一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。在这种系统中，单片机往往作为一个终端机，安装在系统
的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。从工业自动化、自动控制、智能仪器仪表、消费类电子产品等方面，直到国防尖端技术领域
，单片机都发挥着十分重要的作用。重复编程，且价格较低。因此AT89C51/AT89S51单片机作为代表性产品受到用户欢迎，A
T89C5x/AT89S5x单片机是目前取代MCS-51系列单片机的主流芯片之一。本书重点介绍AT89S51单片机的原理及应用系统
设计。AT89S5x的“S”档系列机型是ATMEL公司继AT89C5x系列之后推出的新机型，代表性产品为AT89S51和AT89
S52。基本型的AT89C51与AT89S51以及增强型的AT89C52与AT89S52的硬件结构和指令系统完全相同。资源分配给
端口I/O引脚。与具有标准复用数字I/O的单片机不同，该结构可支持所有功能组合。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内计数器/定时器、
串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出及单片机内部的其它数字信号配置为出现在端口I/O引脚。允许用户根据自己的特定应用
，选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。1.7.3台湾华邦公司W78系列和W77系列单片机台湾华邦公司(Winbond
)W78系列单片机与AT89C5x系列完全兼容，W77系列为增强型。W77系列对8051的时序作了改进：每个指令周期只需要4个
作码安排在一字之中，指令长度固定、指令格式与种类相对较少、寻址方式也相对较少，绝大部分指令都为单周期指令。取指周期短，又可预取指
令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种“高速度”是以高可靠性来保障的。（2）采用片内Flash存储器给用户的开发带来方便。
片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并可像MCS-51单片机那样扩展外部RAM
。有的器件最低1.8V即可工作。（6）支持程序的在系统编程（ISP—InSystemProgram）即在线编程，开发门
槛较低。只需一条ISP并口下载线，就可以把程序写入AVR单片机，所以使用AVR门槛低、花钱少。其中MEGA系列还支持在线应用编程（
IAP，可在线升级或销毁应用程序）。（7）程序保密性好，不可破解的位加密锁LockBit技术，且具有多重密码保护锁死(Loc
k)功能，使得用户编写的应用程序不被读出。（4）其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至220V交流电源，可直接与继电器控制电
路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。（5）保密性好。PIC以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无
法读出，除非恢复熔丝。目前，PIC采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。（6）片内集成了看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可
靠性。（3）高档8位单片机PIC17CXX系列。适合高级复杂系统开发的产品，在中档位单片机的基础上增加了硬件乘法器，指令周
期可达成160ns，它是目前世界上8位单片机中性价比最高的机种，可用于高、中档产品的开发，如电机控制等。1.9各类嵌入式处理
器简介随着集成电路技术及电子技术的飞速发展，各种体系结构的处理器品种繁多，且都嵌入到系统中实现数据处理、数据传输和控制功能，各类
嵌入式处理器为核心的嵌入式系统的应用，是当今电子信息技术应用的一大热点。DSP在工程上的推广应用。DSP大量进入嵌入式领域。推动
DSP快速发展的是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，实时语音压解系统、数字图像处理等。这类智
能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP的长处所在。但在一些实时性要求很高的场合，单片D
