【正文】 計算機正式形成了通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)兩大分支。單片機體積小、成本低，嵌入到工業(yè)控制單元、機器人、智能儀器儀表、汽車電子系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、家用電器、辦公自動化設備、金融電子系統(tǒng)、玩具、個人信息終端及通訊產品中。按照其用途可分為通用型和專用型兩大類。（1）通用型單片機就是其內部可開發(fā)的資源（如存儲器、I/O等各種外圍功能部件等）可以全部提供給用戶。 用戶根據(jù)需要，設計一個以通用單片機芯片為核心，再配以外圍接口電路及其它外圍設備，并編寫相應的軟件來滿足各種不同需要的測控系統(tǒng)。通常所說的和本書介紹的是指通用型單片機。（2）專用型單片機是專門針對某些產品的特定用途而制作的單片機。由于在設計中，已經對“專用”單片機的系統(tǒng)結構最簡化、可靠性和成本的最佳化等方面都做了全面的綜合考慮，所以“專用”單片機具有十分明顯的綜合優(yōu)勢。無論“專用”單片機在用途上有多么“?！保浠窘Y構和工作原理都是以通用單片機為基礎的。單片機的發(fā)展歷史是如何劃分的呢？單片機按其處理的二進制位數(shù)主要分為：4位單片機、8位單片機、16位單片機和32位單片機。發(fā)展大致分為4個階段。第一階段（1974年～1976年）：單片機初級階段。因工藝限制，單片機采用雙片的形式而且功能比較簡單。1974年12月，仙童公司推出了8位的F8單片機，實際上只包括了8位CPU、64B RAM和2個并行口。第二階段（1976年～1978年）：低性能單片機階段。1976年 Intel的MCS48單片機（8位）極大地促進了單片機的變革和發(fā)展，1977年GI公司推出了PIC1650，但這個階段仍處于低性能階段。第三階段（1978年～1983年）：高性能單片機階段。1978年，Zilog公司推出Z8單片機，1980年，Intel公司在MCS48系列基礎上推出MCS51系列，Mortorola推出6801單片機。使單片機的性能及應用躍上新的臺階。此后，各公司的8位單片機迅速發(fā)展。推出的單片機普遍帶有串行I/O口、多級中斷系統(tǒng)、16位定時器/計數(shù)器，片內ROM、RAM容量加大，且尋址范圍可達64KB，有的片內還帶有A/D轉換器。由于這類單片機的性能價格比高，所以被廣泛應用，是目前應用數(shù)量最多的單片機。第四階段（1983年～現(xiàn)在）：8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機、32位單片機推出階段。16位典型產品Intel公司的MCS96系列單片機。而32位單片機除了具有更高的集成度外，其數(shù)據(jù)處理速度比16位單片機提高許多，性能比8位、16位單片機更加優(yōu)越。20世紀90年代單片機制造業(yè)大發(fā)展時期，Mortorola、Intel、ATMEL、德州儀器（TI）、三菱、日立、飛利浦、LG等公司開發(fā)一大批性能優(yōu)越的單片機，極大推動單片機的應用。近年，又有不少新型的高集成度的單片機產品涌現(xiàn)出來，出現(xiàn)了產品豐富多彩的局面。目前，除8位單片機得到廣泛應用外，16位單片機、32位單片機也得到廣大用戶青睞。單片機的特點:單片機是集成電路技術與微型計算機技術高速發(fā)展的產物。體積小、價格低、應用方便、穩(wěn)定可靠，因此，給工業(yè)自動化等領域帶來了一場重大革命和技術進步。由于體積小，很容易地嵌入到系統(tǒng)之中，以實現(xiàn)各種方式的檢測、計算或控制，這一點，一般微機根本做不到。由于單片機本身就是一個微型計算機，因此只要在單片機的外部適當增加一些必要的外圍擴展電路，就可以靈活地構成各種應用系統(tǒng)，如工業(yè)自動檢測監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、智能儀器儀表等。為什么應用廣泛？具有以下優(yōu)點：（1）功能齊全，應用可靠，抗干擾能力強。（2）簡單方便，易于普及。單片機技術是易掌握技術。應用系統(tǒng)設計、組裝、調試已經是一件容易的事情，工程技術人員通過學習可很快掌握其應用設計技術。（3）發(fā)展迅速，前景廣闊。短短幾十年，單片機經過4位機、8位機、16位機、32位機等幾大發(fā)展階段。尤其是集成度高、功能日臻完善的單片機不斷問世，使單片機在工業(yè)控制及工業(yè)自動化領域獲得長足發(fā)展和大量應用。目前，單片機內部結構愈加完美，片內外圍功能部件越來越完善，向更高層次和更大規(guī)模的發(fā)展奠定堅實的基礎。（4）嵌入容易，用途廣泛，體積小、性能價格比高，應用靈活性強等特點在嵌入式微控制系統(tǒng)中具有十分重要的地位。單片機出現(xiàn)前，制作一套測控系統(tǒng)，大量的模擬電路、數(shù)字電路、分立元件完成，以實現(xiàn)計算、判斷和控制功能。系統(tǒng)的體積龐大，線路復雜，連接點多，易出現(xiàn)故障。