第2章 单片机基础

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第2章 章

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第2章 章2.1 概述

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2.2 MCS—51系列单片机基本结构 系列单片机基本结构 2.3 中央处理器 中央处理器CPU 2.4 MCS—51单片机存储器及存储空间 单片机存储器及存储空间 2.5 并行输入 输出接口 并行输入/输出接口

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2.1 概述2.1.1 单片机的产生与发展 单片机出现的历史并不长, 但发展十分迅猛。 它的 产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步, 自1971 年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来, 它的发展 到目前为止大致可分为5个阶段:

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第1阶段(1971~1976): 单片机发展的初级阶段。 1971年11月Intel公司首先设计出集成度为2 000只晶体 管/片的4位微处理器Intel 4004, 并配有RAM、 ROM和 移位寄存器, 构成了第一台MCS—4微处理器, 而后又推 出了8位微处理器Intel 8008, 以及其它各公司相继推出 的8位微处理器。

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第2阶段(1976~1980): 低性能单片机阶段。 以 1976年Intel公司推出的MCS—48系列为代表, 采用将8位 CPU、 8位并行I/O接口、 8位定时/计数器、 RAM和 ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构, 虽然其 寻址范围有限(不大于4 KB), 也没有串行I/O, RAM、 ROM容量小, 中断系统也较简单, 但功能可满足一般工 业控制和智能化仪器、 仪表等的需要。

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第3阶段(1980~1983): 高性能单片机阶段。 这 一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口, 有多 级中断处理系统, 多个16位定时器/计数器。 片内RAM、 ROM的容量加大,且寻址范围可达64 KB, 个别片内还带 有A/D转换接口。

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第4阶段(1983~80年代末): 16位单片机阶段。 1983年Intel公司又推出了高性能的16位单片机MCS—96 系列, 由于其采用了最新的制造工艺, 使芯片集成度高 达12万只晶体管/片。 第5阶段(90年代): 单片机在集成度、 功能、 速 度、 可靠性、 应用领域等全方位向更高水平发展。

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2.1.2单片机的应用 由于单片机具有体积小、 重量轻、 价格便宜、 功 耗低, 控制功能强及运算速度快等特点, 因而在国民经 济建设、 军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的 应用。 按照单片机的特点, 其应用可分为单机应用与多 机应用。 1. 单机应用 在一个应用系统中, 只使用1片单片机称为单机应 用, 这是目前应用最多的一种方式。 单片机应用的主要 领域有:

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(1) 测控系统。 用单片机可以构成各种不太复杂 的工业控制系统、 自适应控制系统、 数据采集系统等, 达到测量与控制的目的。 (2) 智能仪表。 用单片机改造原有的测量、 控制 仪表, 促进

仪表向数字化、 智能化、 多功能化、 综合 化、 柔性化方向发展。 (3) 机电一体化产品。 单片机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。

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(4) 智能接口。 在计算机控制系统, 特别是在较大 型的工业测、 控系统中, 用单片机进行接口的控制与管 理, 加之单片机与主机的并行工作, 大大提高了系统的 运行速度。 (5) 智能民用产品。 如在家用电器、 玩具、 游戏 机、 声像设备、 电子秤、 收银机、 办公设备、 厨房 设备等许多产品中, 单片机控制器的引入, 不仅使产品 的功能大大增强, 性能得到提高, 而且获得了良好的使 用效果。

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2. 多机应用 单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、 并 行多机处理及局部网络系统。 (1) 功能集散系统。 多功能集散系统是为了满足工 程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。 (2) 并行多机控制系统。 并行多机控制系统主要解 决工程应用系统的快速性问题, 以便构成大型实时工程 应用系统。 (3) 局部网络系统。

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2.1.3 单片机系列简介 目 前 世 界 上 单 片 机 生 产 厂 商 很 多 , 如 : Intel 、 Motorola、 Philips、 Siemens、 NEC、 ADM、 Zilog等 公司, 其主流产品有几十个系列, 几百个品种。 尽管其各 具特色, 名称各异, 但作为集CPU、 RAM、 ROM(或 EPROM)、 I/O接口、 定时器/计数器、 中断系统为一 体的单片机, 其原理大同小异。 现以Intel公司的系列产 品为例, 说明各系列之间的区别。 Intel公司从其生产单片机开始, 发展到现在, 大体上 可 分 为 3 大 系 列 : MCS—48 系 列 、 MCS—51 系 列 、 MCS—96系列。 该3大系列的性能简介见表2―1。

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第2章 章 表2―1 Intel单片机系列性能简介

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2.2 MCS—51系列单片机基本结构 系列单片机基本结构2.2.1 MCS—51单片机系列 MCS—51系列单片机虽已有10多种产品, 但可分为 两大系列: MCS—51子系列与MCS—52子系列。 MCS— 51子系列中主要有8031、 8051、 8751 三种类型。 而 MCS—52子系列也有3种类型8032、 8052、 8752。 各 子系列配置见表2―2所示。

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表2―2 MCS—51系列单片机配置一览表

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表2―2中列出了MCS—51系列单片机的两个子系 列, 在4个性能上略有差异。 由此可见, 在本子系列内各 类 芯 片 的 主 要 区 别 在 于 片 内 有 无 ROM 或 EPROM; MCS—51与MCS—52子系列间所不同的是片内程序存储 器ROM从4 KB增至8 KB; 片内数据存储器由128个字节 增至256个字节;定时器/计数器增加了一个; 中断源增加 了1~2个。 另外, 对于制造工艺为CHMOS的单片机,

由于采用CMOS技术制造, 因此具有低功耗的特点, 如 8051功耗约为630 mW, 而80C51的功耗只有120 mW。

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2.2.2 MCS—51系列单片机内部结构及功能部件 MCS—51系列单片机的内部结构框图如图2―1所示。 分析图2―1, 并按其功能部件划分可以看出, MCS— 51系列单片机是由8大部分组成的。图2―2为按功能划 分的MCS—51系列单片机内部结构简化框图。 这8大部分是: · 一个8位中央处理机CPU。 · 128个字节(MCS—52子系列为256字节)的片 内数据存储器RAM。

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·4 KB(MCS—52子系列为8 KB)的片内程序只读 存储器ROM或EPROM(8031和8032无)。 ·18个(MCS—52子系列为21个)特殊功能寄存器 SFR。 ·4个8位并行输入输出I/O接口: P0口、 P1口、 P2口、 P3口(共32线), 用于并行输入或输出数据。 · 1个串行I/O接口。 ·2个(MCS—52子系列为3个)16位定时器/计数器。

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· 1个具有5个(MCS—52子系列为6个或7个)中断 源, 可编程为2个优先级的中断系统。 它可以接收外部 中断申请, 定时器/计数器中断申请和串行口中断申请。

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图2―1 MCS—51系列单片机内部结构框图

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图2―2 MCS—51系列单片机内部结构简化框图

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2.2.3 单片机外部引脚说明 MCS—51系列单片机芯片均为40个引脚, HMOS工 艺制造的芯片采用双列直插(DIP)方式封装, 其引脚 示意及功能分类如图2―3所示。 CMOS工艺制造的低 功耗芯片也有采用方型封装的, 但为44个引脚, 其中4个 引脚是不使用的。