第1章單片機概述

1、第1章 單片機概述第1章 單片機概述讀者可能都知道電腦是什么，能做什么。但是你知道什么是微電腦嗎？當(dāng)今各種設(shè)備中總會冠以“微電腦控制”一詞，那么這個微電腦是什么呢？它與電腦有什么關(guān)系和區(qū) 別呢？微電腦實際上是商家為了便于大眾理解而給單片機起的別名。微電腦實際上就是單片機（Single Chip Microcomputer）。目前國際上統(tǒng)稱為微控制器（Micro Controller Unit，MCU）。單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路

2、、脈寬調(diào)制電路、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。本章簡單講解了單片機的歷史與發(fā)展現(xiàn)狀；介紹了什么是單片機系統(tǒng)、單片機的應(yīng)用領(lǐng)域、常用單片機產(chǎn)品；概要講解了PIC單片機的特點。1.1 單片機的歷史在計算機的發(fā)展史上，運算和控制一直是計算機功能實施的兩條主線。運算功能主要體現(xiàn)在巨型機、大型機、服務(wù)器和個人電腦上，承擔(dān)高速、海量技術(shù)數(shù)據(jù)的處理和分析，一般以計算能力（即運算速度）為重要標(biāo)志。而控制功能則主要體現(xiàn)在單片機中，主要與控制對象耦合，能與控制對象互動和實時控制。單片機以低成本、小體積、高可靠、功能強等優(yōu)點脫穎而出，極大地豐富了該項研究領(lǐng)域新的內(nèi)涵。自從美國英

3、特爾公司出品了4位的邏輯控制器4004以后，各大半導(dǎo)體公司紛紛投入對單片機的研發(fā)，各類單片機如雨后春筍般相繼出現(xiàn)，其功能不斷改善，以適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域。一般而言，將其發(fā)展史分為以下4個階段。第一代：20世紀(jì)70年代后期，4位邏輯控制器件發(fā)展到8位。使用NMOS工藝（速度低、功耗大、集成度低）。代表產(chǎn)品有摩托羅拉公司的MC6800、Intel公司的Intel 8048、Zilog公司的Z80。 第二代：20世紀(jì)80年代初，采用CMOS工藝，并逐漸被高速低功耗的HMOS工藝代替。代表產(chǎn)品有摩托羅拉公司的MC146805、Intel公司的Intel 8051。 第三代：20世紀(jì)90年代初，單片機由可

4、擴展總線型向純單片型發(fā)展，通過內(nèi)置存儲器使外圍電路更加簡潔，即只工作在單片方式。單片機的擴展方式從并行總線型發(fā)展出各種串行總線，其外部表現(xiàn)形式與個人計算機差別越來越大。單片機的功耗越來越低，其工作電壓已降至3.3V。代表產(chǎn)品有德州儀器（TI）公司的MSP430。 第四代：Flash的使用使MCU技術(shù)進(jìn)入了第四代。代表產(chǎn)品有微芯公司的PIC16F877、Atmel公司的AT89C52。1.2 單片機的發(fā)展現(xiàn)狀單片機的飛速發(fā)展和性能的日益完善，實際上是對傳統(tǒng)控制技術(shù)的一場革命，其開創(chuàng)了微控制技術(shù)的新天地。現(xiàn)代控制理念的核心內(nèi)涵就是嵌入式計算機應(yīng)用系統(tǒng)。通過不斷提高控制功能和拓展外圍接口功能，使單片

5、機成為最典型、最廣泛、最普及的嵌入式微控制系統(tǒng)。單片機擁有計算機的基本核心部件，將其嵌入到電子系統(tǒng)中，可以滿足控制對象要求，實現(xiàn)嵌入到非計算機產(chǎn)品中應(yīng)用的計算機系統(tǒng)，從而為電子系統(tǒng)高級智能化奠定了基礎(chǔ)。它的實現(xiàn)方式要比模擬控制思想簡潔和方便得多。同時，可以跨越式地實現(xiàn)對外部模擬量的高速采集、邏輯分析處理和對目標(biāo)對象的智能控制。近二十多年來，計算機得到了前所未有的發(fā)展，從航空、航天軍事專用到走入千家萬戶，成為人們生活的必需品。而同樣具有計算機的一般功能，價格低廉的單片機應(yīng)運而生，并且正在不斷改變?nèi)藗兊纳罘绞?。嵌入式系統(tǒng)源于計算機的嵌入應(yīng)用。早期的嵌入式系統(tǒng)的概念就是將通用計算機經(jīng)適應(yīng)性配置后嵌

