单片微型计算机基础知识
第二讲 第2章 MCS-51单片微型计算机结构
S1
S2
S3
读下一个操作 码（丢弃） P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 （a） 单字节，单周期指令 例：MOV A R1
读操作码 读操作码 读第二字节
2
P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 （b） 双字节，单周期指令 例：ADD A dir 读操作码
MCS-51单片机的结构原理
一、计算机的经典组成 计算机的经典结构见 图1.1 所示。这种结 构是由计算机的开 拓者——数学家约 翰· 诺依曼最先提 冯· 出的，所以就称之 为冯· 诺依曼计算机 体系结构，也叫普 林斯顿结构。
图 1.1 计算机经典结构
二、 MCS-51单片机的基本组成
(一) 8051单片机的结构
﹡IP B8H ﹡IE A8H TMOD ﹡TCON TL0 TH0 TL1 TH1 PCON ﹡SCON 寄存器 SBUF
IP.7～IP.0 BFH～B8H 中断优先控制器 IE.7～IE.0 AFH～A8H 中断允许控制器 89H 定时器方式选择 88H TCON.7～TCON.0 8FH～88H 定时控制寄存器 8AH 定时器T0低8位 8CH 定时器T0高8位 8BH 定时器T1低8位 8DH 定时器T1高8位 87H 电源控制及波特率选择 98H SCON.7～SCON.0 9FH～98H 串行口控制 99H 串行口数据缓冲器
F0H E0H D0H B8H B0H A8H A0H 98H 90H 88H 80H
特 殊 功 能 寄 存 器 中 位 寻 址
FFFFH 外部 RAM
单片微型计算机原理及接口技术
单片微型计算机原理及接口技术在现代科技领域中，计算机技术的发展日新月异，而单片微型计算机无疑是其中的重要一环。
本文将介绍单片微型计算机的原理以及接口技术，以帮助读者更好地理解和运用这一领域的知识。
一、单片微型计算机的原理1.1 数据表示和处理在单片微型计算机中，数据的表示和处理是非常重要的。
计算机所处理的数据通常以二进制形式表示，通过位(bit)来表示数据的最小单元。
在微型计算机中，通常使用八位(bit)的字节(byte)作为数据的基本单位。
此外，计算机还可以通过不同的数据类型来表示和处理不同类型的数据，如整数、浮点数、字符等。
1.2 CPU和内存在单片微型计算机中，中央处理器(CPU)被视为计算机的大脑。
CPU负责执行指令、进行算术和逻辑运算等操作。
而内存则用于存储数据和指令，供CPU读取和写入。
常见的内存分类有随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)，其中RAM用于临时存储数据，而ROM则用于存储固定的指令和数据。
1.3 控制单元和指令控制单元是CPU的一个核心组成部分，它负责解析和执行指令。
指令是计算机执行操作的命令，可以进行数据的读取、写入、运算等操作。
常见的指令集结构有精简指令集(RISC)和复杂指令集(CISC)。
RISC的指令集相对较简单，执行速度快，而CISC的指令集相对较复杂，但可以实现更多功能。
二、单片微型计算机的接口技术2.1 输入输出接口在单片微型计算机中，输入输出（I/O）设备起着连接计算机与外部设备的重要作用。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、触摸屏等，而输出设备包括显示器、打印机、扬声器等。
通过适当的接口技术，计算机可以与这些设备进行数据的输入和输出，并实现与用户的交互。
2.2 存储器接口技术存储器接口技术用于连接CPU和内存之间的数据传输。
根据不同的芯片架构和规范，存储器接口技术有所不同。
常见的接口技术包括地址总线、数据总线和控制总线。
地址总线用于指定内存的地址，数据总线用于传输数据，而控制总线则用于传输控制信号。
第一章微型计算机基础
号位不变，其余求反。 补码：正数补、原码相同，负数的补码反
码加1。
二、带符号数的表示及运算
2.补码的意义： 补码运算规则： [X+Y]补＝[X]补+[Y]补 [X－Y]补＝[X]补+[-Y]补 例:X＝+1100000 Y＝+0010011,试计算X－Y 直接算： 01100000
