2022/12/1009:08:161單片機原理與應用第二部分微型機原理(含單片機)主講：陳春華

單位：信息學院自動化研究所辦公室：主樓337Email：chenchunhua@2022/12/1009:08:161單片機原理與應用第二部2022/12/1009:08:162主要內容單片機的發展與特點1學時8051體系結構3學時指令系統與C51程序設計2學時中斷系統與定時器2學時串行通訊接口2學時總線擴展2學時輸入輸出設計2學時抗干擾設計2學時2022/12/1009:08:162主要內容單片機的發展與2022/12/1009:08:163第一章單片機發展與特點電子計算機的發展概述微型計算機的組成微型計算機的分類單片機的發展過程單片機的產品近況單片機的特點單片機的應用單片機的開發2022/12/1009:08:163第一章單片機發展與2022/12/1009:08:1641.1電子計算機的發展概述1946年2月15日，第一臺電子數字計算機問世，這標志著計算機時代的到來。（CALCULATOR）ENIACElectronicNumericalIntegratorAndComputer2022/12/1009:08:1641.1電子計算機的2022/12/1009:08:1651.1電子計算機的發展概述ENIAC是電子管計算機，時鐘頻率僅有100KHz，但能在1秒鐘的時間內完成5000次加法運算。與現代的計算機相比，有許多不足，但它的問世開創了計算機科學技術的新紀元，對人類的生產和生活方式產生了巨大的影響。2022/12/1009:08:1651.1電子計算機的2022/12/1009:08:1661.1電子計算機的發展概述匈牙利籍數學家馮·諾依曼在方案的設計上做出了重要的貢獻。1946年6月，他又提出了“程序存儲”和“二進制運算”的思想，進一步構建了計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備組成這一計算機的經典結構。（EDVAC-ELECTRONICDISCRETEVARIABLEAUTOMATICCOMPUTER）馮·諾依曼結構2022/12/1009:08:1661.1電子計算機的2022/12/1009:08:167電子計算機的發展電子管計算機晶體管計算機集成電路計算機大規模集成電路計算機超大規模集成電路計算機計算機的結構仍然沒有突破馮·諾依曼提出的計算機的經典結構框架。1.1電子計算機的發展概述2022/12/1009:08:167電子計算機的發展電子管2022/12/1009:08:1681.2微型計算機的組成1971年1月，INTEL公司的特德·霍夫在與日本商業通訊公司合作研制臺式計算器時，將原始方案的十幾個芯片壓縮成三個集成電路芯片。其中的兩個芯片分別用于存儲程序和數據，另一芯片集成了運算器和控制器及一些寄存器，稱為微處理器（即Intel4004）。4004微處理器2022/12/1009:08:1681.2微型計算機的組2022/12/1009:08:169微處理器、存儲器加上I/O接口電路組成微型計算機。各部分通過地址總線（AB）、數據總線（DB）和控制總線（CB）相連。

1.2微型計算機的組成2022/12/1009:08:169微處理器、存儲器加上I2022/12/1009:08:16101.3微型計算機的分類-表現形態◆多板機（系統機）

工業PC機也屬于多板機。將CPU、存儲器、I/O接口電路和總線接口等組裝在一塊主機板（即微機主板）。各種適配板卡插在主機板的擴展槽上并與電源、軟/硬盤驅動器及光驅等裝在同一機箱內，再配上系統軟件，就構成了一臺完整的微型計算機系統（簡稱系統機）。

2022/12/1009:08:16101.3微型計算機的2022/12/1009:08:16111.3微型計算機的分類將CPU芯片、存儲器芯片、I/O接口芯片和簡單的I/O設備（小鍵盤、LED顯示器）等裝配在一塊印刷電路板上，再配上監控程序（固化在ROM中），就構成了一臺單板微型計算機（簡稱單板機）。單板機的I/O設備簡單，軟件資源少，使用不方便。早期主要用于微型計算機原理的教學及簡單的測控系統，現在已很少使用。

