一、單片機與單片微計算機系統

　　計算機系統已明顯地朝巨型化、單片化、網絡化三個方向發展。巨型化發展的目的在于不斷提高計算機的運算速度和處理能力，以解決復雜系統計算和高速數據處理，比如系統仿真和模擬、實時運算和處理。單片化就是把計算機系統盡可能集成在一塊半導體芯片上，其目的在于計算機微型化和提高系統的可靠性，通常把這種單片計算機簡稱單片機。準確而言，單片機（單片微型計算機）實際上是一種將CPU（中央處理器）、存儲器和輸入輸出接口集成在一個芯片中的微型計算機。單片機的內部硬件結構和指令系統主要是針對自動控制應用而設計的，所以單片機又稱微控制器mcu（MicroController Unit），又由于用它可以很容易地將計算機嵌入到各種儀器和現場控制設備中，因此單片機也叫嵌入式微控制器（Embedded MCU）。

　　單片機要進行工作，必須構成單片機系統。單片機系統實質上就是一個微計算機系統，它主要由硬件和軟件兩大部分組成，硬件是指構成計算機系統的所有電子、機械和磁性的部件或設備，軟件則是各種程序及數據的總稱。圖1給出單片微計算機系統的具體構成。

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　　二、單片機發展概述

　　單片機出現的歷史并不長，但發展十分迅猛。 它的產生與發展和微處理器的產生與發展大體同步，自1971年美國Intel公司首先推出4位微處理器以來，它的發展到目前為止大致可分為5個階段。下面以Intel公司的單片機發展為代表加以介紹。

　　第1階段（1971～1976）： 單片機發展的初級階段。 1971年11月Intel公司首先設計出集成度為2000只晶體管/片的4位微處理器Intel 4004， 并配有RAM、 ROM和移位寄存器， 構成了第一臺MCS—4微處理器， 而后又推出了8位微處理器Intel 8008， 以及其它各公司相繼推出的8位微處理器。

　　第2階段（1976～1980）：低性能單片機階段。 以1976年Intel公司推出的MCS—48系列為代表， 采用將8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定時/計數器、RAM和ROM等集成于一塊半導體芯片上的單片結構， 雖然其尋址范圍有限（不大于4 KB）， 也沒有串行I/O， RAM、 ROM容量小， 中斷系統也較簡單， 但功能可滿足一般工業控制和智能化儀器、儀表等的需要。

　　第3階段（1980～1983）：高性能單片機階段。 這一階段推出的高性能8位單片機普遍帶有串行口， 有多級中斷處理系統， 多個16位定時器/計數器。片內RAM、 ROM的容量加大，且尋址范圍可達64 KB，個別片內還帶有A/D轉換接口。

　　第4階段（1983～80年代末）： 16位單片機階段。 1983年Intel公司又推出了高性能的16位單片機MCS－96系列， 由于其采用了最新的制造工藝， 使芯片集成度高達12萬只晶體管/片。

　　第5階段（1990年代）：單片機在集成度、功能、速度、可靠性、應用領域等全方位向更高水平發展。

　　按照單片機的特點，單片機的應用分為單機應用與多機應用。在一個應用系統中，只使用一片單片機稱為單機應用。單片機的單機應用的范圍包括：

　　（1） 測控系統。 用單片機可以構成各種不太復雜的工業控制系統、自適應控制系統、數據采集系統等， 達到測量與控制的目的。

　　（2） 智能儀表。 用單片機改造原有的測量、控制儀表， 促進儀表向數字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化方向發展。

　　（3） 機電一體化產品。單片機與傳統的機械產品相結合， 使傳統機械產品結構簡化， 控制智能化。

　　（4） 智能接口。 在計算機控制系統， 特別是在較大型的工業測、控系統中， 用單片機進行接口的控制與管理， 加之單片機與主機的并行工作， 大大提高了系統的運行速度。

　　（5） 智能民用產品。 如在家用電器、玩具、游戲機、聲像設備、電子秤、收銀機、辦公設備、廚房設備等許多產品中， 單片機控制器的引入， 不僅使產品的功能大大增強， 性能得到提高， 而且獲得了良好的使用效果。

　　單片機的多機應用系統可分為功能集散系統、并行多機處理及局部網絡系統。

　　（1） 功能集散系統。 多功能集散系統是為了滿足工程系統多種外圍功能的要求而設置的多機系統。

　　（2） 并行多機控制系統。 并行多機控制系統主要解決工程應用系統的快速性問題， 以便構成大型實時工程應用系統。

　　（3） 局部網絡系統。

　　二、常用單片機系列

　　1．8051系列單片機

　　Intel公司于1980年推出8位的高性能8051單片機，在工業控制領域引起不小的轟動，并迅速確立了其不可動搖的地位。之后不久，Intel公司徹 底開放了8051單片機的技術，引來世界上很多半導體廠商加入了開發和改造8051單片機的行列中，這其中貢獻最大的有Philipe公司，它著力發展了 單片機的控制功能和外圍單元；Atmel公司，它在單片機內部植入了Flash ROM，使得單片機應用變得更靈活，在我國擁有大量的用戶；ADI公司，它推出的AduC8 xx系列單片機，在單片機向SOC發展的模/數混合集成電路發展過程中扮演了很重要的角色；Cygnai公司，它采用一種全新的流水線設計思路，使單片機 的運算速度得到了極大的提高，在向SOC發展的過程中邁出了一大步。

