作者：朱兆优等
出版社：电子工业出版社
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单片机原理与应用——基于STC系列增强型80C51单片机(第3版)试读：
前言
自1972年Intel公司推出第一款微处理器以来，计算机技术遵循着摩尔定律，以每18个月为一个周期微处理器性能提高一倍、价格降低一半的速度快步向前发展。以微处理器为核心的微型计算机在最近20年中发生了巨大的变化，经历了从8088/8086到286、386、486、586、PⅡ、PⅢ等系列众多CPU的飞跃。计算机对整个社会进步的影响有目共睹，其应用面的迅速拓宽，对个人与社会多方面的渗透，表明计算机技术已不再是深踞于高层次科技领域里的宠儿，它已经深入到社会活动的一切领域之中，闯进了平常百姓的生活里，使人们跨入信息时代、数字时代。
随着电子技术的发展和近代超大规模集成电路的出现，通过对计算机的功能部件进行剪裁及优化，将CPU、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、并行I/O口（PIO）、串行I/O口（SIO）、定时/计数器（CTC）及中断控制器（ICU）等基本部件集成在一块芯片中，制成了单芯片微型计算机（Single Chip Microcomputer），简称单片机，又称为微控制器（Micro Controller Unit，MCU）。由于它能嵌入到某个电路或电子产品设备中，也称为嵌入式控制器（Embedded Controller）。要把前面提到的众多功能集合在一起，在过去需要具备专门的知识，采用很多电路组建成一个电子系统来实现。而今却简化成只需选择一片合适的单片机，并对其已有的功能、指标、参数及引脚进行合理的使用即可完成。单片机与可编程逻辑器件相结合，构成了新一代电子工程应用技术。
20世纪90年代，单片机在我国迅速普及。在电子技术日新月异的今天，在人们的生活里，到处都可以看到单片机的具体应用。单片机可以嵌入到各种电子产品之中，成为机电产品的核心部件，控制着各种产品的工作。随着大规模集成电路的发展，单片机已从过去的单一品种，发展成为多品种、多系列机型，其内部结构从过去的基本部件发展到集成有A/D、D/A、监控定时器（WDT）、通信控制器（CCU）、脉宽调制器（PWM）、浮点运算器（FPU）、模糊控制器2（FCU）、数字信号处理器（DSP），具有IC、SPI、ISP等众多特殊功能的部件，成为功能越来越强的增强型、高档型单片机。由于单片机具有功能强、体积小、功耗低、成本低、裸机编程、软件代码少、工作可靠、自动化程度高、实时响应速度快、使用方便等特点，因此被广泛应用于工业制造、过程控制、数据采集、通信、智能化仪器仪表、汽车、船舶、航空航天、军工及消费类电子产品中。
由单片机作为主控制器的全自动洗衣机、高档电风扇、电子厨具、变频空调、遥控彩电、摄像机、VCD/DVD机、组合音响、电子琴等产品早已进入了人们的生活。从家用消费类电器到复印机、打印机、扫描仪、传真机等办公自动化产品，从智能仪表、工业测控装置到CT、MRI、γ刀等医疗设备，从数码相机、摄录一体机到航天技术、导航设备、现代军事装备，从形形色色的电子货币（如电话卡、水电气卡）到身份识别卡、门禁控制卡、档案管理卡以及相关读/写卡终端机等，都有单片机在其中扮演重要角色。因此有人说单片机“无处不在，无所不能”。
现今，炙手可热的“三网”（即电信网、有线电视网、国际互联网）融合产品、物联科技已开始兴起。在汽车中普遍都需要有30多个单片机用于其中的空调、音响、仪表盘、自动窗、遥控门、自控前后盖、空气质量监测、反射镜角度调整、自动灭火、防盗报警等的控制，协调控制着发动机、传动器、制动器、安全气囊、车载全球定位系统（GPS）等有条不紊地工作。此外，还有工业自动化控制和军事科技等。这些领域的应用开发都还存在很多技术问题尚要解决，这正是电子技术人员可以大展拳脚的领域。
从学习的角度，单片机作为一个完整的数字处理系统，具备了构成计算机的主要单元部件，在这个意义上称为单片微机并不过分。通过学习和应用单片机进入计算机硬件设计之门，可达到事半功倍的效果。学习单片机建议要从汇编语言学起，从内核做起，把低层做实，以便能更加深入地理解单片机嵌入式系统的工作原理、体系结构，很好地解决内核接口和底层驱动设计，实际应用时可选用C语言编程。学好汇编可轻松过渡到C语言编程。
从应用的角度，单片机是一片大规模集成电路，可自成一体，对于其他微处理器所需的大量外部器件的连接都在单片机内部完成，各种信息传递的时序关系变得非常简单，易于理解和接受。用单片机实现某个特定的控制功能十分方便。
从设计思想的角度，单片机的应用意味着“从以硬件电路设计为主的传统设计方法向以软件设计为主、对单片机内部资源及外部引脚功能加以利用的设计方法的转变”，从而使硬件成本大大降低，设计工作灵活多样。往往只需改动部分程序，就可以增加产品功能，提高产品性能。
