第1章单片机
第一章 单片机基础知识
第一章单片机入门知识概述1.1 单片机的发展历程单片机的应用在后PC时代得到了前所未有的发展，但对处理器的综合性能要求也越来越高。
综观单片机的发展，以应用需求为目标，市场越来越细化，充分突出以“单片”解决问题，而不像多年前以MCS51/96等处理器为中心，外扩各种接口构成各种应用系统。
单片机系统作为嵌入式系统的一部分，主要集中在中、低端应用领域（嵌入式高端应用主要由DSP、ARM、MIPS等高性能处理器构成），在这些应用中，目前也出现了一些新的需求，主要体现在以下几个方面：（1）以电池供电的应用越来越多，而且由于产品体积的限制，很多是用钮扣电池供电，要求系统功耗尽可能低，如手持式仪表、水表、玩具等。
（2）随着应用的复杂，对处理器的功能和性能要求不断提高。
既要外设丰富、功能灵活，又要有一定的运算能力，能做一些实时算法，而不仅仅做一些简单的控制。
（3）产品更新速度快，开发时间短，希望开发工具简单、廉价、功能完善。
特别是仿真工具要有延续性，能适应多种MCU，以免重复投资，增加开发费用。
（4）产品性能稳定，可靠性高，既能加密保护，又能方便升级。
1. 单片机技术的发展特点自单片机出现至今，单片机技术已走过了近20年的发展路程。
纵观20年来单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器(MPU)技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。
（1）单片机寿命长这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。
随着半导体技术的飞速发展，MPU更新换代的速度越来越快，以386、486、586为代表的MPU，很短的时间内就被淘汰出局，而传统的单片机如68HC05、8051等年龄已有20岁以上，产量仍是上升的。
这一方面是由于其对相应应用领域的适应性，另一方面是由于以该类CPU为核心，集成以更多I/O功能模块的新单片机系列层出不穷。
单片机第一章第二章第三章
码的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使
用高级语言进行开发；
·作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA（单一输
出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具
备10mA-20mA灌电流的能力；
·片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、
启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠；
整理课件
属于RISC结构的有Microchip公司的PIC系列、 Atmel的AT90S系列、 Zilog的Z86系列、韩国三星 公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系 列等。
一般来说，控制关系较简单的小家电，可以采用 RISC型单片机；控制关系较复杂的场合，如通讯产品、 工业控制系统应采用CISC单片机。
整理课件
三、 单片机的特点、分类、及应用
1. 单片机的特点
（1）性价比高 （2）控制功能强 （3）高集成度、高可靠性、体积小 （4）低电压、低功耗
2. 单片机的分类
（1）按单片机内部程序存储器分类 片内无ROM型 片内带掩膜ROM（QTP）型、片内EPROM型、
片内一次可编写型（OTP型）和片内带Flash型等。 整理课件
（4）按单片机字长分类 4位、8位、16位、32位整理、课件和64位机
3. 单片机均可用单片机实现
四、MCS-51和8051、8031、89C51等的关系
MCS-51是指INTEL公司生产的一系列单片机的总称。
此系列包括好多品种，如8031，8051，8751， 8032，8052，8752等等。
系统。
单片机片内的各功能部件 通过内部总线相互连接，
集成在单片机内的这 些部件如何连接和进
第1章 单片机概述
第一章单片机概述1.1微机的产生与发展1.1.1 微机的发展微型计算机自出现以来，便以其集成度高、功能强、体积小、功耗低、价格廉、灵活方便等一系列优点，广泛应用于国防、航空航天、海洋、地质、气候、教育、经济、日常生活的各个领域，并发挥着巨大的作用。