◆單板機2022/12/1009:08:16111.3微型計算機的2022/12/1009:08:16121.3微型計算機的分類在一片集成電路芯片上集成微處理器、存儲器、I/O接口電路，從而構成了單芯片微型計算機，即單片機。系統機（多板機）

單板機單片機◆單片機2022/12/1009:08:16121.3微型計算機的2022/12/1009:08:1613應用領域系統機（桌面應用）屬于通用計算機，主要應用于數據處理、辦公自動化及輔助設計。單片機（嵌入式應用）屬于專用計算機，主要應用于智能儀表、智能傳感器、智能家電、智能辦公設備、汽車及軍事電子設備等應用系統。

單片機體積小、價格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應用形態對于滿足嵌入式應用需求具有獨特的優勢。1.3微型計算機的分類2022/12/1009:08:1613應用領域系統機（桌面2022/12/1009:08:16141.4單片機的發展過程◆形成階段

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機。8位CPU、1K字節ROM、64字節RAM、27根I/O線和1個8位定時/計數器。特點是：存儲器容量較小，尋址范圍小（不大于4K），無串行接口，指令系統功能不強。

2022/12/1009:08:16141.4單片機的2022/12/1009:08:16151980年，Intel公司推出了MCS-51系列單片機：8位CPU、4K字節ROM、128字節RAM、4個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數器。尋址范圍64K，并有控制功能較強的布爾處理器。特點是：結構體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點進一步突出。現在，MCS-51已成為公認的單片機經典機種。◆性能完善提高階段

1.4單片機的發展過程2022/12/1009:08:16151980年，2022/12/1009:08:1616◆微控制器化階段特點是：片內面向測控系統外圍電路增強，使單片機可以方便靈活地用于復雜的自動測控系統及設備。“微控制器”的稱謂更能反應單片機的本質。

1982年，Intel推出MCS-96系列單片機。芯片內集成：16位CPU、8K字節ROM、232字節RAM、5個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數器。尋址范圍64K。片上還有8路10位ADC、1路PWM輸出及高速I/O部件等。1.4單片機的發展過程2022/12/1009:08:1616◆微控制器化階段特點2022/12/1009:08:16171.5單片機的產品近況◆

80C51系列單片機產品繁多，主流地位已經形成，近年來推出的與80C51兼容的主要產品有：

﹡ATMEL公司融入Flash存儲器技術的AT89系列；﹡Philips公司的80C51、80C552系列；

﹡華邦公司的W78C51、W77C51高速低價系列；﹡ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列；

﹡LG公司的GMS90/97低壓高速系列；

﹡Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；

﹡Cygnal公司的C8051F系列高速SOC單片機。

2022/12/1009:08:16171.5單片機的產品2022/12/1009:08:1618◆非80C51結構單片機新品不斷推出，給用戶提供了更為廣泛的選擇空間，近年來推出的非80C51系列的主要產品有：﹡Intel的MCS-96系列16位單片機；﹡Microchip的PIC系列RISC單片機；﹡TI的MSP430F系列16位低功耗單片機。1.5單片機的產品近況2022/12/1009:08:1618◆非80C51結構單2022/12/1009:08:16191.6單片機的特點

實時控制功能特別強，其CPU可以對I/O端口直接進行操作，位操作能力更是其它計算機無法比擬的。另外，由于CPU、存儲器及I/O接口集成在同一芯片內，各部件間的連接緊湊，數據在傳送時受干擾的影響較小，且不易受環境條件的影響，所以單片機的可靠性非常高。近期推出的單片機產品，內部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低電壓、低功耗、串行擴展總線、控制網絡總線和開發方式（如在系統編程ISP）等方面都有了進一步的增強。

◆控制性能和可靠性高

2022/12/1009:08:16191.6單片機的特點2022/12/1009:08:1620單片機芯片即是一臺完整的微型計算機，對于批量大的專用場合，一方面可以在眾多的單片機品種間進行匹配選擇；同時還可以專門進行芯片設計，使芯片的功能與應用具有良好的對應關系；在單片機產品的引腳封裝方面，有的單片機引腳已減少到8個或更少。從而使應用系統的印制板減小、接插件減少、安裝簡單方便。1.6單片機的特點◆體積小、價格低、易于產品化