单片机技术的功效神奇，有时也给人一种神秘莫测、难于驾驭之感。究其原因，很多初学者不太重视实践，缺乏行之有效的经验总结，缺乏将分散的实践经验上升到知识的理解层面。其实，如果从应用的角度来看，单片机既不神秘，也不难驾驭。单片机课程是一门实践性、综合性、应用性很强的课程，初学者应树立在学中“做”，在做中“学”的思想。先学习单片机硬件结构、存储结构、指令系统及中断系统，然后不断地进行编程练习，通过实验提升技能，加深理解，结合单片机最小系统板或开发板等实物进行硬件编程控制，提高动手能力。如此循序渐进、举一反三，才会有“登堂入室”之感，才能逐步将单片机应用于各种场合中以解决实际问题。
总之，单片机不同于通用微型计算机，它能够灵活嵌入到各类电子产品中，使产品具备智能化和“傻瓜”式操作功能，已经成为电子自动化技术的核心基础，而宏晶科技公司推出的增强型、高性能STC系列单片机无疑是8051内核中最卓越的一款单片机之一。因此，学习单片机和学会STC系列单片机的技术应用非常有必要。
由于目前的单片机教材大多是沿用20世纪80年代的内容，使用的芯片（如8031）过于陈旧，很多学生学完单片机课程后，到工作单位从事实际的单片机系统设计时总感觉学无所用，而且脱离实际。现在，单片机的应用已真正步入“单片”时代。单片机内部集成的功能部件越来越多，功能越来越强，对单片机应用系统的设计已很少采用外部的并行总线扩展RAM和ROM，而是采用选择包含不同存储容量的单片机。即使是需要扩展外部RAM存储器，也往往会选用串行2IC、SPI总线扩展技术。对I/O口的扩展也不再使用8255或8155这样的芯片，而是选择具有不同引脚封装的单片机。当需要的I/O口少时，可以选择封装引脚少的单片机（最少的只有8个引脚，含6个I/O口引脚）；若需要的I/O口较多时，可以选择引脚封装多的单片机（最多的有上百个引脚）。很多单片机内部都集成有8位或10位的中低精度的A/D、D/A转换器。因此，在精度要求不高的场合，完全可以选用片内带有A/D、D/A转换器的单片机。只有在要求高精度（12位以上）、高速采样的场合，才需要选用扩展外部串行或并行接口的A/D、D/A转换器，这样可以大大降低成本，减小产品体积。基于上述原因，本书在编写过程中，对原有的单片机教材做了较大的改良，尽量将那些在实际应用中很少见的或已经淘汰的芯片不写入教材，而将实际应用中比较流行的技术吸收进来，形成具有特色的教材，力求做到与市场接轨，与现实同步。为了帮助读者更快地进入单片机应用领域，本书附有实验和课程设计实例。
全书共15章。第1章是单片机概述，介绍单片机的发展历程、应用领域和各种常用的低功耗单片机、增强型单片机的性能特点，介绍STC系列单片机的选型；第2章介绍8051单片机的体系结构、内部主要部件的功能，以及存储器结构与编址范围；第3章介绍8051单片机指令系统和指令的使用方法；第4章介绍8051单片机程序结构和设计方法；第5～7章介绍8051单片机中断系统结构、中断控制、编程和串行口使用方法；第8章以STC15Fxx系列单片机为例，介绍增强型单片机新增功能部件的使用方法；第9章介绍单片机系统的扩展，重点介绍串行总线扩展技术，精简了并行总线扩展内容；第10章介绍单片机与键盘、数码显示、液晶显示、打印机的接口形式和编程方法；第11章介绍A/D、D/A转换器性能指标、芯片选型，着重介绍了串行A/D、D/A转换器的接口使用方法；第12章介绍C51在单片机中的编程方法，以及混合编程的具体运用；第13章介绍单片机应用系统结构和设计方法；第14～15章以单片机应用实验为主，介绍了使用Proteus进行单片机仿真和应用单片机设计实验开发板，并精选了9个实验项目，在单片机实验开发板上完成软件编程调试。
本书可作为高等院校相关专业单片机课程的教材，也可供电子技术、计算机应用方面的工程技术人员阅读、参考。本书涉及的内容较多，参考教学学时为60～80学时，授课教师可参照下表并使用本书配套资源完成教学任务。
由于各学校教学计划和生源素质有所不同，授课教师可以根据具体情况适当调整教学内容、学时分配。为配合教学，各章配有练习与思考题。
本书配有PPT、程序源代码、课程设计指导书（带温度计的电子钟设计、可控波形发生器设计、LED点阵显示设计、可控流动灯设计等4个设计实例）等教学资源，可登录电子工业出版社华信教育资源网（www.hxedu.com.cn），免费注册、下载。
本书也可为任课教师提供单片机实验开发板（第15章设计的实验开发板），相关事宜可与本书编著者联系（Email：you2006cn＠sina.com）。
全书主要由朱兆优负责编写，陈坚、朱日兴参与了第5～7章的编写，邓文娟、刘琦参与了第4章的编写，王海涛、朱日兴参与了第12章的编写。参加本书编写工作的还有赵永科、胡文龙、涂晓红、吴光文和范淑娜等，他们对书稿的编写、插图、校对和程序调试做了很多工作。朱兆优负责全书的策划、内容安排、文稿编写修改和审定。