SP的处理能力还是不能满足要求。因此，又研制出了多总线、多流水线和并行处理的包含多个DSP处理器的芯片，大大提高了系统的性能。与
单片机相比，DSP的高速运算能力和多总线，处理的算法的复杂度和大的数据处理流量是单片机不可企及的。下面以ARM7为说明嵌入式微处
理器基本性能。嵌入式处理器的地址线为32条，能扩展较大的存储器空间，所以可配置实时多任务操作系统(RTOS)。RTOS是嵌入式应
用软件的基础和开发平台。常用的RTOS为Linux（数百KB）和VxWorks（数MB）以及μC-OSⅡ。由于嵌入式实时多任务操
作系统具有高度灵活性，可很容易地对它进行定制或作适当开发，即对它进行“裁减”、“移植”和“编写”，从而设计出用户所需的应用程序，来
满足需要。由于能运行实时多任务操作系统，所以能处理复杂的系统管理任务和处理工作。因此，在移动计算平台、媒体手机、工业控制和
商业领域（例如，智能工控设备、ATM机等）、电子商务平台、信息家电（机顶盒、数字电视）、军事等，已成为继单片机、DSP之后的电子信
息技术应用的又一大热点广义上讲，凡是系统中嵌入了“嵌入式处理器”，如单片机、DSP、嵌入式微处理器，都称为“嵌入式系统”。也有仅
把“嵌入”嵌入式微处理器的系统，称为“嵌入式系统”。还没有严格的定义。目前的“嵌入式系统”，多指后者。1.9.4嵌入式
片上系统SOC(SystemOnChip)随着超大规模集成电路设计技术发展，一个硅片上实现一个复杂的系统，即SystemO
nChip(SOC)，即片上系统。核心思想是把整个电子系统全部集成在一个芯片中。避免大量PCB板设计及板级的调试工作。设计者面
对的不再是电路及芯片，而是根据系统的固件特性和功能要求，把各种通用处理器内核及各种外围功能部件模块作为SOC设计公司的标准库，成为
VLSI设计中的标准器件，用VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体器件厂
商制作样品。除无法集成的器件外，整个系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，系统电路板简洁，对减小体积和功耗、提高可靠性非常
有利。SOC使系统设计技术发生革命性变化，标志着一个全新时代到来。至此，已介绍了嵌入式处理器家族的各成员。由于单片机体积小、价格
低、很容易嵌入到系统中，应用十分广泛，且易掌握和普及，市场占有率最高。据统计，8051体系结构的单片机的用量占全部嵌入式处理器总用
量的50%以上。因此，8051体系结构的单片机技术是首先要掌握的。AT89C5x/AT89S5x系列与MCS-51系列在原有
功能、引脚以及指令系统方面完全兼容。此外，某些品种又增加了一些新的功能，如看门狗定时器WDT、ISP（在系统编程也称在线编程）及
SPI串行接口技术等。片内Flash存储器允许在线（+5V）电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。另外，AT89C5x/AT8
9S5x单片机还支持由软件选择的两种节电工作方式，非常适于低功耗的场合。与MCS-51系列的87C51单片机相比，AT89C51
/AT89S51单片机片内的4KBFlash存储器取代了87C51片内的4KBEPROM。AT89S51片内的Flash存储器
可在线编程或使用编程器使用AT89C51的系统，在保留原来软硬件的条件下，完全可以用AT89S51直接代换。与AT89C5
x系列相比，AT89S5x系列的时钟频率以及运算速度有了较大的提高，例如，AT89S51工作频率的上限为24MHz，而AT89S5
1则为33MHz。AT89S51片内集成有双数据指针DPTR，看门狗定时器、具有低功耗空闲工作方式和掉电工作方式。目前，AT89S
5x系列已逐渐取代AT89C5x系列。表1-3为ATMEL公司AT89C5x/AT89S5x系列单片机主要产品片内硬件资源。由于
种类多，要依据实际需求来选择合适的型号。表1-3AT89C1051与AT89C2051为低档机型，均为20只引脚。当
低档机满足设计需求时，就不要采用较高档次的机型。例如，当系统设计时，仅仅需要一个定时器和几位数字量输出，那么选择AT89C105
1或AT89C2051即可，不需选择AT89S51或AT89S52，因为后者要比前者的价格高，且前者体积也小。如对程序存储器和数
据存储器的容量要求较高，还要单片机运行速度尽量要快，可考虑选择AT89S51/AT89S52，因为它们的最高工作时钟频率为33M
Hz。当程序需要多于8KB以上的空间可考虑选用片内Flash容量20KB的AT89C55。表1-3中，“LV”代表低电压，它