自第一台微型计算机MCS-4诞生后，一直到现在，微型计算机的发展非常迅速，对于微型计算机的发展，一般以字长和典型的微处理器芯片作为划分标志，将微型计算机的发展划分为五个阶段。
第一个阶段(1971年～1973年)主要是字长为4位的微型机和字长为8位的低档微型机。
这一阶段的典型微处理器有：世界上第一个微处理器芯片4004，以及随后的改进版4040，它们都是字长为4 位的。
在随后的第二年，Intel又研制出了字长为8位的处理器芯片8008，集成度和性能都有所提高。
第一代微型机就采用了PMOS工艺，基本指令时间约为10～20μS，字长为4位或8位，指令系统比较简单，运算功能较差，速度较慢，系统结构仍然停留在台式计算机的水平上，软件主要采用机器语言或简单的汇编语言，其价格低廉。
第二个阶段（1974年～1978年）主要是字长为8位的中、高档微型机。
这一阶段典型的微处理器芯片有：Intel公司的I8080、I8085，Motorola公司的M6800等。
第二代微型机的特点是采用NMOS工艺，集成度提高1～4倍，运算速度提高10～15倍，基本指令执行时间约为1～2μS，指令系统比较完善，已经具有典型的计算机系统结构以及中断DMA等控制功能，寻址能力也有所增强，软件除采用汇编语言外，还配有BASIC、FORTRAN、PL/M等高级语言及其相应的解释程序和编译程序，并在后期开始配上操作系统。
第三个阶段（1979年～1985年）主要是字长为16位的微型机。
这一阶段典型的微处理器芯片有：Intel公司的8086/8088/80286，Motorola公司的M68000等。
第三代微型机的特点是采用HMOS工艺，基本指令时间约为0.05μS，从各个性能指标评价，都比第二代微型机提高了一个数量级，已经达到或者超过中、低档小型机的水平。
第1章单片机概述
第1章 单片机概述1.1 单片机的概念1.1.1 单片机的定义单片机的全称是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer，SCM），也称为微控制器（Micro-Controller Unit，MCU），它是将中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）、数据存储器RAM（Random Access Memory，随机读写存储器）、程序存储器ROM（Read Only Memory，只读存储器）以及I/O（Input/Output，输入/输出）接口集成在一块芯片上，构成的一个计算机系统，其组成框图如图1.1所示。
单片机可用下面的“表达式”来表示：单片机 = MPU+ROM+RAM+I/O+功能部件图1.1 单片机的组成框图1.1.2 单片机的诞生单片机诞生于20世纪70年代末，具有代表性的事件是1976年Intel公司推出了MCS-48单片机系列的第一款产品：8048。
这款单片机在一个芯片内集成了超过17000个晶体管，包含一个CPU，1KB的EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory，可擦可编程只读存储器），64字节的RAM，27个I/O端口和一个8位的定时器。
8048很快就成为了控制领域的工业标准，它们起初被广泛用来替代诸如洗衣机或交通灯等产品中的控制部分。
1980年，Intel公司在MCS-48的基础上推出了MCS-51系列的第一款单片机8051，这款单片机的功耗、大小和复杂程度都比8048提高了一个数量级。
8051集成了超过60000个晶体管，拥有4KB的ROM，128B的RAM，32个I/O端口，一个串行通信接口和两个16位的定时器。
经过三十多年的发展，MCS-51系列单片机已经形成了一个规模庞大、功能齐全、资源丰富的产品群。
单片机原理与应用技术·2·1.1.3 单片机的应用领域单片机在我们的日常生活和工作中无处不在、无处不有：家用电器中的微波炉、洗衣机、电饭煲、豆浆机、电子秤；住宅小区的监控系统、电梯智能化控制系统；汽车电子设备中的ABS、GPS、ESP、TPMS；医用设备中的呼吸机，各种分析仪，监护仪，病床呼叫系统；公交汽车、地铁站的IC卡读卡机、滚动显示车次和时间的LED点阵显示屏；电脑的外设，如键盘、鼠标、光驱、打印机、复印机、传真机、调制解调器；计算机网络的通信设备；智能化仪表中的万用表、示波器、逻辑分析仪；工厂流水线的智能化管理系统，成套设备中关键工作点的分布式监控系统；导弹的导航装置，飞机上的各种仪表等。
