单片机与单板机

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接口和中断系统、定时／计时器等功能 （还可能包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、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微型计算机系统，在工业控制领域中得到广泛应用。从20世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300MB的高速单片机。

单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备中。

单片机的核心部分是中央处理器CPU，它是单片机的大脑，由它统一指挥和协调各部分的工作。时钟电路用于给单片机提供工作时所需要的时钟信号。程序存储器和数据存储器分别用于存放单片机工作的用户软件和临时数据。中断系统用于处理系统工作时出现的突发事件。定时／计数器用于对时间定时或对外部事件计数。它通过内部总线把计算机的各主要部件连接为一体，内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是为数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I／O接口；数据总线用于在CPU与存储器或I／O接口之间，或I／O接口与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。输入／输出接口 （I／O接口）是计算机与输入／输出设备之间的接口。输入／输出设备 （I／O设备）是计算机与人或其他设备交换信息的装置，如显示器、键盘和打印机等。

1.单片机的结构

1）运算器

运算器由运算部件——算术逻辑单元 （Arithmetic＆Logical Unit，ALU）、累加器和寄存器等几部分组成。ALU的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算，输入来源为两个8位数据，分别来自累加器和数据寄存器。ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。例如，两个数6和7相加，在相加之前，操作数6放在累加器中，7放在数据寄存器中，当执行加法指令时，ALU即把两个数相加并把结果13存入累加器，取代累加器原来的内容6。

运算器有两个功能：

（1）执行各种算术运算。

（2）执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。

运算器所执行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的。并且，一个算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。

2）控制器

控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的 “决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有：

（1）从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。

（2）对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便执行规定的动作。

（3）指挥并控制CPU、内存和输入／输出设备之间数据流动的方向。

微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入／输出接口电路连接。外部总线又称为系统总线，分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。通过输入／输出接口电路，实现与各种外围设备连接。

3）寄存器

（1）累加器A。

累加器A是微处理器中使用最频繁的寄存器。在算术和逻辑运算时它有双功能：运算前，用于保存一个操作数；运算后，用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。

（2）数据寄存器DR。

数据寄存器通过数据总线向存储器和输入／输出设备送 （写）或取 （读）数据的暂存单元。它可以保存一条正在译码的指令，也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节，等等。

（3）指令寄存器IR和指令译码器ID。

指令包括操作码和操作数。指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存中取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器。当系统执行给定的指令时，必须对操作码进行译码，以确定所要求的操作，指令译码器就是负责这项工作的。其中，指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。

（4）程序计数器PC。

PC用于确定下一条指令的地址，以保证程序能够连续地执行下去，因此通常又被称为指令地址计数器。在程序开始执行前必须将程序的第一条指令的内存单元地址 （即程序的首地址）送入PC，使它总是指向下一条要执行指令的地址。

（5）地址寄存器AR。

地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I／O设备的地址。由于内存与CPU之间存在着速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读／写操作完成为止。

显然，当CPU向存储器存数据、CPU从内存取数据和CPU从内存读出指令时，都要用到地址寄存器和数据寄存器。同样，如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看，那么当CPU和外围设备交换信息时，也需要用到地址寄存器和数据寄存器。

8051单片机的内部基本结构如图2－6所示。

图2－6 8051单片机的内部基本结构

8051单片机是HMOS工艺制造，其外形为40条引脚，如图2－7所示。因为受芯片引脚数量的限制，有很多引脚具有双功能。

1）主电源引脚

VCC：芯片工作电源端，接＋5V。

VSS：电源接地端。

2）时钟振荡电路引脚

XTAL1：内部晶体振荡电路的反相器输入端。

XTAL2：内部晶体振荡电路的反相器输出端。

3）控制信号引脚

RST／VPD：复位／备用电源。RST为复位信号输入端。VPD用于在VCC掉电情况下，接备用电源。

图2－7 8051单片机引脚

4）并行I／O端口引脚

8051共有4个8位并行I／O端口：P0口 （P0.0～P0.7）、P1口 （P1.0～P1.7）、P2口（P2.0～P2.7）、P3口 （P3.0～P3.7），共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入／输出和控制信号 （属控制总线）。

2.单片机的特点

（1）主流单片机包括CPU、4KB容量的ROM、128B容量的RAM、2个16位定时／计数器、4个8位并行口、全双工串行口、ADC／DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。

（2）系统结构简单，使用方便，集成度高，实现模块化。

（3）单片机可靠性高，可工作到106～107小时无故障。

（4）处理功能强，速度快。

（5）低电压，低功耗，便于生产便携式产品。

（6）控制功能强。

（7）环境适应能力强。

由于单片机品种繁多，功能各异，在应用时可以根据系统需求选用，而且可以满足一般需求。因此，单片机的开发与应用越来越受到人们的重视，是微机控制系统最活跃的领域之一。图2－8为单片机应用系统的一般构成。

图2－8 单片机应用系统的一般构成

3.单板机

单片机是在一块集成电路芯片上集成有CPU、程序存储器、数据存储器、输入／输出接口电路、定时／计数器、中断控制器、模／数转换器、数／模转换器、调制解调器等部件。单板机是把微型计算机的整个功能体系电路 （CPU、ROM、RAM、输入／输出接口电路以及其他辅助电路）全部组装在一块印制电路板上，再用印制电路将各个功能芯片连接起来。其功能比单片机强，适于进行生产过程的控制。

用单板机实现机电产品的机电一体化成本较低，在简易数控机械设备、检测设备、工业机器人等领域中得到了广泛应用。