單片機入門基礎(chǔ)介紹

單片機入門基礎(chǔ)介紹1第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一單片機簡介2第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

1.科技的進步需要技術(shù)不斷的提升。一塊大而復(fù)雜的模擬電路花費了您巨大的精力，繁多的元器件增加了您的成本。而現(xiàn)在，只需要一塊幾厘米見方的單片機，寫入簡單的程序，就可以使您以前的電路簡單很多。相信您在使用并掌握了單片機技術(shù)后，不管在您今后開發(fā)或是工作上，一定會帶來意想不到的驚喜。如果說五十年代起，無線電世界造就了幾代精英，那么當今的單片機世界將會造就出新一代電子精英。

2.單片機帶你進入智能化電子領(lǐng)域

若將經(jīng)典電子系統(tǒng)當作一個僵死的電子系統(tǒng)，那么智能化的現(xiàn)代電子系統(tǒng)則是一個具有“生命”的電子系統(tǒng)。單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)給予電子系統(tǒng)“身軀”，單片機應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用程序賦予其“生命”。例如，在設(shè)計智能化儀器顯示器的顯示功能時，可在開機時顯示系統(tǒng)自檢結(jié)果，未進入工作時顯示各種待機狀態(tài)，儀器運行時顯示運行過程，工作結(jié)束后可顯示當前結(jié)果、自檢結(jié)果、原始數(shù)據(jù)、各種處理報表等。在無人值守時，可給定各種自動運行功能。

3第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

電子系統(tǒng)的智能化為無止境境界，常常不需硬件資源的增添就能實現(xiàn)各種翻新功能。這也是當前許多家用電器功能大量增設(shè)的因素之一。我國開始使用單片機是在1982年，短短五年時間里發(fā)展極為迅速。1986年在上海召開了全國首屆單片機開發(fā)與應(yīng)用交流會，有的地區(qū)還成立了單片微型計算機應(yīng)用協(xié)會，那是全國形成的第一次高潮。截止今日，單片機應(yīng)用技術(shù)飛速發(fā)展，我們上因特網(wǎng)輸入一個“單片機”的搜索，將會看到上萬個介紹單片機的網(wǎng)站，這還不包括國外的。與它相應(yīng)的專業(yè)雜志現(xiàn)在也有很多，比如由單片機界的權(quán)威何立民主編的《單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》雜志現(xiàn)以風靡電子界，在2003年7月，91（91獵頭網(wǎng)）在上海、廣州、北京等大城市所做的一次專業(yè)人才需求報告中，單片機人才的需求量位居第一。一塊小小的片子，為何有這樣的魔力？4第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一我們首先從它的構(gòu)成說起：單片機，亦稱單片微電腦或單片微型計算機。它是把中央處理器（CPU）、隨機存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、輸入/輸出端口（I/0）等主要計算機功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。計算機的產(chǎn)生加快了人類改造世界的步伐，但是它畢竟體積大。微計算機（單片機）在這種情況下誕生了，它為我們改變了什么？縱觀我們現(xiàn)在生活的各個領(lǐng)域，從導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，到飛機上各種儀表的控制，從計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，到工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，以及我們生活中廣泛使用的各種智能IC卡、電子寵物等，這些都離不開單片機。5第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一3.原有電氣設(shè)備比較，市場廣闊：

以前沒有單片機時，這些東西也能做，但是只能使用復(fù)雜的模擬電路，然而這樣做出來的產(chǎn)品不僅體積大，而且成本高，并且由于長期使用，元器件不斷老化，控制的精度自然也會達不到標準。在單片機產(chǎn)生后，我們就將控制這些東西變?yōu)橹悄芑?，我們只需要在單片機外圍接一點簡單的接口電路，核心部分只是由人為的寫入程序來完成。這樣產(chǎn)品的體積變小了，成本也降低了，長期使用也不會擔心精度達不到了。所以，它的魔力不僅是在現(xiàn)在，在將來將會有更多的人來接受它、使用它。據(jù)統(tǒng)計，我國的單片機年容量已達1—3億片，且每年以大約16%的速度增長，但相對于世界市場我國的占有率還不到1%。特別是沿海地區(qū)的電氣設(shè)備廠等生產(chǎn)產(chǎn)品多數(shù)用到單片機，并不斷地輻射向內(nèi)地。所以，學(xué)習單片機在我國是有著廣闊前景的。6第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一第1章緒論

