项目要求：
本项目通过对单片机的结构特点、品种类别以及使用领域等方面的介绍，要求学生明确单片机不同于一般计算机的主要特征以及应用领域，掌握单片机的基本结构与基本特点，了解单片机一些主要品种的典型特性。
项目目标：
1、掌握单片机的基本构造与主要特征2、掌握单片机中三总线的作用及技术指标
3、掌握单片机的特点及应用领域
4、了解单片机一些主要品种的典型特性
项目相关知识：
自1946年第一台电子数字计算机ENIAC问世以来，计算机就以其运算速度快、可靠性高等一系列优点受到人们的重视，应用日益广泛。进入20世纪70年代以来，大规模乃至超大规模集成电路的出现，使计算机电路芯片的制造技术以及运算能力有了极大的提高，而价格却越来越低廉，结果是带来了计算机应用领域的迅速扩展，应用技术的发展更是突飞猛进。计算机本身也在朝着巨型化、微型化、网络化、智能化等四个方面发展。
由单一芯片构成的微型计算机的问世，更进一步推动了计算机应用技术的发展，使计算机的应用渗透到各行各业的各种产品，如今在航天、通信、汽车、船舶、飞机、医疗、自动化设备、家用电器甚至玩具中处处可见它的身影，达到了前所未有的普及程度，对人们的生产和生活方式产生了巨大的影响。
知识1 微型计算机与单片机一、微型计算机的组成微型计算机(Microcomputer)，是具有完整运算及控制功能的计算机，它包括微处理器、存储器、输入/输出(I/O)接口电路以及输入/输出设备等，各部分通过地址总线(AB)、数据总线(DB)和控制总线(CB)相连。如图1-1所示。其中微处理器是由运算器、控制器及一些寄存器构成，也就是通常意义上所说的“中央处理器”，简称为“CPU”。
微型计算机的组成：
二、微型计算机的应用形态微型计算机有三种基本应用形态：1、系统机（多板机）
将CPU、内存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）上。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、硬盘及光驱（外存储器）等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。目前广泛使用的个人电脑（PC）包括台式机、笔记本电脑、平板电脑和一些工业控制计算机均属于此类。
2、单板机将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（如特定键盘、特定显示器）等装配在一块电路板上，再配上固化在ROM（只读存储器）中的专用程序，就构成了一台单板微型计算机，简称单板机。
单板机早期主要用于简单的测控系统，优点是体积相对较小，可靠性以及性价比较高，缺点是I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。现在已基本淘汰。3、单片机
在一片大规模集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路等，从而构成了单芯片微型计算机(Single chip microcomputer)，即单片机。
可见单片机实际上是微型计算机在应用形态上的一个分支。
下图中自左至右分别为系统机、单板机和单片机
三、单片机的主要特征
单片机的形态只是一块芯片，但是它已具备了微型计算机的组成结构和功能。在实际应用中常将它作为一个零部件安装在系统之中做为控制核心，故而也将单片机称为嵌入式微控制器(embedded microcontroller)。
单片机是应工业测控的需要而诞生的，它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又称单片微控制器(Single Chip Microcontroller)。
知识2 单片机的结构与特点一、单片机的结构如上所述，单片机为满足工业测控的需要，其结构与指令功能都是按照工业控制要求设计，这就使得它内部有些构造不同于通用的微型计算机，目前主要有两种基本结构形式：
1、普林斯顿(Princeton)结构（或称冯·诺依曼结构）：将程序存储器和数据存储器合用一个存储空间的结构。这种结构在通用微型计算机中也被广泛采用。2、哈佛(Harvard)结构：将程序存储器和数据存储器截然分开、分别寻址的结构，使用中让程序存储器成为“只读”。目前单片机采用这种结构的居多。最大优点在于系统安全性好，可靠性高。
Intel公司的MCS-51以及ATMEL公司生产的ATMEL89系列单片机采用的是哈佛结构，而Motorola公司的M68HC11等采用的则是普林斯顿结构。
二、单片机中的三总线由上述介绍可知，单片机内部各部件以及输入/输出(I/O)接口电路、输入/输出设备等都是通过“三总线”（即地址总线、数据总线和控制总线）相连的。三总线的宽度（也就是条数）与单片机的性能指标密切相关。
