第1章 单片机概述
【教学目的】
单片机在生产和生活中具有巨大的应用空间，本章主要讲述单片机的基本结构和发展历程，教材以MCS-51系列单片机AT589S52为基础讲述单片机的基本原理。
【教学要求】
本章从MCS-51系列单片机的基本结构出发，要求理解单片机的一般结构，掌握单片机的基本概念和主要特点，并对单片机的主要应用领域有一定的了解。
【重点难点】
本章重点是计算机的基本结构，难点是单片机内部结构的理解和掌握。
【知识要点】
本章重要知识点是计算机基本结构，单片机的一般结构，单片机发展的四个阶段。
1.1 计算机的基本结构
世界上第一台电子数字式计算机ENIAC（The Electronic Numerical Intergrator and Computer）于1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学正式投入运行，它使用了17 468个真空电子管和86 000个其他电子元件，耗资100万美元以上，耗电174千瓦，占地170平方米，有两个教室那么大，重达30吨，每秒钟可进行5000次加法运算。虽然它的功能还比不上今天最普通的一台微型计算机，但在当时它已是运算速度的绝对冠军，并且其运算的精确度和准确度也是史无前例的。ENIAC奠定了电子计算机的发展基础，开辟了一个计算机科学技术的新纪元。
ENIAC诞生后，1946年6月，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼提出了重大的改进理论，主要有两点：一是电子计算机应该以二进制为运算基础；二是电子计算机应采用“存储程序”方式工作。冯·诺依曼体系的主要思想包括：
①采用二进制代码形式表示信息（数据、指令）；
②采用存储程序工作方式（冯·诺依曼思想最核心的概念）；
③计算机硬件系统由五大部件（运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备）组成。
这些思想奠定了现代计算机的基本结构，并且开创了程序设计的新时代。冯·诺依曼对计算机界的最大贡献在于“存储程序控制”概念的提出和实现，主要包含以下三个方面的思想：
（1）根据任务编制程序
计算机对任务的处理，首先必须设计相应的算法，而算法是通过程序来实现的，程序就是一条条的指令，告诉计算机按照一定的步骤不断地去执行。程序中还应提供需要处理的数据，或者规定计算机在什么时候、什么情况下从输入设备取得数据，或向输出设备输出数据。
（2）将编制好的程序存储在计算机内部
计算机只能识别二进制文件，也就是一串0和1的组合。我们编写的程序，不管使用哪种语言，如汇编语言、C语言、JAVA等，最终都要编译成二进制代码，也就是机器语言，计算机才能够读懂和识别，才能按照一条条指令去执行。因此，编写好的程序最终将变为指令序列和原始数据，保存在存储器中，提供给计算机执行。
（3）计算机能够自动、连续地执行程序，并得到需要的结果
存储器就是一个个小房间，并且按照一定的地址进行编号，需要执行的指令和数据都以二进制代码的形式存放在存储器中。计算机开始执行程序，设置一个程序计数器PC（Program Counter）指向需要执行的指令或者代码处，每执行一个字节的指令，PC计数器自动加1，如果程序需要转移，PC指向转移地址处，按照转移地址读取后续指令。计算机就是这样能够自动地、连续不断地从存储器中逐条读取指令，并且完成相应操作，直到整个程序执行完毕。
冯·诺依曼的这些理论的提出，解决了计算机运算自动化的问题和速度配合问题，对后来计算机的发展起到了决定性的作用。直至今天，绝大部分的计算机还是采用冯·诺依曼方式工作。
1.2 计算机的硬件系统
按照冯·诺依曼的计算机结构，整个计算机硬件系统是由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成的，计算机硬件系统结构如图1-1所示。
图l-1 计算机硬件系统结构图
1. 运算器
运算器又称算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，简称ALU）。它是计算机对数据进行加工处理的部件，包括算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非、异或、比较等）。
2. 控制器
控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码。根据指令的要求，按时间的先后顺序，负责向其他各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地工作，一步一步地完成各种操作。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。
3. 存储器
存储器是计算机记忆或暂存数据的部件。存储器分为内存储器（内存）和外存储器（外存）两种。计算机中的全部信息，包括原始的输入数据，经过初步加工的中间数据以及最后处理完成的有用信息都存放在存储器中。对输入数据进行加工处理，控制计算机运行的各种程序、指令也都存放在存储器中。
