【正文】 強(qiáng)的布爾處理器完成處理功能。 此階段的主要特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點(diǎn)進(jìn)一步突出?，F(xiàn)在， MCS51已成為公認(rèn)的單片機(jī)經(jīng)典機(jī)種。 三、微控制器化階段 1982 年， Intel 公司推出 MCS96 系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)在芯片內(nèi)部集成有：16位 CPU、 K字節(jié)程序存儲(chǔ)器（ ROM）、 232字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）、 5個(gè) 8位并行接口、1個(gè)全雙工串行接口和 2個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器。尋址范圍最大為 64K。片上還有 8路 10位 ADC、 1路 PWM（ D/A）輸出及高速 I/O部件等。 近年來，許多半導(dǎo)體廠商以 MCS51 系列單片機(jī)的 8051 為內(nèi)核，將許多測控系統(tǒng)中的接口技術(shù)、可靠性技術(shù)及先進(jìn)的存儲(chǔ)器技術(shù)和工藝技術(shù)集成到單片機(jī)中，生產(chǎn)出了多種功能強(qiáng)大、使用靈活的新一代 80C51系列單片機(jī)。 此階段的主 要特點(diǎn)是：片內(nèi)面向測控系統(tǒng)的外圍電路增強(qiáng)，使單片機(jī)可以方便靈活地應(yīng)用于復(fù)雜的自動(dòng)測控系統(tǒng)及設(shè)備。因此，“微控制器”的稱謂更能反應(yīng)單片機(jī)的本質(zhì)。 單片機(jī)發(fā)展趨勢 縱觀單片機(jī)的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢，大致有： 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 1. 低功耗 CMOS化 MCS51 系列的 8031 推出時(shí)的功耗達(dá) 630mW，而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在 100mW 左右，隨著對(duì)單片機(jī)功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個(gè)單片機(jī)制造商基本都采用了 CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝 )。 像 80C51 就采用了 HMOS(即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝 )和CHMOS(互補(bǔ)高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝 )。 CMOS 雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而 CHMOS則具備了高速和低功耗的特點(diǎn)，這些特征，更適合于在要求低功耗象電池供電的應(yīng)用場合。所以這種工藝將是今后一段時(shí)期單片機(jī)發(fā)展的主要途徑。 現(xiàn)在常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器 (CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ) (RAM)、只讀程序存儲(chǔ)器 (ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時(shí)電路、時(shí)鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強(qiáng)型的單片 機(jī)集成了如 A/D轉(zhuǎn)換器、 PMW(脈寬調(diào)制電路 )、 WDT(看門狗 )、有些單片機(jī)將 LCD(液晶 )驅(qū)動(dòng)電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多，功能就越強(qiáng)大。甚至單片機(jī)廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機(jī)芯片。此外，現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機(jī)除了功能強(qiáng)和功耗低外，還要求其體積要小?，F(xiàn)在的許多單片機(jī)都具有多種封裝形式，其中 SMD(表面封裝 )越來越受歡迎，使得由單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。 現(xiàn)在雖然單片機(jī)的品種繁多，各具特色，但仍以 80C51為核心的單片機(jī)占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有 PHILIPS公司的產(chǎn)品， ATMEL公司的產(chǎn)品和中國臺(tái)灣的 Winbond系列單片機(jī)。所以 C8051 為核心的單片機(jī)占據(jù)了半壁江山。