本章主要介紹微型計算機應(yīng)用形態(tài)、單片機的特點及應(yīng)用領(lǐng)域、單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)方式。1.1電子計算機的發(fā)展概述1.2單片機的發(fā)展過程及產(chǎn)品近況1.3單片機的特點及應(yīng)用領(lǐng)域1.4單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)簡介7第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一1.1電子計算機發(fā)展概述1.1.1電子計算機的問世及其經(jīng)典結(jié)構(gòu)1946年2月15日，第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC問世，這標志著計算機時代的到來。（CALCULATOR）8第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一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(nèi)完成5000次加法運算。與現(xiàn)代的計算機相比，有許多不足，但它的問世開創(chuàng)了計算機科學(xué)技術(shù)的新紀元，對人類的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生了巨大的影響。(光源)

9第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

匈牙利籍數(shù)學(xué)家馮·諾依曼在方案的設(shè)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(gòu)建了計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成這一計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。（EDVAC-ELECTRONICDISCRETEVARIABLEAUTOMATICCOMPUTER）10第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一電子計算機技術(shù)的發(fā)展，相繼經(jīng)歷了五個時代（隨元器件的變化）﹡電子管計算機；﹡晶體管計算機；﹡集成電路計算機；﹡大規(guī)模集成電路計算機；﹡超大規(guī)模集成電路計算機。計算機的結(jié)構(gòu)仍然沒有突破馮·諾依曼提出的計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)框架。11第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一1.1.2微型計算機的組成及其應(yīng)用形態(tài)一、微型計算機的歷史

1971年1月，INTEL公司的特德·霍夫在與日本商業(yè)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(shù)據(jù)，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）。12第12頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一單片機的產(chǎn)生經(jīng)過

在日本由于IC化的計算器競賽激化，應(yīng)用范圍從事務(wù)用到科學(xué)計算用變得非常寬廣起來?？墒?，那個時候是每開發(fā)用途的計算器不得不開發(fā)不同的IC的狀況。在那樣的狀況中，bijikon公司考慮「種種的用途的計算器共通能使用的IC的開發(fā)」。為了實現(xiàn)那個設(shè)想，嶋正利等技術(shù)人員被派遣到美國英特爾公司開始了開發(fā)。(1969年6月)那時bijikon的計算器，使用ROM那里容納宏命令用途不相同的計算器對應(yīng)著，這個當時是有劃時代的意義的。英特爾的特德·hofu作為所謂「軟件」的概念置換讓硬件減少了，而且實現(xiàn)了計算器以外也能使用的「有通用性的IC」。4001:ROM4002:RAM4003:輸入輸出4004:CPU的4個IC構(gòu)成全體，以后歸結(jié)這項作為「微電腦系統(tǒng)」發(fā)表了。(1971年4月的事)此后，英特爾公司作為「MCS4」的名字的4比特微處理器銷售。13第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

1971年intel公司研制出世界上第一個4位的微處理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一塊4位微處理器芯片Intel4004，標志著第一代微處理器問世，微處理器和微機時代從此開始。因發(fā)明微處理器，霍夫被英國《經(jīng)濟學(xué)家》雜志列為“二戰(zhàn)以來最有影響力的7位科學(xué)家”之一

。

1971年11月，Intel推出MCS-4微型計算機系統(tǒng)（包括4001ROM芯片、4002RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微處理器）其中4004（下圖）包含2300個晶體管，尺寸規(guī)格為3mm×4mm，計算性能遠遠超過當年的ENIAC，最初售價為200美元。14第14頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

1972年4月，霍夫等人開發(fā)出第一個8位微處理器Intel8008。由于8008采用的是P溝道MOS微處理器，因此仍屬第一代微處理器。

1973年intel公司研制出8位的微處理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微處理器Intel8080，以N溝道MOS電路取代了P溝道，第二代微處理器就此誕生。15第15頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一主頻2MHz的8080芯片運算速度比8008快10倍，可存取64KB存儲器，使用了基于6微米技術(shù)的6000個晶體管，處理速度為0.64MIPS（MillionInstructionsPerSecond）1975年4月，MITS發(fā)布第一個通用型Altair8800，售價375美元，帶有1KB存儲器。這是世界上第一臺微型計算機。16第16頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一1976年intel公司研制出MCS-48系列8位的單片機，這也是單片機的問世。Zilog公司于1976年開發(fā)的Z80微處理器，廣泛用于微型計算機和工業(yè)自動控制設(shè)備。當時，Zilog、Motorola和Intel在微處理器領(lǐng)域三足鼎立。17第17頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一20世紀80年代初，Intel公司在MCS-48系列單片機的基礎(chǔ)上，推出了MCS-51系列8位高檔單片機。MCS-51系列單片機無論是片內(nèi)RAM容量，I/O口功能，系統(tǒng)擴展方面都有了很大的提高。18第18頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一80C51系列單片機產(chǎn)品繁多，主流地位已經(jīng)形成，近年來推出的與80C51兼容的主要產(chǎn)品有：

