【文章內容簡介】 器（ MCU Micro Controller Unit），國際上常把單片機稱為微控制器，而國內則比較習慣稱為 “單片機 ”。 單片機的特點 (1)集成度高 單片機把 CPU， RAM， ROM， I/O 接口以及定時器 /計數(shù)器都集成在一個芯片上，和常規(guī)的計算機系統(tǒng)相比，它具有體積小，集成度高的特點。 (2)存儲量大 采用 16位地址總線的 8位單片機可尋址外部 64KB數(shù)據(jù)存儲器和 64KB程序存儲器。此外，大部分單片機還有片上 RAM(一般為 128~256B)和內部 ROM(一般為 2~4KB)，在大多數(shù)情況下，內部存儲器就已經足夠了，從而減少了器件的使用數(shù)量，降低了成本。 (3)性能高，速度快 為了提高速度和執(zhí)行效率，單片機使用 RISC 體系結構，并行流水線操作和 DSP 等設計技術，指令運行速度大幅提高。 (4)抗干擾性強 單片機的各種功能都集成在一個芯片上，特別是存儲器也集成在芯片內部，因此單片機布線短，大都在芯片內部傳送數(shù)據(jù)，因此不易受到外部的干擾，增強了抗干擾能力，系統(tǒng)運行更加可靠。 (5)指令豐富 單片機一般都有傳送指令，邏輯運算指令，轉移指令相加，減運算指令，位操作指令。 單片機的應用 (1)家用電器領域 洗衣機、電冰箱、空調、微波爐、電飯煲、電視機、錄像機及其他視頻音像設備的控制器中已普遍采用單片機擴展電路取代傳統(tǒng)的控制電路。 (2)辦公自動化領域 一臺 PC 可以嵌入 10 個單片機系統(tǒng)，如鍵盤、鼠標、顯示器、 CDROM、聲卡、打安徽工程科技學院畢業(yè)設 計（論文） 5 印機、軟 /硬盤驅動器和調制解調器等。 (3)工業(yè)自動化領域的應用 在工業(yè)自動化領域，如工業(yè)過程控制、過程檢測、工業(yè)控制器及機電一體化控制系統(tǒng)等，單 片機系統(tǒng)主要用來實現(xiàn)信號的檢測，數(shù)據(jù)的采集以及應用對象的控制。這些系統(tǒng)除一些小型工控機外，許多都是以單片機為核心的單機或多機網(wǎng)絡系統(tǒng)。 (4)智能儀器儀表與智能傳感器領域 目前各種變送器，電器測量儀表普遍采用單片機應用系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量系統(tǒng)，使測量系統(tǒng)具有各種智能化功能，如存儲，數(shù)據(jù)處理，查找，判斷，聯(lián)網(wǎng)和語音功能等。 (5)汽車電子與航空航天電子系統(tǒng) 通常在這些電子系統(tǒng)中集中顯示系統(tǒng)，動力檢測控制系統(tǒng)，自動駕駛系統(tǒng)，通信系統(tǒng)以及運行監(jiān)視器 (黑匣子 )等，都要構成冗余的網(wǎng)絡系統(tǒng)。 單片機的歷史 1971 年微處理器的研制成功后不久，就出現(xiàn)了單片機。單片機根據(jù)其操作處理的位數(shù)可以分為： 1 位單片機， 4 位單片機， 8 位單片機， 16 位單片機， 32 位單片機 [8]。 最早的單片機是一位的，其發(fā)展歷史基本上可以分為以下 4 個階段 (1)單片機的初級階段（ 1974~1976） 因工藝限制，早期的單片機普遍采用雙片的形式，功能比較簡單。例如仙童公司生產的 F8 單片機，實際上只包含 8 位 CPU， 64BRAM 和 2 個并行口。因此還需加一塊 3851（由 1KBROM，定時器 /計數(shù)器和 2 個并行 I/O 構成）才能組成一臺完整的計算機。 (2)低 性能單片機階段（ 1976~1978 年） 此階段的代表為 Intel 公司制造的 MCS~48 單片機，這種單片機內集成了 8 位 CPU，并行 I/O 口， 8 位定時器 /計數(shù)器和 RAM， ROM 等，其不足之處是無串行口，中斷處理比較簡單，片內 RAM 和 ROM 容量較小，且尋址范圍不大于 4KB。 (3)高性能單片機階段（ 1978~現(xiàn)在） 此階段推出的單片機普遍帶有串行口，多極中斷系統(tǒng)， 16 位定時器 /計數(shù)器。片內POM， RAM 容量加大，且尋址范圍可打 64KB，有的片內還有 A/D 轉換器，這類單片機的典型代表是： Intel 公司的 MCS~51 系列， Motorola 公司的 6801 和 Zilog 公司的 Z8等，這類單片機的性價比高，仍被廣泛應用，是目前應用比較廣泛的單片機。 (4)8 位單片機鞏固發(fā)展以及 16 位， 32 位單片機推出（階段 1982~現(xiàn)在） 此階段的主要特征是，一方面發(fā)展 16 位單片機， 32 位單片機以及專用型單片機；另一方面不斷完善高檔 8 位單片機，改善其結構，以滿足不同的用戶需求， 16 位單片機的典型產品如 Intel 公司生產的 MCS~96 系列單片機，其集成度已達 120 000 管子片 /片，主頻 12MHz，片內 RAM 為 232B， ROM 為 8KB，中斷 處理為 8 級，而且片內帶有多通道 10 位 A/D 轉換器和高速輸入 /輸出部件 (HIS/HSO).實時處理能力很強。 32 位單片機除了具有更高的集成度外，其主頻可達 20MHz，數(shù)據(jù)處理速度比 16 位單片機快了許多，性能比 8 位， 16 位單片機更加優(yōu)越。 8 位單片機的主要生產廠家和機型 自 20 世紀 80 年代以來，單片機產品如雨后春筍般大量涌現(xiàn)， GI 公司， Rochwe 公司， Intel 公司， Zilog 公司， Motorola 公司， NEC 公司等世界上幾大計算機公司都紛紛推出自己的單片機系列。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在市場上的單片機產品有 50 多個系列，數(shù)百個品種。 姓名 ：基于單片機的液晶顯示與鍵盤實現(xiàn) 6 目前世界上較為著名的 8 位單片機的生產廠家和主要機型如下 美國 Intel 公司： MCS51 系列及其增強型系列 美國 Motorola 公司： 6801 系列和 6805 系列 美國 Atmel 公司： 89C51 系列 美國 Zilog 公司： Z8 系列及 SUPER8 美國 Fairchild 公司： F8 系列和 3870 系列 美國 Rochwe 公司： 6500/1 系列 美國 TI(德克薩司儀器儀表 )公司： TMS7000 系列 NS(美國國家半導體 )公司： NS8070 系列 美國 RCA(無線電 )： CDP1800 系列 日本松下 (National)： MN6800 系列 日本 NEC(電氣 )公司 ： (COM87((PD7800))系列 日本 HITACHI(日立 )： HD6301/HD63L05/HD6305 荷蘭 PHILIPS(菲利浦 )公司 ： 8*C552 系列 雖然單片機的品種很多，但在我國使用最多的還是 Intel 公司的 MCS51系列單片機， MCS51 系列單片機是在 MCS48 系列的基礎上于 20 世紀 80 年代初發(fā)展起來的，雖然它仍然是 8 位單片機，但它品種齊全，兼容性強，性能價格比高，且軟硬件應用設計資料豐富，已為廣大工程技術人 員所熟悉，因此在我國得到了廣泛的應用。 單片機的最新發(fā)展 為了滿足不同的用戶要求，提高單片機的技術性能，各公司競相推出能滿足不同需要的產品。其改進主要體現(xiàn)在以下幾個方面 [9] (1)CPU 的改進 ① 采用雙 CPU 結構，以提高處理能力。 ② 增加數(shù)據(jù)總線寬度，單片機內部采用 16 位數(shù)據(jù)總線，其數(shù)據(jù)處理能力明顯優(yōu)于一般 8 位單片機。 ③ 采用流水線結構。指令以隊列形式出現(xiàn)在 CPU 中，且具有很快的運算速度。尤其適合于做數(shù)字信號處理用，例如 TMS320 系列數(shù)字信號處理機。 ④ 串行總線結構，菲利浦公司開發(fā)了一種新型總 線 IIC 總線 (IntelICbus).該總線是用 3 條數(shù)據(jù)線代替現(xiàn)行的 8 位數(shù)據(jù)總線，從而大大減少了單片機引線，降低了單片機的成本，目前許多公司都在積極的開發(fā)此類產品。 (2)存儲器的改進 ① 增加存儲容量：新型單片機片內 ROM 一般可達 4K~8KB， RAM 為 256B。有的單片機內 ROM 可達 128KB。 ② 閃速 (Flash)存儲器： 片內 EPROM 由于需要高壓編程寫入，紫外線擦抹給用戶帶來不便，閃速存儲器能在 +5V 電壓下讀寫，不需紫外線擦抹，既具有靜態(tài) RAM 讀寫操作的簡便，又具有在掉點是數(shù)據(jù)不會丟失的優(yōu)點。由于 閃速存儲器中數(shù)據(jù)寫入后能永久保持，因此，有的單片機將它們作為片內 RAM 使用，甚至有的單片機將閃速存儲器用做片內通用寄存器。 ③ 程序保密化：一般 EPROM 中的程序很容易被復制。為防止復制，某些公司開始采用 KEPROM(Key_WXedacessEPROM)編程寫入，有的則對片內 EPROM 或 EEPROM加鎖。加鎖后，用戶無法讀取其中的程序。若要去讀，必須抹去 EEPROM 中的信息，這就達到了程序保密的目的。 安徽工程科技學院畢業(yè)設 計（論文） 7 (3)片內 I/O 的改進 單片機有較多的并行口，以滿足外圍設備，芯片擴展的需要。單片機配有串行口，以滿足多機 通信的要求。 ① 增加并行口的驅動能力。這樣可減少外部驅動芯片。