　　目前8051系列單片機各生產廠商的主流產品有幾十個系列，幾百個品種。盡管其各具特色，名稱各異，但作為集CPU、RAM、ROM（或EPROM）、 I/O接口、定時器/計數器、中斷系統為一體的單片機，其原理大同小異。現以Intel公司的系列產品為例，說明其各系列之間的區別。

　　Intel公司從其生產單片機開始，發展到現在，大體上可分為3大系列： MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列。該3大系列的性能簡介見表1。

　　表1 Intel單片機系列性能簡介

　　這里，我們僅對MCS-51系列作一簡要介紹。MCS-51系列單片機雖已有10多種產品，但可分為兩大系列：MCS-51子系列與MCS-52子 系列。 MCS-51子系列中主要有8031、8051、8751 三種類型。而MCS-52子系列也有3種類型8032、8052、8752。各子系列配置見表1.2所示。

　　表1.2中列出了MCS-51系列單片機的兩個子系列，在4個性能上略有差異。 由此可見，在本子系列內各類芯片的主要區別在于片內有無ROM或EPROM；MCS-51與MCS-52子系列間所不同的是片內程序存儲器ROM從4 KB增至8 KB；片內數據存儲器由128個字節增至256個字節；定時器/計數器增加了一個；中斷源增加了1～2個。另外，對于制造工藝為CHMOS的單片機，由于采用 CMOS技術制造，因此具有低功耗的特點，如8051功耗約為630 mW，而80C51的功耗只有120 mW。

　　2．其它單片機

　　當很多公司在改造MCS-51系列單片機的同時，世界上一些有影響力的大公司也在開發自己的單片機，比如Motorola、TI、Microchip、OKI、Epson等。這些單片機的指令系統和內部結構都和MCS-51系列單片機不同，功能也各有千秋。

　　（1）Motorola的單片機

　　Motorola是世界上最早開發單片機的著名廠商，是目前全球最大的8位單片機生產商。現在已經擁有8位、16位和32位約十幾個系列的單片機，這其中 8位機主要有68HC05、68HC08和68HC11等3個系列；16位機主要有HCS12、68HC12、DSP56800和68HC16等4個系 列；32位機主要有Coldfire的MC683xx、MCORE、MPC500和MCF5 xxx等系列。Motorola單片機的功能一般都很強，進入我國的時間也很早，在單片機應用領域有很高的威望，但由于其開發工具價格較高，影響了普及率。

　　（2）Microchip公司的PIC單片機

　　Microchip公司是當今世界上第二大8位單片機生產商，Microchip單片機在我國也有比較多的用戶，近幾年隨著Microchip不斷推出頗 具特色的各型單片機，Microchip已越來越受到業界的廣泛關注。目前，市面上比較常見的單片機主要有以下3個系 列：PIC12C5xxx/16C5x系列，這兩個系列的單片機是PIC單片機中的低端產品，其中PIC16C5x系列是最早在市場上得到發展的系列，因其價格較低，且有較完善的開發手段，因此在國內應用最為廣泛；而PIC12C5xx是世界上第一個8腳低價位單片機，可用于一些對單片機體積要求較高的簡 單智能控制領域，前景十分廣闊。PIC12C6xx/ PIC16Cxxx系列是PIC中檔產品，是Microchip近年來重點發展的系列產品，品種最為豐富，其性能比低檔產品有所提高，指令周期可達到 200ns，增加了中斷功能、帶A/D、內部E2PROM數據存儲器、雙時鐘工作、比較輸出、捕捉輸入、PWM輸出、I2C和SPI接口、異步串行通信 （USART）、模擬電壓比較器及LCD驅動等，其封裝從8腳到68腳，可用于高、中、低檔的電子產品設計中，適合于高級復雜系統的開發，其性能在中檔位單片機的基礎上增加了硬件乘法器，指令周期可達成160ns，它是目前世界上8位單片機中性價比最高的機種之一，可用于高、中檔產品的開發，如馬達控制、音調合成。

　　（3）TI（Texas Instruments）公司的MSP430單片機

　　TI公司是聞名全球的DSP制造商，但其前幾年才推出的MSP430系列16位單片機同樣在業界掀起不小的波瀾。MSP430系列單片機最突出的特點是低電壓供電和超低功耗，非常適合應用于采用電池長時間工作的場合。電壓范圍為1.8~3.6V；在1MHZ2.2V下，活動模式功耗為225μA，待機模式 功耗為0.8μA、掉電模式功耗為0.1μA。在這個系列中有很多個型號，它們是由一些基本功能模塊按照不同的應用目標組合而成的。MSP430系列單片 機的CPU采用16位RISC精簡指令系統，集成有16位寄存器和常數發生器，發揮了最高代碼效率；它采用數字控制振蕩器（DCO），使得從低功耗模式到 喚醒模式的轉換時間小于6μs；內部集成了A/D轉換器，工業應用方便；其中MSP430x41x系列設計有一個16位定時器、一個比較器、96段LCD 液晶驅動器和48個通用I/O口。

　　下面介紹MCU的應用案例及參考設計。