2. 总结一下CPU执行指令的过程，可具体分为 哪六个步骤？
3. 8088的准16位在图中哪些地方体现出来？
答案
1. “取指令”和“执行指令”分别由BIU和EU两个部件来完 成。当
EU正在执行指令时，BIU可以从内存中取出指令字节，放在
指令队列中。这样，使得“取指令”和“执行指令”的操作在 时间
上是并行的。
主存储器
ROM RAM
软件
系统软件 应用软件
os
串行I/O接口 I/O接口电路
并行I/O接口
系统
系统总线
应用软件
AB DB
CB
系统软件
OS（操作系统）：DOS、LINUX、 WIN95/98/2000/XP
系统软件
系统应用软件：汇编语言、BASIC
等语言的解释、编译、诊断调试程 序
一、CPU
包括运算器（ALU）、控制器、寄存器 1.算术逻完整的计算机，要 构成一台完整的计算机（主机），还需 要有：
存储器、I/O接口及系统总线。
2.微型计算机
计算机的结构简图 地址总线
CPU
存储器
I/O 接口
外围设备
数据总线
控制总线
微型计算机(主机)的基本结构 “CPU+存储器+I/O接口+系统总
nCH1 基础知识(1)已读
2. 存储器M 存储器=内存+外存——存储数据和程序。 内存和CPU直接相连, 存放当前要运行的程序和数据。
特点是存取速度快, 基本上可与CPU处理速度相匹配, 但价
格较贵, 能存储的信息量较小。 外存（也称辅存）, 保存暂时不用但又需长期保留的程 序和数据。外存的存取速度相对较慢, 但价格较便宜, 可保 存的信息量大。
存放在外存的程序必须调入内存才能进行。
3、输入/输出接口（I/O接口） 输入/输出（I/O）接口由大规模集成电路组成的I/O器 件构成。 连接主机和相应的I/O设备（如: 键盘、 鼠标、显示器、 打印机等）, 使得这些设备和主机之间传送的数据、信息 在形式上和速度上都能匹配。不同的I/O设备必须配置与其 相适应的I/O接口。
5
运 算 器
程 序 计 数 器
累加 器A
1 2 3
地 址 寄 存 器
外部AB
程序存 储器
据 缓 数 器
数据存 储器
内部DB 数
外部DB
寄存器区 指令 寄存 器译 码
4பைடு நூலகம்
外部CB
CPU部分
• 增加MOV A,#9分析: • 0000H 74H 09H MOV A,#9 • 0002H 78H 20H MOV R0,#20H • 0004H 26H ADD A,@R0 (1)00H->PC取指:分析74H执行取立即数 (2)01H->PC取指令(数据)执行存入A • 02H->PC取指:分析78H执行取立即数 • 03H->PC取指令(数据)执行存入R0 • 04H->PC取指:分析26H执行加法
第一章 基础知识(12-01)
要点:
微机基本组成
微机单片化
《单片微型计算机与接口技术》思考题与习题解答01
DA A
MOV 22H，A ；存和低字节
MOV A，#O
ADDC A，#0
MOV 23H，A ；存进位
SJMP $
2．15 MOV A，24H
ADD A，25H
DA A
MOV 22H，A ；存和低字节
MOV A，#O
ADDC A，#0
MOV 23H，A ；存进位
SJMP $
2.16 如果R0的内容为0，将R1置为0，如R0内容非0，置R1为FFH，试进行编程。
LB: MOV P1,A
RL A
CJNE A，#10,LB
SJMP LA
2.10 机器码 源程序
7401LA：M()V A，#01H
F590 LB：M()V P1，A
23 RL A
B40AFA CJNE A，#10，LB
80F6 SJMP LA
2.11 将累加器A的低4位数据送P。口的高4位，P。口的低4位保持不变。
2.19 单片机的移位指令只对A，且只有循环移位指令，为了使本单元的最高位移进下一单元的最低位，必须用大循环移位指令移位4次。
ORG O
CLR C
MOV A，20H
RLC A
MOV 20H,A
MOV A，21H
RLC A
MOV 21H，A
MOV A,22H
RLC A
MOV 22H．A
MOV A，#O
0.3 写出下列十进制数的原码和补码，用8位或16位数填人表1中(要求用十六进制数表示)。
表1
十进制数
原码
补码
十进制数
原码
补码
28
250
-28
-347
l00
单片机考试知识点
单片机考试知识点一、单片机基础知识1. 单片机的定义和分类- 单片机是一种微型计算机，包含中央处理器、存储器和输入输出接口。