有的單片機能直接輸出大電流和高電壓，以便能直接驅動 LED 和 VFD(熒光顯示器 ) ② 增加 I/O 口的邏輯控制功能 .大部分單片機的 I/O 口都能進行邏輯運算。高檔單片機的位處理系統(tǒng)能夠對 I/O 口進行位尋址及位操作，大大加強了 I/O 口線的靈活性 ③ 有些單片機設置了一些特殊的串型接口功能，為構成網(wǎng)絡化系統(tǒng)提供了方便條件 (4)外圍電路內裝化 早期的單片機采用 PMOS 工藝，接著由 PMOS 發(fā)展到 NMOS 工藝。目前高檔單片機已基本采用了具有高性能的 HMOS 和 CMOS 工藝，隨著半導體技術的發(fā)展，單片機的集成度不斷提高，把眾多的外圍功能器件都集成在片內，除了一般必須具有 ROM，RAM，定時器 /計數(shù)器和中斷系統(tǒng)外，為了適應檢測，控制等更高的要求，有些單片機還集成有 A/D 轉換器， D/A 轉換器， DMA 控制器，中斷控制器，鎖相環(huán)，頻率合成器，字符發(fā)生器，聲音發(fā)生器， CRT 控制器和譯碼驅動器等。 隨著集成電路技術及工藝的不斷發(fā)展，裝入片內的外圍電路也可以大規(guī)模生產。把所需的外圍電路全部裝入單片機內，使系統(tǒng)單片化是目前單片機發(fā)展的趨勢之一。 (5)低功耗和供電范圍加寬 8 位單片機中 有一半的產品已 CMOS 化。 CMOS 芯片的單片機本身具有功耗小的優(yōu)點，而且為了充分發(fā)揮低功耗的特點，這類單片機普遍配置有 Wait 和 Stop 兩種工作方式，例如：采用 CHMOS 工藝的 MCS51 系列單片機 80C51BH/80C31BH/87C51 在正常運行（ 5V， 12MHz）時，工作電流為 16mA，同樣條件下在 Wait 方式工作時，工作電流則為 ，而在 Stop 方式（ 2V）工作時，工作電流僅為 50181。a。對于 NMOS 工藝的單片機工作電源，一般為 ~ 采用 CMOS 工藝的單片機，工作電壓范圍至 3~6V。 隨著科技的發(fā)展，單片機將向多功能，高性能，高速度，低電壓，低功耗，低價格，外圍電路內裝化以及片內存儲器增加和 Flash 存儲器方向發(fā)展。但其位數(shù)不一定會繼續(xù)增加，盡管現(xiàn)在已經有 32 位單片機，但使用得并不多。此外，專用化也是單片機的一個發(fā)展方向，針對單一用途的專用單片機將會越來越多。 MCS51 系列單片機 MCS 是 Intel 公司的注冊商標，凡在 Intel 公司生產的以 8051 為核心單元的其他派生單片機都可以稱為 MCS51 系列，有時簡稱為 51 系列， MCS51 系列單片機包括 3 個基本型 8031， 8051， 8751 和對應耗型 80C31， 80C51， 87C51[10]。 20 世紀 80 年代中期以后， Intel 公司以專利轉讓的形式把 8051 內核心技術轉讓給許多半導體芯片生產廠家，如 ATMEL， PHILIPS， ANALOGDEVICES， DALLAS 等。這些廠家生產的芯片是 MCS51 系列的兼容產品，準確的說是與 MCS51 指令系統(tǒng)兼容的單片機。這些兼容機與 8051 的系統(tǒng)結構 (主要是指令系統(tǒng) )相同，采用 CMOS 工藝，因而，常用 80C51 系列來稱呼所有具有 8051 指令系統(tǒng)的單片機，但是，這些公司生產的以 8051 為 核心的其他派生單片機卻不能稱為 MCS51 系列，只能稱為 8051 系列。也就是說， MCS51 系列是專指 Intel 公司生產的以 8051 為核心單元的單片機，而 8051 系列泛指所有公司（也包括 Intel 公司）生產的以 8051 為核心單元的所有單片機。 MCS51 系列及 80C51 單片機有多種品種。它們的引腳及指令系統(tǒng)相互兼容，主要在內部結構上有些區(qū)別，目前使用的 MCS51 系列單片機及兼容產品通常分為以下幾類姓名 ：基于單片機的液晶顯示與鍵盤實現(xiàn) 8 [11]： (1)基本型（典型產品： 8031/8051/8751） 8031 內部包括一個 8 位 CPU， 128B RAM ， 21 個特殊功能寄存器（ SFR）， 4 個 8位并行 I/O 口，一個全雙工串行口， 2 個 16 位定時器計數(shù)器 .片內無程序存儲器，需外擴 EPROM 芯片。 8051 以 8031 為基礎，片內又集成有 4KB ROM 作為程序存儲器，是一個程序不超過 4KB 的小系統(tǒng)。 ROM 內的程序是公司制作芯片時，代為用戶燒制的，出廠的 8051都是含有特殊用途的單片機。 8751 在 8031 基礎上，增加了 4KB 的 EPROM，它構成了一個程序小于 4KB 的小系統(tǒng)。用戶可以