(1)單片機(jī)的概念與特點(diǎn)

　　單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microcomputer)簡稱單片機(jī)，又稱微控制器
(Microcontroller Unit)或嵌埋式控制器(Embeded Controller)，是將計(jì)算機(jī)的基本部件微型化，使之集成一塊芯片上的微機(jī)。片內(nèi)含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制、系統(tǒng)時(shí)鐘及系統(tǒng)總線等。
　　單片機(jī)具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、性能價(jià)格比高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點(diǎn)。新型單片機(jī)可承擔(dān)數(shù)據(jù)與數(shù)值分析、信號(hào)處理、機(jī)器人智能控制，以及圖象處理等復(fù)雜任務(wù)。目前，單片機(jī)已在自動(dòng)化裝置、智能化儀表、過程控制和家用電器等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。

　　(2)單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展

　　單片機(jī)在近二十多年中得到了迅速發(fā)展。70年代中期，從微機(jī)家族中派生出新的一員，形成了一個(gè)新的分支：單片微型計(jì)算機(jī)。它以價(jià)格低廉、功能完善、面向?qū)崟r(shí)控制為特征，以不求規(guī)模大、力爭小而全為宗旨，在一塊芯片上集成了構(gòu)成一臺(tái)計(jì)算機(jī)的主要部件。1976年9月，美國Intel公司的MCS-48型單片機(jī)問世，成為單片機(jī)劃時(shí)代的里程碑。接著，美國Mostek和仙童公司共同研制和生產(chǎn)了3870系列單片機(jī)，Motorola公司推出了MC6801系列單片機(jī)。這階段單片機(jī)的特點(diǎn)是：片內(nèi)配置的存儲(chǔ)器(RAM/ROM)容量及提供的尋址空間較小(內(nèi)部ROM容量不超過2k字節(jié)，RAM不超過128字節(jié)，尋址空間不超過4k字節(jié)，只有并行I/O接口，運(yùn)算指令功能較弱。
　　1980年Intel公司在總結(jié)了MCS-48系列機(jī)的基礎(chǔ)上推出了8位高檔MCS-51系列單片機(jī)。它與MCS-48系列相比，硅片的面積擴(kuò)大為原來的1.4倍，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器(ROM/EPROM)容量為原來的4倍，RAM容量增加了1倍，工作寄存器組擴(kuò)大了1倍，設(shè)有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；并行I/O接口增至4個(gè)口共32線，增設(shè)有全雙工串行I/O接口；擴(kuò)充了指令功能，提高了執(zhí)行速度；存儲(chǔ)器尋址空間分別為擴(kuò)大到64kB等?？梢娖涔δ苡辛撕艽筇岣?。在此期間，各家公司相繼推出新的高檔8倍單片機(jī)。例如：Motorola公司推出了MC6801系列單片機(jī)；Zilog公司推出了Z-8系列單片機(jī)；Rokwel公司推出了6501/6502單片機(jī)；NEC公司推出了μCOM-78××系列單片機(jī)；TI公司推出了TMS-7000系列單片機(jī)。這階段的單片機(jī)的特點(diǎn)是：片內(nèi)ROM/EPROM容量達(dá)4k～8k字節(jié)，RAM達(dá)128～256字節(jié)，存儲(chǔ)器尋址空間(ROM/RAM)分別達(dá)64k字節(jié)，增設(shè)全雙工串行接口，擴(kuò)充了中斷源和優(yōu)先級(jí)，部分單片機(jī)還設(shè)置了A/D轉(zhuǎn)換接口等。指令功能進(jìn)一步增強(qiáng)，除增設(shè)乘、除、比較等運(yùn)算指令外，有的固化了BASIC、FORTH高級(jí)語言，有的可通過微程序化指令為用戶提供設(shè)計(jì)部分所需的指令，使軟件更靈活與方便。設(shè)有位處理功能，提高了運(yùn)算速度。后繼產(chǎn)品還擴(kuò)充了DMA、顯示接口、網(wǎng)絡(luò)控制等功能。這類單片機(jī)大大拓展了應(yīng)用領(lǐng)域，適用于復(fù)雜自動(dòng)測控系統(tǒng)、智能化系統(tǒng)、單機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用場合。這類產(chǎn)品屬8位高擋單片機(jī)。
　　1983年Intel公司推出了MCS-96系列16位單片機(jī)。在一塊芯片上集成了13萬以上個(gè)管子。片內(nèi)設(shè)有字長16位的CPU，沒有累加器，而是采用寄存器——寄存器結(jié)構(gòu)，8k字節(jié)的ROM，232字節(jié)的RAM，5個(gè)8位的I/O端口，一個(gè)全雙工I/O端口，專門的波特率發(fā)生器，具有高速的I/O系統(tǒng)，4或8通道的的10位A/D轉(zhuǎn)換器，8個(gè)中斷源。此外，設(shè)有脈寬調(diào)制輸出裝置，16位監(jiān)視定時(shí)器，4個(gè)16位的軟件定時(shí)器和2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器?？蓪?shí)現(xiàn)位、字節(jié)、字(16位)、雙字(32位)操作，設(shè)有16×16位或32÷16位的乘、除法運(yùn)算。另外還可配置面向控制的PL/M和FORTH語言。緊接著，其他公司也都先后推出16位的單片機(jī)系列。例如：Motorola公司采用新的模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，生產(chǎn)出MC68HC16Z1 16位單片機(jī)，它由內(nèi)部模塊總線(IMB)、CPU16系統(tǒng)集成模塊(SIM)、靜態(tài)RAM、通用定時(shí)器模塊(GPT)、隊(duì)列串行模塊(QSM)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)等組成。CPU16是一個(gè)真正的16位高速CPU，它與8位的MC68HC11 CPU向上兼容，具有兩個(gè)16位的通用累加器和三個(gè)16位的變址寄存器，支持8位、16位、32位的存、儲(chǔ)和算術(shù)運(yùn)算。它可尋址1M字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和1M的程序存儲(chǔ)空間。它具有適合控制要求的靈敏字信號(hào)處理(DSP)功能。它支持高級(jí)語言，允許使用高級(jí)語言(C語言)來編寫控制源程序，從而大大縮短軟件設(shè)計(jì)時(shí)間。其他公司，如Mostek公司推出了68200 16位單片機(jī)；TI公司推出了TMS-9900系列16位單片機(jī)；日本三菱公司研制出第一臺(tái)16位CMOS工藝的單片機(jī)。
　　近幾年來，Intel和Motorola等公司先后推出更高擋的32位單片機(jī)，其功能極強(qiáng)，主要用于復(fù)雜的高層次系統(tǒng)。
　　今后一段時(shí)期內(nèi)，單片機(jī)發(fā)展的總趨勢將是不斷推出高檔和高性能的機(jī)型；重點(diǎn)提高8位單片機(jī)的性能；采用新工藝，實(shí)現(xiàn)低功耗、寬電壓、高速度、高可靠性；以及日趨單片化等。