而 Microchip 公司的 PIC精簡指令集 (RISC)也有著強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，中國臺(tái)灣的 HOLTEK 公司近年的單片機(jī)產(chǎn)量與日俱增，與其低價(jià)質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢，占據(jù)一定的市場份額。此外還有 MOTOROLA 公司的產(chǎn)品，日本幾大公司的專用單片機(jī)，在一定時(shí)期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個(gè)單片機(jī)一統(tǒng) 天下的壟斷局面，走的是依存互補(bǔ)，相輔相成，共同發(fā)展的道路。 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 由于單片機(jī)具有良好的控制性能和靈活的嵌入品質(zhì)，近年來單片機(jī)在各種領(lǐng)域都獲得了極為廣泛的應(yīng)用。概要地分成以下幾個(gè)方面： 1： 智能儀器儀表 單片機(jī)用于各種儀器儀表，一方面提高了儀器儀表的使用功能和精度，使儀器儀表智能花，同時(shí)還簡化了儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，從而可以方便地完成各種儀器儀表產(chǎn)品的升級(jí)換代。如各種智能電氣測量儀表、智能傳感器等。 2： 機(jī)電一體化產(chǎn)品 機(jī)電一體化產(chǎn)品是集機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體， 具有智能化特征的各種機(jī)電產(chǎn)品。單片機(jī)在機(jī)電一體化產(chǎn)品的開發(fā)中可以發(fā)揮巨大的作用。典型產(chǎn)品如機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)包裝機(jī)、點(diǎn)鈔機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、打印機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等。 3： 實(shí)時(shí)工業(yè)控制 單片機(jī)還可以用于各種物理量的采集與控制。電流、電壓、溫度、液位、流量等物理量參數(shù)的采集和控制均可以利用單片機(jī)方便地實(shí)現(xiàn)。在這類系統(tǒng)中，利用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，可以根據(jù)被控對(duì)象的不同特征采用不同的智能算法，實(shí)現(xiàn)期望的控制指標(biāo)，蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。典型應(yīng)用如電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、自動(dòng)生產(chǎn)線等。 4： 分布系統(tǒng)的前端模塊 在較復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常要采用分布式測控系統(tǒng)完成大量的分布參數(shù)的采集。在這類系統(tǒng)中，采用單片機(jī)作為分布式系統(tǒng)的前端模塊。系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠，數(shù)據(jù)采集方便靈活，成本低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)。 5： 家用電器 家用電器是單片機(jī)的又一重要領(lǐng)域，前景十分廣闊。如空調(diào)器、電冰箱、洗衣機(jī)、電飯煲、高檔洗浴設(shè)備、高檔玩具等。 另外，在交通領(lǐng)域中，汽車、火車、飛機(jī)、航天器等均有單片機(jī)的廣泛應(yīng)用。如汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、航天測控系統(tǒng)、黑匣子等。 PIC16F877 單片機(jī)簡介 PIC16F877 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) PIC16F877 單片機(jī)的功能框圖如圖 所示。從其執(zhí)行功能考慮，可以將單片機(jī)分成兩大組件，即基本功能模塊和專用功能模塊。 1： PIC16F877單片機(jī)的基本功能模塊 PIC16F877單片機(jī)的基本功能區(qū)域的主要功能模塊包括以下 7部分 1） 程序存儲(chǔ)器區(qū)域 PIC16F877 單片機(jī)帶有 Flash 程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，主要存放由用戶預(yù)先編制好的程序和一些固定不變的數(shù)據(jù)。程序存儲(chǔ)器共有 8K179。 14位程序單元空間，即 0000H~1FFFH，由程序計(jì)數(shù)器提供 13 條地址線進(jìn)行單元選擇，每個(gè)單元寬 14 位，能夠存放一條 PIC單片機(jī)系統(tǒng)指令。在系統(tǒng)上電或其他復(fù)位情況下，程序計(jì)數(shù)器均從 0000H 地址單元開始工作。如果遇到調(diào)用子程序或系統(tǒng)發(fā)生事件中斷時(shí)，都將把當(dāng)前程序斷點(diǎn)處的地址送入8級(jí)179。 