6、入到各種實際應(yīng)用系統(tǒng)中，如輪船的自動駕駛儀和飛機的導(dǎo)航儀等系統(tǒng)。與計算機相比，單片機的優(yōu)勢是顯而易見的，尤其是現(xiàn)在單片機應(yīng)用已滲入到各個領(lǐng)域，完全不能按照原有的嵌入式的思路去理解和應(yīng)用。例如，控制一個家用的電子產(chǎn)品（智能電飯煲、模糊智能洗衣機和手機等），利用PC計算機控制幾乎是不可能的，幾十元或幾百元的電子產(chǎn)品要求配套一臺幾千元的電腦，這不成為笑話。單片機是芯片級的小型計算機系統(tǒng)，可以被嵌入到任何應(yīng)用對象系統(tǒng)中，實現(xiàn)以智能化為主要的控制目的。單片機的應(yīng)用領(lǐng)域隨著其功能化外沿的不斷拓展而日益廣泛，已滲入到現(xiàn)場控制、電信手機、家用電器、儀表儀器、汽車電氣和電子玩具等領(lǐng)域的智能化控制和管理方面。目前

7、，各個單片機生產(chǎn)廠家還是立足于8位單片機的競爭，因為從其降臨以來，一直成為應(yīng)用最廣泛的器件。在這場持久的“戰(zhàn)爭”中，近年，美國Microchip和Motorola兩家公司已占據(jù)著世界8位單片機產(chǎn)量最高的兩位芯片制造商。Motorola公司的單片機主要自產(chǎn)自銷，其產(chǎn)品的可靠性高，但開發(fā)成本也很高，其他廠家使用的并不多。Microchip公司的PIC系列單片機以其物美價廉的優(yōu)點則被廣泛應(yīng)用。這也是本書選擇PIC為例講解單片機的原因之一。1.3 單片機的特點單片機主要是用來嵌入到具體設(shè)備中的計算機，所以其特點與個人計算機截然不同，單片機的主要特點表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）高集成度，體積小，高可靠性

8、單片機將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最小的。芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，內(nèi)部布線很短，其抗工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般通用的CPU。單片機程序指令、常數(shù)及表格等固化在ROM中不易破壞，許多信號通道均在一個芯片內(nèi)，故可靠性高。 （2）控制功能強 單片機內(nèi)部往往有專用的數(shù)字I/O口，通過指令可以進(jìn)行豐富的邏輯操作和位處理，非常適用于專門的控制功能。單片機還集成了各種接口，這樣使其可以方便與各種設(shè)備通信，達(dá)到控制目的。 （3）低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品 為了滿足廣泛使用于便攜式系統(tǒng)，許多單片機內(nèi)的工作電壓僅為1.83.6V，而工作電流僅為數(shù)百微安乃至更低。合理的設(shè)

9、計使某些應(yīng)用下其待機時間可達(dá)幾年。（4）優(yōu)異的性能價格比 為了提高執(zhí)行速度和運行效率，單片機已開始使用RISC流水線和DSP等技術(shù)。單片機的尋址能力也已突破64KB的限制，有的已可達(dá)到4GB，片內(nèi)的ROM容量可達(dá)62MB，RAM容量則可達(dá)64MB。由于單片機的廣泛使用，因而銷量極大，各大公司的商業(yè)競爭更使其價格十分低廉，其性能價格比極高。1.4 單片機的應(yīng)用領(lǐng)域單片機以高性能、高速度、體積小、價格低廉、可重復(fù)編程和功能擴展方便等優(yōu)點，獲得廣泛的應(yīng)用。其主要應(yīng)用于如下領(lǐng)域：（1）家用電器及玩具由于單片機價格低、體積小、控制能力強、功能擴展方便等優(yōu)點，使其廣泛應(yīng)用于電視、冰箱、洗衣機、玩具、家用防

10、盜報警器等。（2）智能測量設(shè)備以前的測量儀表體積大，功能單一，限制了測量儀表的發(fā)展。選用單片機改造各種測量控制儀表，可以使其體積減小，功能擴展，從而生產(chǎn)新一代的智能化儀表，如各種數(shù)字萬用表、示波器等。（3）機電一體化產(chǎn)品機電一體化產(chǎn)品是指將機械技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)綜合在一起，從而產(chǎn)生具有智能化特性的產(chǎn)品，它是機械工業(yè)的主要發(fā)展方向。單片機可以作為機電一體化產(chǎn)品的控制器，從而簡化原機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，擴展其功能。（4）自動測控系統(tǒng)使用單片機可以設(shè)計各種數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)等，如溫度的自動控制、電壓電流的數(shù)據(jù)采集。（5）計算機控制及通信技術(shù)51系列單片機都集成有串行通信接口，可以通過該