　　(3)單片機(jī)在工業(yè)測控領(lǐng)域中的應(yīng)用概況

　　單片機(jī)具有全電腦功能，且體積小、可靠性高、價(jià)格便宜、簡單易學(xué)和開發(fā)應(yīng)用方便，深受廣大科技人員的歡迎。單片機(jī)具有眾多的I/O口線，豐富的操作指令，較強(qiáng)的邏輯能力，特別適用于各類工業(yè)測控系統(tǒng)。在此領(lǐng)域，單片機(jī)的應(yīng)用主要有以下方面：
　　①過程控制：如電鍍工藝加工過程控制，塑料注射成型加工過程控制等。
　　②數(shù)據(jù)采集：工業(yè)生產(chǎn)過程需要各類采集系統(tǒng)，如電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和軋鋼機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，借此實(shí)現(xiàn)智能化測量和自動(dòng)控制。
　　③智能化儀器儀表：如發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測試儀和液壓系統(tǒng)參數(shù)測試儀等。
　　④機(jī)電設(shè)備的現(xiàn)代化改進(jìn)：如將普通機(jī)床改為數(shù)控機(jī)床和將原生產(chǎn)線改為全自動(dòng)生產(chǎn)線等。
　　將單片機(jī)應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)，有利于提高測控精度和智能水平，有利于提高設(shè)備的自動(dòng)化水平及可靠性，有利于降低生產(chǎn)成本。

