什么是单片机

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单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
    可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成（如图1所示）。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。
    单片机的应用领域 ：
    1.单片机在智能仪器仪表中的应用；
    2.单片机在工业测控中的应用；
    3.单片机在计算机网络和通讯技术中的应用；
    4.单片机在日常生活及家电中的应用；
    5.单片机在办公自动化方面。
    目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

?所谓单片机，就是把中央处理器CPU（Central Processing Unit）、存储器（Memory）、定时器、I/0（Input/Output）接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

单片机的内部结构

虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了微型计算机系统的含义。中文“单片机”的称呼由英文名称“Single Chip Microcomputer”直接翻译而来。单片机的内部结构如右图所示。
??单片机把微型计算机的各主要部分集成在一块芯片上,大大缩短了系统内信号传送距离，从而提高了系统的可靠性及运行速度。因而在工业测控领域中，单片机系统是最理想的控制系统。所以，单片机是典型的嵌人式系统，是嵌入式系统低端应用的最佳选择。

一、单片机技术发展的四个阶段

??------ 单片机的发展经历了探索---完善---MCU化---百花齐放四个阶段。

1、芯片化探索阶段
??20世纪70午代，美国的Fairchild(仙童)公司首先推出了第一款单片机F－8，随后Intel公司推出了影响面大、应用更广的MCS48单片机系列。MCS48单片机系列的推出标志着在工业控制领域，进入到智能化嵌入式应用的芯片形态计算机的探索阶段。参与这一探索阶段的还有Motorola、Zilog和ti等大公司，它们都取得了满意的探索效果，确立了在SCMC的嵌入式应用中的地位。这就是Single Chip Microcomputer的诞生年代，单片机一词即由此而来。这一时期的特点是：
??◆ 嵌入式计算机系统的芯片集成设计；
??◆ 少资源、无软件，只保证基本控制功能。

2．结构体系的完善阶段
??在MCS-48探索成功的基础上很快推出了完善的、典型的单片机系列MCS-5l。MCS-51系列单片机的推出，标志Single Chip Microcomputer体系结构的完善。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机的体系结构。

①完善的总线结构：
??◆并行总线：8位数据总线、16位地址总线及相应的控制总线，两个独立的地址空间；
??●串行总线：通信总线，扩展总线。

②完善的指令系统：
??◆具有很强的位处理功能和逻辑控制功能，以满足工业控制等方面的需要；
??◆功能单元的SFR(特殊功能寄存器)集中管理。

③完善的MCS-51成为SCMC的经典体系结构。
??日后，许多电气商在MCS-51的内核和体系结构的基础上，生产出各具特色的单片机。

3．从SCMC向MCU化过渡阶段
??Intel公司推出的MCS96单片机，将一些用于测控系统的模数转换器(ADC)、程序运行监视器(WDT)、脉宽调制器(PWM)、高速I/O口纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。MCS-51单片机系列向各大电气商的广泛扩散，许多电气商竞相使用80C51为核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、可靠性技术应用到单片机中；随着单片机内外围功能电路的增强，强化了智能控制器特征。微控制器(Microcontrollers)成为单片机较为准确表达的名词。其特点是：

①满足嵌入式应用要求的外围扩展，如WDT、PWM、ADC、DAC、高速I/0口等。
②众多计算机外围功能集成，如：
?◆提供串行扩展总线：SPI、I2C、BUS、Microwire；
?◆配置现场总线接口：CAN BUS。
③CMOS化，提供功耗管理功能。
④提供OTP供应状态，利于太规模和批量生产。

4．MCU的百花齐放阶段
??单片机发展到这一阶段，表明单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具-----小到玩具、家电行业，大到车载、舰船电子系统，遍及计量测试、工业过程控制、机械电子、金融电子、商用电子、办公自动化、工业机器人、军事和航空航天等领域。为满足不同的要求，出现了高速、大寻址范围、强运算能力和多机通信能力的8位、16位、32位通用型单片机，小型廉价型、外围系统集成的专用型单片机，以及形形色色各具特色的现代单片机。可以说，单片机的发展进人了百花齐放的时代，为用户的选择提供了空间。这一时期的特点为：

(1)电气商、半导体商的普遍介入
??MCS-48的成功，刺激了许多半导体公司竞相研制和发展自己的单片机系列。到目前为止，世界各地厂商已相继研制出大约50个系列300多个品种的单片机产品，其中较有代表性的有Motorola公司的6801、6802，Zilog公司的Z-8系列，Microchip公司的PIC系列等。此外，开本的NEC公司、日立公司也都推出了各自具有特色的单片机品种。