与AT89S51的主要差别是其工作时钟频率为12MHz，工作电压为2.7～6V，编程电压VPP为12V。AT89LV51的低电压电
源工作条件可使其在便携式、袖珍式、无交流电源供电的环境中应用，特别适于电池供电的仪器仪表和各种野外操作的设备中。尽管AT89C5
x/AT89S5x系列单片机有多种机型，但掌握好基本型AT89S51单片机十分重要，因为它们是具有8051内核的各种型号单片机的基
础，最具典型性和代表性，同时也是各种增强型、扩展型等衍生品种的基础。本书以AT89S51作为51单片机的代表性机型来介绍单片机的
原理及应用。在我国，除8位单片机得到广泛应用外，16位单片机也得到了广大用户的青睐，例如，美国TI公司的16位单片机MSP
430和台湾的凌阳16位单片机。本身带有A/D转换器，一片芯片就构成了一个数据采集系统。设计使用非常方便。尽管这样，16位单片机还
远远没有8位单片机应用的那样广泛和普及，因为目前的主要应用中，8位单片机的性能已能够满足大部分的实际需求，况且8位单片机的性能价格
比也较好。在众多厂家生产的各种不同的8位单片机中，与MCS-51系列单片机兼容的各种51单片机，目前仍然是8位单片机的主流品种，
若干年内仍是自动化、机电一体化、仪器仪表、工业检测控制应用的主角。1.7其它的51单片机世界各半导体器件厂家推出的以8
051为内核的，各种集成度高、功能强的的增强型单片机。这些单片机目前也得到广大设计工程师的青睐。1.7.1ADμC812单片
机美国ADI(AnalogDevicelnc)公司生产的高性能单片机，内部包含高精度的自校准8通道12位模数转换器，2通道12
位数模转换器以及可编程的8位的与8051单片机兼容的MCU内核，指令系统与MCS-51系列兼容。片内有8KBFlash程序存储器
、640BFlash数据存储器、256B数据SRAM(支持可编程)。片内集成看门狗定时器、电源监视器以及ADC?DMA功
能。为多处理器接口和I/O扩展提供了32条可编程的I/O线、包含有与I2C兼容的串行接口、SPI串行接口和标准UART串行接口I/
O。?ADμC812的MCU内核和模数转换器均设有正常、空闲和掉电工作模式，软件可控制从正常模式到空闲模式，也可切换到更省电的掉
电模式。掉电模式，消耗总电流约5μA。1.7.2C8051Fxxx单片机美国Cygnal公司产品，集成度高，8051内核。
典型产品为C8051F020。内部采用流水线结构，大部分指令的完成时间为1或2个时钟周期，峰值处理能力为25MIPS。片内
资源：1个8位ADC、1个12位ADC、1个双12位DAC；64kB片内Flash程序存储器，256BRAM，128BSFR；
8个I／O端口共64根I／O口线；5个16位通用定时器；5个捕捉／比较模块的可编程计数／定时器阵列（PCA），1个UART串行口、
1个SMBus/I2C串口、1个SPI串行口；2路电压比较器，VDD监视器(电源监测)，内置温度传感器。C8051Fxxx单片
机最突出的改进是引入了数字交叉开关。数字交叉开关，改变以往内部功能与外部引脚的固定对应关系。它是一个大的数字开关网络，允许将内部
数字系统时钟周期，速度提高了三倍，工作频率最高可达40MHz。W77系列增加看门狗WatchDog、两组UART、两组DP
TR数据指针（编写程序非常便利）、ISP（在系统可编程）等功能。片内集成了USB接口，语音处理等功能，具有6组外部中断源。华邦公
司的W741系列的4位单片机带液晶驱动，在线烧录，保密性高，低工作电压(1.2V-1.8V)。1.8AVR系列单片机与
PIC系列单片机除了51单片机外，目前某些非51单片机也得到了较为广泛的应用，目前应用较广泛是AVR系列与PIC系列单片机，它们
博采众长，具独特技术，受到广大设计工程师的关注。1.8.1AVR系列单片机AVR系列是1997年ATMEL公司挪威设计中
心的A先生与V先生共同研发出的精简指令集(RISC—ReducedInstructionSetComputer)的高速8位单
片机，简称AVR。特点如下：（1）高速、高可靠性、功能强、低功耗和低价位。早期单片机采取稳妥方案：即采用较高的分频系数对
时钟分频，使指令周期长，执行速度慢。以后的单片机虽采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被彻底改观(例如51单片机
)。虽有某些精简指令集单片机问世，但依旧沿袭对时钟分频的作法。AVR单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃
复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法。采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将操作数与操（3）丰富的片内外设。定时器
/计数器、看门狗电路、低电压检测电路BOD，多个复位源(自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位)，可设置的启动后延时运行
程序，增强了单片机应用系统的可靠性。多种串口：如通用的异步串行口（UART），面向字节的高速硬件串行接口TWI（与I2C接口兼容
）、SPI。此外还有ADC、PWM等部件。（4）I/O口功能强、驱动能力大。AVR的工业级产品，具有大电流(最大可达40mA
)，驱动能力强，可省去功率驱动器件，直接驱动可控硅SSR或继电器。AVR单片机的I/O口能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。
I/O口的输入可设定为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，以便于满足各种多功能I/O口应用的需要，具备10mA-20mA灌电流的能力。
（5）低功耗。具有省电功能(PowerDown)及休眠功能(Idle)的低功耗的工作方式。一般耗电在1～2.5mA；典型功耗
，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电。AVR单片机系列全，3个档次，适于各种不同要求：（1）低档Tiny系列:
Tiny11/12/13/15/26/28等；（2）中档AT90S系列:AT90S1200/2313/8515/8535等；
（3）高档ATmega系列:有ATmega8/16/32/64/128（存储容量为8/16/32/64/128KB）以及
ATmega8515/8535等。1.8.2PIC系列单片机美国Microchip公司的产品。特性如下：（1）最大的特点
是从实际出发，重视性能价格比，已经开发出多种型号来满足应用需求。例如，一个摩托车的点火器需要一个I/O较少、RAM及程序存储空间不
大、可靠性较高的小型单片机，若用40脚功能强的单片机，投资大，使用也不方便。PIC系列从低到高有几十个型号。其中，PIC1
2C508单片机仅有8个引脚，是世界最小的单片机。有512字节ROM、25字节RAM、一个8位定时器、一根输入线、5根I/O线，价
格非常便宜。用在摩托车点火器非常适合。PIC的高档型，如PIC16C74（尚不是最高档型号）有40个引脚，其内部资源为ROM共4
K、192字节RAM、8路A/D、3个8位定时器、2个CCP模块、3个串行口、1个并行口、11个中断源、33个I/O脚。可以和其它
品牌的高档型号媲美。（2）精简指令集使执行效率大为提高。PIC系列8位单片机采用精简指令集（RISC），数据总线和指令总线分
离的哈佛总线（Harvard）结构，指令单字长，且允许指令代码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用复杂指令结构（CISC）结
构的8位单片机相比，可以达到2:1的代码压缩，速度提高4倍。（3）优越的开发环境。51单片机的开发系统大都采用高档型仿真低档型
，实时性不理想。PIC推出一款新型号单片机的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。（7
）设有休眠和省电工作方式。可大大降低系统功耗并可采用电池供电。PIC单片机分低档型、中档型和高档型：（1）低档8位单片机PI
C12C5XXX／16C5X系列。PIC16C5X系列最早在市场上得到发展，价格低，有较完善的开发手段，因此在国内应用最为广泛；而
PIC12C5XX是世界第一个8脚低价位单片机可用于简单的智能控制等要求体积小的场合，前景广阔。（2）中档8位单片机PI
C12C6XX/PIC16CXXX系列。PIC中档产品是Microchip公司近年来重点发展的系列产品，品种最为丰富，其性能比低档
产品有所提高，增加了中断功能，指令周期可达到200ns，带A／D，内部E2PROM数据存储器，双时钟工作，比较输出，捕捉输入，PW
M输出，I2C和SPI接口，异步串行接口（UART），模拟电压比较器及LCD驱动等等，其封装从8脚到68脚，可用于高、中、低档的电
子产品设计中，价格适中，广泛应用在各类电子产品中。具有各种不同体系结构的处理器，构成了嵌入式处理器家族，是嵌入式系统的核心