　　(4)單片機(jī)技術(shù)的學(xué)習(xí)方法

　　在學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)的過程中，以下幾點(diǎn)值得注意：
　?、倥φ莆瘴C(jī)技術(shù)的有關(guān)基本概念及其在單片機(jī)上的具體應(yīng)用，要通過對單片機(jī)與其他微機(jī)的聯(lián)系及區(qū)別的考察，加深對它的認(rèn)識(shí)。
　?、谂φ莆諉纹瑱C(jī)所采用的匯編語言。弄清各類指令的表達(dá)方式及含義，弄清指令的應(yīng)用范圍、作用及有關(guān)限定。弄清指令與計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。
　?、圻m當(dāng)補(bǔ)充一些有關(guān)電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，尤其注意掌握好數(shù)字與邏輯電路的基礎(chǔ)知識(shí)。
　　④在學(xué)習(xí)有關(guān)教科書的同時(shí)查閱相關(guān)的技術(shù)論文，以幫助理解并由此學(xué)習(xí)他人的成功經(jīng)驗(yàn)。為了便于理解有關(guān)概念，應(yīng)配一本計(jì)算機(jī)技術(shù)詞典。
　　⑤在學(xué)習(xí)書本知識(shí)的同時(shí)積極參與設(shè)計(jì)、編程和仿真調(diào)試等實(shí)踐活動(dòng)。實(shí)踐是技術(shù)學(xué)科學(xué)習(xí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

　　(5)第一講思考題

　?、偈裁词菃纹瑱C(jī)?它有哪些特點(diǎn)及突出優(yōu)點(diǎn)?
　?、趩纹瑱C(jī)在各個(gè)發(fā)展階段各有哪些功能特征?
　?、勰煜さ臋C(jī)電裝置，哪些地方可采用單片機(jī)技術(shù)予以改進(jìn)?

2　MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

　　(1)概述
　　盡管單片機(jī)不斷向縱深發(fā)展，但目前乃至今后若干年，8位機(jī)仍舊是實(shí)際應(yīng)用中的主導(dǎo)產(chǎn)品。MCS-51系列是目前8位單片機(jī)的主流機(jī)型，在實(shí)時(shí)控制、智能化儀表等方面應(yīng)用最廣。因此，本講座將主要介紹MCS-51系列單片機(jī)。
　　MCS-51系列單片機(jī)以片內(nèi)有無程序存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)的形式，分為3種基本產(chǎn)品：8051，8751和8031。
　　8051單片機(jī)片內(nèi)含有掩膜ROM型程序存儲(chǔ)器。因?yàn)檫@種只讀存儲(chǔ)器中的程序要由單片機(jī)生產(chǎn)廠制作芯片時(shí)為用戶固化于片內(nèi)，所以只適用于批量極大、程序要永久性保留且不會(huì)修改的場合。
　　8751片內(nèi)含有EPROM型程序存儲(chǔ)器，用戶可以把程序固化在EPROM中，需要修改時(shí)，可用紫外線光照擦除，然后又可寫入新的用戶程序，但該芯片價(jià)格較高。
　　8031片內(nèi)沒有程序存儲(chǔ)器，外部擴(kuò)展一片或多片含用戶程序的EPROM后，就相當(dāng)于一片8751，因而使用方便靈活，加之價(jià)格低廉，目前是應(yīng)用最廣的機(jī)型。
　　MCS-51系列增強(qiáng)性產(chǎn)品有8052、8752和8032，它們與8051、8751和8031相比分別增加了一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、一個(gè)中斷源、128字節(jié)片內(nèi)RAM以及4k字節(jié)程序存儲(chǔ)器(僅對8052、8752)。采用CHMOSⅡ-E工藝制造的80C51、87C51和80C31，除具有運(yùn)行時(shí)的低功耗外(16mA，5V)，還具備空閑(IDLE)操作和掉電(POWER DOWN)操作兩種既節(jié)電又能保存片內(nèi)信息的工作方式。此外，87C51還具備二級(jí)程序存儲(chǔ)器加密電路和智能編程算法。
　　MCS-51系列單片機(jī)主要產(chǎn)品及特點(diǎn)見下表。

表　MCS-51系列單片機(jī)主要產(chǎn)品類型及特點(diǎn)