2022/12/1009:08:1620單片機芯片即是一臺完2022/12/1009:08:16211.7單片機的應用

◆智能儀器儀表

單片機用于各種儀器儀表，一方面提高了儀器儀表的使用功能和精度，使儀器儀表智能化，同時還簡化了儀器儀表的硬件結構，從而可以方便地完成儀器儀表產品的升級換代。如各種智能電氣測量儀表、智能傳感器等2022/12/1009:08:16211.7單片機的應用2022/12/1009:08:1622◆機電一體化產品機電一體化產品是集機械技術、微電子技術、自動化技術和計算機技術于一體，具有智能化特征的各種機電產品。單片機在機電一體化產品的開發中可以發揮巨大的作用。典型產品如機器人、數控機床、自動包裝機、點鈔機、醫療設備、打印機、傳真機、復印機等。1.7單片機的應用2022/12/1009:08:1622◆機電一體化產品機電2022/12/1009:08:1623◆實時工業控制單片機還可以用于各種物理量的采集與控制。電流、電壓、溫度、液位、流量等物理參數的采集和控制均可以利用單片機方便地實現。在這類系統中，利用單片機作為系統控制器，可以根據被控對象的不同特征采用不同的智能算法，實現期望的控制指標，從而提高生產效率和產品質量。典型應用如電機轉速控制、溫度控制、自動生產線等。1.7單片機的應用2022/12/1009:08:1623◆實時工業控制單片機2022/12/1009:08:1624◆分布式系統的前端模塊

在較復雜的工業系統中，經常要采用分布式測控系統完成大量的分布參數的采集。在這類系統中，采用單片機作為分布式系統的前端采集模塊，系統具有運行可靠，數據采集方便靈活，成本低廉等一系列優點。1.7單片機的應用2022/12/1009:08:1624◆分布式系統的前端模2022/12/1009:08:1625◆家用電器家用電器是單片機的又一重要應用領域，前景十分廣闊。如空調器、電冰箱、洗衣機、電飯煲、高檔洗浴設備、高檔玩具等。

另外，在交通領域中，汽車、火車、飛機、航天器等均有單片機的廣泛應用。如汽車自動駕駛系統、航天測控系統、黑匣子等

。1.7單片機的應用2022/12/1009:08:1625◆家用電器家用電器2022/12/1009:08:16261.8單片機系統開發

◆正確無誤的硬件設計和良好的軟件功能設計是一個實用的單片機應用系統的設計目標。完成這一目標的過程稱為單片機應用系統的開發。◆單片機作為一片集成了微型計算機基本部件的集成電路芯片，與通用微機相比，它自身沒有開發功能，必須借助開發機（一種特殊的計算機系統）來完成如下任務：

﹡排除應用系統的硬件故障和軟件錯誤；

﹡程序固化到內部或外部程序存儲器芯片中2022/12/1009:08:16261.8單片機系統開2022/12/1009:08:1627開發語言匯編PL/MC語言1.8單片機系統開發2022/12/1009:08:1627開發語言匯編1.82022/12/1009:08:1628◆利用獨立型仿真器開發

1.8單片機系統開發2022/12/1009:08:1628◆利用獨立型仿真器開2022/12/1009:08:1629在系統編程（ISP）和在應用編程（IAP）SST公司推出的SST89C54和SST89C58芯片分別有20KB和30KB的SuperFLASH存儲器，利用這種存儲器可以進行高速讀寫的特點，能夠實現ISP和IAP功能。首先在PC機上完成應用程序的編輯、匯編（或編譯）、模擬運行，然后實現目標程序的串行下載。

1.8單片機系統開發2022/12/1009:08:1629在系統編程（ISP）2022/12/1009:08:1630Microchip公司推出的RISC結構單片機PIC16F87X中內置有在線調試器ICD（In-CircuitProgramming）功能；