。全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，按体系结构主要分为如下几类：嵌入式微控制器（单片机）、嵌入式数字信号处理器（简
称DSP）、嵌入式微处理器以及片上系统（SOC）等。1.9.1嵌入式微控制器（单片机）将用于测控目的的计算机小系统集
成到一块芯片中。一般以某一种微处理器内核为核心，片内集成ROM/EPROM、RAM、总线及总线控制逻辑、定时/计数器、Watch
Dog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash存储器等各种必要的功能部件和外设。一个系列的单片机具有多种衍生产
品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。使单片机与需求相匹配，减少功耗和成本。单片机最大特点是
单片化，价廉，功耗和成本下降、可靠性提高。是目前嵌入式系统工业的主流。1.9.2嵌入式DSP处理器(DSP)DSP（D
igitalSignalProcessor)，非常擅长于高速实现各种数字信号处理运算（如数字滤波、FFT、频谱分析等）。由于硬
件结构和指令的特殊设计，使其能够高速完成各种数字信号处理算法。1981年，TI公司研制出TMS320系列的首片低成本、高性能DS
P处理器芯片，使DSP技术向前跨出意义重大的一步。上世纪90年代，由于无线通信、各种网络通信、多媒体技术的普及和应用，高清晰度数
字电视的研究，极大地刺激了DSP的主要厂商有美国TI、ADI、Motorola、Zilog等公司。TI公司位居榜首，占全球D
SP市场约60％左右。DSP代表性的产品是TI公司的TMS320系列。TMS320系列处理器包括用于控领域的C2000系列，移动通
信的C5000系列，以及应在通信和数字图像处理的C6000系列等。今天，随着全球信息化和Internet网的普及，多媒体技术的广
泛应用，尖端技术向民用领域迅速的转移，数字技术大范围进入消费类电子产品，使DSP不断更新换代，性能指标不断提高，价格不断下降，已成
为新兴科技：通信、多媒体系统、消费电子、医用电子等飞速发展的推动力量，力，据国际著名市场调查研究公司ForwardCon
cepts发布的一份统计和预测报告显示，目前世界DSP产品市场每年正以30％的增幅大幅度增长，是目前最有发展和应用前景的嵌入式处
理器之一。1.9.3嵌入式微处理器嵌入式微处理器(EmbeddedMicroProcessorUnit，EMPU)的
基础是通用计算机中的CPU。与单片机相比，单片机本身（或稍加扩展）就是一个小的计算机系统，可独立运行，具有完整的功能。而嵌入式微处
理器仅仅相当于单片机中的CPU。在应用设计中，将嵌入式微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，
可大幅减小系统体积和功耗。为满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干
扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。代表性产品为ARM系列，ARM是AdvancedRISCMachines的缩写，其中R
ISC是精简指令集计算机的缩写。同时ARM也是设计ARM处理器的美国公司的简称。ARM家族主要有5个产品系列：ARM7、ARM9、
ARM9E、ARM10和SecurCore。第1章单片机概述第1章目录1.1什么是单
片机1.2单片机的发展历史1.3单片机的特点1.4单片机的应用1.5单片机的发展趋势1.6MCS-5
1系列与AT89C5x系列单片机1.6.1MCS-51系列单片机1.6.2AT89C5x（AT89S5
x）系列单片机1.7其它的51单片机1.7.1ADμC812单片机1.7.2C8051Fx
xx单片机1.7.3台湾华邦公司W78系列和W77系列单片机1.8AVR系列单片机与PIC系列
单片机1.8.1AVR系列单片机1.8.2PIC系列单片机1.9各类嵌入
式处理器简介1.9.1嵌入式微控制器（单片机）1.9.2嵌入式DSP处理器(DSP)
1.9.3嵌入式微处理器1.9.4嵌入式片上系统SOC(SystemOnChip)
介绍单片机基础知识、发展历史、应用领域及发展趋势。8位单片机的主流机型，较大市场份额的MCS-51系列单片机及其兼容的单片机（统
称为51系列单片机）对目前流行的51单片机的代表性机型：美国ATMEL公司的AT89C5x/AT89S5x系列单片机及代表性产品