- 常见的单片机有8051系列、PIC系列、AVR系列等。
2. 单片机的主要特点- 内部完整的计算机系统，包括CPU、存储器和I/O接口。
- 使用单一的芯片实现功能，体积小、功耗低。
- 简化电路设计和制造工艺。
二、单片机开发环境1. 开发软件- 常见的单片机开发软件有Keil、CCS等。
2. 开发工具- 下载工具：JTAG、ISP等。
- 编程器：TL866、ST-Link等。
3. 开发板- 常见的开发板有STC89C52、Arduino、Raspberry Pi等。
三、单片机的主要功能模块1. GPIO口- 用于实现与外部器件的数据交互。
2. 定时器/计数器- 用于生成各种定时、计数和PWM信号。
3. 中断系统- 用于处理外部事件的中断请求。
4. 串行通信接口- 包括UART、SPI、I2C等。
5. 存储器- 包括RAM和ROM。
四、单片机的编程语言1. 汇编语言- 以汇编指令为主要编程方式。
2. C语言- 以高级语言为主要编程方式，利用编译器将C语言转换为机器语言。
五、单片机实例应用1. LED控制- 使用GPIO控制LED的亮灭。
2. 温度传感器- 使用温度传感器获取环境温度。
3. 超声波测距- 利用超声波模块实现距离测量。
4. 无人机控制- 利用单片机控制无人机的姿态和飞行。
六、单片机考试注意事项1. 熟练掌握单片机的基础知识和常见功能模块的原理和应用。
2. 多进行实际操作，掌握单片机的编程技巧和调试方法。
3. 注意阅读题目要求，细心审题，避免出现低级错误。
4. 在考试中注重时间分配，合理安排答题顺序。
综上所述，单片机作为一种微型计算机，在嵌入式系统中有着广泛的应用。
掌握单片机的基础知识、开发环境以及常见功能模块的原理和应用是加深对单片机理解的关键。
在考试中，需注重综合应用能力的培养，同时要注意时间分配和题目细节的处理。
微型计算机基础知识
一、微型计算机功能部件
微型计算机旳构造和工作原理
1、中央处理器 CPU
微型计算机旳关键部件，由运算器、控制器构成
运算器 运算器进行数据分析、计算和处理
控制器 处理程序指令，并协调各逻辑部件按一定时
序工作。
运算器
（1）算术逻辑单元ALU 运算器旳关键部件，执行算术运算、逻辑运
算、移位、比较等多种数据处理旳有关操作
（三）中文旳编码
国家根据中文旳常用程序定出了一级和二级中文
字符集，并要求了编码，这就是中华人民共和国国标
信息互换用中文编码
二进制数旳运算
（一）二进制加法
二进制加法旳规则为：
①0+0=0
②0+1=1+0=1
③1+1=0进位1
④l＋1＋l=l进位1
（二）二进制减法
二进制减法旳运算规则为：
①0一0＝0
能以便读出和改写信息，但失电后信息将不 复存在。RAM常用作数据存储器，暂存多种现 场数据、运算成果和正在调试旳程序。
注意
所谓旳只读和随机存取都是指在正常工作 情况下而言，也就是在使用这块存储器旳时候， 而不是指制造这块芯片旳时候。
程序存储器：
存储程序指令代码，每个指令周期CPU自 动对程序存储器读操作。
二、微型计算机构造特点
微型计算机由大规模集成电路构成，其应用 系统一般也采用特定功能旳大规模集成电路器件 和组件。
1、微型机旳总线构造
总线(Bus) 微型计算机各功能部件旳连接线，各功能部件之
间旳公共信息通道。 总线宽度：总线上能并行传送旳二进制位数。
内部总线 CPU或单片机芯片内部各逻辑部件之间旳信息传
地址
1KB存储器 地址 存储内容
单片微型计算机原理及应用
单片微型计算机原理及应用单片微型计算机（Single Chip Microcomputer，SCM）是一种集成了中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口和定时/计数器等功能的微型计算机系统。
它具有体积小、功耗低、成本低廉等特点，被广泛应用于嵌入式系统、智能控制、仪器仪表、家电产品等领域。
本文将介绍单片微型计算机的原理及其在各个领域的应用。
首先，单片微型计算机的原理是基于集成电路技术。
它采用单片集成电路（IC）实现了整个计算机系统的功能，包括中央处理器、存储器、输入/输出接口和定时/计数器等。
这种集成度高的设计使得单片微型计算机具有体积小、功耗低、成本低廉的特点，适合于对计算机系统性能要求不高的应用场景。