14位的堆棧區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。堆棧是一個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)區(qū)域，在子程序或中斷服務(wù)程序執(zhí)行完后，再恢復(fù)斷點(diǎn)地址，使主程序得以繼續(xù)執(zhí)行。通過 14 位程序總線，取出對(duì)應(yīng)程序指令的機(jī)器碼，送入指令寄存器，將組成的操作碼和操作數(shù)進(jìn)行有效分離。如果操作數(shù)為地址，則進(jìn)入地址復(fù)用器；如果 操作數(shù)為數(shù)據(jù)，則進(jìn)入數(shù)據(jù)復(fù)用器。而操作碼將在指令譯碼和控制單元中轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的功能操作。 2） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域 PIC16F877 單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器主要包括特殊功能寄存器和通用寄存器兩部分，用于存取 CPU在執(zhí)行程序過程中產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)或預(yù)置的參數(shù)。 RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的每個(gè)存儲(chǔ)單元除具備普通存儲(chǔ)器功能之外，還能實(shí)現(xiàn)移位、置位、復(fù)位和位測試等通常只有寄存器才能完成的操作。 PIC16F877 共有 512 字節(jié)單元空間（包括無效的地址單元），即 000H~ 9 條地址線，實(shí)現(xiàn) 512 個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元地址的有效選擇。對(duì) 于不同的數(shù)據(jù)訪問，地址復(fù)用器的組合方式也存在差異。當(dāng)采用直接尋址時(shí)， RAM地址的形成采用 7加 2 模式，即 7位數(shù)據(jù)來源于指令操作數(shù)， 2位數(shù)據(jù)來源于 STATUS 狀態(tài)寄存器 RP RP0；而采用間接尋址時(shí)， RAM 地址的形成采用 8加 1模式，即 8位數(shù)據(jù)來源于文件選擇寄存器 FSR， 1位數(shù)據(jù)來源于 STATUS狀態(tài)寄存器 IRP 基本功能區(qū)域配置有地址和數(shù)據(jù)兩種復(fù)用器，是一種信號(hào)的選擇開關(guān)，可根據(jù)指令功能的不同而選擇其中的一個(gè)通路。 3） E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 PIC16F877單片機(jī)嵌入一個(gè) 256179。 8位 E2PROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 器模塊。它與內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器最大的差異在于可在線擦 /寫，存儲(chǔ)的內(nèi)容掉電時(shí)不會(huì)丟失。完成數(shù)據(jù)存取功能， PIC單片機(jī)指令集沒有提供現(xiàn)成的機(jī)器指令，而必須采用特殊的程序段。 4） 算術(shù)邏輯運(yùn)算區(qū)域 PIC16F877單片機(jī)中一個(gè)非常重要的部件就是算術(shù)邏輯單元 ALU，主要實(shí)現(xiàn)算數(shù)運(yùn) 上電延時(shí) 起振延時(shí) 上電復(fù)位 WDT 欠壓復(fù)位 在線調(diào)試 低壓編程 Flash 程序存儲(chǔ)器 程序計(jì)數(shù)器 8 級(jí)堆棧（ 13 位） 指令寄存器 指令譯碼和控制器 RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 地址復(fù)用器 STATUS FSR 數(shù)據(jù)復(fù)用器 ALU W 寄存器 端口 A 端口 B 端口 C 端口 D 端口 E 定時(shí)器 0 定時(shí)器 1 定時(shí)器 2 E2PROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制 1 捕捉 / 比較 / 脈寬調(diào)制 2 同步串行端口 通用同步/ 異步收發(fā)器 8 位從動(dòng)端口 A/D轉(zhuǎn)換器 器件型號(hào) Flash 程序存儲(chǔ)器 RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 PIC16F877 8K179。 14 368179。 8 256179。 8 時(shí)基發(fā)生器 基本功能區(qū)域 專用功能區(qū)域 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 圖 單片機(jī)的功能框圖 算和邏輯運(yùn)算。一般對(duì)于雙目操作類指令，如“加”、“減”、“與”、“或”的兩個(gè)操作數(shù)將來源于工作寄存器 W 和數(shù)據(jù)復(fù)用器。