AT89S51详细介绍。简要介绍其它类型的单片机。初步了解嵌入式处理器：单片机，数字信号处理器（DSP）、嵌入式微处理器内容
概要20世纪70年代问世，广泛地应用在工业自动化、自动检测与控制、智能仪器仪表、机电一体化设备、汽车电子、家用电器等各个方面
。什么是单片机？1.1什么是单片机一片半导体硅片集成：中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、并行I/O、串行I
/O、定时器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线的微型计算机。具有微型计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。
主要应用于测控领域。单片机使用时，通常是处于测控系统的核心地位并嵌入其中，所以国际上通常把单片机称为嵌入式控制器（EMCU，
EmbeddedMicroControllerUnit），或微控制器（MCU，MicroControllerUnit）。我国
习惯于使用“单片机”这一名称。单片机是计算机技术发展史上的一个重要里程碑，标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统
两大分支。单片机体积小、成本低，嵌入到工业控制单元、机器人、智能仪器仪表、汽车电子系统、武器系统、家用电器、办公自动化设备、金融
电子系统、玩具、个人信息终端及通讯产品中。按照其用途可分为通用型和专用型两大类。（1）通用型单片机就是其内部可开发的资源（
如存储器、I/O等各种外围功能部件等）可以全部提供给用户。用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心，再配以外围接口电路及其
它外围设备，并编写相应的软件来满足各种不同需要的测控系统。通常所说的和本书介绍的是指通用型单片机。（2）专用型单片机是专门针对某
些产品的特定用途而制作的单片机。例如，各种家用电器中的控制器等。由于用于特定用途，单片机芯片制造商常与产品厂家合作，设计和生产“
专用”的单片机芯片。由于在设计中，已经对“专用”单片机的系统结构最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都做了全面的综合考虑，所以“专
用”单片机具有十分明显的综合优势。无论“专用”单片机在用途上有多么“专”，其基本结构和工作原理都是以通用单片机为基础的。
1.2单片机的发展历史单片机按其处理的二进制位数主要分为：4位单片机、8位单片机、16位单片机和32位单片机。发展大致分为
4个阶段。第一阶段（1974年～1976年）：单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。1974年12月
，仙童公司推出了8位的F8单片机，实际上只包括了8位CPU、64BRAM和2个并行口。第二阶段（1976年～1978年）：低性
能单片机阶段。1976年Intel的MCS-48单片机（8位）极大地促进了单片机的变革和发展，1977年GI公司推出了P
IC1650，但这个阶段仍处于低性能阶段。第三阶段（1978年～1983年）：高性能单片机阶段。1978年，Zilog公司推出Z
8单片机，1980年，Intel公司在MCS-48系列基础上推出MCS-51系列，Mortorola推出6801单片机。使单片机的
性能及应用跃上新的台阶。此后，各公司的8位单片机迅速发展。推出的单片机普遍带有串行I/O口、多级中断系统、16位定时器/计数器，
片内ROM、RAM容量加大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换器。由于这类单片机的性能价格比高，所以被广泛应用，是目
前应用数量最多的单片机。第四阶段（1983年～现在）：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。16位典型
产品Intel公司的MCS-96系列单片机。而32位单片机除了具有更高的集成度外，其数据处理速度比16位单片机提高许多，性能比8位
、16位单片机更加优越。20世纪90年代单片机制造业大发展时期，Mortorola、Intel、ATMEL、德州仪器（TI）、三
菱、日立、飞利浦、LG等公司开发一大批性能优越的单片机，极大推动单片机的应用。近年，又有不少新型的高集成度的单片机产品涌现出来，出
现了产品丰富多彩的局面。目前，除8位单片机得到广泛应用外，16位单片机、32位单片机也得到广大用户青睐。1.3单片机的特