第1章单片机简介
玻璃壳
簧片
簧片
触点
N S
惰性气体
N S
ON
OFF
OFF
ON
5.2 干簧管测试原理
N S
N S
匀速旋转
干簧管测试仪单片机系统的面板
单片机
＋5V
5.3 干簧管测试仪电路原理图与印制板图
电路原理图（PROTEL绘制）
2.1 单片机的应用特点
● 单片机主要为工业测控而设计，又称微控制器（Microcontroller)，具有高集成度、高可靠性、高性价比的特点。 ● 主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。 特别适合于嵌入式微型机应用系统。
2.3 单片机的发展趋势
★ 程序存储器和数据存储器分开的原因？
① 指令和数据分开存放，分开调取，不会相互混淆； ② 程序存储器和数据存储器使用不同工艺。程序存储器烧录后，运行时内容不改变，要求掉电保持，一般用ROM实现，集成度高，造价低；数据存储器运行时才赋值，一般用RAM实现，造价相对较高； ③ 程序存储器和数据存储器的宽度可以不一致，在CPU字长较短时，可实现单字节指令，提高单片机的可靠性； ④ 程序存储器和数据存储器可使用不同的总线，实现真正的流水作业； ⑤ 单片机面向测控领域，通常情况下，需要较大容量的程序存储器和较少的数据存储器，提高性价比。
印制板图（PROTEL软件绘制）
5.4 编写单片机软件并调试
常用51单片机开发工具软件 Keil uVision
印制板图1 (采用PROTEL软件绘制)
印制板图2 (采用PROTEL软件绘制)
编写单片机软件并调试
常用51单片机开发工具软件 Keil uVision
第1章 51单片机的基础知识
第1章 51单片机的基础知识51单片机是一种广泛应用的嵌入式微控制器，具有强大的功能和灵活性。
在学习和使用51单片机之前，了解其基础知识是至关重要的。
本章将介绍51单片机的基础知识，包括硬件结构、寄存器、指令集和编程语言。
1.1 51单片机的硬件结构51单片机的硬件结构是指其内部的组成部分和外部连接。
51单片机包含中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)口、定时器/计数器、串行通信口等功能模块。
这些功能模块共同协作，完成各种任务。
1.1.1 中央处理器(CPU)51单片机的中央处理器是核心部件，负责执行指令、控制程序运行和处理数据。
51单片机采用哈佛结构，将程序存储器和数据存储器分开。
它包含一个8位的累加器(A)和一个指令寄存器(IR)，用于指令的执行。
1.1.2 存储器51单片机的存储器包括程序存储器和数据存储器。
程序存储器用于存储程序指令，可以是内部存储器或外部存储器。
数据存储器用于存储程序运行中产生的数据，包括RAM和ROM。
1.1.3 输入/输出(I/O)口51单片机具有一定数量的I/O口，用于与外部设备进行数据交互。
输入口用于接收外部信号，输出口用于发送数据或控制外部设备。
它们可以是并行口或串行口，根据需要进行配置。
1.1.4 定时器/计数器定时器/计数器是51单片机的重要组成部分，用于产生定时延迟和计数脉冲。
定时器可以设置为定时模式或计数模式，定时器中断可用于实现时间控制和精确计时。
1.1.5 串行通信口串行通信口是51单片机与外部设备进行串行通信的接口，常用的有UART和SPI。
它们通过串行传输数据，实现与外部设备的数据交换和通信。
1.2 51单片机的寄存器51单片机具有一组特殊功能寄存器，用于配置和控制其各项功能。
这些寄存器负责存储和传输数据，执行各种功能操作。
常见的寄存器包括通用寄存器、状态寄存器、特殊功能寄存器等。
1.2.1 通用寄存器通用寄存器是用于存储临时数据的寄存器，包括8个存储器编号，分别为R0 - R7。
单片机及控制-第一章单片机基础知识
关于逻辑高低电平： 1) 5V CMOS 、 HC 、 AHC 、 AC 中 ， 输 入 大 于 3. 5V 算 高 电 平 ， 输 入 小 于 1.5 V 算 低 电 平 ； 2) 5 V TTL 、 AB T 、 AHCT 、 HC T 、 ACT 中 ， 输 入 大 于 2 V 算 高 电 平 ， 输 入 小 于 0. 8V 算 低 电 平 ； 3) 3. 3V LV TTL 、 LV T 、 L VC 、 AL VC 、 LV 、 AL V T 中 ，输 入 大 于 2V 算高电平 | | 输 入 小 于 0. 8V 算 低 电 平 ；