該公司還配置了具有ICSP（In-CircuitSerialProgramming）功能的簡單仿真器和燒寫器。通過PC機串行電纜就可以完成對目標系統的仿真調試。在線調試器ICD1.8單片機系統開發2022/12/1009:08:1630Microchip公2022/12/1009:08:1631Cygnal公司推出的80C51F系列單片機內置有JTAG接口，方便調試、程序燒寫（JointTestActionGroup

）JTAG是一種國際標準測試協議（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片內部測試。現在多數的高級器件都支持JTAG協議,如DSP、FPGA、SOC器件等。標準的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO,分別為模式選擇、時鐘、數據輸入和數據輸出線。JTAG接口1.8單片機系統開發2022/12/1009:08:1631Cygnal公司推出2022/12/1009:08:1632思考題與習題

1.第一臺計算機的問世有何意義？2.計算機由哪幾部分組成？

3.微型計算機由哪幾部分構成？4.微處理器與微型計算機有何區別？5.什么叫單片機？其主要特點有哪些？

6.微型計算機有哪些應用形式？各適于什么場合？7.當前單片機的主要產品有哪些？各有何特點？8.簡述單片機的開發過程。

9.常用的單片機應用系統開發方法有哪些？

2022/12/1009:08:1632思考題與習題2022/12/1009:08:1633單片機原理與應用第二部分微型機原理(含單片機)主講：陳春華

單位：信息學院自動化研究所辦公室：主樓337Email：chenchunhua@2022/12/1009:08:161單片機原理與應用第二部2022/12/1009:08:1634主要內容單片機的發展與特點1學時8051體系結構3學時指令系統與C51程序設計2學時中斷系統與定時器2學時串行通訊接口2學時總線擴展2學時輸入輸出設計2學時抗干擾設計2學時2022/12/1009:08:162主要內容單片機的發展與2022/12/1009:08:1635第一章單片機發展與特點電子計算機的發展概述微型計算機的組成微型計算機的分類單片機的發展過程單片機的產品近況單片機的特點單片機的應用單片機的開發2022/12/1009:08:163第一章單片機發展與2022/12/1009:08:16361.1電子計算機的發展概述1946年2月15日，第一臺電子數字計算機問世，這標志著計算機時代的到來。（CALCULATOR）ENIACElectronicNumericalIntegratorAndComputer2022/12/1009:08:1641.1電子計算機的2022/12/1009:08:16371.1電子計算機的發展概述ENIAC是電子管計算機，時鐘頻率僅有100KHz，但能在1秒鐘的時間內完成5000次加法運算。與現代的計算機相比，有許多不足，但它的問世開創了計算機科學技術的新紀元，對人類的生產和生活方式產生了巨大的影響。2022/12/1009:08:1651.1電子計算機的2022/12/1009:08:16381.1電子計算機的發展概述匈牙利籍數學家馮·諾依曼在方案的設計上做出了重要的貢獻。1946年6月，他又提出了“程序存儲”和“二進制運算”的思想，進一步構建了計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備組成這一計算機的經典結構。（EDVAC-ELECTRONICDISCRETEVARIABLEAUTOMATICCOMPUTER）馮·諾依曼結構2022/12/1009:08:1661.1電子計算機的2022/12/1009:08:1639電子計算機的發展電子管計算機晶體管計算機集成電路計算機大規模集成電路計算機超大規模集成電路計算機計算機的結構仍然沒有突破馮·諾依曼提出的計算機的經典結構框架。1.1電子計算機的發展概述2022/12/1009:08:167電子計算機的發展電子管2022/12/1009:08:16401.2微型計算機的組成1971年1月，INTEL公司的特德·霍夫在與日本商業通訊公司合作研制臺式計算器時，將原始方案的十幾個芯片壓縮成三個集成電路芯片。其中的兩個芯片分別用于存儲程序和數據，另一芯片集成了運算器和控制器及一些寄存器，稱為微處理器（即Intel4004）。4004微處理器2022/12/1009:08:1681.2微型計算機的組2022/12/1009:08:1641微處理器、存儲器加上I/O接口電路組成微型計算機。各部分通過地址總線（AB）、數據總線（DB）和控制總線（CB）相連。