單片機出現(xiàn)后，測控功能的絕大部分由單片機的軟件程序實現(xiàn)，其它電子線路則由片內的外圍功能部件來替代。單片機的應用:軟硬件結合、體積小，容易嵌入到各種應用系統(tǒng)中。得到廣泛應用。1．工業(yè)檢測與控制主要應用：工業(yè)過程控制、智能控制、設備控制、數(shù)據(jù)采集和傳輸、測試、測量、監(jiān)控等。在工業(yè)自動化的領域中，機電一體化技術將發(fā)揮愈來愈重要的作用，在這種集機械、微電子和計算機技術為一體的綜合技術（如機器人技術）中，單片機發(fā)揮著非常重要的作用。2．儀器儀表目前對儀器儀表的自動化和智能化要求越來越高。單片機的使用有助于提高儀器儀表的精度和準確度，簡化結構，減小體積而易于攜帶和使用，加速儀器儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化方向發(fā)展。3．消費類電子產品例如，洗衣機、電冰箱、空調機、電風扇、電視機、微波爐、加濕機、消毒柜等。嵌入了單片機后，功能和性能大大提高，并實現(xiàn)智能化、最優(yōu)化控制。4．通訊在調制解調器、各類手機、傳真機、程控電話交換機、信息網絡及各種通訊設備中，單片機也已經得到廣泛應用。5．武器裝備在現(xiàn)代化的武器裝備中，如飛機、軍艦、坦克、導彈、魚雷制導、智能武器裝備、航天飛機導航系統(tǒng)，都有單片機嵌入其中。6．各種終端及計算機外部設備計算機網絡終端（如銀行終端）以及計算機外部設備（如打印機、硬盤驅動器、繪圖機、傳真機、復印機等）中都使用了單片機作為控制器。7．汽車電子設備已經廣泛地應用在各種汽車電子設備中，如汽車安全系統(tǒng)、汽車信息系統(tǒng)、智能自動駕駛系統(tǒng)、衛(wèi)星汽車導航系統(tǒng)、汽車緊急請求服務系統(tǒng)、汽車防撞監(jiān)控系統(tǒng)、汽車自動診斷系統(tǒng)以及汽車黑匣子等。8．分布式多機系統(tǒng)在較復雜多節(jié)點的測控系統(tǒng)中，常采用分布式多機系統(tǒng)。一般由若干臺功能各異的單片機組成，各自完成特定的任務，它們通過串行通信相互聯(lián)系、協(xié)調工作。在這種系統(tǒng)中，單片機往往作為一個終端機，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點上，對現(xiàn)場信息進行實時的測量和控制。從工業(yè)自動化、自動控制、智能儀器儀表、消費類電子產品等方面，直到國防尖端技術領域，單片機都發(fā)揮著十分重要的作用。單片機的發(fā)展趨勢：單片機的發(fā)展趨勢將是向大容量、高性能化，外圍電路內裝化等方面發(fā)展。為滿足不同用戶的要求，各公司競相推出能滿足不同需要的產品。1．CPU的改進（1）增加CPU數(shù)據(jù)總線寬度。例如，各種16位單片機和32位單片機，數(shù)據(jù)處理能力要優(yōu)于8位單片機。另外，8位單片機內部采用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。（2）采用雙CPU結構，以提高數(shù)據(jù)處理能力。2．存儲器的發(fā)展（1）片內程序存儲器普遍采用閃爍（Flash）存儲器。可不用外擴展程序存儲器，簡化系統(tǒng)結構。（2）加大存儲容量。目前有的單片機片內程序存儲器容量可達128KB甚至更多。3．片內I/O的改進（1）增加并行口驅動能力，以減少外部驅動芯片。有的單片機可以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）有些單片機設置了一些特殊的串行I/O功能，為構成分布式、網絡化系統(tǒng)提供方便條件。4．低功耗化CMOS化，功耗小，配置有等待狀態(tài)、睡眠狀態(tài)、關閉狀態(tài)等工作方式。消耗電流僅在181。A或nA量級，適于電池供電的便攜式、手持式的儀器儀表以及其它消費類電子產品。5．外圍電路內裝化眾多外圍電路全部裝入片內，即系統(tǒng)的單片化是目前發(fā)展趨勢之一。例如，美國Cygnal公司的C8051F020 8位單片機，內部采用流水線結構，大部分指令的完成時間為1或2個時鐘周期，峰值處理能力為25MIPS。片上集成有8通道A/D、兩路D/A、兩路電壓比較器，內置溫度傳感器、定時器、可編程數(shù)字交叉開關和64個通用I/O口、電源監(jiān)測、看門狗、多種類型的串行接口（兩個UART、SPI）等。一片芯片就是一個“測控”系統(tǒng)。綜上所述，單片機正在向多功能、高性能、高速度（時鐘達40MHz）、低電壓（）、低功耗、低價格（幾元錢）、外圍電路內裝化以及片內程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器容量不斷增大的方向發(fā)展。MCS51系列與AT89C5x系列單片機：20世紀80年代以來，發(fā)展迅速，世界一些著名廠商投放市場的產品就有幾十個系列，數(shù)百個品種，Intel公司的MCS4MCS51，Motorola公司的6806802，Zilog公司的Z8系列，Rockwell公司的6506502等。