其次，单片微型计算机在嵌入式系统中有着广泛的应用。
嵌入式系统是指将计算机技术和信息处理能力嵌入到各种电子设备和系统中，以实现特定功能的系统。
单片微型计算机作为嵌入式系统的核心控制器，可以实现对各种设备的控制和数据处理，如智能家居控制系统、工业自动化设备、汽车电子系统等。
此外，单片微型计算机在智能控制领域也发挥着重要作用。
智能控制系统是指利用计算机技术和自动控制理论实现对各种设备和系统的智能化控制。
单片微型计算机可以实现对传感器信号的采集、数据处理和控制指令的输出，应用于温度控制、湿度控制、光照控制等智能控制系统中。
最后，单片微型计算机在仪器仪表和家电产品中也有着广泛的应用。
它可以实现对各种仪器仪表的数据采集、处理和显示，应用于数字万用表、示波器、电子秤等仪器仪表产品中。
同时，单片微型计算机还可以实现对家电产品的控制和智能化，如洗衣机、冰箱、空调等家电产品。
总的来说，单片微型计算机作为一种集成度高、体积小、功耗低、成本低廉的微型计算机系统，具有广泛的应用前景。
它在嵌入式系统、智能控制、仪器仪表和家电产品等领域都有着重要的应用价值。
随着科技的不断发展和进步，相信单片微型计算机将会在更多的领域得到应用，并发挥着越来越重要的作用。
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了多种工作设置方式，包括等待、暂停、睡眠、空闲、节电 等工作方式。扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工 作是当今单片机发展的目标之一。目前，一般单片机都可在3. 3~ 5. 5 V的条件下工作，一些厂家甚至生产出可以在2. 2~6V 条件下工作的单片机。
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1.1 单片机的发展情况
1.单芯片微机形成阶段 1976年，Intel公司推出了MCS- 48系列单片机。该系列单
片机早期产品在芯片内集成有:8位CPU , 1 KB程序存储器 (ROM)、64B数据存储器(RAM) ,27根I/O线和1个8位定时/计 数器。 此阶段单片机的主要特点是:在单个芯片内完成了CPU、存 储器、I/O接口、定时/计数器、中断系统、时钟等部件的集 成。但存储器容量较小，寻址范围小(不大于4 K)，无串行接 口，指令系统功能不强。
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1.1 单片机的发展情况
(1) ATMEL公司融入Flash存储器技术推出的AT89系列单 片机。
(2) Philips公司推出的80C51, 80C552系列高性能单片机。 (3)华邦公司推出的W78C51 , W77C51系列高速低价单片机。 (4) ADI公司推出的ADuC8xx系列高精度ADC单片机。 (5) LG公司推出的DMS90/97系列低压高速单片机。 (6) MAXIM公司推出的D589C420高速(50 MIPS)单片机。 (7) Cygnal公司推出的C8051 F系列高速SOC单片机等。
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1.1 单片机的发展情况
4)智能化仪表 用单片机改造、设计制造仪器仪表，大大促进了仪表向数
字化、智能化、多功能化、综合化和柔性化方向发展，并能 同时提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减小体积。 5)信息通信技术 网络中各计算机之间的通信联系，计算机与其外围设备(键 盘、打印机、传真机、复印机等)之间的协作都有单片机的参 与。
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1.1 单片机的发展情况
在单片机的结构设计上，它的硬、软件系统及I/O接口控制 能力等方面都有独到之处，具有较强而有效的功能。从其组 成、逻辑功能上来看，单片机都具备了微机系统的基本部件。 但是需要指出的是，单片机毕竟还只是一个芯片，只有在配 置了应用系统所需的接口芯片、输入/输出设备等，才可以构 成实用的单片机应用系统。
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1.1 单片机的发展情况