1.2微型計算機的組成2022/12/1009:08:169微處理器、存儲器加上I2022/12/1009:08:16421.3微型計算機的分類-表現形態◆多板機（系統機）

工業PC機也屬于多板機。將CPU、存儲器、I/O接口電路和總線接口等組裝在一塊主機板（即微機主板）。各種適配板卡插在主機板的擴展槽上并與電源、軟/硬盤驅動器及光驅等裝在同一機箱內，再配上系統軟件，就構成了一臺完整的微型計算機系統（簡稱系統機）。

2022/12/1009:08:16101.3微型計算機的2022/12/1009:08:16431.3微型計算機的分類將CPU芯片、存儲器芯片、I/O接口芯片和簡單的I/O設備（小鍵盤、LED顯示器）等裝配在一塊印刷電路板上，再配上監控程序（固化在ROM中），就構成了一臺單板微型計算機（簡稱單板機）。單板機的I/O設備簡單，軟件資源少，使用不方便。早期主要用于微型計算機原理的教學及簡單的測控系統，現在已很少使用。

◆單板機2022/12/1009:08:16111.3微型計算機的2022/12/1009:08:16441.3微型計算機的分類在一片集成電路芯片上集成微處理器、存儲器、I/O接口電路，從而構成了單芯片微型計算機，即單片機。系統機（多板機）

單板機單片機◆單片機2022/12/1009:08:16121.3微型計算機的2022/12/1009:08:1645應用領域系統機（桌面應用）屬于通用計算機，主要應用于數據處理、辦公自動化及輔助設計。單片機（嵌入式應用）屬于專用計算機，主要應用于智能儀表、智能傳感器、智能家電、智能辦公設備、汽車及軍事電子設備等應用系統。

單片機體積小、價格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應用形態對于滿足嵌入式應用需求具有獨特的優勢。1.3微型計算機的分類2022/12/1009:08:1613應用領域系統機（桌面2022/12/1009:08:16461.4單片機的發展過程◆形成階段

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機。8位CPU、1K字節ROM、64字節RAM、27根I/O線和1個8位定時/計數器。特點是：存儲器容量較小，尋址范圍小（不大于4K），無串行接口，指令系統功能不強。

2022/12/1009:08:16141.4單片機的2022/12/1009:08:16471980年，Intel公司推出了MCS-51系列單片機：8位CPU、4K字節ROM、128字節RAM、4個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數器。尋址范圍64K，并有控制功能較強的布爾處理器。特點是：結構體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點進一步突出。現在，MCS-51已成為公認的單片機經典機種。◆性能完善提高階段

1.4單片機的發展過程2022/12/1009:08:16151980年，2022/12/1009:08:1648◆微控制器化階段特點是：片內面向測控系統外圍電路增強，使單片機可以方便靈活地用于復雜的自動測控系統及設備。“微控制器”的稱謂更能反應單片機的本質。

1982年，Intel推出MCS-96系列單片機。芯片內集成：16位CPU、8K字節ROM、232字節RAM、5個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數器。尋址范圍64K。片上還有8路10位ADC、1路PWM輸出及高速I/O部件等。1.4單片機的發展過程2022/12/1009:08:1616◆微控制器化階段特點2022/12/1009:08:16491.5單片機的產品近況◆

80C51系列單片機產品繁多，主流地位已經形成，近年來推出的與80C51兼容的主要產品有：

﹡ATMEL公司融入Flash存儲器技術的AT89系列；﹡Philips公司的80C51、80C552系列；

﹡華邦公司的W78C51、W77C51高速低價系列；﹡ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列；