﹡ATMEL公司融入Flash存儲器技術(shù)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。19第19頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一非80C51結(jié)構(gòu)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(chǎn)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。20第20頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一微處理器、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(shù)據(jù)總線（DB）和控制總線（CB）相連。微型計算機的組成

21第21頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一二、微型計算機的應(yīng)用形態(tài)從應(yīng)用形態(tài)上，微型計算機可以分成三種：（1）多板機（系統(tǒng)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）上，再通過系統(tǒng)總線和其它多塊外設(shè)適配板卡連接鍵盤、顯示器、打印機、軟/硬盤驅(qū)動器及光驅(qū)等設(shè)備。各種適配板卡插在主機板的擴展槽上并與電源、軟/硬盤驅(qū)動器及光驅(qū)等裝在同一機箱內(nèi)，再配上系統(tǒng)軟件，就構(gòu)成了一臺完整的微型計算機系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)機）。工業(yè)PC機也屬于多板機。22第22頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一（2）單板機將CPU芯片、存儲器芯片、I/O接口芯片和簡單的I/O設(shè)備（小鍵盤、LED顯示器）等裝配在一塊印刷電路板上，再配上監(jiān)控程序（固化在ROM中），就構(gòu)成了一臺單板微型計算機（簡稱單板機）。單板機圖片23第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

單板機的I/O設(shè)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(xué)及簡單的測控系統(tǒng)，現(xiàn)在已很少使用。24第24頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一（3）單片機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(gòu)成了單芯片微型計算機，即單片機。三種應(yīng)用形態(tài)的比較：單板機單片機系統(tǒng)機（多板機）25第25頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

系統(tǒng)機（桌面應(yīng)用）屬于通用計算機，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理、辦公自動化及輔助設(shè)計。

單片機（嵌入式應(yīng)用）屬于專用計算機，主要應(yīng)用于智能儀表、智能傳感器、智能家電、智能辦公設(shè)備、汽車及軍事電子設(shè)備等應(yīng)用系統(tǒng)。單片機體積小、價格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應(yīng)用形態(tài)對于滿足嵌入式應(yīng)用需求具有獨特的優(yōu)勢。26第26頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一硬件系統(tǒng)——構(gòu)成微機的實體和裝置軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)共同構(gòu)成實用的微機系統(tǒng)，兩者是相輔相成、缺一不可的。

軟件系統(tǒng)+微型計算機系統(tǒng)運算器控制器CPU存儲器輸入接口電路輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出接口電路硬件系統(tǒng)微型計算機系統(tǒng)27第27頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一CPU輸入設(shè)備輸出設(shè)備軟件系統(tǒng)+微型計算機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)輸入接口設(shè)備輸出接口設(shè)備運算器控制器存儲器單片微型計算機是指集成在一個芯片上的微型計算機，簡稱單片機——

單片機實質(zhì)上就是一個芯片單片微型計算機28第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一常用的概念微處理器單片機（通用計算機、專用計算機）單片機系統(tǒng)（單片機+外圍電路）單片機應(yīng)用系統(tǒng)（單片機+外圍電路+應(yīng)用系統(tǒng)）單片機及開發(fā)系統(tǒng)29第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一1.2單片機的發(fā)展過程及

產(chǎn)品近況1.2.1單片機的發(fā)展過程單片機技術(shù)發(fā)展過程可分為三個主要階段：

（1）單芯片微機形成階段

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機。

8位CPU、1K字節(jié)ROM、64字節(jié)RAM、27根I/O線和1個8位定時/計數(shù)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(tǒng)功能不強。

30第30頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

（2）性能完善提高階段

1980年，Intel公司推出了MCS-51系列單片機：8位CPU、4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、4個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數(shù)器。尋址范圍64K，并有控制功能較強的布爾處理器。

特點是：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點進一步突出?，F(xiàn)在，MCS-51已成為公認的單片機經(jīng)典機種。31第31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

