的智能家电受到了产品开发商和用户的双重青睐。目前较高档电子玩具、家用电器等几乎都是用单片机作为控制器。如图所示为最常见的电饭煲、洗衣机和电冰箱，在这些产品中，都集成了不同的单片机控制系统。,1.4 单片机的发展趋势：高性能化,高性能化是单片机发展的一大趋势，各大公司为了提高单片机的工作性能，采用以下一系列措施来进行改进。,1.4.1 采用双CPU结构,通过采用“双核”结构，提高单片机的处理速度和处理能力。,如图1.7左侧所示为Freescale公司推出的S12XE系列单片机，除了具有一个S12单片机16位的处理器以外，还具备一个XGate辅助处理器，大大提高了单片机的性能，在某些方面的性能已经可以和32位单片机相媲美。,1.4.2 增加数据总线宽度,通过增加数据总线宽度，能够有效的提高数据处理速度和处理能力。例如，Freescale公司的S12系列单片机将ALU做成一个16位的运算部件，内部采用16位数据总线。因此，它的处理能力明显优于一般的8位单片机。,1.4.3 采用流水线结构,通过采用流水线结构，能够使指令以队列形式出现在CPU中，从而具有很快的运算速度。这类单片机的运算速度要比标准的单片机高出10倍以上，尤其适合于作实时数字信号处理用。,1.5 单片机的发展趋势：存储器大容量化,存储器的大容量化有利于用户开发更复杂更优异的控制程序，可以通过以下方法实现。,1.5.1 不断增大存储容量,新型单片机片内ROM一般可达4KB8KB，有的甚至可达128Kbyte。随着单片机技术的不断发展，片内RAM也一直不断增大，从原来最常见的256Byte，一般可达2KByte，部分高性能单片机可达128Kbyte甚至更高。,片内存储器存储容量的增大，简化了外围扩展电路的设计，从而提高了产品的稳定性，降低了产品的成本。,1.5.2 Flash技术,片内EPROM被E,2,PROM、Flash技术代替。片内EPROM由于需要高压编程写入、紫外线擦抹删除，存在诸多不便。采用电改写的E,2,PROM后不需用紫外线擦抹，只需重新写入。特别是能在+5V下读写的E,2,PROM，既有静态RAM读写操作简便的优点，又有在掉电时数据不会丢失这一ROM的优点。,片内E,2,PROM的使用不仅会对单片机的结构产生影响，而且会大大简化应用系统的组成结构，从而提高产品的稳定性，降低产品的成本。,随着闪存（Flash）技术的发展，单片机内置ROM采用Flash技术的比例越来越大，单片机ROM的容量也不断扩大。,1.5.3 程序保密处理,一般单片机Flash中的程序很容易被复制，为保护版权，各大单片机产商公司开始片内E,2,PROM或Flash采用加密方式，加密后，无法读出其中的程序，能够有效地防止应用程序被抄袭。,如图1.8所示为ATMEL公司生产的集成了Flash存储技术的MCS-51结构单片机AT89S51。,1.6 单片机的发展趋势：接口多样化,接口多样化使得单片机能够处理的系统任务越来越大，越来越复杂。,1.6.1 引脚数目不断增多,现今各种单片机都具有不同引脚数目的系列，引脚数目多，则并行口资源丰富，能够满足外围设备以及芯片扩展的需要，并配有串行口，以满足多机通信功能的需要。,1.6.2 并行口的驱动能力不断提高,并行口的驱动能力不断提高，减少了外围驱动芯片，有的单片机甚至能直接输出大电流和高电压，能直接驱动LED和VFD等。,1.6.3 I/O口的逻辑控制功能不断增强,I/O口的逻辑控制功能不断增强，中高档单片机的处理系统能够对I/O口线进行位寻址及位操作，加强I/O口线控制的灵活性。,1.6.4 特殊的串行接口功能不断增多,特殊的串行接口功能不断增多，为单片机构成网络系统提供更便利的条件，单片机集成的串行接口不断增多，例如CAN、SPI、I2C等等不同的串行接口都集中到一个单片机内部中。