【单片机的应用领域】 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，录像 机、摄像机、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。
AT89S52 具有以下标准功能：8K 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定 时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行 口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选 择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一 个中断或硬件复位为止。
第1章 单片机概述
MCS-51系列以及80C51系列单片机有多种类型， MCS-51系列以及80C51系列单片机有多种类型， 但 系列以及80C51系列单片机有多种类型 掌握好MCS-51的基本型（8031、8051、8751或80C31、 掌握好MCS-51的基本型（8031、8051、8751或80C31、 MCS 的基本型 80C51、87C51）是十分重要的。 80C51、87C51）是十分重要的。 它们是具有MCS-51内核的各种型号单片机的基础， 它们是具有MCS-51内核的各种型号单片机的基础， MCS 内核的各种型号单片机的基础 也是各种增强型 扩展型等衍生品种的核心。 各种增强型、 也是各种增强型、扩展型等衍生品种的核心。
在下述的各个领域广泛的应用： 在下述的各个领域广泛的应用： 1. 工业自动化 2. 智能仪器仪表 3．消费类电子产品 4. 通讯 5．武器装备 6．终端及外部设备控制 7．多机分布式系统 MCS-51系列单片机 1.6 MCS-51系列单片机 20世纪80年代后期:Intel公司以专利的形式把 20世纪80年代后期:Intel公司以专利的形式把 世纪80年代后期 8051内核技术转让给厂家 内核技术转让给厂家。 8051内核技术转让给厂家。
70年代问世。 世纪70年代问世 已广泛应用在： 已广泛应用在： 工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用 工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、 电器、电力电子、机电一体化设备等方面。 电器、电力电子、机电一体化设备等方面。 1.1 什么是单片机 在半导体硅片上集成了微处理器(CPU)，存储器 在半导体硅片上集成了微处理器(CPU)， (CPU) (RAM、ROM、EPROM)和各种输入、输出接口。 (RAM、ROM、EPROM)和各种输入、输出接口。 和各种输入
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第1章 单片机综述
参考资料：
单片机C语言程序设计实训100例－－基于
AVR PROTEUS仿真
主编：彭伟
基于AVR的Biblioteka 片嵌入式系统原理与实践应用主编：马潮
任课教师：徐纲
学时：48（理论32+实验16）
成绩比例： 平时成绩 10% 实验成绩 30% 卷面成绩 60%
（题库出题）
第1章 单片机综述
（3）CPU，存储器，I/O 口通过AB，DB，CB三总线 交换信息 （4）外设通过I/O口芯片与机器内各部件交换信息。
3．单片机是集成了组成微机的CPU、存储器、I/O口 以及其它辅助电路的大规模集成电路芯片。
单片机的特点：
1）小巧灵活、成本低、易于产品化。能组装成各 种智能式测控设备及智能仪器仪表。
2）可靠性好，应用范围广。由于单片机的各种功 能部件都集成在一个芯片上，特别是存储器也集 成在芯片内部；布线短，数据大都在芯片内部传 送，不易受到外部的干扰，增强了抗干扰能力， 使系统运行更可靠。能适应各种恶劣的环境，这 是其他机种无法比拟的。
3）速度快 单片机由于主要用于工业控制方面， 一般都需要较大的程序存储器，用以固化已调好 的控制程序；而数据存储器的容量相对较小，主 要用来存放少量的随机数据。小容量随机存储器 直接装在单片机内部，可使数据传送速度加快。
4）易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控 制功能强 单片机的逻辑控制功能很强，指令系 统有各种控制功能指令，可以对逻辑功能比较复 杂的系统进行控制。