（3）微控制器化階段

1982年，Intel推出MCS-96系列單片機。芯片內(nèi)集成：16位CPU、8K字節(jié)ROM、232字節(jié)RAM、5個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數(shù)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。

特點是：片內(nèi)面向測控系統(tǒng)外圍電路增強，使單片機可以方便靈活地用于復(fù)雜的自動測控系統(tǒng)及設(shè)備?！拔⒖刂破鳌钡姆Q謂更能反應(yīng)單片機的本質(zhì)。32第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)展

74年………85年………90年………..00年

4位8位16位32位單片機的發(fā)展單片機發(fā)展趨勢：CPU、時鐘、內(nèi)存、輸入輸出、制造工藝33第33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一1.2.2單片機產(chǎn)品近況

型號制造技術(shù)片內(nèi)程序存儲器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器8051AHHMOSROM(4k)128字節(jié)8031AHAHMOS無128字節(jié)8751HHMOSEPROM（4K）128字節(jié)80C51CHMOSROM（4K）128字節(jié)80C31CHMOS無128字節(jié)8051HMOSROM（8K）256字節(jié)8031HMOS無256字節(jié)34第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一（1）80C51系列單片機產(chǎn)品繁多，主流地位已經(jīng)形成，近年來推出的與80C51兼容的主要產(chǎn)品有：

﹡ATMEL公司融入Flash存儲器技術(shù)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。35第35頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

（2）非80C51結(jié)構(gòu)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(chǎn)品有：﹡Intel的MCS-96系列16位單片機；﹡Microchip的PIC系列RISC單片機；﹡TI的ＤＳＰ430F系列16位低功耗單片機。36第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一1.3單片機的特點及應(yīng)用領(lǐng)域1.3.1單片機的特點

（1）控制性能和可靠性高

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(nèi)，各部件間的連接緊湊，數(shù)據(jù)在傳送時受干擾的影響較小，且不易受環(huán)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(chǎn)品，內(nèi)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(wǎng)絡(luò)總線和開發(fā)方式（如在系統(tǒng)編程ISP）等方面都有了進一步的增強。37第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一（2）體積小、價格低、易于產(chǎn)品化

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(shè)計，使芯片的功能與應(yīng)用具有良好的對應(yīng)關(guān)系。在單片機產(chǎn)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(yīng)用系統(tǒng)的印制板減小、接插件減少、安裝簡單方便。具有控制性能和可靠性高良好的性能價格比。這是單片機得以廣泛應(yīng)用的重要原因。38第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一1.3.2單片機的應(yīng)用領(lǐng)域

（1）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(jié)構(gòu)，從而可以方便地完成儀器儀表產(chǎn)品的升級換代。如各種智能電氣測量儀表、智能傳感器等。39第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一（2）機電一體化產(chǎn)品機電一體化產(chǎn)品是集機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動化技術(shù)和計算機技術(shù)于一體，具有智能化特征的各種機電產(chǎn)品。單片機在機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)中可以發(fā)揮巨大的作用。典型產(chǎn)品如機器人、數(shù)控機床、自動包裝機、點鈔機、醫(yī)療設(shè)備、打印機、傳真機、復(fù)印機等。（點焊轉(zhuǎn)臺）40第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一（3）實時工業(yè)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(shù)的采集和控制均可以利用單片機方便地實現(xiàn)。在這類系統(tǒng)中，利用單片機作為系統(tǒng)控制器，可以根據(jù)被控對象的不同特征采用不同的智能算法，實現(xiàn)期望的控制指標，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。典型應(yīng)用如電機轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、自動生產(chǎn)線等。41第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一（4）分布式系統(tǒng)的前端模塊

在較復(fù)雜的工業(yè)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，采用單片機作為分布式系統(tǒng)的前端采集模塊，系統(tǒng)具有運行可靠，數(shù)據(jù)采集方便靈活，成本低廉等一系列優(yōu)點。42第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一（5）家用電器家用電器是單片機的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域，前景十分廣闊。如空調(diào)器、電冰箱、洗衣機、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、航天器等均有單片機的廣泛應(yīng)用。如汽車自動駕駛系統(tǒng)、航天測控系統(tǒng)、黑匣子等

。43第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一1.4單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)簡介1.4.1單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)（寫軟件+調(diào)試）

正確無誤的硬件設(shè)計和良好的軟件功能設(shè)計是一個實用的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計目標。完成這一目標的過程稱為單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。

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(fā)功能，必須借助開發(fā)機（一種特殊的計算機系統(tǒng)）來完成如下任務(wù)