11、接口和計算機的串行接口進(jìn)行通信，實現(xiàn)計算機的程序控制和通信等。1.5 常用的單片機產(chǎn)品介紹自世界上第一片單片機誕生以來，單片機不斷推陳出新，目前已有幾十個系列、上百種型號。目前應(yīng)用比較廣、影響比較大的有如下幾種：（1）Microchip單片機Microchip的8位單片機的主要產(chǎn)品是PIC16系列、18系列，CPU采用RISC結(jié)構(gòu)，分別僅有35、58條指令，采用哈佛雙總線結(jié)構(gòu)，運行速度快，低工作電壓，低功耗，較大的輸入/輸出直接驅(qū)動能力，價格低，一次性編程，小體積。適用于用量大，檔次低，價格敏感的產(chǎn)品。在辦公自動化設(shè)備、消費電子產(chǎn)品、電訊通信、智能儀器儀表、汽車電子、金融電子和工業(yè)控制等不同領(lǐng)

12、域都有廣泛的應(yīng)用。PIC系列單片機目前在世界單片機市場份額排名第一，發(fā)展非常迅速。（2）Motorola單片機Motorola目前是世界上僅次于Microchip的第二大的單片機廠商。從M6800開始，開發(fā)了廣泛的品種，4位、8位、16位、32位的單片機都能生產(chǎn)，其中典型的代表有8位機M6805、M68HC05系列，8位增強型M68HC11、M68HC12，16位機M68HC16和32位機M683XX。Motorola單片機的特點之一是在同樣的速度下所用的時鐘頻率較Intel類單片機低得多，因而使得高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境。（3）8051單片機8051單片機最早由

13、Intel公司推出，其后，多家公司購買了8051的內(nèi)核，使得以8051為內(nèi)核的MCU系列單片機在世界上產(chǎn)量最大，應(yīng)用也最廣泛。（4）PHILIPS公司的P89LPC900系列單片機LPC900系列是高性能的增強型80C51單片機。其指令周期為24個時鐘周期，速度為標(biāo)準(zhǔn)80C51器件的6倍。它在28腳TSSOP和HVQFN封裝當(dāng)中集成了多種通信端口和系統(tǒng)監(jiān)控功能。適合于許多要求高集成度、低成本的場合。可以滿足多方面的性能要求。LPC900系列采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，集成了許多系統(tǒng)級的功能，可大大減少外圍元件的數(shù)目和電路板面積。其設(shè)計用于要求低電壓、高集成度、高性能和低成本的應(yīng)用領(lǐng)域。（5）華邦

14、單片機華邦公司的W77、W78系列8位單片機的腳位和指令集與8051兼容，但每個指令周期只需要4個時鐘周期，速度提高了3倍，工作頻率最高可達(dá) 40MHz。同時增加了看門狗定時器，6組外部中斷源，兩組UART，兩組Data pointer及Wait state control pin。W741系列的4位單片機帶液晶驅(qū)動，在線燒錄，保密性高，低操作電壓（1.21.8V）。（6）Atmel公司的AVR單片機它是增強型RISC內(nèi)載Flash的單片機，芯片上的Flash存儲器附在用戶的產(chǎn)品中，可隨時編程，再編程，使用戶的產(chǎn)品設(shè)計容易，更新?lián)Q代方便。AVR單片機采用增強的RISC結(jié)構(gòu)，使其具有高速處理能力

15、，在一個時鐘周期內(nèi)可執(zhí)行復(fù)雜的指令，每MHz可實現(xiàn)1MIPS的處理能力。AVR單片機工作電壓為2.76.0V，可以實現(xiàn)耗電最優(yōu)化。AVR的單片機廣泛應(yīng)用于計算機外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通信設(shè)備、家用電器和宇航設(shè)備等各個領(lǐng)域。（7）MDT20XX系列單片機臺灣產(chǎn)的工業(yè)級OTP單片機，由Micon公司生產(chǎn)，與PIC單片機管腳完全一致，海爾集團(tuán)的電冰箱控制器、TCL通信產(chǎn)品，長安奧拓鈴木小轎車功率分配器就采用這種單片機。（8）EM78系列OTP型單片機臺灣義隆電子股份有限公司生產(chǎn)，直接替代PIC16CXX，管腳兼容，源程序可通過軟件轉(zhuǎn)換直接使用。（9）EPSON單片機EPSON單片機以低電

