片机单片机的发展历史大致可分为 4 个阶段第一阶段 ( 年 ): 初级单片机阶段因工艺限制, 单片机采用双片形式, 且功能简单 1974 年 12 月, 仙童公司推出了 8 位 F8 单片机, 实际上它只包括了 8 位 CPU 64B RAM 和 2 个并行口第二阶段 (1

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利视昌
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1 第 1 章单片机概述导读 : 本章介绍单片机的基础知识发展历史发展趋势及应用领域在 8 位单片机机型中,Intel 8051 单片机已成为国内外公认的标准体系结构, 被许多厂家作为基核, 推出了多种兼容机型, 已在世界范围内得到广泛应用在众多的兼容机型中, 美国 ATMEL 公司的 AT89S5x 系列, 尤其是该系列中的 AT89S51( 或 AT89S52) 单片机仍是目前应用较为广泛的 8 位机型, 也是单片机初学者首选的入门机型本章除了对 AT89S51 单片机进行简单介绍外, 同时也对嵌入式处理器家族中其他成员, 如 DSP 嵌入式微处理器进行概括性介绍, 以使读者对其有初步了解, 为后续学习 DSP 嵌入式微处理器打下基础单片机自 20 世纪 70 年代问世以来, 已广泛应用在工业自动化自动控制与检测智能仪器仪表机电一体化设备汽车电子家用电器等各个方面那么, 什么是单片机呢? 1.1 单片机简介单片机就是在一片半导体硅片上, 集成了中央处理单元 (CPU) 存储器(RAM ROM) 并行 I/O 串行 I/O 定时器/ 计数器中断系统系统时钟电路及系统总线的用于测控领域的单片微型计算机, 简称单片机由于单片机在使用时, 通常处于测控系统的核心地位并嵌入其中, 所以国际上通常把单片机称为嵌入式微控制器 (Embedded MicroController Unit,EMCU) 或微控制器 (MicroController Unit,MCU) 而在我国, 大部分工程技术人员则习惯于使用单片机这一名称单片机的问世, 是计算机技术发展史上的一个重要里程碑, 它标志着计算机正式形成了通用计算机和嵌入式计算机两大分支单片机芯片体积小成本低, 可广泛嵌入到如工业控制单元机器人智能仪器仪表武器系统家用电器办公自动化设备金融电子系统汽车电子系统玩具个人信息终端以及通信产品中单片机按照其用途可分为通用型和专用型两大类通用型单片机就是其内部可开发的资源 ( 如存储器 I/O 等各种外围功能部件等 ) 可全部提供给用户用户可根据实际需要, 设计一个以通用单片机芯片为核心, 再配以外围接口电路及其他外围设备 ( 简称外设 ), 并编写相应的程序来控制功能, 以满足各种不同测控系统的功能需求通常所说的和本书所介绍的单片机是指通用型单片机专用型单片机是专门针对某些产品的特定用途而制作的例如, 各种家用电器中的控制器等因此, 单片机芯片制造商常与产品厂家合作, 设计和生产专用的单片机芯片在设计中, 已经对专用单片机的系统结构最简化可靠性和成本最佳化等方面都做了全面综合考虑, 所以专用单片机具有十分明显的综合优势但是, 无论专用单片机在用途上有多么专, 其基本结构和工作原理都是以通用单片机为基础的 1.2 单片机的发展历史单片机根据其基本操作处理的二进制位数主要分为 :8 位单片机 16 位单片机和 32 位单 1

2 片机单片机的发展历史大致可分为 4 个阶段第一阶段 ( 年 ): 初级单片机阶段因工艺限制, 单片机采用双片形式, 且功能简单 1974 年 12 月, 仙童公司推出了 8 位 F8 单片机, 实际上它只包括了 8 位 CPU 64B RAM 和 2 个并行口第二阶段 ( 年 ): 低性能单片机阶段 1976 年 Intel 公司推出的 MCS-48 单片机 (8 位 ) 极大地促进了单片机的变革和发展 1977 年 GI 公司推出了 PIC1650, 但这一阶段的单片机仍然处于低性能阶段第三阶段 ( 年 ): 高性能单片机阶段该阶段使应用跃上了一个新的台阶这一阶段推出的单片机普遍带有串行 I/O 口, 多级中断系统,16 位定时器 / 计数器, 片内 ROM RAM 容量加大, 且寻址范围可达 64KB, 有的片内还带有 A/D 转换器由于其性价比高, 所以得到广泛应用典型产品为 Intel 公司的 MCS-51 系列,Mortorola 公司的 6801 单片机此后, 各公司生产的与 MCS-51 系列兼容的 8 位单片机得到了迅速发展, 新机型不断涌现第四阶段 (1983 现在 ):8 位单片机巩固发展及 16 位 32 位单片机推出阶段 20 世纪 90 年代是单片机制造业大发展的时期, 这一时期的 Mortorola Intel Microchip ATMEL 德州仪器 (TI) 三菱日立飞利浦韩国 LG 