4. 输入设备
输入设备是给计算机输入信息的设备，它是重要的人机接口，负责将输入的信息（包括数据和指令）转换成计算机能识别的二进制代码，送入存储器保存。
5. 输出设备
输出设备是输出计算机处理结果的设备，大多数情况下，它将这些结果转换成便于人们识别的形式。
输入设备和输出设备常常被简称为I/O设备。现代计算机可认为是由三大部件组成：CPU、I/O设备及主存储器MM，如图l-2所示。
图l-2 现代计算机的组成框图
现代计算机硬件系统的核心是中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）。它是采用大规模集成电路工艺制成的芯片，又称微处理器芯片，CPU的核心是ALU和CU，主要完成数据的运算、处理和控制。
MM（Main Memory）主存储器存放程序和数据，它可直接与CPU交换信息。在现代计算机的存储体系中，通常有三级存储体系，高速缓冲存储器（Cache）、MM主存、外存。三级存储体系的主要作用是不断地提高数据的处理速度，使得最终进入CPU的数据速度接近于ALU的运算速度。
CPU与MM合起来又可称为主机，I/O设备也可叫做外部设备。
1.3 单片机简介
随着电子技术的发展，特别是应用技术的飞速发展，计算机逐步向微型化发展。微型计算机就是以微处理器为核心，采用系统总线技术，具备存储能力，通过I / O接口和设备和外部交换信息。单片机是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）的简称，特别适合用于控制领域，故又称为微控制器MCU（Micro Control Unit）。它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
随着大规模和超大规模集成电路的出现及其发展，按照冯·诺依曼体系的基本结构，把中央处理器CPU（Central Processing Unit）、存储器（Memory）、I / O（Input/Output）接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上，构成一个芯片级的计算机。一块芯片就成了一台计算机，因为整个系统是在单一芯片上完成的，因此单片机是一种典型的片上系统（System on Chip，简称SOC）。单片机的内部结构如图1-3所示。
图1-3 单片机的内部结构
单片机具有体积小、功能全、价格低廉的突出优点，同时其软件也非常丰富，并可将这些软件嵌入到其他产品中，使其他产品具有丰富的智能。单片机在民用和工业测控领域得到最广泛的应用。彩电、冰箱、空调、录像机、VCD、遥控器、游戏机、电饭煲等家用电器都使用了各种型号的单片机，单片机早已深深地融入我们每个人的生活。自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械也都离不开单片机。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。单片机所具有的这些优点使之问世后得到了迅速的发展，成为现代电子系统中最重要的智能化器件。
1.3.1 单片机技术发展的四个阶段
单片机的发展经历了探索-完善-MCU化-百花齐放四个阶段。
1．芯片化探索阶段
20世纪70年代，美国的Fairchild（仙童）公司首先推出了世界上第一款单片机F-8。随后Intel公司推出了影响更大、应用更广的MCS-48单片机系列。MCS-48单片机系列的推出标志着工业控制领域进入到智能化嵌入式应用的芯片形态计算机的探索阶段。参与这一探索阶段的还有Motorola、Zilog和Ti等大公司，它们都在此阶段确立了其在SCMC （Single Chip Micro-Computer）嵌入式应用领域的地位。这就是SCMC的诞生年代，单片机一词即由此而来。
这一时期单片机的主要特点是：
◆嵌入式计算机系统的芯片集成设计；
◆少资源、无软件，只保证基本控制功能。
2．结构体系的完善阶段
Intel在MCS-48成功的基础上很快推出了更加完善的、典型的单片机系列MCS—5l。 MCS-51系列单片机的推出，标志着Single Chip Micro-Computer体系结构的完善。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机的体系结构。
（1）完善的总线结构
◆ 并行总线：具有8位数据总线、16位地址总线及相应的控制总线；
◆ 串行总线：通信总线，扩展总线。
（2）完善的指令系统
◆ 具有很强的位处理功能和逻辑控制功能，以满足工业控制等方面的需要；
◆ 功能单元的SFR（特殊功能寄存器）集中管理。
（3）完善的MCS-51成为SCMC的经典体系结构
在MCS-51的内核和体系结构的基础上，各大单片机公司相继设计开发了各具特色的单片机。
3．从SCMC向MCU化过渡阶段
