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单片机的概念及单片机的种类


第1章 概 述

第1章 概



1.1 单片机的概念及单片机的种类 1.2 单片机的类型、特点及用途

1.3 单片机的发展趋势
本章小结 练习与思考题

第1章 概 述

1.1
1.1.1

单片机的概念及单片机的种类

单片机及单片机系统

单片机是微型计算机发展的一个分支,是一种专门
面向控制的微处理器件,故又称之为微控制器(Micro Controller Unit,MCU)。单片机通常以单一芯片的形式出

现,但是它已具有了微型计算机所包含的基本组成结构和
特有的控制应用功能,是一种芯片级的微型计算机。另外, 由于单片机的体积、结构和功能特点,在实际应用中可以 完全融入应用系统之中,故而也称为嵌入式微控制器 (Embedded Micro-Controller)。

第1章 概 述
最基本的单片机系统由单片机芯片和软件程序共同组 建而成,是用户为了实现某种控制用途的需要而设计的实 际装置。在单片机系统中,单片机芯片内部的中央处理单 元(CPU)处于核心地位,CPU通过执行软件程序调动硬件 电路完成控制功能。根据这种工作方式,单片机系统可以 划分为硬件和软件两个组成部分。

第1章 概 述
1. 硬件部分 单片机系统的硬件部分是包括CPU在内的所有硬件电路, 按照硬件电路的功能和配置大致可以分为以下3类

第1章 概 述
1) 基本功能类 基本功能类硬件包括:CPU(用于运算、控制)、

RAM(用于数据存储)、ROM(用于程序存储)、I/O设备(实现
串行、并行输入/输出接口)及时钟电路(建立工作时序)。在 微型计算机中,上述部件被分成若干块芯片,安装在一块称

之为主板的印刷线路板上,在程序的指挥下完成计算机的基
本运算操作功能。但是在单片机中,除了时钟电路之外,其 余部分一般均被集成到一块半导体芯片上,所以被称为单片 机,即单芯片微型计算机。

第1章 概 述
2) 控制功能类 控制功能类硬件包括:定时器/计数器(用于时间设定/事 件记录)和中断装置(实现实时处理)。使用这类硬件是为了实 现单片机的控制功能,即定时控制、顺序控制和实时控制等 基本控制功能。作为面向嵌入式控制的特色,这类部件通常

也集成在单片机芯片内部。
3) 辅助功能类 辅助功能类硬件包括:A/D(模/数转换)和D/A(数/模转换,

通常采用PWM形式)等部件。这类部件根据芯片的配置不同
不一定集成在单片机芯片上,需要用户根据使用要求 选择。

第1章 概 述
2. 软件部分 与微型计算机的运行原理相似,单片机系统的运行也需 要软件系统的支持,但是由于处理任务的不同,其复杂程度 相对较低。根据单片机软件所要实现的功能,可以将软件划 分为管理程序和应用程序两类。

1) 管理程序
管理程序是单片机系统的监控程序,主要用于控制过程 复杂,控制量较大的装置,例如测控仪器、仪表等。对于仅

完成简单控制任务的单片机系统一般可以相应简化。

第1章 概 述
2) 应用程序 应用程序是针对具体的控制动作而编写的程序,是实现 控制具体功能的程序基础,通常以子程序模块的形式出现,

便于执行控制动作时调用。

第1章 概 述
1.1.2 单片机程序设计语言及开发环境简介 单片机程序设计语言主要是指在开发系统中使用的语言。 在单片机开发系统中可以使用机器语言、汇编语言和高级语 言。机器语言采用机器码,是单片机能够直接识别的程序语 言,汇编语言是以助记符表示机器码的程序设计语言。机器 语言和汇编语言都是高效的计算机语言,实时性较强,但它

们都是面向机器的语言,通用性差,编程效率低。

第1章 概 述
单片机的开发过程涉及3项内容,即编程、纠错和仿真。 一般采用PC机内安装的集成开发环境(IDE)软件进行开发调 试。在集成开发环境内可以实现文本编程、编译纠错和仿真 运行。其中仿真的形式又可以分为两种,即软件仿真和硬件 仿真。软件仿真不必连接硬件应用系统,仿真结果在开发环