等公司相继开发了一大批性能优越的单片机, 极大地推动了单片机的推广与应用近年来, 又有不少新型的高集成度的单片机涌现出来, 出现了单片机产品百花齐放丰富多彩的局面目前, 除了 8 位单片机得到广泛应用之外,16 位 32 位单片机也得到广大用户的青睐 1.3 单片机的特点单片机是集成电路技术与微型计算机技术高速发展的产物单片机体积小价格低应用方便稳定可靠, 因此单片机的发展普及给工业自动化等领域带来了一场重大革命和技术进步由于单片机很容易嵌入到系统之中, 便于实现各种方式的检测或控制, 这是一般微型计算机根本做不到的单片机只要在其外部适当增加一些必要的外围扩展电路, 就可以灵活地构成各种应用系统, 如工业自动控制系统自动检测监视系统数据采集系统智能仪器仪表等为什么单片机应用如此广泛? 主要是单片机系统具有以下优点 (1) 简单方便, 易于掌握和普及单片机应用系统设计组装调试已经是一件容易的事情, 广大工程技术人员通过学习可很快掌握其应用设计与调试技术 (2) 功能齐全, 应用可靠, 抗干扰能力强 (3) 发展迅速, 前景广阔在短短几十年的时间里, 单片机就经过了 4 位机 8 位机 16 位机 32 位机等几大发展阶段尤其是形式多样集成度高功能日臻完善的单片机不断问世, 更使得单片机在工业控制及自动化领域获得了长足发展和大量应用近几年, 单片机内部结构愈加完美, 配套的片内外围功能部件越来越完善, 一片芯片就是一个应用系统, 为应用系统向更高层次和更大规模的发展奠定了坚实基础 (4) 嵌入容易, 用途广泛单片机体积小性价比高, 灵活性强等特点在嵌入式微控制系统中具有十分重要的地位在单片机问世前, 人们要想制作一套测控系统, 往往采用大量的模拟电路数字电路分立元件来完成, 系统体积庞大, 且因为线路复杂, 连接点太多, 极易出现故障单片机问世后, 电路组成和控制方式都发生了很大变化在单片机应用系统中, 各种 2

3 测控功能的实现绝大部分都已经由单片机的程序来完成, 其他电子线路则由片内的外围功能部件来替代 1.4 单片机的应用领域单片机具有软硬件结合体积小, 易于嵌入到各种应用系统中的优点因此, 以单片机为核心的嵌入式控制系统在下述各个领域得到了广泛应用 (1) 工业控制与检测在工业领域, 单片机的主要应用有 : 工业过程控制智能控制设备控制数据采集和传输测试测量监控等在工业自动化的领域, 机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用, 在这种集机械微电子和计算机技术为一体的综合技术 ( 如机器人技术 ) 中, 单片机发挥着非常重要的作用 (2) 仪器仪表目前对仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高在智能仪器仪表中使用单片机, 有助于提高仪器仪表的精度和准确度, 简化结构, 减小体积, 便于携带和使用, 加速仪器仪表向数字化智能化多功能化方向发展 (3) 消费类电子产品单片机在家用电器中的应用已经非常普及, 如洗衣机电冰箱微波炉空调电风扇电视机加湿机消毒柜等在这些设备中嵌入单片机后, 使其功能与性能大大提高, 并实现了智能化最优化控制 (4) 通信在调制解调器各类手机传真机程控电话交换机信息网络以及各种通信设备中, 单片机也已经得到广泛应用 (5) 武器装备在现代化的武器装备中, 如飞机军舰坦克导弹鱼雷制导智能武器装备航天飞机导航系统等, 都有单片机的嵌入 (6) 各种终端及计算机外部设备计算机网络终端设备 ( 如银行终端 ) 以及计算机外部设备 ( 如打印机硬盘驱动器绘图机传真机复印机等 ) 中都使用了单片机作为控制器 (7) 汽车电子设备单片机已经广泛地应用在各种汽车电子设备中, 如汽车安全系统汽车信息系统智能自动驾驶系统汽车卫星导航系统汽车紧急请求服务系统汽车防撞监控系统汽车自动诊断系统以及汽车黑匣子等 (8) 分布式多机系统在比较复杂的多节点测控系统中, 常采用分布式多机系统多机系统一般由若干功能各异的单片机组成, 各自完成特定的任务, 它们通过串行通信相互联系协调工作在这种系统中, 单片机往往作为一个终端机, 安装在系统的某些节点上, 对现场信息进行实时的测量和控制综上所述, 从工业自动化自动控制智能仪器仪表消费类电子产品等方面, 直到国防尖端技术领域, 单片机都发挥着十分重要的作用 1.5 单片机的发展趋势单片机的发展趋势将向大容量高性能外设部件内装化等方面发展 1.CPU 的改进 (1) 增加数据总线的宽度例如, 各种 16 位单片机和 32 位单片机, 其数据处理能力要优于 8 位单片机另外,8 位单片机内部采用 16 位数据总线, 其数据处理能力明显优于一般 8 位单片机 3