16、壓、低功耗和內(nèi)置LCD驅(qū)動器特點著名于世，尤其是LCD驅(qū)動部分做得最好。廣泛用于工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、家用電器、儀器儀表、通信設(shè)備和手持式消費類產(chǎn)品等領(lǐng)域。目前EPSON已推出4位單片機SMC62系列、SMC63系列、SMC60系列和8位單片機SMC88系列。（10）東芝單片機東芝單片機門類齊全，4位機在家電領(lǐng)域有很大市場，8位機主要有870系列和90系列，這兩個系列的單片機都具有慢模式，即主頻采用32kHz時，單片機功耗可降至10A數(shù)量級。東芝的32位單片機采用MIPS 3000A RISC的CPU結(jié)構(gòu)，面向VCD、數(shù)字相機、圖像處理等市場。（11）Zilog單片機Z8單片機是Zilog公司的

17、產(chǎn)品，采用多累加器結(jié)構(gòu)，有較強的中斷處理能力，開發(fā)工具價廉物美。Z8單片機以低價位面向低端應(yīng)用。直到20世紀(jì)90年代前期，很多國內(nèi)大學(xué)的微機原理還是講述Z80。（12）NS單片機COP8單片機是NS（美國國家半導(dǎo)體公司）的產(chǎn)品，內(nèi)部集成了16位A/D，這是不多見的，在看門狗多路及STOP方式下單片機的喚醒方式上都有獨到之處。此外，COP8的程序加密也做得比較好。上面這些產(chǎn)品有很多相同的內(nèi)容，但各有各自的特點，用戶可以根據(jù)需要選擇。如此龐大的單片機家族，其實只要熟練掌握一種單片機的使用方法，便可舉一反三，對其他型號的單片機也能夠快速上手。這里推薦PIC單片機作為入門選擇。1.6 PIC單片機概述

18、PIC系列單片機是美國Microchip公司生產(chǎn)的單片機系列產(chǎn)品的標(biāo)志產(chǎn)品。它從以前的默默無聞到今天躍居全世界8位單片機銷量第一，與其過硬的產(chǎn)品質(zhì)量和系統(tǒng)內(nèi)核的設(shè)計完善不無關(guān)系。本節(jié)簡單介紹PIC單片機的分類和特點。1.6.1 PIC單片機種類Microchip公司的PIC系列單片機有8位單片機、16位單片機、32位單片機和超低功耗單片機。本書僅以8位單片機系列為主介紹其8位單片機的型號特點。PIC的8位單片機家族中分低、中、高3檔，對應(yīng)的內(nèi)部指令寬度分別是12、14、16位。12位指令寬度的低檔單片機結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，適用于一些控制任務(wù)相對簡單且對價格敏感的低端消費類產(chǎn)品，代表型號有PIC

19、16C5x系列的PIC16C54C、PIC16C57C等，PIC12C5xx系列的PIC12C508A、PIC12C509等。14 位指令寬度的中檔單片機是目前型號最豐富的一個系列，其片內(nèi)功能模塊種類其全，組合靈活多變，價位適中，應(yīng)用領(lǐng)域及其廣闊，代表型號有PIC16F7x系列的PIC16F73/74/76/77、PIC16F87xA系列的PIC16F873A/ 874A/876A/877A等。16位指令寬度的高檔單片機在命名上以PIC18開頭，整個內(nèi)核體系在PIC16系列基礎(chǔ)上有很大提高，最高指令流可達(dá)10MIPS（單條指令執(zhí)行時間為100ns），達(dá)到部分16位單片機的性能，一般用于較高端的

20、產(chǎn)品設(shè)計，是Microchip今后在8位單片機上發(fā)展的主要方向。dsPIC系列是Microchip最新推出的16位高性能單片機，其內(nèi)核中包含有一個完整的定點DSP，數(shù)據(jù)運算和處理能力大大增強，應(yīng)用領(lǐng)域主要定位于汽車電子、復(fù)雜的電機控制、數(shù)據(jù)壓縮和信號分析等高端場合。PIC的8位單片機的引腳從6針到100針，支持眾多的外設(shè)接口，包括定時器、比較器、PWM、ADC、I2C、SPI、USB、CAN、LIN等。盡管PIC單片機分那么多種類，但不同家族、不同型號間可以很容易移植。這完全得益于PIC單片機內(nèi)核設(shè)計的一致性，使其指令上下兼容，具備相同的功能模塊操控方式，更重要的是其表現(xiàn)出的電氣特性也一致。目前