1、地址总线（AB）的任务是负责传送地址信息，地址总线宽度越大（条数越多），能同时传送的地址信息位数越多，CPU能访问的地址范围越大，因此地址线的宽度决定了单片机的“寻址能力”。寻址能力=2n，式中n为地址线的条数。例如具有8条地址线的单片机具有256B的寻址能力，即能够访问总共256个对象（包括存储单元、输入设备、输出设备等）。
目前大多数单片机都具有8条及以上的地址总线，本书将要介绍的MCS51系列单片机具有16条地址线，寻址能力为64KB。
2、数据总线（DB）负责传送数据信息，并且是双向的，对CPU而言，数据从外部传入CPU称作“读”，数据从CPU传出到存储器或外部设备称作“写”。数据总线宽度越大（条数越多），能同时传送的数据位数越多，CPU同一时刻能处理的数据越大，意味着处理能力就越强。单片机拥有的数据线宽度直接反映了其并行数据处理能力。
目前对微机、单片机、CPU等产品所描述的8位机、16位机……64位机等说法，在没有特殊说明的情况下，默许所指的就是数据总线的宽度。
市面上单片机的数据总线宽度有4位、8位、16位、32位及64位等。
例如MCS51系列单片机是8位的，MCS96系列单片机是16位的。
3、控制总线（CB）负责传送控制信息，包括确定“读”或“写”、确定数据传送路线、确定每一操作环节的动作步骤及顺序（时序）等。控制总线的宽度与单片机的设计结构及控制要求有关，不同品牌、型号、性能的单片机控制总线的宽度不同。搞清每条控制总线的类型及功能对连接硬件电路及编写控制程序是十分必要的。
三、单片机的特点1、控制性能好、可靠性高单片机的实时控制功能特别强，其CPU为了满足工业测控的需要，专门增设了“面向控制”的处理功能，可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外，由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。
一些新型的单片机产品，内部还集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式(如在系统编程ISP)等方面都有显著的增强。
2、使用灵活、易扩展，易于开发单片机芯片实际上就是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择，同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系。
当今单片机的指令系统、开发语言及开发软件都很丰富，给其应用及扩展带来了极大的方便。
3、体积小、重量轻、安装方便单片机产品的形态只是单一芯片，体积和重量都很小，引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少，有的封装形式采用QUAD（方形贴片封装）或SOP（双列小贴片封装），从而使应用系统的印制板面积减小、接插件减少，安装简单方便，非常有利于产品的微型化。能满足许多小型对象的嵌入式应用要求。4、存储器容量较小、性价比高
受集成度的限制，单片机片内存储器容量较小，内部ROM容量一般在几十KB以下，内部RAM容量一般在几百B以内。本着够用就好的原则，大多数情况下已经能满足使用需求。而正因为这种设计，使得单片机在低功耗以及低价格等方面比普通微机有着明显的优势。
知识3 单片机的主要品种简介
一、Atmel单片机Atmel公司生产的89系列单片机是基于Intel公司的MCS-51系列而研制的，属于低功耗，高性能的8位单片机，其技术优势在于flash程序存储器技术，典型器件为内部采用采用flash程序存储器的AT89C51系列，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。
89系列单片机可分成标准型（AT89C51、AT89LV51、AT89C52、AT89LV52），完全兼容MCS-51系列单片机；低档型（AT89C1051、AT89C2051），只有20个引脚，RAM及ROM容量均较少，无串行口；高档型（AT89S8252）是一种可下载的flash单片机，和PC机通信下载程序十分方便。
高档型比标准型增加了如下功能：1、8KB Flash存储器有可下载功能。2、除了8KB Flash存储器之外，AT89S8252还含有一个2KB的EEPROM，从而提高了存储容量。3、含有9个中断响应的能力。
4、含标准型和低档型所不具有的SPI(同步串行外设接口)接口。
5、含有Watchdog(看门狗)定时器。6、含有双数据指针。
7、含有从电源下降的中断恢复。
二、Motorola单片机Motorola是世界上最大的单片机生产厂商之一，它生产的MC6805系列单片机是具有多种专门用途的单片机大家族，在家用电器及一些专用控制场合的应用中十分广泛。8位机有68HC05和升级产品68HC08。68HC05有30多个系列，200多个品种。8位增强型单片机也有30多个品种。16位机有10多个品种。32位单片机有几十个品种。
Motorola单片机的特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低很多，因而高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于工控领域及恶劣的环境。