4 (2) 采用双 CPU 结构, 以提高数据处理能力 2. 存储器的发展 (1) 片内程序存储器普遍采用闪烁 (Flash) 存储器闪烁存储器能在 +5V 下读写, 既有静态 RAM 的读写操作简便, 又有在掉电时数据不会丢失的优点单片机可不用扩展外部程序存储器, 大大简化了系统的硬件结构, 有的单片机片内程序存储器容量可达 128KB, 甚至更多 (2) 加大片内数据存储器存储容量例如 8 位单片机 PIC18F452 片内集成了 4KB 的 RAM, 以满足动态数据存储的需要 3. 片内 I/O 的改进 (1) 增加并行口的驱动能力, 以减少外部驱动芯片有的单片机可以直接输出大电流和高电压, 以便能直接驱动 LED 显示屏和 VFD 荧光显示器 (2) 有些单片机设置了一些特殊的串行 I/O 功能, 为构成分布式网络化系统提供了方便条件 (3) 引入数字交叉开关, 改变了以往片内外设与外部 I/O 引脚的固定对应关系交叉开关是一个大的数字开关网络, 可通过编程设置交叉开关控制寄存器, 将片内计数器 / 定时器串行口中断系统 A/D 转换器等片内外设灵活配置出现在端口 I/O 引脚, 允许用户根据自己的特定应用, 将内部外设资源分配给端口 I/O 引脚 4. 低功耗目前单片机产品均为 CMOS 化芯片, 功耗小这些单片机普遍配置有等待状态睡眠状态关闭状态等工作方式在这些状态下低电压工作的单片机, 其消耗的电流仅在 A 或 na 量级, 适合于电池供电的便携式手持式仪器仪表以及其他消费类电子产品 5. 外围电路内装化随着集成电路技术及工艺的不断发展, 把所需的众多外围电路全部装入单片机内, 即系统的单片化是目前单片机发展的趋势之一, 一片芯片就是一个测控系统 6. 编程及仿真的简单化目前, 大多数单片机都支持程序在线编程, 也称在系统编程 ISP(In System Program), 只需一条与 PC 机相连的 ISP 下载线 ( 多为 USB 口或串口 ), 就可以把仿真调试通过的程序代码从 PC 机在线写入单片机的 Flash 存储器内, 省去编程器某些机型还支持在线应用编程 (IAP), 可在线升级或销毁单片机的应用程序, 省去了仿真器综上所述, 单片机正在向多功能高性能高速度低电压低功耗低价格外设电路内装化以及片内程序存储器数据存储器容量不断增大的方向发展 7. 实时操作系统的使用单片机可配置实时操作系统 RTX51 RTX51 是一个针对 8051 单片机的多任务内核其实时内核从本质上简化了对实时事件反应速度要求较高的复杂系统设计编程和调试, 已完全集成到 C51 编译器中, 使用简单方便 1.6 MCS-51 系列与 AT89S5x 系列单片机 20 世纪 80 年代以来, 单片机的发展非常迅速, 其中 Intel 公司的 MCS-51 系列单片机是一款设计成功易于掌握并在世界范围得到广泛普及应用的机型 4

5 1.6.1 MCS-51 系列单片机 MCS 是 Intel 公司生产的单片机的系列符号,MCS-51 系列单片机是 Intel 公司在 MCS-48 系列基础上于 20 世纪 80 年代初发展起来的, 是最早进入我国, 并在我国得到广泛应用的机型 1. 基本型典型产品 : 内部包括 1 个 8 位 CPU,128B RAM,21 个特殊功能寄存器 (SFR),4 个 8 位并行 I/O 口,1 个全双工串行口,2 个 16 位定时器 / 计数器,5 个中断源, 但片内无程序存储器, 需外部扩展程序存储器芯片 8051 是在 8031 的基础上, 片内又集成有 4KB ROM 作为程序存储器所以 8051 是一个程序不超过 4KB 的小系统 ROM 内的程序是芯片厂商制作芯片时, 代为用户烧制的, 主要用在程序已定且批量大的单片机产品中 8751 与 8051 相比, 用片内集成的 4KB EPROM 取代了 8051 的 4KB ROM, 构成了一个程序不大于 4KB 的小系统用户可以将程序固化在 EPROM 中, 其中内容可反复擦写修改 8031 外扩一片 4KB 的 EPROM 就相当于一片增强型 Intel 公司的增强型系列产品, 即 52 子系列, 其典型产品有它们的内部 RAM 增至 256B; 的片内程序存储器扩展到 8KB;16 位定时器 / 计数器增至 3 个,6 个中断源表 1-1 列出了基本型和增强型 MCS-51 系列单片机片内基本硬件资源表 1-1 MCS-51 系列单片机的片内基本硬件资源型号片内片内 I/O 口线定时器 / 计数器中断源程序存储器 (KB) 数据存储器 (B) ( 位 ) ( 个 ) ( 个 ) 基 8031 无本 (ROM) 型 (EPROM) 增 8032 无强 (ROM) 型 (EPROM) AT89S5x 系列单片机内核单片机与 AT89S5x 系列单片机 MCS-51 系列单片机的代表性产品是 8051, 目前世界其他公司推出的兼容扩展型单片机都是在 8051 内核的基础上进行了功能的增减 20 世纪 80 年代中期以后,Intel 公司已把精力集中在高档 CPU 芯片的研发上, 逐渐淡出单片机的开发和生产由于 MCS-51 单片机设计上的成功以及较高的市场占有率, 得到世界众多公司的青睐 Intel 公司以专利转让或技术交换的形式把 8051 的内核技术转让给了许多芯片生产厂家, 如 ATMEL Philips Cygnal ANALOG LG ADI Maxim DEVICES DALLAS 等公司这些厂家生产的兼容机型均采用 8051 的内核结构, 其指令系统相同, 采用 CMOS 工艺 ; 有的公司还在 8051 内核的基础上又增加了一些片内外设模块, 其集成度更高, 功能和市场竞争力更强人们常用 8051( 或 80C51,C 表示 5