点单片机是集成电路技术与微型计算机技术高速发展的产物。体积小、价格低、应用方便、稳定可靠，因此，给工业自动化等领域带来了一场重大
革命和技术进步。由于体积小，很容易地嵌入到系统之中，以实现各种方式的检测、计算或控制，这一点，一般微机根本做不到。由于单片机本
身就是一个微型计算机，因此只要在单片机的外部适当增加一些必要的外围扩展电路，就可以灵活地构成各种应用系统，如工业自动检测监视系统、
数据采集系统、自动控制系统、智能仪器仪表等。为什么应用广泛？具有以下优点：（1）功能齐全，应用可靠，抗干扰能力强。（2
）简单方便，易于普及。单片机技术是易掌握技术。应用系统设计、组装、调试已经是一件容易的事情，工程技术人员通过学习可很快掌握其应用设
计技术。（3）发展迅速，前景广阔。短短几十年，单片机经过4位机、8位机、16位机、32位机等几大发展阶段。尤其是集成度高、功能日
臻完善的单片机不断问世，使单片机在工业控制及工业自动化领域获得长足发展和大量应用。目前，单片机内部结构愈加完美，片内外围功能部件越
来越完善，向更高层次和更大规模的发展奠定坚实的基础。（4）嵌入容易，用途广泛，体积小、性能价格比高，应用灵活性强等特点在嵌入
式微控制系统中具有十分重要的地位。单片机出现前，制作一套测控系统，大量的模拟电路、数字电路、分立元件完成，以实现计算、判断和控制
功能。系统的体积庞大，线路复杂，连接点多，易出现故障。单片机出现后，测控功能的绝大部分由单片机的软件程序实现，其它电子线路则由片
内的外围功能部件来替代。1.4单片机的应用软硬件结合、体积小，容易嵌入到各种应用系统中。得到广泛应用。1．工业检测与
控制主要应用：工业过程控制、智能控制、设备控制、数据采集和传输、测试、测量、监控等。在工业自动化的领域中，机电一体化技术将发挥愈
来愈重要的作用，在这种集机械、微电子和计算机技术为一体的综合技术（如机器人技术）中，单片机发挥着非常重要的作用。2．仪器仪表目
前对仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高。单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减小体积而易于携带和使用，加速仪
器仪表向数字化、智能化、多功能化方向发展。3．消费类电子产品例如，洗衣机、电冰箱、空调机、电风扇、电视机、微波炉、加湿机
、消毒柜等。嵌入了单片机后，功能和性能大大提高，并实现智能化、最优化控制。4．通讯在调制解调器、各类手机、传真机、程控电话交换
机、信息网络及各种通讯设备中，单片机也已经得到广泛应用。5．武器装备在现代化的武器装备中，如飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、
智能武器装备、航天飞机导航系统，都有单片机嵌入其中。6．各种终端及计算机外部设备计算机网络终端（如银行终端）以及计算机外部
设备（如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等）中都使用了单片机作为控制器。7．汽车电子设备已经广泛地应用在各种汽车电子
设备中，如汽车安全系统、汽车信息系统、智能自动驾驶系统、卫星汽车导航系统、汽车紧急请求服务系统、汽车防撞监控系统、汽车自动诊断系统
以及汽车黑匣子等。8．分布式多机系统在较复杂多节点的测控系统中，常采用分布式多机系统。1.5单片机的发展趋势单片机
的发展趋势将是向大容量、高性能化，外围电路内装化等方面发展。为满足不同用户的要求，各公司竞相推出能满足不同需要的产品。1．CPU
的改进（1）增加CPU数据总线宽度。例如，各种16位单片机和32位单片机，数据处理能力要优于8位单片机。另外，8位单片机内部采用
16位数据总线，其数据处理能力明显优于一般8位单片机。（2）采用双CPU结构，以提高数据处理能力。2．存储器的发展（1
）片内程序存储器普遍采用闪烁（Flash）存储器。可不用外扩展程序存储器，简化系统结构。（2）加大存储容量。目前有的单片机片内程
序存储器容量可达128KB甚至更多。3．片内I/O的改进（1）增加并行口驱动能力，以减少外部驱动芯片。有的单片机可以直接输出大
电流和高电压，以便能直接驱动LED和VFD（荧光显示器）。（2）有些单片机设置了一些特殊的串行I/O功能，为构成分布式、网络化系
统提供方便条件。4．低功耗化CMOS化，功耗小，配置有等待状态、睡眠状态、关闭状态等工作方式。消耗电流仅在μA或nA量级
，适于电池供电的便携式、手持式的仪器仪表以及其它消费类电子产品。5．外围电路内装化众多外围电路全部装入片内，即系统的单片化是目
前发展趋势之一。例如，美国Cygnal公司的C8051F0208位单片机，内部采用流水线结构，大部分指令的完成时间为1或2个时钟