境中模拟的单片机构造中得到体现;硬件仿真需要与用户控
制系统配合,以集成开发环境的输出替代用户系统中原有的 单片机,仿真过程真实、实时性强。另一种较新的开发形式

采用具有ISP(In-System Programming,在系统可编程)功能的
单片机,利用下载程序开发单片机系统。

第1章 概 述
1.1.3 单片机的使用环境及产品等级 单片机用途广,使用环境差别大,如何保证单片机控制 系统或装置的可靠性是设计者和使用者最为关注的问题。作

为电子产品而言,其可靠性主要取决于半导体芯片的产品等
级,根据运行温度范围,产品等级大致划分为3级,下面分 别予以介绍。

第1章 概 述
1. 军用级 运行温度范围为?-50℃~+125℃,适用于军用品要求苛 刻的应用环境,芯片的价格比较昂贵。例如Intel公司的

MCS-51系列单片机MD80C51FB。型号以MD表示开头的,
M代表军品,D代表直插封装。

第1章 概 述
2. 商业级 运行温度范围为0℃~+70℃,主要限于机房、办公及

住宅环境,适用于民用产品,例如家电、玩具等。商业级产
品价格低廉,品种齐全,应用最为广泛。 3. 工业级 早期的单片机产品大多为工业级,运行温度范围为 ?-45℃~+85℃,介于商业级和军用级之间,适宜在工业

生产环境下使用。其特点是可靠性远高于商业级,但价格远
低于军用级。MCS-51系列单片机的普通产品均属于工业级。

第1章 概 述

1.2 单片机的类型、特点及用途
1.2.1 单片机主要类型及其特点

1. 常用单片机的类型及特点
Intel公司的MCS-51系列及其兼容产品是目前最常用的 一种单片机类型,其引进历史较长,学习资料齐全,影响面

较广、应用成熟,已被单片机控制装置的开发设计人员广泛
接受。本书将以这种单片机产品为主介绍单片机的结构原理、 指令系统、编程应用及接口电路等内容。MCS-51系列单片 机及其兼容产品的生产厂家很多,以下仅列出具有代表性的 3家公司的产品,其产品的型号及特点如表1-1所示。

第1章 概 述

表1-1 常用MCS-51系列单片机一览表
公 司 Intel 品 名 8031 特 点

MCS-51 CMOS 单片 8 位微控制器, 条 I/O 引线, 个定时器/计数器, 32 2 5 个中断源,2 个优先级,128 B 片内 RAM 基于 8051 CMOS 控制器,8 位 A/D,PWM,48 条 I/O 引线,3 个定时 器/计数器,14 个中断源,4 个优先级,无片内 ROM,256 B 片内 RAM 基于 8051 CMOS 控制器, CAN(SJA1000 CAN), 位 ADC, 片内 10 WDT, 87C591 32 条 I/O 引线,3 个定时器/计数器,15 个中断源,4 个优先级,I C 总线, 16 KB EPROM,256 B 片内 RAM +256 B 附加 AUX RAM
2

80C562 Philips

第1章 概 述
2.常用单片机的更新及进步 随着单片机技术的发展,高性能的新型单片机开始

出现,其中美国Cygnal公司推出的C8051F系列单片机就
是在MCS-51系列单片机基础之上进行更新开发的一种

产品。?C8051F实际上是一种以8051为内核集成的混合
信号系统级芯片。熟悉MCS-51系列单片机的工程技术

人员可以很容易地掌握C8051F的应用技术并能进行软
件的移植。

第1章 概 述
C8051F系列单片机采用流水线结构,单周期指令运行 速度是8051的12倍,全指令集运行速度是原来的9.5倍。

C8051F系列单片机的内部资源非常丰富,例如C8051F020单
片机内部除包含8051微控制器内核、RAM、ROM、I/O口、 定时器/计数器等MCS-51 系列的配置之外,还具有ADC、 DAC、PCA、SPI和SMBus等部件。这种将单片机的基本组 成单元与模拟、数字外设集成在一个芯片上而组成的片上系

统(SoC),实质上已超出了以往单片机(MCU)的含义,代表
了高性能单片机发展的一个方向。

第1章 概 述
3. 其他类型单片机及特点简介 1) ?PIC系列单片机 PIC系列单片机由美国Microchip公司设计生产,与MCS-51 系列对应的产品有PIC16C系列和PIC17C系列8位单片机,广 泛应用于消费电子产品、汽车电子及工业控制等领域,就产 量和市场份额而言在世界单片机领域排名属于前列。