(2)大力发展专用单片机
??通用型与专用型是按某一型号单片机适用范围区分的。例如，80C51是通用型单片机，它并不是为某一种专门用途设计的单片机；而专用型单片机是针对某一类产品甚至某个产品需要而设计、生产的单片机。例如，来电显示电话中配有液晶驱动器接口的单片机和全自动洗衣机中的微控制器，都是专用单片机；特别是小家电、玩具领域的单片机，因为小封装、价格低廉一外围器件、外设接口集成度高，多数为专用单片机。

(3)提高综合品质
??在体系结构(RISC)、电磁兼容性能(EMC)、开发环境(高级语言支持ISP、IAP等)、功耗管理等诸方面得到了提高。根据控制单元设计的方式与采用的技术不同，目前市场上的这些单片机可区分为两大类型：繁杂指令集结构(CISC架构)和精简指令集结构(RISC架构)。繁杂指令集结构(CISC)的特点是指夺数量多，寻址方式丰富，较适合初学者系统学习，如INTEL的80C51或80C196、
MC68K；而精简指令集结构(RISC)具有较少的指令与寻址模式，结构简单，成本较低，执行程序的速度较快，成为单片机的后起之秀，如PIC、EM78XXX和Z86HCXX。
??ISP(In System Programming)和IAP(In Application Programming)方式是两种先进的实时在线开发方式。它们无须传统的开发装置，借助计算机和单片机的高性能，实现了真正的在线仿真。

(4)C语言的广泛支持
??◆单片机普遍支持C语言编程，为后来者学习和应用单片机提供了方便；
??◆高级语言减少了选型障碍，便于程序的优化、升级和交流。

(5)多种选择下的选择原则
??●寻求最简化的单片机应用系统；
??◆尽可能选择专用单片机；
??◆综合考虑下进行合理的选择。

二、80C51单片机的家族简介

??虽然目前单片机的品种很多，但其中最具代表性的当属Intel公司的MCS-51单片机系列。MCS-51以其典型的结构、完善的总线、SFR的集中管理模式、位操作系统和面向控制功能的丰富的指令系统，为单片机的发展奠定了良好的基础。MCS-51系列的典型芯片是80C51（CHMOS型的8051）。为此，众多的厂商都介入了以80C51为代表的8位单片机的发展，如Philips、Siemens（Infineon）、Dallas、ATMEL等公司，我们把这些公司生产的与80C51兼容的单片机统称为80C5l系列。特别是在近年来，80C51系列又有了许多发展，推出厂一些新产品，主要是改善单片机的控制功能，如内部集成了高速I/O口、ADC、PWM、WDT等，以及低电压、微功耗、电磁兼容、串行扩展总线、控制网络总线性能等。
??●ATMEL公司研制的89CXX系列是将Flash Memory(EEPROM)集成在80C51中，作为用户程序存储器，并不改变80C51的结构和指令系统。
??◆Philips公司的83/87C7XX系列不改变80C51结构、指令系统，省去了并行扩展总线，属于非总线的廉价型单片机，特别适合于家电产品。
??◆lnfineon(原Siemens半导体)公司推出的C500系列单片机在保持与80C51兼容的前提下，增强了各项性能，尤其是增强了电磁兼容性能，增加了CAN总线接口，特别适用于工业控制、汽车电子、通信和家电领域。
??鉴于80C51系列在硬件方面的广泛性、代表性和先进性以及指令系统的兼容性，初学者可以选择51系列单片机作为学习单片机的首选类型，至于其它类型的单片机，在深入学习和掌握了80C51单片机之后再去学习已不是什么难事。

??5、智能接口：微电脑系统，特别是较大型的工业测控系统中，除外围装置(打印机、键盘、磁盘、CRT)外，还有许多外部通信、采集、多路分配管理、驱动控制等接口。这些外围装置与接口如果完全由主机进行管理，势必造成主机负担过重，降低执行速度，如果采用单片机进行接口的控制与管理，单片机微处理器与主机可并行上作，大大地提高了系统的执行速度。如在大型数据采集系统中，用单片机对模拟，数字转换接口进行控制不仅可提高采集速度，还可对数据进行预先处理，如数字滤波、线性化处理、误差修正等。在通信接口中采用单片机可对数据进行编码译码、分配管理、接收/发送控制等。

最常用的单片机芯片有：89C51系列等。

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