6 采用 CMOS 工艺 ) 来称呼所有这些具有 8051 内核, 且使用 8051 指令系统的单片机, 并习惯性地把这些兼容扩展型的各种衍生品种统称为 8051 单片机在众多的兼容扩展型衍生机型中, 美国 ATMEL 公司的 AT89 系列, 尤其是该系列中的 AT89C5x/AT89S5x 单片机在世界 8 位单片机市场中占有较大的份额 ATMEL 公司是美国 20 世纪 80 年代中期成立并发展起来的半导体公司该公司于 1994 年以 E 2 PROM 技术与 Intel 公司的 80C51 内核的使用权进行了交换 ATMEL 公司的技术优势是其闪烁 (Flash) 存储器技术, 将 Flash 技术与 80C51 内核相结合, 形成了片内带有 Flash 存储器的 AT89C5x/AT89S5x 系列单片机该系列单片机与 MCS-51 系列单片机在原有功能引脚以及指令系统方面完全兼容, 系列中的某些品种又增加了一些新的功能, 如看门狗定时器 WDT ISP( 在线编程 ) 及 SPI 串行接口等, 片内 Flash 存储器可直接在线 (ISP) 重复编程此外, 它还支持两种节电工作方式, 非常适于电池供电或其他低功耗场合 AT89S51 片内 4KB Flash 存储器可在线编程或使用编程器重复编程, 且价格较低, 因此它是目前 8051 单片机的主要典型芯片之一本书以 AT89S51 单片机为典型机型, 介绍其工作原理与应用设计 AT89S5x 的 S 档系列是 ATMEL 公司继 AT89C5x 系列之后推出的新机型,S 表示含有串行下载的 Flash 存储器, 其代表性产品为 AT89S51 和 AT89S52 AT89C51 单片机已不再生产, 可用 AT89S51 直接替代与 AT89C5x 系列相比,AT89S5x 系列的时钟频率以及运算速度有了较大的提高例如,AT89C51 工作频率上限为 24MHz, 而 AT89S51 则为 33MHz AT89S51 片内集成有双数据指针 DPTR, 看门狗定时器具有低功耗空闲工作方式和掉电工作方式, 还增加了 5 个特殊功能寄存器 AT89S51 与 AT89S52 单片机的差别体现在,AT89S51 片内有 4KB Flash 程序存储器 128B 的 RAM 5 个中断源 2 个定时器 / 计数器而 AT89S52 片内有 8KB 的 Flash 程序存储器 256B 的 RAM 6 个中断源 3 个定时器 ( 比 AT89S51 多出的 1 个定时器, 具有捕捉功能 ) 尽管 AT89S5x 系列有多种机型, 但是掌握好基本型 AT89S51 十分重要, 因为它是各种 8051 内核单片机的基础, 最具代表性, 同时也是各种 8051 内核的增强扩展型等衍生品种的基础本书中经常用到 8051, 它泛指世界各芯片厂商生产的具有 8051 内核的各种增强型扩展型单片机而 AT89S51 仅指 ATMEL 公司的 AT89S51 单片机除了 8 位单片机得到广泛应用外, 一些厂家的 16 位单片机也得到了用户的青睐例如, 美国 TI 公司 16 位的 MSP430 系列,Microchip 公司的 PIC24xx 系列单片机等这些单片机本身带有 A/D 转换器, 增加了各种串行口以及各种数字控制部件, 一片芯片就构成了一个测控系统, 使用非常方便此外, 各公司还推出了 32 位单片机尽管如此,8 位单片机仍然应用非常广泛与普及, 这是因为, 目前在大多数应用场合中,8 位单片机的性能完全可以满足大部分实际需求, 况且 8 位单片机的性价比也较好 2. AT89 系列单片机的型号说明 AT89 系列单片机的型号编码由三部分组成 : 前缀型号和后缀下面分别说明 (1) 前缀由字母 AT 组成, 表示是 ATMEL 公司的产品 (2) 型号由 89Cxxxx 或 89LVxxxx 或 89Sxxxx 等表示其中,8 表示单片机 ;9 表示内部含有 Flash 存储器 ;C 表示 CMOS 产品 ;LV 表示低电压 6