3.微控制器化阶段 1982年，Intel公司推出MCS-96系列单片机。该系列单片机
在芯片内集成有:16位CPU, 8KB程序存储器(ROM)、232 B数 据存储器(RAM)、5个8位并行接口、1个全双工串行接口、2 个16位定时/计数器。寻址范围最大为64K,片上还有8路10位 ADC , 1路PWM ( D/A)输出及高速I/)部件等。 此阶段单片机的主要特点是:片内面向测控系统外围电路增 强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设 备。至此，“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。
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1.1 单片机的发展情况
1.1.2单片机发展历程及产品近况
自从1975年美国德克萨斯仪器公司(TI公司)的第一个单片 机TMS－1000问世以来，迄今为止单片机技术已成为计算机 技术的一个独特分支，在众多领域尤其是在智能化仪器仪表、 检测和控制系统中有着广泛的应用。
单片机技术发展十分迅速，产品种类也非常多。纵观整个 单片机技术的发展过程，可以分为以下3个主要阶段。上一页 下一页 返回1.1 单片机的发展情况
2)非8051结构单片机不断推出，给用户提供了更为广泛的 选择空间
在8051及其兼容产品流行的同时，一些单片机芯片生产了 商也推出了一些非8051结构的产品，影响较大的有:
(1) Intel公司推出 MCS-96系列16位单片机。 (2) Microchip公司推出 PIC系列RISC单片机。 (3) TI公司推出MSP430F系列16位低电压、低功耗单片机。 (4) ATMEL公司推出AVR系列RISC单片机。
1.1 单片机的发展情况
2)在线应用 在线应用就是以单片机代替常规模拟或数字控制电路，使
其成为测控系统的一部分，在被控对象工作过程中实行实时 检测，并实时控制。在线应用为实时测控提供了可能和方便。 3)嵌入式应用 单片机在应用时通常装入到各种智能化产品之中，所以又 称嵌入式微控制器(Embedded Micro Controller Unit EMCU。 单片机应用系统就是典型的嵌入式系统。
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1.1 单片机的发展情况
1) 8051系列单片机产品繁多，主流地位已经形成 通用微型计算机计算速度的提高主要体现在CPU位数的提
高(16位、32位、64位)，而单片机更注重的是产品的可靠性、 经济性和嵌入性。所以，单片机CPU位数的提高需求并不十 分迫切。而多年来的应用实践已经证明，8051的系统结构合 理、技术成熟。因此，许多单片生产了商倾力于提高8051单 片机产品的综合功能，从而形成了8051的主流产品地位。近 年来推出与8051兼容的主要产品有:
益、改善产品质量，广泛应用于机械、汽车、电子、石油、 化工、食品等工农业生产领域。自动化生产线、机械手、数 控机床等自动化生产设备都能由单片机实现其智能化的自动 控制功能。 2)实时测控 测控系统的工作环境往往比较恶劣，干扰繁杂，并且要求 实时测量控制，如工业窑炉的温度、酸度、化学成分的测量 和控制等。单片机工作稳定、可靠，抗干扰能力强，体积小， 使用灵活，适用于各种恶劣环境，最宜承担测控工作。
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1.1 单片机的发展情况
2.性能完善提高阶段 1980年，Intel公司推出MCS-51系列单片机。该系列单片机
在芯片内集成有:8位CPU , 4KB程序存储器(ROM)、128 B数 据存储器(RAM)、4个8位并行接口、1个全双工串行接口、2 个16位定时/计数器，寻址范围为64 K，并集成有控制功能较 强的布尔处理器(完成位处理功能)。 此阶段单片机的主要特点是:结构体系完善，性能已大大提 高，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认 的单片机经典机种。
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1.1 单片机的发展情况