第1章 概 述
PIC系列单片机有如下特点: (1) 完全哈佛结构。指令和数据空间及传输路径完全分

开,提高了数据吞吐率。程序和数据总线采用不同的宽度。
数据总线为8位,指令总线根据单片机档次不同分为12、14、 16位,指令均以单字节形式表示。 (2) 流水线结构。取指令和执行指令采用流水线形式, 执行一条指令时,同时允许取出下一条指令,从而实现了单 周期指令。

第1章 概 述
(3) 寄存器组结构。RAM及寄存器,包括I/O口、定时 器和程序计数器等都以寄存器方式工作和寻址,只需要一个

指令周期就可以完成访问和操作。通常另辟堆栈RAM空间,
不占用片内数据存储单元。 (4) 精简指令系统。采用RISC(精简指令集计算机)结构, 与传统的采用CISC(复杂指令集计算机)结构的单片机相比, 其指令数量少,易学易记。此外,精简指令系统还具有较高 的代码压缩能力,有利于提高程序执行速度。

第1章 概 述
(5) 种类齐全。不单纯追求功能堆积,从实际出发,以 多种型号满足不同层次、不同用途的需求。在规模上既有84

脚封装,多达66根I/O口线的型号,也有8脚封装,6根I/O口
线的型号。功能较全的高档次单片机产品还配置了A/D(模/ 数转换)、CCP(捕捉/比较)或采用PWM(脉宽调制)的D/A转换 单元。 PIC系列单片机功能全、种类多,便于选择使用,开发

者可以根据不同的用途和要求设计出性价比较高的单片机控
制装置。

第1章 概 述
2) ?MSP430单片机 MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)公司1996年开 始推向市场的一种16位单片机,采用精简指令集,是一种 超低功耗的混合型单片机。MSP430系列单片机的主要特点 是,具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发

手段。
MSP430单片机的主要优点描述如下: (1) 运算处理能力强。MSP430系列是16位单片机,采

用了RISC结构,具有丰富的寻址方式和简洁的内核指令以
及大量的模拟指令,在8 MHz时钟晶振的驱动下指令周期 仅为125 ns。

第1章 概 述
(2) 超低功耗设计。采用1.8~3.6 V工作电压,在1 MHz 的时钟条件下运行时,芯片取用电流在200~400 μA左右。

在时钟关断模式运行时,最低维持电流只有0.1 μA。具有独
特的时钟系统设计,它有两个时钟,用以产生CPU和各功能 单元所需的时钟,可以在指令控制下接通和关断时钟,实现 对总体功耗的控制。MSP430系列单片机有5种不同的工作模 式。在等待方式下,电流消耗为0.7 μA。在节电方式下,最

低可达0.1 μA。当系统处于省电的备用状态时,用中断请求
将它唤醒的时间只需6 μs。

第1章 概 述
(3) 丰富的片上外围模块。集成了较丰富的片内外设, 其中包括看门狗(WDT)、模拟比较器A、硬件乘法器、液晶

驱动器、10/12位ADC、I 2 C总线和直接数据存取(DMA)等。
(4) 方便高效的开发环境。MSP430单片机有OPT、 FLASH和ROM 3种类型,目前主要以FLASH型为主。片内

有JTAG(Joint Test Action Group,联合测试行动小组)调试接
口,通过PC机和JTAG调试器获取片内信息,从而使设计者 在调试开发时,无需仿真器和编程器。开发工具简便,价格 也相对低廉,可以实现在线编程。开发语言有汇编语言和C 语言。

第1章 概 述
(5) 运行环境。MSP430系列单片机产品均为工业级,运 行环境温度为-40?~+85℃,适合工业环境下使用。

3) 单片机品种及主流单片机概况
单片机品种繁多,各具特色。其中Intel公司推出的MCS-51 系列单片机及与其兼容的Philips、Atmel、Winbond等公司的

产品应用非常广泛。目前单片机入门教材大多以MCS-51系
列单片机作为学习基础,所以被普遍接受,堪称主流。而 Microchip公司的PIC精简指令集单片机产品也有着强劲的发 展势头。就产量而言,在可供二次开发的单片机产品中PIC 单片机居全球之首。

第1章 概 述
1.2.2 常用单片机的应用领域 单片机的特点是集成度高、功能强、可靠性高、体积小、 功耗低、使用方便及价格低廉。单片机的应用几乎是无处不 在,已经渗透到我们生活中的各个领域。目前单片机已经在 工业控制、仪器仪表、家用电器、办公自动化、医用设备、 信息和通信产品、航空航天、专用设备的智能化管理等领域