7 产品, 可在 2.5V 电压下工作 ;S 表示含有串行下载的 Flash 存储器 ; 而 xxxx 表示器件的型号, 如等 (3) 后缀后缀由最后的 4 个 xxxx 参数组成, 每个参数意义不同在型号与后缀部分由号隔开 1 第 1 个 x 表示时钟频率 :x=12, 时钟频率为 12MHz;x=16, 时钟频率为 16MHz; x=20, 时钟频率为 20MHz;x=24, 时钟频率为 24MHz 2 第 2 个 x 表示封装 :x=p, 塑料双列直插 DIP 封装 ;x=d, 陶瓷封装 ;x=q,pqfp 封装 ;x=j, PLV 封装 ;x=a,tqfp 封装 ;x=s,oic 封装 ;x=w, 表示裸芯片 3 第 3 个 x 表示芯片的使用温度范围 :x=c, 表示商业用产品, 温度范围为 0~+70 ; x=i, 表示工业用产品, 温度范围为 40~+85 ;x=a, 表示汽车用产品, 温度范围为 40~ +125 ;x=m, 表示军用产品, 温度范围为 55~+150 ; 4 第 4 个 x 表示工艺 :x 为空, 表示处理工艺是标准工艺 ;x=/883, 表示处理工艺采用 MIL-STD-883 标准例如, 某一单片机型号为 AT89C51-12PI, 则表示该单片机是 ATMEL 公司的 Flash 单片机,CMOS 产品, 时钟频率为 12 MHz, 塑料双列直插 DIP 封装, 是工业用产品, 按标准处理工艺生产 1.7 各种衍生品种的 8051 单片机除了 AT89S5x 系列单片机外, 世界各半导体器件厂家也推出 8051 内核各种集成度高功能强的增强扩展型单片机, 并已得到广泛应用 STC 系列单片机 STC 系列单片机是我国具有独立自主知识产权, 功能与抗干扰性强的增强型 8051 单片机 STC 系列单片机有多种子系列几百个品种, 可满足不同应用的需要其中 STC12C5410/ STC12C2052 系列的主要性能及特点如下 (1) 高速普通 8051 单片机每个机器周期为 12 个时钟, 而 STC 单片机可以为每机器周期 1 个时钟, 指令执行速度大大提高, 比普通的 8051 快 8~12 倍 (2) 宽工作电压 5.5~3.8V,2.4~3.8V(STC12LE5410AD 系列 ) (3)12KB/10KB/8KB/6KB/4KB 片内 Flash 程序存储器, 擦写次数 10 万次以上 (4)512B 片内 RAM 数据存储器 (5) 可在线编程 (ISP)/ 在应用可编程 (IAP), 无需编程器 / 仿真器, 可远程升级 (6)8 通道 10 位 ADC,4 路 PWM 输出 (7)4 通道捕捉 / 比较单元, 也可再实现 4 个定时器或 4 个外部中断 ( 支持上升沿 / 下降沿中断 ) (8)2 个硬件 16 位定时器, 兼容普通 8051 定时器 4 路可编程计数 / 定时器阵列 (PCA) 可再实现 4 个定时器 (9) 硬件看门狗 (WDT) (10) 高速 SPI 串口 (11) 全双工异步串行口 (UART), 兼容普通 8051 串口 7

8 (12) 通用 I/O 口 (27/23/15 个 ) 中的每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA, 但整个芯片最大不可超过 55mA (13) 超强抗干扰能力与高可靠性高抗静电 ; 通过 2kV/4kV 快速脉冲干扰测试 (EFT 测试 ); 宽电压, 不怕电源抖动 ; 宽温度范围 40 ~+85 ; I/O 口经过特殊处理 ; 片内电源供电系统时钟电路复位电路看门狗电路均经过特殊处理 (14) 采取降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施如选每个机器周期为 6 个时钟, 外部时钟频率可降低一半 (15) 超低功耗设计掉电模式, 典型功耗 <0.1 A; 空闲模式, 典型功耗为 2mA; 正常工作模式, 典型功耗为 4mA~7mA; 掉电模式可由外部中断唤醒, 适用于电池供电系统, 如水表气表便携设备等 STC 单片机可直接替换 ATMEL Philips Winbond( 华邦 ) 等公司的 8051 机型由此可见,STC 是一款高性能高可靠性且价格低廉的机型, 尤其是其较高的抗干扰特性, 用户应给予足够的重视 C8051Fxxx 单片机美国 Cygnal 公司的 C8051Fxxx 系列单片机, 是一款集成度高, 采用 8051 内核的 8 位单片机, 代表性产品为 C8051F020 C8051F020 内部采用流水线结构, 大部分指令的完成时间为 1 或 2 个时钟周期, 峰值处理能力为 25MIPS, 与经典的 8051 单片机相比, 其可靠性和速度有很大提高 C8051F020 片内集成了 1 个 8 位 ADC 1 个 12 位 ADC 1 个双 12 位 DAC;64KB 片内 Flash 程序存储器 256B RAM 128B SFR;8 个 I/O 端口共 64 根 I/O 口线 ;5 个 16 位通用定时器 ;5 个捕捉 / 比较模块的可编程计数 / 