目前，单片机正朝着高性能和多品种的方向发展，但由于 MCS-51系列的8位单片机仍能满足绝大多数应用领域的需要， 所以以MCS-51系列为主的8位单片机，现在及以后的相当一 段时期内仍然将占据单片机应用市场的主导地位。
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1.1 单片机的发展情况
2.单片机的应用特点 1)面向控制的应用 由于单片机内部采用了微控制技术，其结构及功能均按自
动控制的要求设计，因而主要应用于控制领域。微控制技术 从根本上改变了传统的控制系统设计思想，它通过对单片机 编程的方法代替由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功 能，是对传统控制方式的一次革命。
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1.1 单片机的发展情况
嵌入式计算机系统，是作为其他系统的组成部分使用的。 由于通用计算机系统有限的可靠性、较高的价位及庞大的身 躯，限制了其在嵌入式系统的广泛应用，尤其限制了以嵌入 式计算机系统作为核心控制产品的发展。单片机以较小的体 积、现场运行环境的高可靠性满足了许多对象的嵌入式应用 要求。在嵌入式系统中，单片机是最重要也是应用最多的智 能核心器件。
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1.1 单片机的发展情况
6)科学研究 小到实验测控台，大到卫星、运载火箭，单片机都在其中
发挥着极其重要的作用。 7)国防现代化 在各种军事装备、管理通信系统中，单片机得到了广泛的
应用。例如，数字化部队的武器、通信等装备都大量应用了 单片机。
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1.1 单片机的发展情况
1.1.3单片机的应用及发展趋势
1.单片机的应用领域 单片机的应用极为广泛，已深入到国民经济的各个领域，
对各行业的技术改造和产品的更新换代起着积极的推动作用。 单片机的应用领域主要有以下几个方面。
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1.1 单片机的发展情况
1)生产自动化 自动化生产不但能够降低劳动强度，而且可以提高经济效
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1.1 单片机的发展情况
3)高速化 早期MCS-51单片机的典型时钟频率为12MHz，目前西门
子公司的C500系列单片机的(与MCS-51兼容)时钟频率为 36MHz; EMC公司的EM78系列单片机的时钟频率高达 40MHz;现在已有更快的32位、100MHz的单片机产品出现。 4)集成更多资源 当前在单片机内部已集成了越来越多的部件，这些部件包 括一些常用的电路，例如，定时器、比较器、A/D转换器、 D/A转换器、串行通信接口、Watchdog看门狗电路、LCD控 制器、局部网络控制模块。
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1.1 单片机的发展情况
近年来，许多半导体了商以MCS-51系列单片机的8051为内 核，将许多测控系统中的接口技术、可靠性技术及先进的存 储器技术及工艺技术集成至单片机中，生产出了多种功能强 大、使用灵活的新一代8051系列单片机。
随着微电子设计技术及计算机技术的不断发展，单片机产 品和技术日新月异。单片机产品近况可以归纳为以下两个方 面。
第1章 单片微型计算机基础知识
1.1 单片机的发展概况 1.2 计算机中数的表示方法 1.3 计算机语言
1.1 单片机的发展情况
1.1.1什么是单片机
随着大规模、超大规模集成电路技术的发展和计算机微型 化的需要，把微型计算机的基本功能部件:中央处理器(CPU)、 存储器、输入/输出接口、定时器/计数器、中断系统等多种资 源集成在一个半导体芯片上，使得一块集成电路芯片就能构 成一个完整的微型计算机，这种集成电路芯片被称为单片微 型计算机(Single Chip Microcomputer)，简称单片机。由于它 的结构及功能均是按照工业控制要求设计的，所以其确切的 名称应是单片微控制器。