三、Scenix单片机Scenix单片机采用了RISC（精简指令集）结构的CPU，使CPU最高工作频率达50MHz，运算速度接近50MIPS。有了强有力的CPU，各种I/O功能便可以用软件的办法模拟。
I/O模块的集成与组合技术是单片机不可缺少的重要方面。Scenix单片机在I/O模块的处理上引入了虚拟I/O的新概念。除传统的I/O功能模块，如并行I/O，UART(通用异步收发传输器)，SPI，I2C，A/D，PWM，PLL，DTMF等外，新的I/O模块不断出现在Scenix单片机上，如USB，CAN，J1850等。
四、Microchip单片机Microchip单片机是市场份额增长最快的单片机。它的主要产品是16C系列8位单片机。采用RISC（精简指令集）结构，仅33条指令，运行速度快，价格低，且全部为OTP（一次性可编程）器件。主要用于量大、抵挡、价格敏感产品。五、东芝单片机
东芝单片机的特点是从4位机到64位机产品都有，门类齐全。4位机在家电领域仍有较大的市场。8位机主要有870系列、90系列等。该类产品允许使用慢模式（32K时钟），耗电降至10μA数量级。适合低功耗移动产品（如数码相机）使用。六、富士通单片机
富士通也有8位、16位及32位单片机，但8位机使用的是16位的CPU内核。也就是说，8位机和16位机所用的指令相同，使得开发比较容易。8位单片机有著名的MB8900系列，16位机有MB90系列。
七、NEC单片机NEC单片机自成体系，以8位单片机78K系列产量最高，也有16位、32位单片机。部分产品采用内置操作系统。八、Epson单片机
Epson以擅长制造控制面板用小型LCD（液晶显示器）著称，故Epson单片机主要为该公司生产的LCD配套，主要特点为LCD驱动部分做的特别好，在低电压、低功耗方面也很有特点。未来的LCD手表类单片机将使用0.5V电源供电。
知识4 单片机的应用
单片机具有集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，在各个领域得到了广泛的应用。目前已渗透到人们工作和生活的各个角落，几乎是无处不在。
1、智能仪器仪表单片机用于各种仪器仪表，扩展了仪器仪表的功能和提高了精度，使仪器仪表向着智能化方向发展，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而使其安全性、可靠性和可替换性有很大的提高。使用了单片机的各种智能电气测量仪表除可以完成原有的测量功能外，还能够进行数据的远程传输、限量设定、超量报警、定时工作、自动计费、自动开启与关闭甚至可以实施对被测量对象的控制。如加油站的流量计不但可以实现加油计量，还可以实现自动计费、定量加油、自动停枪等功能；现在的电度表可以实现远程抄表、插卡计费用电等功能。
2、机电一体化产品机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体、具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备等。3、实时工业控制
单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、频率、温度、液位、流量、压力、距离、速度等几乎所有物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速控制、化工生产温度压力控制、自动生产线等。
4、分布式系统的前端模块在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列优点。5、汽车、航空航天及船舶
单片机在这些领域中的应用已经很久而且广泛。例如火箭的姿态控制、飞行数据的采集与计算；飞机的雷达系统、火控系统、液压系统数据的检测分析与控制、喷气发动机的喷口矢量控制；船舶的导航系统、监测系统；在汽车上的应用更是无所不在，如ABS（刹车防抱死系统）、自动燃油喷射系统、ESP（车身稳定系统）、自动泊车入位、倒车雷达、自动感应雨刷、自动感应灯光等。
6、家用电器家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、全自动洗衣机、电视机、高端音响设备、智能电饭煲、电磁炉、智能玩具等。另外，在通信领域中，手机、对讲机、可穿戴电子产品等均有单片机的广泛应用。7、办公自动化及安防
单片机在这一领域中的应用更是屡见不鲜，如打印机、传真机、复印机、上/下班打卡、指纹识别、门禁系统等。8、医疗仪器
在现代医学医疗仪器和康复器械中大量使用单片机，增加了仪器的准确性，使功能更加强大，协助医生提高诊断和治疗水平，例如：数字心电图机、B超、心脏起搏器、各种肢体康复仪等。
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