定时器阵列,1 个 UART 串行口 1 个 SMBus/I 2 C 串口 1 个 SPI 串行口 ; 二路电压比较器电源监测器内置温度传感器 C8051Fxxx 单片机最突出的改进是引入了数字交叉开关 (C8051F2xx 除外 ) 它改变了以往内部功能与外部引脚的固定对应关系用户可通过可编程的交叉开关控制寄存器将片内的计数器 / 定时器串行总线硬件中断 ADC 转换器输入比较器输出以及单片机内部的其他硬件外设配置出现在端口 I/O 引脚用户可根据特定应用, 选择通用 I/O 端口与片内硬件资源的灵活组合 AD C812 单片机 AD C812 是美国 ADI(Analog Device Inc) 公司生产的高性能单片机, 其内部包含高精度自校准的 8 通道 12 位模数转换器 (ADC),2 通道 12 位数模转换器 (DAC) 以及 8051 内核, 指令系统与 MCS-51 系列兼容片内有 8KB Flash 程序存储器 640B Flash 数据存储器 256B 数据 SRAM( 支持可编程 ) 8

9 AD C812 片内集成有看门狗定时器电源监视器以及 ADC DMA 功能为多处理器接口和 I/O 扩展提供了 32 条可编程的 I/O 线包含有与 I 2 C 兼容的串行接口 SPI 串行接口和标准的 UART 串口 AD C812 的 MCU 内核和模数转换器均设置有正常空闲和掉电工作模式, 通过软件可控制芯片从正常模式切换到空闲模式, 也可切换到更为省电的掉电模式在掉电模式下, AD C812 消耗的总电流约为 5 A 华邦 W77 系列 W78 系列单片机台湾华邦公司 (Winbond) 的 W77 系列 W78 系列单片机与 8051 单片机完全兼容华邦单片机对 8051 的时序进行了改进 : 每个指令周期只需要 4 个时钟周期, 速度提高了 3 倍, 工作频率最高可达 40MHz W77 系列为增强型, 片内增加了看门狗 WatchDog 两组 UART 串口两组 DPTR 数据指针 ( 编写应用程序非常便利 ) ISP( 在线编程 ) 等功能片内集成了 USB 接口, 语音处理等功能, 具有 6 组外部中断源华邦公司的 W741 系列的 4 位单片机具有液晶驱动在线烧录保密性高低工作电压 (1.2V~1.8V) 等优点 1.8 PIC 系列单片机与 AVR 系列单片机除 8051 单片机外, 各种非 8051 机型的 8 位单片机也得到广泛的应用,PIC 系列与 AVR 系列单片机这两种单片机博采众长, 又具独特技术, 已占有较大的市场份额 PIC 系列单片机 PIC 系列单片机是美国 Microchip 公司的产品, 主要特性如下 (1)PIC 系列单片机从低到高有几十个型号, 可满足各种需要例如, 一个摩托车的点火器需要一个 I/O 较少 RAM 及程序存储空间不大可靠性较高的小型单片机, 如采用 PIC12C508 单片机, 仅有 8 个引脚该型号有 512B ROM 25B RAM 1 个 8 位定时器 1 条输入线 5 条 I/O 线, 价格非常便宜, 非常适合应用在摩托车点火器这样的场合此时如果采用 40 引脚的单片机就可能是大马拉小车目前, 世界上最小的单片机为 Microchip 推出的 6 脚单片机 PIC10F322 该单片机带有 4 个 I/O 最大特色是外设增加了可配置逻辑单元 CLC 数控振荡器 NCO 互补波形发生器 CWG, 另外还有 3 个通道的 8 位 ADC 2 个 10 位的 PWM 2 个 8 位定时器 ;64B 的静态 RAM 512 字的程序空间, 支持高性能的精简指令集 (RISC) 的 CPU PIC 高档型单片机, 如 PIC16C74( 尚不是最高档次型 ) 有 40 个引脚, 其内部有 4KB 的 ROM 192B RAM 8 路 A/D 3 个 8 位定时器 2 个 CCP 模块 3 个串行口 1 个并行口 11 个中断源 33 个 I/O 脚它可以和其他品牌的高档型号媲美 (2)PIC 单片机采用精简指令集 (RISC), 指令执行效率大为提高数据总线和指令总线分离的哈佛总线 (Harvard) 结构, 使指令具有单字长特性, 且允许指令代码的位数可多于 8 位数据位数, 这与传统的采用复杂指令结构 (CISC) 的 8 位单片机相比, 可达到 2:1 的代码压缩比, 速度提高 4 倍 9