而執(zhí)行的結(jié)果可以送入工作寄存器 W或返回?cái)?shù)據(jù)總線（進(jìn)入特定外圍模塊或給定的數(shù)據(jù)寄存器單元），同時(shí)會(huì)將運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)送入STATUS狀態(tài)寄存器。 與算術(shù)邏輯運(yùn)算區(qū)域關(guān)聯(lián)的特殊功能寄存器有以下 3種 （ 1）工作寄存器 W：相當(dāng)于其它單片機(jī)中的“累加器 A”，是數(shù)據(jù)傳送的橋梁，是最為繁忙的工作單元。在運(yùn)算前， W可以暫存準(zhǔn)備參加運(yùn)算的一個(gè)操作數(shù)（成為源操作數(shù)）； （ 2）狀態(tài)寄存器 STATUS：反映最近一次算術(shù) 邏輯運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)特征，如是否產(chǎn)生進(jìn)位、借位、結(jié)果是否為零等，共涉及 3個(gè)標(biāo)志位（ Z、 DC和 C）。該寄存器在其他單片機(jī)中又稱為標(biāo)志寄存器或程序狀態(tài)字（ PAW）寄存器。另外，狀態(tài)寄存器還包括數(shù)據(jù)寄存器區(qū)域的選擇信息（ IRP、 RP1和 RP0）。如圖所示的狀態(tài)寄存器 STATUS 指向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址復(fù)用器的 3條控制線，配合完成間接尋址（ IRP）和直接尋址（ RP1和 RP0）。 （ 3）文件選擇寄存器 FSR：是與 INDF 完成間接尋址的專用主題寄存器，用于存放間接地址，即預(yù)先將要訪問單元的地址存入該寄存器。 5） 輸入 /輸出端口模式 PIC16F877 單片機(jī)具有豐富的接口資源，共設(shè)置有 5 個(gè)輸入 /輸出端口，分別為 RA（ 6 位）、 RB（ 8 位）、 RC（ 8 位）、 RD（ 8 位）和 RE（ 3 位），合計(jì)共有 33 個(gè)引腳。大多數(shù)引腳除了基本 I/O 功能外，還配置有其他特殊功能，例如模擬量輸入通道，串 /并行通信線和 MPLAB— ICD專用控制線等。這些端口引腳在使用中存在著差異，特別是 RA（ 6位）和 RE（ 3位）中所涉及的輸入 /輸出通道，只有當(dāng)對(duì) ADCON1進(jìn)行設(shè)置后才能用作為數(shù)字累輸入 /輸出引腳。另外， RB端口的高 4 位具有特殊的電平變化中斷功能，為實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了很 大方便。 RC 端口擁有各類串行通信功能，包括主控同步串行通信 MSSP（ SPI、I2C）和通用同步 /異步收發(fā)器 USART 6） 多功能定時(shí)器模塊 PIC16F877 單片機(jī)配置有 3 個(gè)功能較強(qiáng)的多功能定時(shí)器模塊： TMR0（ 8 位）、 TMR1（ 16 位）和 TMR2（ 8 位）。他們都具有不同位寬的可編程定時(shí)器，出 TMR2 以外都可作為計(jì)數(shù)器使用。每個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器模塊都配有不同比例的預(yù)分頻器或后分頻器。另外，還有兩個(gè)重要的專門用途；當(dāng)設(shè)置在同步計(jì)數(shù)方式下， TMR1 可與捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制CCP模塊配合實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制輸出功能。 7） 核心模塊 PIC16F877單片機(jī)具有多種功能強(qiáng)大的系統(tǒng)復(fù)位模式：基于電容的效應(yīng)，當(dāng)系統(tǒng)芯片加電后， VDD 電壓會(huì)有一個(gè)逐漸上升的過程，只有達(dá)到 ~ 后，上電復(fù)位電路將自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位脈沖，使單片機(jī)復(fù)位；而為了保障系統(tǒng)程序安全，可靠運(yùn)行，當(dāng)VDD 掉電跌落到 VBOR(大約 4V)的時(shí)間大于 TBOR（大約 100us）時(shí)，如果掉電復(fù)位功能處于使能方式，將自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)并使芯片保持在復(fù)位狀態(tài)；而此時(shí)如果 VDD蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 恢復(fù)到正常范圍，上電延時(shí)電路再提供一個(gè) 72ms 延時(shí)，才使 CPU 從復(fù)位狀態(tài)返回到原正常運(yùn)行狀態(tài)。另外，核心 模塊還帶有兩種特殊的延時(shí)電路：上電延時(shí)和起振延時(shí)電路。在芯片加電時(shí)，上電延時(shí)定時(shí)器 PWRT提供一個(gè)固定的 72ms正常上電延時(shí)。上電延時(shí)電路采用 RC 振蕩器方式工作。當(dāng) PWRT 處于延時(shí)過程時(shí)，芯片就能一直保持在復(fù)位狀態(tài)，以確保電源電壓在這個(gè)固定延時(shí)內(nèi)達(dá)到合適的芯片工作電壓；在上電延時(shí)電路提供一個(gè)72ms延時(shí)后，起振定時(shí)器 OST將提供 1024個(gè)振蕩周期的延遲