Intel公司在推出MCS-51单片机后，推出了MCS-96单片机，将一些用于测控系统的模数转换器（ADC）、程序运行监视器（WDT）、脉宽调制器（PWM）、高速I/O口纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。
MCS-51单片机系列向各大电气商广泛扩散，许多电气商竞相使用80C51为核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、可靠性技术应用到单片机中。随着单片机内外围功能电路的增强，强化了智能控制器特征。微控制器（Microcontrollers）成为单片机较为准确表达的名词。其特点是：
（1）满足嵌入式应用要求的外围扩展，如WDT、PWM、ADC、DAC、高速I/O等。
（2）众多计算机外围功能集成。
◆ 提供串行扩展总线：SPI、I2C、BUS、Microwire。
◆ 配置现场总线接口：CAN BUS。
（3）CMOS化，提供功耗管理功能。
4．MCU的百花齐放阶段
单片机逐步工业控制领域中普遍采用智能化控制工具。为满足不同的要求，出现了一系列高速、大寻址范围、强运算能力和多机通信能力的8位、16位、32位通用型单片机和专用型单片机，以及形形色色各具特色的现代单片机。这一时期的特点为：
（1）电气商、半导体商普遍介入
MCS-48的成功，使得许多半导体公司竞相研制和发展自己的单片机系列。世界各地厂商已相继研制出大约50个系列300多个品种的单片机产品，较有代表性的有Motorola公司的6801、6802，Zilog公司的Z80系列，Microchip公司的PIC系列等。
（2）大力发展专用单片机
通用型与专用型是按某一型号单片机适用范围区分的。通用型单片机不是为某一种专门用途设计的单片机，专用型单片机是针对某一类产品甚至某个产品需要而设计、生产的单片机。
（3）提高综合品质
根据控制单元设计的方式与采用的技术不同，目前市场上的这些单片机可区分为两大类型：复杂指令集（CISC架构）和精简指令集（RISC架构）。复杂指令集结构的特点是指令数量多，寻址方式丰富；而精简指令集具有较少的指令与寻址模式，结构简单，成本较低，执行程序的速度较快，成为单片机的后起之秀。
（4）C语言的广泛支持
◆ 单片机普遍支持C语言编程，为后来者学习和应用单片机提供了方便；
1.3.2 MCS-51单片机系列
单片机的品种很多，最具代表性的当属Intel公司的MCS-51单片机系列。MCS-51以其典型的结构、完善的总线、SFR的集中管理模式、位操作系统和面向控制功能的丰富的指令系统，为单片机的发展奠定了良好的基础。MCS-51系列的典型芯片是80C51，众多的厂商都介入了以80C51为代表的8位单片机的发展，如Philips、Siemens（Infineon）、Dallas、ATMEL等公司，我们把这些公司生产的与80C51兼容的单片机统称为80C5l系列。近年来，80C51系列又有了许多发展，推出一些新产品，主要是改善单片机的控制功能，如内部集成了高速I/O口、ADC、PWM、WDT等，以及低电压、微功耗、电磁兼容、串行扩展总线、控制网络总线性能等。
（1）ATMEL公司研制的89CXX系列是将Flash Memory集成在80C51中，作为用户程序存储器，并不改变80C51的结构和指令系统。
（2）Philips公司的83/87C7XX系列不改变80C51结构、指令系统，省去了并行扩展总线，属于非总线的廉价型单片机，特别适合于家电产品。
（3）Infineon（原Siemens半导体）公司推出的C500系列单片机在保持与80C51兼容的前提下增强了各项性能，尤其是增强了电磁兼容性能，增加了CAN总线接口，特别适用于工业控制、汽车电子、通信和家电领域。
鉴于80C51系列在硬件方面的广泛性、代表性和先进性以及指令系统的兼容性，初学者可以选择51系列单片机作为学习单片机的首选类型，至于其他类型的单片机，在深入学习和掌握了80C51单片机之后再去学习已不是什么难事。
1.3.3 单片机的发展趋势
1．制作工艺CMOS化
出于对低功耗的普遍要求，目前各大厂商推出的各类单片机产品都采用了CHMOS工艺。80C51系列单片机采用两种半导体工艺生产。一种是HMOS工艺，即高密度短沟道MOS工艺。另外一种是CHMOS工艺，即互补金属氧化物的HMOS工艺。CHMOS是CMOS 和HMOS的结合，除保持了HMOS的高速度和高密度的特点之外，还具有CMOS低功耗的特点。例如8051的功耗为630mW，而80C51的功耗只有120mW。在便携式、手提式或野外作业仪器设备上低功耗是非常有意义的。因此，在这些产品中必须使用CHMOS的单片机芯片。
2．尽量实现单片化
单片机是将中央处理器CPU、存储器和I/O接口电路等主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，由于工艺和其他方面的原因，很多功能部件并未集成在单片机芯片内部，在使用过程中，通常会根据系统设计的需要在外围扩展功能芯片。随着集成电路技术的快速发展，很多单片机生产厂家充分考虑到用户的需求，将一些常用的功能部件，如A/D（模/数转换器）、D/A（数/模转换器）、PWM（脉冲产生器）以及LCD（液晶）驱动器等集成到芯片内部，尽量做到单片化。