10 (3) 具有优越开发环境普通 8051 单片机的开发系统大都采用高档型号仿真低档型号, 其实时性不尽理想 PIC 每推出一款新型号单片机的同时, 都推出相应的仿真芯片, 所有的开发系统由专用的仿真芯片支持, 实时性非常好 (4) 引脚通过限流电阻可接至 220V 交流电源, 直接与继电器控制电路相连, 无需光电耦合器隔离, 给使用带来极大方便 PIC 的 8 位单片机型号繁多, 分为低档中档和高档型中档产品是 Microchip 公司重点发展的系列产品, 品种最为丰富尤其是 PIC18 系列, 其程序存储器最大可达 64KB, 通用数据存储器为 3968B; 有 8 位和 16 位定时器和比较器 ;8 级硬件堆栈,10 位 A/D 转换器, 捕捉输入,PWM 输出 ; 配置了 I 2 C SPI,UART 串口, CAN USB 接口, 模拟电压比较器及 LCD 驱动电路等, 其封装从 14 脚到 64 脚, 价格适中, 性价比高已广泛应用在高中低档的各类电子产品中高档型产品 PIC17Cxx 在中档型产品的基础上增加了硬件乘法器, 指令周期可达 160ns 它是目前世界上 8 位单片机中性价比最高的机种, 可用于中高档产品的开发, 如电机控制等此外,Microchip 公司还推出了高性能的 16 位 PIC24xx 系列和 32 位 PIC33xx 系列单片机, 受到用户欢迎, 得到了广泛的应用 AVR 系列单片机 AVR 系列单片机是 1997 年由 ATMEL 公司研发的精简指令集 (Reduced Instruction Set Computer,RISC) 高速 8 位单片机, 其特点如下 (1) 废除了机器周期, 抛弃复杂指令计算机 (CISC) 追求指令完备的做法采用精简指令集, 以字作为指令长度单位, 将操作数与操作码安排在一字之中, 指令长度固定, 指令格式与种类相对较少, 寻址方式也相对较少, 绝大部分指令都为单周期指令取指周期短, 又可预取指令, 实现流水作业, 故可高速执行指令, 当然这种高速度是以高可靠性来保障的 (2) 新工艺 AVR 器件的 Flash 程序存储器擦写可达次以上片内较大容量的 RAM, 不仅能满足一般场合的使用, 同时可有效支持使用高级语言开发系统程序, 并可像 8051 单片机那样很容易地扩展外部 RAM (3) 丰富的外设 AVR 单片机有定时器 / 计数器看门狗电路低电压检测电路 BOD, 多个复位源 ( 自动上下电复位外部复位看门狗复位 BOD 复位 ), 可设置的启动后延时运行程序, 增强了单片机系统的可靠性片内有通用的异步串行口 (UART), 面向字节的高速硬件串口 TWI( 与 I 2 C 兼容 ) SPI 串口此外, 还有 ADC PWM 等片内外设 (4)I/O 口功能强驱动能力大工业级产品具有大电流 ( 最大可达 40mA), 可省去功率驱动器件, 直接驱动可控硅 SSR 或继电器 I/O 口的输入可设定为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入, 便于满足各种多功能 I/O 口应用的需要, 具备 10mA~20mA 灌电流的能力 (5) 低功耗具有省电功能 (Power Down) 及休眠功能 (Idle) 的低功耗的工作方式一般耗电在 1~2.5 ma; 对于典型功耗情况,WDT 关闭时为 100nA, 更适用于电池供电的应用设备有的器件最低 1.8 V 即可工作 (6) 支持程序的在线编程, 只需一条 ISP 下载线, 就可把程序写入 AVR 单片机, 无需使用编程器其中 MEGA 系列还支持在线应用编程 IAP( 可在线升级或销毁应用程序 ), 省去仿真器 AVR 单片机系列齐全, 有 3 个档次, 可适用于各种不同场合的要求 : 10

11 低档 Tiny 系列 AVR 单片机 : 主要有 Tiny11/12/13/15/26/28 等 ; 中档 AT90S 系列 AVR 单片机 : 主要有 AT90S1200/2313/8515/8535 等 ; 高档 Atmega 系列 AVR 单片机 : 主要有 ATmega8/16/32/64/128 ( 存储容量为 8KB/16KB/32KB/64KB/128KB) 以及 ATmega8515/8535 等 1.9 其他嵌入式处理器简介目前, 以各类嵌入式处理器为核心的嵌入式系统的应用, 已经成为当今电子信息技术应用的一大热点具有各种不同体系结构的嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件除单片机外还有数字信号处理器 (DSP) 以及嵌入式微处理器嵌入式 DSP 处理器数字信号处理器 (DSP) 是擅长高速实现各种数字信号处理运算 ( 如数字滤波 FFT 频谱分析等 ) 的嵌入式处理器由于 DSP 的硬件结构和指令进行了特殊设计, 使其能够高速完成各种数字信号处理算法 1981 年, 美国 TI(Texas Instruments)) 公司研制了著名的 TMS320 系列首片低成本高性能 DSP 处理器芯片 TMS320C10, 使 DSP 技术向前跨出了意义重大的一步 20 世纪 90 年代, 由于无线通信各种网络通信多媒体技术的普及和应用, 高清晰度数字电视的研究, 极大地刺激了 DSP 的推广与应用由此 DSP 大量进入嵌入式领域推动 DSP 快速发展的是嵌入式系统的智能化, 