,如图所示为ATMEL公司生产的集成了CAN总线接口、SPI接口、UART接口等多种串行接口的高性能AT90CAN128型单片机。,1.7 单片机的发展趋势：集成化,集成化使得单片机电路的设计变得越来越简单，系统稳定性不断提高。,1.7.1 外围电路集成,随着集成电路集成度的不断提高，众多的外围功能电路不断被集成到单片机芯片内。例如内置振荡器使单片机可以不需要外置晶振就能够工作，内置上拉电阻使部分单片机的引脚可以直接驱动数据总线等等。,1.7.2 片内ROM、RAM等集成,一般单片机都集成了片内ROM、RAM、定时/计数器、中断系统等等，使得单片机不需要扩展复杂的外围结构，在某些低成本的应用当中，甚至一块单片机就能够完成所有的工作。,1.7.3 其他功能模块集成,为适应检测、控制等功能高的要求，不少单片机片内还集成了A/D转换器、D/A转换器、DMA控制器、中断控制器、锁相环、频率合成器、字符发生器、声音发生器、CRT控制器、译码驱动器等等。,把所需的外围电路全部集成到单片机内，即系统的单片化是目前单片机的发展的重要趋势，为Freescale公司生产的集成了Zigbee通讯功能和HC08单片机内核的8位单片机。,1.8 单片机的发展趋势：低功耗化,为了能够让电子设备工作更长的时间，低功耗已经成为单片机发展的重要目标之一。,8位单片机中有半数以上产品已CHMOS化，CHMOS单片机具有功耗小的特点。,单片机普遍设备有空闲和掉电两种工作方式，能够充分发挥低功耗的功能特点。,1.9 MCS-51单片机的选型,目前生产单片机的厂商主要有Intel公司、Motorola公司、Philips公司、ATMEL公司、Microchip公司、AMD公司、Zilog公司等，产品型号规格众多，性能各具特色。,单片机的种类很多，在实际应用中要根据具体情况来选择单片机的类型，虽然这没有一个固定的规范，但一般应该遵守以下几条原则。,1.9 MCS-51单片机的选型,（1）对不同的单片机的性能进行比较,单片机的种类繁杂，性能各异，应根据应用系统的具体要求进行比较、选择。,首先要选择合适的存储器。单片机内部有两种存储器：程序存储器和数据存储器。两者严格分开，对于不同厂家和型号的单片机，这两种存储器的容量也不一致。,可以选择片内无程序存储器的单片机，通过片外扩展组成单片机扩展系统。这种系统使用灵活、改写程序方便，是目前使用较多的一种方式。设计扩展系统时，要分别估计程序的长短和随机数据的多少，从而确定片外需扩展的数据存储器和程序存储器容量的大小。,选择单片机还应该注意扩展部件的方便程度、接口能力、指令系统、寻址方式、功耗及成本问题。,1.9 MCS-51单片机的选型,（2）必须具备配套的开发系统,单片机的应用系统一般比较小巧、紧凑，不像其他一般微型计算机有较多的外设，多数单片机不具备软件调试功能，即不具备自开发能力。,因此，在自行设计组装单片机时，必须有相应的开发工具。这种开发工具叫单片机开发系统。,尽管单片机有许多优点，但如果找不到合适、方便的开发系统，就不宜采用。,1.9 MCS-51单片机的选型,（3）选择市场上的主流产品。,目前，Intel、ATMEL公司的MCS-51内核系列单片机或其兼容机在8位单片机市场上占50%以上，配套的开发系统完备、可靠。由于其具有较高的性能价格比，自1980年推出以来，直到现在，其在市场上仍很坚挺，已是我国在工业检测、控制领域的优选机型，深受广大计算机应用开发工作者的喜爱。,
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