单片机概述

第1章单片机概述

读者可能都知道电脑是什么，能做什么。但是你知道什么是微电脑吗？当今各种设备中总会冠以“微电脑控制”一词，那么这个微电脑是什么呢？它与电脑有什么关系和区别呢？

微电脑实际上是商家为了便于大众理解而给单片机起的别名。微电脑实际上就是单片机（Single Chip Microcomputer）。目前国际上统称为微控制器（Micro Controller Unit，MCU）。

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

本章简单讲解了单片机的历史与发展现状；介绍了什么是单片机系统、单片机的应用领域、常用单片机产品；概要讲解了PIC单片机的特点。

1.1 单片机的历史

在计算机的发展史上，运算和控制一直是计算机功能实施的两条主线。运算功能主要体现在巨型机、大型机、服务器和个人电脑上，承担高速、海量技术数据的处理和分析，一般以计算能力（即运算速度）为重要标志。而控制功能则主要体现在单片机中，主要与控制对象耦合，能与控制对象互动和实时控制。单片机以低成本、小体积、高可靠、功能强等优点脱颖而出，极大地丰富了该项研究领域新的内涵。自从美国英特尔公司出品了4位的逻辑控制器4004以后，各大半导体公司纷纷投入对单片机的研发，各类单片机如雨后春笋般相继出现，其功能不断改善，以适应不同的应用领域。一般而言，将其发展史分为以下4个阶段。

第一代：20世纪70年代后期，4位逻辑控制器件发展到8位。使用NMOS工艺（速度低、功耗大、集成度低）。代表产品有摩托罗拉公司的MC6800、Intel公司的Intel 8048、Zilog公司的Z80。

第二代：20世纪80年代初，采用CMOS工艺，并逐渐被高速低功耗的HMOS工艺代替。代表产品有摩托罗拉公司的MC146805、Intel公司的Intel 8051。

第三代：20世纪90年代初，单片机由可扩展总线型向纯单片型发展，通过内置存储器使外围电路更加简洁，即只工作在单片方式。单片机的扩展方式从并行总线型发展出各种串行总线，其外部表现形式与个人计算机差别越来越大。单片机的功耗越来越低，其工作电压已降至3.3V。代表产品有德州仪器（TI）公司的MSP430。

第四代：Flash的使用使MCU技术进入了第四代。代表产品有微芯公司的PIC16F877、

PIC单片机基础与实例进阶

Atmel公司的AT89C52。

1.2 单片机的发展现状

单片机的飞速发展和性能的日益完善，实际上是对传统控制技术的一场革命，其开创了微控制技术的新天地。现代控制理念的核心内涵就是嵌入式计算机应用系统。通过不断提高控制功能和拓展外围接口功能，使单片机成为最典型、最广泛、最普及的嵌入式微控制系统。单片机拥有计算机的基本核心部件，将其嵌入到电子系统中，可以满足控制对象要求，实现嵌入到非计算机产品中应用的计算机系统，从而为电子系统高级智能化奠定了基础。它的实现方式要比模拟控制思想简洁和方便得多。同时，可以跨越式地实现对外部模拟量的高速采集、逻辑分析处理和对目标对象的智能控制。

近二十多年来，计算机得到了前所未有的发展，从航空、航天军事专用到走入千家万户，成为人们生活的必需品。而同样具有计算机的一般功能，价格低廉的单片机应运而生，并且正在不断改变人们的生活方式。嵌入式系统源于计算机的嵌入应用。早期的嵌入式系统的概念就是将通用计算机经适应性配置后嵌入到各种实际应用系统中，如轮船的自动驾驶仪和飞机的导航仪等系统。

与计算机相比，单片机的优势是显而易见的，尤其是现在单片机应用已渗入到各个领域，完全不能按照原有的嵌入式的思路去理解和应用。例如，控制一个家用的电子产品（智能电饭煲、模糊智能洗衣机和手机等），利用PC计算机控制几乎是不可能的，几十元或几百元的电子产品要求配套一台几千元的电脑，这不成为笑话。单片机是芯片级的小型计算机系统，可以被嵌入到任何应用对象系统中，实现以智能化为主要的控制目的。

单片机的应用领域随着其功能化外沿的不断拓展而日益广泛，已渗入到现场控制、电信手机、家用电器、仪表仪器、汽车电气和电子玩具等领域的智能化控制和管理方面。

目前，各个单片机生产厂家还是立足于8位单片机的竞争，因为从其降临以来，一直成为应用最广泛的器件。在这场持久的“战争”中，近年，美国Microchip和Motorola两家公司已占据着世界8位单片机产量最高的两位芯片制造商。Motorola公司的单片机主要自产自销，其产品的可靠性高，但开发成本也很高，其他厂家使用的并不多。Microchip公司的PIC系列单片机以其物美价廉的优点则被广泛应用。这也是本书选择PIC为例讲解单片机的原因之一。

1.3 单片机的特点

单片机主要是用来嵌入到具体设备中的计算机，所以其特点与个人计算机截然不同，单片机的主要特点表现在以下几个方面：

（1）高集成度，体积小，高可靠性

单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯2

第1章单片机概述

片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令、常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。

（2）控制功能强

单片机内部往往有专用的数字I/O口，通过指令可以进行丰富的逻辑操作和位处理，非常适用于专门的控制功能。单片机还集成了各种接口，这样使其可以方便与各种设备通信，达到控制目的。

（3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品

为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8～3.6V，而工作电流仅为数百微安乃至更低。合理的设计使某些应用下其待机时间可达几年。

（4）优异的性能价格比

为了提高执行速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到4GB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达64MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。

1.4 单片机的应用领域

单片机以高性能、高速度、体积小、价格低廉、可重复编程和功能扩展方便等优点，获得广泛的应用。其主要应用于如下领域：

（1）家用电器及玩具

由于单片机价格低、体积小、控制能力强、功能扩展方便等优点，使其广泛应用于电视、冰箱、洗衣机、玩具、家用防盗报警器等。

（2）智能测量设备

以前的测量仪表体积大，功能单一，限制了测量仪表的发展。选用单片机改造各种测量控制仪表，可以使其体积减小，功能扩展，从而生产新一代的智能化仪表，如各种数字万用表、示波器等。

（3）机电一体化产品

机电一体化产品是指将机械技术、微电子技术和计算机技术综合在一起，从而产生具有智能化特性的产品，它是机械工业的主要发展方向。单片机可以作为机电一体化产品的控制器，从而简化原机械产品的结构，扩展其功能。

（4）自动测控系统

使用单片机可以设计各种数据集成系统、自适应控制系统等，如温度的自动控制、电压电流的数据采集。

（5）计算机控制及通信技术

51系列单片机都集成有串行通信接口，可以通过该接口和计算机的串行接口进行通信，实现计算机的程序控制和通信等。

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