例如各种带有智能逻辑的消费类产品, 生物信息识别终端, 实时语音压解系统, 数字图像处理等这类智能化算法一般都是运算量较大, 特别是向量运算指针线性寻址等较多, 而这些正是 DSP 的长处所在但在一些实时性要求很高的场合, 单片 DSP 的处理能力还是不能满足要求因此, 各大公司又研制出多总线多流水线和并行处理的包含多个 DSP 处理器的芯片, 大大提高了系统的性能与单片机相比,DSP 所具有的实现高速运算的硬件结构与指令系统以及多总线结构, 尤其是 DSP 处理的数字信号处理算法的复杂度和大的数据处理流量是单片机不能企及的 DSP 厂商主要有美国 TI ADI Motorola Zilog 等公司 TI 公司位居榜首, 占全球 DSP 市场约 60% 的份额 DSP 代表性产品是 TI 公司的 TMS320 系列, 其中包括用于控制领域的 2000 系列, 用于移动通信的 5000 系列以及应用在网络多媒体以及图像处理领域的 6000 系列等今天, 随着全球信息化和 Internet 的普及, 多媒体技术的广泛应用, 尖端技术向民用领域的迅速转移,DSP 已大范围进入消费类电子产品 DSP 的不断更新换代, 性能指标不断提高, 价格不断下降, 已成为新兴科技领域通信多媒体系统消费电子医用电子等飞速发展的主要推动力据国际著名市场调查研究公司 Forward Concepts 发布的一份统计和预测报告显示, 目前世界 DSP 产品市场每年正以 30% 的增幅增长, 是目前最有发展和应用前景的嵌入式处理器之一嵌入式微处理器嵌入式微处理器 (Embedded MicroProcessor Unit,EMPU) 的基础是通用计算机中的 11

12 CPU 虽然在功能上其和标准微处理器基本一样, 但由于只保留和嵌入式应用有关的功能, 这就大幅度减小了系统体积和功耗, 同时在工作温度抗电磁干扰可靠性等方面一般都做了各种增强处理嵌入式微处理器的代表性产品为 ARM 系列, 主要有 ARM7 ARM9 ARM9E ARM10 和 SecurCore 5 个产品系列以 ARM7 为例, 它的地址线为 32 条, 所扩展的存储器空间要比单片机大得多, 可配置实时多任务操作系统 (RTOS), 它是嵌入式应用软件的基础和开发平台常用的实时操作系统 (Red-Time Operating System) 为 Linux( 数百 KB) 和 VxWorks( 数 MB) 以及 C-OSⅡ 由于嵌入式实时多任务操作系统具有高度灵活性, 可很容易地对它进行定制或适当开发, 即对它进行裁剪移植和编写, 从而设计出用户所需的程序, 满足实际应用需要嵌入式微处理器可运行实时多任务操作系统, 能够处理复杂的系统管理任务和处理工作因此, 在移动计算平台媒体手机工业控制和商业领域 ( 如智能工控设备 ATM 机等 ) 电子商务平台信息家电 ( 机顶盒数字电视 ) 等方面, 甚至在军事应用方面, 具有巨大的吸引力目前, 以嵌入式微处理器为核心的嵌入式系统应用, 已经成为继单片机 DSP 之后的电子信息技术应用的又一大热点这里要对嵌入式系统这个名称加以说明从更广泛的意义上讲, 凡是系统中嵌入了嵌入式处理器, 如单片机 DSP 嵌入式微处理器, 都称其为嵌入式系统但是目前较为流行的说法是, 把嵌入了嵌入式微处理器的系统, 称为嵌入式系统目前嵌入式系统还没有一个严格和权威的定义, 但人们通常所说的嵌入式系统, 多指后者思考题及习题 1 1. 除了单片机这一名称之外, 单片机还可称为或 2. 单片机与普通微型计算机的不同之处在于其将和三部分, 通过内部连接在一起, 集成于一块芯片上 3. 在家用电器中使用单片机应属于微计算机的 A. 辅助设计应用 B. 测量控制应用 C. 数值计算应用 D. 数据处理应用 4. 微处理器微计算机微处理机 CPU 单片机嵌入式处理器它们之间有何区别? 5.MCS-51 系列单片机的基本型芯片分别有哪几种? 它们的差别是什么? 6.AT89S51 单片机相当于 MCS-51 系列单片机中的哪一型号的产品?S 的含义是什么? 7. 什么是嵌入式系统? 8. 嵌入式处理器家族中的单片机 DSP 嵌入式微处理器各有何特点? 它们的应用领域有何不同? 12

,,, PCB, AR M VxWorks DSP,,,,,,,,,,, (CIP) /,,.:,2005 ISBN TP36 CIP (2005) : ( 10 ) : : (010 ) : (010)

,,, PCB, AR M VxWorks DSP,,,,,,,,,,, (CIP) /,,.:,2005 ISBN 7-5635-1099-0...............TP36 CIP (2005)076733 : ( 10 ) :100876 : (010 )62282185 : (010)62283578 : publish@bupt.edu.cn : : : 787 mm960 mm 1/