3．共性与个性共存
单片机的种类越来越多，Intel、Motorola、Philips、Microchip、EMC、NEC等公司设计和开发了多种功能不同的产品。在未来相当长的时间内，都将维持这种群雄并起、共性与个性共存的局面。究其原因，主要有以下两点。
首先，以80C51为代表的单片机的基础地位不会动摇。80C51的架构和指令系统为后来的单片机提供了参考基准和强大支持，凡是学过80C51单片机的人再去学用其他类型的单片机就比较容易，有关这方面的教材建设在出版界也得到了共识，目前单片机的教学主要以80C51为教材。
其次，个性化的产品在满足用户需求方面得到了使用者的认可，这些产品的设计和开发吸收了80C51的基本思想和理念，以用户需要为根本，在市场上受到欢迎。
总之，80C51作为共性的代表会与个性化的产品相互依存，共同发展，将会给用户带来更大的实惠与方便。
1.3.4 单片机的应用范围
单片机运算时钟频率一般只有几兆至几十兆Hz，如80C51单片机常用的晶振频率有6MHz、11.0592MHz和24MHz等；单片机内部程序空间也比较小，一般在几KB到几十KB；单片机内存RAM一般为几百个B到几KB。虽然单片机的性能无法和PC计算机相比，但是单片机具有高可靠性、体积小、智能性、实时性强等诸多特点，而且价格低廉，使单片机成为工程师们开发嵌入式应用系统和小型智能化产品的首选。
举个单片机应用的典型例子。如老式洗衣机采用的机械式定时控制器，功能单一，而故障频繁。要开发家用智能化洗衣机，采用性能强大的通用计算机（PC机）固然能够轻易实现，但是这样就大材小用了，而且其成本太高，体积庞大……最佳的解决方案就是采用廉价单片机，采用“单片机＋控制程序＋接口电路＋执行机构”的智能化洗衣机控制方案后，洗衣机就有了智能化的特性，能够自动进行控制整个洗涤过程，包括注水、加洗衣粉、洗涤、漂洗、脱水、烘干等一系列工作过程，甚至能够自动判断洗衣量及衣服材质而采用最佳的洗涤方式，并且有多种不同的洗涤程序（方式）给你选择，你只需把衣服放进洗衣机，以后的洗衣过程就在单片机的自动控制下完成了，洗涤完后你拿出来就已经烘干可以穿了。这就是实实在在的全自动、智能化，极大地降低了我们的劳动强度。
从上面的简单例子中，我们看到了单片机应用的现实意义。单片机极高的可靠性、微型性和智能性使单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具，已经深深地渗入我们的日常生活——小到玩具、家电行业，大到车载、舰船电子系统，遍及计量测试、工业过程控制、机械电子、金融电子、商用电子、办公自动化、工业机器人、军事和航空航天等领域都可见到单片机的身影。
1．智能产品
单片机微处理器与传统的机械产品相结合，使传统机械产品结构简化、控制智能化，构成新一代的机电一体化的产品。例如传真打字机采用单片机，可以取代近千个机械器件；缝纫机采用单片机控制，可执行多功能自动操作、自动调速、控制缝纫花样的选择。
2．智能仪表
用单片机微处理器改良原有的测量、控制仪表，能使仪表数字化、智能化、多功能化、综合化。而测量仪器中的误差修正、线性化等问题也可迎刃而解。
3．测控系统
用单片机微处理器可以设计各种工业控制系统、环境控制系统、数据控制系统，例如温室人工气候控制、水闸自动控制、电镀生产线自动控制、汽轮机电液调节系统等。
4．数控型控制机
在目前数字控制系统的简易控制机中，采用单片机可提高可靠性，增强其功能、降低成本。例如在两坐标的连续控制系统中，用80C5l单片机微处理器组成的系统代替Z80组合系统，在完成同样功能的条件下，其程序长度可减少50%，提高了执行速度。数控型控制机采用单片机后可能改变其结构模式，例如使控制机与伺服控制分开，用单片机构成的步进电机控制器可减轻数控型控制机的负担。
5．智能接口
微电脑系统，特别是较大型的工业测控系统中，除外围装置（打印机、键盘、磁盘、CRT）外，还有许多外部通信、采集、多路分配管理、驱动控制等接口。这些外围装置与接口如果完全由主机进行管理，势必造成主机负担过重，降低执行速度。如果采用单片机进行接口的控制与管理，单片机微处理器与主机可并行工作，大大地提高系统的执行速度。如在大型数据采集系统中，用单片机对模拟/数字转换接口进行控制不仅可提高采集速度，还可对数据进行预先处理，如数字滤波、线性化处理、误差修正等。在通信接口中采用单片机可对数据进行编码译码、分配管理、接收/发送控制等。
【本章小结】
本章主要介绍了单片机的一般结构，单片机发展的四个阶段及各个阶段的基本特点。并以应用最为广泛的MCS-51系列为基础，从应用的角度讲述单片机的发展趋势和应用范围，为学习单片机及相关知识打下基础。
1.4 习题
1. 简述冯·诺依曼体系的主要思想。
2. 什么叫单片机？单片机由哪些基本部件组成？单片机与一般的计算机有什么差别？
3. 单片机主要应用于哪些领域？
4. 简述单片机发展的四个阶段。
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