此外，荷蘭的Philips公司、日本的NEC公司、日立公司等也相繼推出了各自的產品。盡管機型很多，但是在20世紀80年代以及90年代，在我國使用最多的8位單片機還是Intel公司的MCS51系列單片機以及與其兼容的單片機（稱為51系列單片機）。MCS51系列單片機MCS是Intel公司單片機的系列符號，如MCS4MCS5MCS96系列單片機。MCS51系列是在MCS48系列基礎上于20世紀80年代初發(fā)展起來的，是最早進入我國，并在我國得到廣泛應用的單片機主流品種。MCS51系列品種豐富，經常使用的是基本型和增強型。基本型：8031/8051/8751（低功耗型80C31/80C51/87C51）增強型：8032/8052/8752。已為我國廣大技術人員所熟悉和掌握。在上世紀80年代和90年代，MCS51系列是在我國應用最為廣泛的單片機機型之一。典型產品：8031/8051/8751。8031內部包括1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、1個全雙工串行口，2個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源，但片內無程序存儲器，需外擴程序存儲器芯片。8051是在8031的基礎上，片內又集成有4KB ROM作為程序存儲器。所以8051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。8751與8051相比，片內集成的4KB EPROM取代了8051的4KB ROM來作為程序存儲器。增強型：Intel公司在基本型基礎上，推出增強型52子系列，典型產品：8032/8052/8752。內部RAM增到256B，805片內程序存儲器擴展到8KB，16位定時器/計數(shù)器增至3個，6個中斷源，串行口通信速率提高5倍。表11基本型和增強型的MCS51系列單片機片內的基本硬件資源型號片內程序儲存器片內數(shù)據(jù)出現(xiàn)存器(B)I/O口線 (位)定時器/計數(shù)器 (個)中斷源個數(shù)(個)基本型8031無128322580514KBROM128322587514KBRPROM1283225增強型8032無256323680528KBROM256323687528KBEPROM2563236AT89C5x（AT89S5x）系列單片機20世紀80年代中期以后，Intel精力集中在高檔CPU芯片的開發(fā)、研制上，淡出單片機芯片的開發(fā)和生產。MCS51系列設計上的成功，以及較高的市場占有率，已成為許多廠家、電氣公司競相選用的對象。Intel公司以專利形式把8051內核技術轉讓給ATMEL、Philips、Cygnal、ANALOG、LG、ADI、Maxim、DALLAS等公司。生產的兼容機與8051兼容，采用CMOS工藝，因而常用80C51系列單片機來稱呼所有這些具有8051指令系統(tǒng)的單片機，這些兼容機的各種衍生品種統(tǒng)稱為51系列單片機或簡稱為51單片機，是在8051的基礎上又增加一些功能模塊（稱其為增強型、擴展型子系列單片機）。近年來，世界上單片機芯片生產廠商推出的與8051（80C51）兼容的主要產品如表12所示。生產廠家單片機型號ATMEL公司AT89C5X系列(89C51/89S51)Philips公司80C51 8XC552系列Cyganal公司C80c51f系列高速SOC單片機LG公司GMS90/97系列低價高速單片機ADIAduc8xx 系列高精度單片機美國MAXIM公司Ds89c420高速(50MIPS)單片機系列臺灣華邦公司W78c51 w77c51 系列高速低價單片機AMD公司8515/535 單片機Siemens公司SAB80512 單片機表128051（80C51）兼容的主要產品在眾多的衍生機型中，ATMEL公司的AT89C5x/AT89S5x系列，尤其是T89C51/AT89S51和AT89C52/AT89S52在8位單片機市場中占有較大的市場份額。ATMEL公司1994年以E2PROM技術與Intel公司的80C51內核的使用權進行交換。ATMEL公司的技術優(yōu)勢是閃爍（Flash）存儲器技術，將Flash技術與80C51內核相結合，形成了片內帶有Flash存儲器的AT89C5x/AT89S5x系列單片機。AT89C5x/AT89S5x系列與MCS51系列在原有功能、引腳以及指令系統(tǒng)方面完全兼容。此外，某些品種又增加了一些新的功能，如看門狗定時器WDT、ISP（在系統(tǒng)編程也稱在線編程）及SPI串行接口技術等。片內Flash存儲器允許在線（+5V）電擦除、電寫入或使用編程器對其重復編程。另外，AT89C5x/AT89S5x單片機還支持由軟件選擇的兩種節(jié)電工作方式，非常適于低功耗的場合。與MCS51系列的87C51單片機相比，AT89C51/AT89S51單片機片內的4KB Flash存儲器取代了87C51片內的4KB EPROM。AT89S51片內的Flash存儲器可在線編程或使用編程器重復編程，且價格較低。因此AT89C51/A