中得到了广泛的应用,其应用形式体现如下。

第1章 概 述
1. 在工业控制中的应用 工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一,在

测控系统、过程控制、机电一体化设备中主要利用单片机实
现逻辑控制、数据采集、运算处理、数据通信等用途。单独 使用单片机可以实现一些小规模的控制功能,作为底层检测、 控制单元与上位计算机结合可以组成大规模工业自动化控制 系统。特别在机电一体化技术中,单片机的结构特点使其更 容易发挥其集机械、微电子和计算机技术于一体的优势。

第1章 概 述
2. 在智能仪器中的应用 内部含有单片机的仪器统称为智能仪器,也称为微机化 仪器。这类仪器大多采用单片机进行信息处理、控制及通信, 与非智能化仪器相比,功能得到了强化,增加了诸如数据存 储、故障诊断、联网集控等功能。以单片机作为核心组成智

能仪表已经是自动化仪表发展的一种趋势。

第1章 概 述
3. 在家用电器中的应用 单片机功能完善、体积小、价格廉、易于嵌入,非常适 用于对家用电器的控制。嵌入单片机的家用电器实现了智能 化,是传统型家用电器的更新换代,现已广泛应用于洗衣机、 空调、电视机、视盘机、微波炉、电冰箱、电饭煲以及各种 视听设备等。

第1章 概 述
4. 在信息和通信产品中的应用 信息和通信产品的自动化和智能化程度很高,其中许多

功能的完成都离不开单片机的参与。这里最具代表性和应用
最广的产品就是移动通信设备,例如手机内的控制芯片就属

于专用型单片机。另外在计算机外部设备中,如键盘、打印
机中也离不开单片机。新型单片机普遍具备通信接口,可以

方便地与计算机进行数据通信,为计算机和网络设备之间提
供连接服务创造了条件。

第1章 概 述
5. 在办公自动化设备中的应用 现代办公自动化设备中大多数嵌入了单片机控制核心。如打

印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机及电话等。通过单
片机控制不但可以完成设备的基本功能,还可以实现与计算 机之间的数据通信。 6. 在商业营销设备中的应用 在商业营销系统中单片机已广泛应用于电子秤、收款机、

条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监
测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等。

第1章 概 述
7. 在医用设备领域中的应用 单片机在医疗设施及医用设备中的用途亦相当广泛,例 如在医用呼吸机、各种分析仪、医疗监护仪、超声诊断设备 及病床呼叫系统中都得到了实际应用。 8. 在汽车电子产品中的应用

现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾
驶系统、通信系统和运行监视器等装置中都离不开单片机。 特别是采用现场总线的汽车控制系统中,以单片机担当核心

的节点通过协调、高效的数据传送不仅完成了复杂的控制功
能,而且简化了系统结构。

第1章 概 述

1.3 单片机的发展趋势
目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展,将会 进一步实现低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和 外围电路内装化等要求。单片机的发展将主要以满足在嵌

入式应用前提下与控制对象的最佳结合,突显其智能化控
制能力。并在此基础上寻求应用系统在芯片上的最大化解

决方式,即形成了SoC化趋势。在微电子技术、IC设计、
EDA工具发展的推动下,基于SoC的单片机应用系统将会 得到较快的发展。

第1章 概 述

本章小结
本章简要介绍了关于单片机及单片机系统的基本

概念、结构特点和发展历程,并且对单片机的应用开发
方式及应用环境进行了简介。通过对常用单片机系列、 型号和各生产厂家的产品特点的介绍,使我们对单片机 的种类及性能有一个初步的了解,便于在今后的应用中 能够选择合适的单片机类型,满足具体用途的需要。另 外,本章还从开拓视野的角度列举了单片机在各个领域 的应用,以及单片机今后的发展趋势。

第1章 概 述

练习与思考题
1.作为计算机家族的一员,单片机与其他成员之间
有何关系?单片机具备哪些特色? 2.组成单片机系统的软、硬件包括哪些类型?如何

进行划分?
3.试列举出常用的单片机的型号、制造厂家及资源 配置。 4.你对单片机的应用知道多少?试举例说明。 5.单片机作为一种半导体产品,其产品的等级是如 何划分的?


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