周期，峰值处理能力为25MIPS。片上集成有8通道A/D、两路D/A、两路电压比较器，内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和
64个通用I/O口、电源监测、看门狗、多种类型的串行接口（两个UART、SPI）等。一片芯片就是一个“测控”系统。综上所
述，单片机正在向多功能、高性能、高速度（时钟达40MHz）、低电压（2.7V即可工作）、低功耗、低价格（几元钱）、外围电路内装化以
及片内程序存储器和数据存储器容量不断增大的方向发展。1.6MCS-51系列与AT89C5x系列单片机20世纪80年代
以来，发展迅速，世界一些著名厂商投放市场的产品就有几十个系列，数百个品种，Intel公司的MCS-48、MCS-51，Motoro
la公司的6801、6802，Zilog公司的Z8系列，Rockwell公司的6501、6502等。此外，荷兰的Philips公司
、日本的NEC公司、日立公司等也相继推出了各自的产品。尽管机型很多，但是在20世纪80年代以及90年代，在我国使用最多的8位单片
机还是Intel公司的MCS-51系列单片机以及与其兼容的单片机（称为51系列单片机）。1.6.1MCS-51系列单片
机MCS是Intel公司单片机的系列符号，如MCS-48、MCS-51、MCS-96系列单片机。MCS-51系列是在MCS-4
8系列基础上于20世纪80年代初发展起来的，是最早进入我国，并在我国得到广泛应用的单片机主流品种。MCS-51系列单片机主要包括
基本型：8031/8051/8751（低功耗型80C31/80C51/87C51）增强型：8032/8052/8752。已为我国
广大技术人员所熟悉和掌握。在上世纪80年代和90年代，MCS-51系列是在我国应用最为广泛的单片机机型之一。MCS-51系列品种
丰富，经常使用的是基本型和增强型。（1）基本型典型产品：8031/8051/8751。8031内部包括1个8位CPU、1
28BRAM，21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口，2个16位定时器/计数器，5个中断源，但片内无程序存储器，需外扩程序存储器芯片。8051是在8031的基础上，片内又集成有4KBROM作为程序存储器。所以8051是一个程序不超过4KB的小系统。ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的。8751与8051相比，片内集成的4KBEPROM取代了8051的4KBROM来作为程序存储器。（2）增强型Intel公司在基本型基础上，推出增强型-52子系列，典型产品：8032/8052/8752。内部RAM增到256B，8052、片内程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个，6个中断源，串行口通信速率提高5倍。表1-1列出了基本型和增强型的MCS-51系列单片机片内的基本硬件资源。1.6.2AT89C5x（AT89S5x）系列单片机20世纪80年代中期以后，Intel精力集中在高档CPU芯片的开发、研制上，淡出单片机芯片的开发和生产。MCS-51系列设计上的成功，以及较高的市场占有率，已成为许多厂家、电气公司竞相选用的对象。Intel公司以专利形式把8051内核技术转让给ATMEL、Philips、Cygnal、ANALOG、LG、ADI、Maxim、DALLAS等公司。生产的兼容机与8051兼容，采用CMOS工艺，因而常用80C51系列单片机来称呼所有这些具有8051指令系统的单片机，这些兼容机的各种衍生品种统称为51系列单片机或简称为51单片机，是在8051的基础上又增加一些功能模块（称其为增强型、扩展型子系列单片机）。近年来，世界上单片机芯片生产厂商推出的与8051（80C51）兼容的主要产品如表1-2所示。在众多的衍生机型中，ATMEL公司的AT89C5x/AT89S5x系列，尤其是AT89C51/AT89S51和AT89C52/AT89S52在8位单片机市场中占有较大的市场份额。ATMEL公司1994年以E2PROM技术与Intel公司的80C51内核的使用权进行交换。ATMEL公司的技术优势是闪烁（Flash）存储器技术，将Flash技术与80C51内核相结合，形成了片内带有Flash存储器的AT89C5x/AT89S5x系列单片机。 |
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