﹡LG公司的GMS90/97低壓高速系列；

﹡Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；

﹡Cygnal公司的C8051F系列高速SOC單片機。

2022/12/1009:08:16171.5單片機的產品2022/12/1009:08:1650◆非80C51結構單片機新品不斷推出，給用戶提供了更為廣泛的選擇空間，近年來推出的非80C51系列的主要產品有：﹡Intel的MCS-96系列16位單片機；﹡Microchip的PIC系列RISC單片機；﹡TI的MSP430F系列16位低功耗單片機。1.5單片機的產品近況2022/12/1009:08:1618◆非80C51結構單2022/12/1009:08:16511.6單片機的特點

實時控制功能特別強，其CPU可以對I/O端口直接進行操作，位操作能力更是其它計算機無法比擬的。另外，由于CPU、存儲器及I/O接口集成在同一芯片內，各部件間的連接緊湊，數據在傳送時受干擾的影響較小，且不易受環境條件的影響，所以單片機的可靠性非常高。近期推出的單片機產品，內部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低電壓、低功耗、串行擴展總線、控制網絡總線和開發方式（如在系統編程ISP）等方面都有了進一步的增強。

◆控制性能和可靠性高

2022/12/1009:08:16191.6單片機的特點2022/12/1009:08:1652單片機芯片即是一臺完整的微型計算機，對于批量大的專用場合，一方面可以在眾多的單片機品種間進行匹配選擇；同時還可以專門進行芯片設計，使芯片的功能與應用具有良好的對應關系；在單片機產品的引腳封裝方面，有的單片機引腳已減少到8個或更少。從而使應用系統的印制板減小、接插件減少、安裝簡單方便。1.6單片機的特點◆體積小、價格低、易于產品化

2022/12/1009:08:1620單片機芯片即是一臺完2022/12/1009:08:16531.7單片機的應用

◆智能儀器儀表

單片機用于各種儀器儀表，一方面提高了儀器儀表的使用功能和精度，使儀器儀表智能化，同時還簡化了儀器儀表的硬件結構，從而可以方便地完成儀器儀表產品的升級換代。如各種智能電氣測量儀表、智能傳感器等2022/12/1009:08:16211.7單片機的應用2022/12/1009:08:1654◆機電一體化產品機電一體化產品是集機械技術、微電子技術、自動化技術和計算機技術于一體，具有智能化特征的各種機電產品。單片機在機電一體化產品的開發中可以發揮巨大的作用。典型產品如機器人、數控機床、自動包裝機、點鈔機、醫療設備、打印機、傳真機、復印機等。1.7單片機的應用2022/12/1009:08:1622◆機電一體化產品機電2022/12/1009:08:1655◆實時工業控制單片機還可以用于各種物理量的采集與控制。電流、電壓、溫度、液位、流量等物理參數的采集和控制均可以利用單片機方便地實現。在這類系統中，利用單片機作為系統控制器，可以根據被控對象的不同特征采用不同的智能算法，實現期望的控制指標，從而提高生產效率和產品質量。典型應用如電機轉速控制、溫度控制、自動生產線等。1.7單片機的應用2022/12/1009:08:1623◆實時工業控制單片機2022/12/1009:08:1656◆分布式系統的前端模塊

在較復雜的工業系統中，經常要采用分布式測控系統完成大量的分布參數的采集。在這類系統中，采用單片機作為分布式系統的前端采集模塊，系統具有運行可靠，數據采集方便靈活，成本低廉等一系列優點。1.7單片機的應用2022/12/1009:08:1624◆分布式系統的前端模2022/12/1009:08:1657◆家用電器家用電器是單片機的又一重要應用領域，前景十分廣闊。如空調器、電冰箱、洗衣機、電飯煲、高檔洗浴設備、高檔玩具等。

另外，在交通領域中，汽車、火車、飛機、航天器等均有單片機的廣泛應用。如汽車自動駕駛系統、航天測控系統、黑匣子等

。1.7單片機的應用2022/12/1009:08:1625◆家用電器家用電器2022/12/1009:08:16581.8單片機系統開發

◆正確無誤的硬件設計和良好的軟件功能設計是一個實用的單片機應用系統的設計目標