圖1　8051芯片的內(nèi)部組成框圖

　　現(xiàn)簡要介紹圖中各組成部分。
　　a.中央處理器(CPU)。它是單片機(jī)的核心，包括運(yùn)算器和控制器兩個(gè)主要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)算和控制功能。運(yùn)算器主要包括算術(shù)邏輯運(yùn)算部件(ALU)、位處理器、累加器A、寄存器B、緩存器TMP1和TMP2、程序狀態(tài)字寄存器PSW以及十進(jìn)制調(diào)整電路等。其主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、位操作及數(shù)據(jù)傳送等。控制器主要由時(shí)鐘和時(shí)序電路以及一些控制寄存器組成。其主要功能是協(xié)調(diào)整個(gè)單片機(jī)的工作，產(chǎn)生時(shí)序脈沖和提供控制信號(hào)等。
　　b.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。MCS-51系列單片機(jī)芯片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器共有128個(gè)存儲(chǔ)單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。為了與外部擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相區(qū)別，通常稱芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，簡稱內(nèi)部RAM。
　　c.程序存儲(chǔ)器。8051芯片內(nèi)部有4KB掩膜ROM，8751芯片內(nèi)部有4KB EPROM，用來存放程序和原始數(shù)據(jù)。通常稱之為內(nèi)部程序存儲(chǔ)器或內(nèi)部ROM。
　　d.定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。MCS-51共有兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)和計(jì)數(shù)功能。
　　e.并行I/O口。MCS-51共有四個(gè)8位的I/O口(即P0、P1、P2和P3)，用以完成數(shù)據(jù)的并行輸入/輸出。
　　f.串行I/O口。MCS-51有一個(gè)全雙工串行口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他計(jì)算機(jī)或設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。
　　g.中斷控制系統(tǒng)。MCS-51共有5個(gè)中斷源，分高和低兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別。
　?、贛CS-51的信號(hào)引腳
　　MCS-51是標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式集成電路，其引腳排列及邏輯符號(hào)如圖2所示。

(a)引腳排列　　　　　　　　(b)邏輯符號(hào)
圖2　MCS-51單片機(jī)引腳和邏輯符號(hào)圖

　　現(xiàn)簡要介紹各引腳的功能。
　　a.主電源引腳
　　Vss-(20腳)：地線
　　Vcc-(40腳)：+5V電源
　　b.外接晶振或外部振蕩器引腳
　　XTAL1-(19腳)：當(dāng)采用芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，接外部晶振的一個(gè)引腳；當(dāng)采用外部時(shí)鐘信
號(hào)時(shí)，此腳應(yīng)接地。
　　XTAL1-(18腳)：當(dāng)采用芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，接外部晶振的一個(gè)引腳；當(dāng)采用外部時(shí)鐘信
號(hào)時(shí)，外部信號(hào)由此腳輸入。
　　c.控制、選通或電源復(fù)用引腳
　　RST/Vp0-(9腳)：復(fù)位信號(hào)輸入；Vcc掉電后，此腳可接上備用電源，在低功耗條件下保持
內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)。
　　ALE/PROG-(30腳)：ALE即允許地址鎖存信號(hào)輸出，當(dāng)單片機(jī)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)該腳的輸出
信號(hào)用于鎖存P0的低8位地址，其輸出的頻率為時(shí)鐘振蕩頻率的1/6。PROG為編程脈沖輸入端，
當(dāng)選用8751單片機(jī)時(shí)，由此腳輸入編程脈沖。
　　-(29腳)：訪問外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效，用于實(shí)現(xiàn)外部程序存儲(chǔ)器的
讀操作。
　　/Vpp-(31腳)：EA為訪問內(nèi)部或外部程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)，EA=0，單片機(jī)只訪問外部程
序存儲(chǔ)器，故對8031此腳只能接地；EA＝1，單片機(jī)訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，固對8051和8751此腳
應(yīng)接高電平，但若程序指針PC值超過4KB(OFFFH)范圍，單片機(jī)將自動(dòng)訪問外部程序存儲(chǔ)器。
　　d.多功能I/O引腳
　　P0口-(32～39腳)：P0數(shù)據(jù)/地址復(fù)用總線端口。
　　P1口-(1～8腳)：P1靜態(tài)通用端口。
　　P2口-(21～28腳)：P2動(dòng)態(tài)端口。
　　P3口-(10～17腳)：P3雙功能靜態(tài)端口。除作I/O端口外，它還提供特殊的第二功能，其具
體含義為：
　　P3.0-(10腳)RXD：串行數(shù)據(jù)接收端。
　　P3.1-(11腳)TXD：串行數(shù)據(jù)發(fā)送端。
　　P3.2-(12腳)INT0：外部中斷0請求端，低電平有效。
　　P3.3-(13腳)INT1：外部中斷1請求端，低電平有效。
　　P3.4-(14腳)T0：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)輸入端。
　　P3.5-(15腳)T1：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)輸入端。
　　P3.6-(16腳)WR：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通，低電平有效。
　　P3.7-(17腳)RD：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通，低電平有效