5）具有通讯功能，可以很方便地实现多机和分布 式控制，形成控制网络和远程控制。
1.3 嵌入式系统
1.3.1嵌入式系统的定义与特点 1、嵌入式系统的定义
1.4 AVR单片机简介
ATMEL公司为美国的爱特梅尔公司，是全球著名 的半导体公司之一，以生产高性能、低功耗、非易 失性存储器和数字集成电路而著称。
20世纪90年代初，ATMEL公司率先把MCS-51内核 与其擅长的Flash（闪存）技术相结合，推出了轰动 业界的AT89系列单片机。1997年，推出了全新配置 的精简指令集系列单片机，简称AVR。
3、嵌入式系统的种类与发展
嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）、板级 （单板、模块）和芯片级（MCU、SoC）。 嵌入式应用对计算机系统的要求：（1）可靠性高： 防止控制失误（2）物理空间有限：要嵌入到对方 体系中；（3）强大的I／O管理、驱动能力：（4） 要和外围电路、功能单元打交道；（5）足够的应 用软件：符合对象管理、控制要求的应用软件。
内容提要
使用C语言开发嵌入式系统，是今后单片机发展的 主要方向。本章对嵌入式系统从定义、特点、分类 及其与单片机的关系等几个方面进行阐述。并介绍 了AVR单片机的特点、系列产品和应用特点。
1.1 微机发展史简介
微 机 系 统 的 核 心 部 件 为 CPU ， 从 CPU 的 发 展 、 演变过程可显现微机系统的发展过程。其发展历 程主要经历了，第一代、第二代、第三代、第四 代、第五代、第六代。
嵌入式系统应定义为“嵌入到对象体系中的专用 计算机系统”。嵌入性、专用性与计算机系统是 嵌入式系统的3个基本要素。对象系统则是指嵌入 式系统所嵌入的宿主系统。
2、嵌入式系统的特点
（1）与嵌入性相关的特点：由于是嵌入到对 象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如 物理环境、电气环境、成本等要求。 （2）与专用性相关的特点： 软、硬件的裁剪 性。满足对象要求的最小软、硬件配置等。 （3）与计算机系统相关的特点： 嵌入式系统 必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。 与前面两个特点相呼应，这样的计算机必须配 置与对象相应的接口电路。
ISP:In system Program 在线编程 JTAG:在线测试接口 UART:通用异步收发报机 SPI:同步串行接口 WDT:Watch Dog看门狗 Risc:精简指令集计算机 Cisc复杂指令集计算机 PWM:Pulse Width Modulation 脉宽调制 SOC： System on Chip 片上系统 OSC：Oscillate 振荡器
几年来，AVR单片机已形成系列产品，其中 Attiny，AT90及Atmega分别对应低、中、高档产品。 根据用户的不同需要，现已推出了30多种型号，引 脚为8～64脚，价格从几元到上百元人民币，内部配 置也大不相同，但其基本结构和编程方法是一样的。
精简指令集RISC: Reduced Instruction Set
我 国 于 1974 年 开 始 研 制 微 处 理 器 。 1977 年 研制出DSJ－050（INTEL8080）随后我国微机的 研制和发展加快。1位、4位、16、32位相继涌现， 目前已经有各种型号产品。
1.2 单片机与微机
1．计算机硬件由五部分组成：运算器、控制器、存 储器、输入设备、输出设备。 2．微机的特点： （1）运算器和控制器集成在一个芯片上，称之为CPU 芯片 （2）存储器由半导体存储器芯片组成。
1.4.1 AVR单片机的主要特点
AVR单片机吸取了PIC及 8051单片机的优点，同时还 做了一些重大改进，其主要的优点如下： 1、片内集成可擦写10000次以上的Flash程序存储器
FLASH memory : 闪 存 。 它 也 是 一 种 非 易 失 性 的 内 存 ， 属 于 EEPROM的改进产品。它的最大特点是必须按块(Block)擦除(每 个区块的大小不定，不同厂家的产品有不同的规格)，而 EEPROM则可以一次只擦除一个字节(Byte)。目前“闪存”被广 泛用在PC机的主板上，用来保存BIOS程序，便于进行程序的升 级。其另外一大应用领域是用来作为硬盘的替代品，具有抗震、 速度快、无噪声、耗电低的优点，