本书在编写过程中得到周航慈教授的大力支持，他对本书初稿进行了审阅；还得到STC公司创始人、总经理姚永平先生的大力支持和帮助。在此，对他们付出的辛勤工作表示衷心感谢！
由于本书涉及的知识点较多，尽管在编写中做了很多努力，但由于时间仓促，难免有不足和疏漏之处，欢迎广大读者提出宝贵意见和建议，以便进一步改进和提高，使之满足实际教学的需要。编 著 者第1章单片机概述本章学习要点：（1） 单片机和嵌入式系统的概念，单片机与PC的区别和联系；（2） 单片机的发展历程、趋势和应用领域；（3） 单片机的分类、主要特性、主要生产厂家、常用系列和主要芯片型号。单片机自20世纪70年代产生以来，凭借其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用广泛，发展迅猛。单片机体积小，质量小，抗干扰能力强，对运行环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发比较容易，已广泛应用在工业自动化控制、通信、自动检测、智能仪器仪表、信息家电、汽车电子、电力电子、医疗仪器、航空航天、机电一体化设备等各个方面，成为现代生产和生活中不可缺少的元素。1.1 什么叫单片机
一台能够工作的PC（个人计算机）至少需要的部件有：CPU（中央处理器，负责运算与控制）、RAM（随机存储器用于数据存储）、ROM（只读存储器，用于程序存储）、输入/输出设备（如键盘、鼠标、显示器、打印机等）。这些部件被分成若干芯片，安装在一块印制电路板上，便组成了个人计算机。而在单片机中，是将计算机主板的一部分功能部件进行剪裁后，把余下的功能部件集成到一块芯片上，因此这个芯片具有PC的属性，称为单片微型计算机或单芯片计算机，简称单片机。
单片机是在一块半导体硅片上集成了控制器、运算器、存储器和各种输入/输出接口的集成芯片（如图1-1所示）。在一些高性能单片机中除了上述部件外，还集成了A/D、D/A、PCA/PWM等部件。图1-1 8051单片机结构框图
单片机主要应用于测控领域，用于实现各种测量与控制。为了突出其控制特性，国内外大多数人把单片机称为微控制器（Micro Controller Unit，MCU）。由于单片机在各系统应用中处于系统核心，并嵌入其中，因此通常又把单片机称为嵌入式控制器（Embedded Micro Controller Unit，EMCU）。而国内的大多数工程技术人员则比较习惯地采用“单片机”这个名称。
单片机价格不高，体积也不大，一般封装40个引脚。功能多的引脚也比较多，有的多达几十或上百个引脚；功能少的只有十几个引脚，最少的只有8个引脚。这对面向实际应用的单片机非常有利，使得不同性能的产品可以根据需要选择不同的单片机。比如，在实际应用中，人们都喜欢使用高性能的计算机，但如果只是控制一个电冰箱温度时就没必要用高性能的计算机，用一个8引脚的单片机就足够了。所以，实际应用的关键要视功能是否够用，是否有很高的性价比。这就是8051单片机推出30多年来依然没有被淘汰，而且还在不断发展的重要原因。1.2 单片机的特点
单片机以其卓越的性能得到广泛的应用，已深入到检测、控制等各个领域，并表现出显著特点：（1） 小巧灵活、成本低，易于产品化。可以方便地嵌入到各种测控设备、仪器仪表，使仪器设备智能化。（2） 可靠性好，抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣环境下都能可靠地工作。单片机是按工业测控环境设计的，分为民品（0～+70℃）、工业用品（-40～+85℃）、军品（-65～+125℃）三类。其中工业用品和军品具有较强的抗恶劣环境适应能力，是其他机型无法比拟的。（3） 实时控制功能强。单片机面向控制，可以直接通过I/O口进行各种操作，运行速度快，对实时事件的响应和处理速度快，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而可获得最佳性能价格比。（4） 易扩展，可很容易、灵活地构成各种智能型应用系统。（5） 具有通信接口，可方便地构成多机和分布式控制系统，使系统的效率和可靠性大为提高。1.3 单片机的发展概况
单片机出现的历史并不长，它的产生与发展和PC的微处理器的产生与发展大体同步，自1971年Intel公司首先研制出4位微处理器以来，就出现了单片机。单片机的发展历程大致可分为5个阶段：
第一阶段（1971～1976年）：单片机发展的初级阶段。1971年年底Intel公司首先研制出集成2000只晶体管的4位微处理器Intel 4004，并配有RAM、ROM和移位寄存器，构成了世界上第一款微处理器。此后，又推出了8位微处理器Intel 8008。受生产工艺限制，当时的微处理器采用双片结构，功能简单，还不是“单片机”，但从此拉开了研制单片机的序幕。
第二阶段（1976～1980年）：低性能单片机发展阶段。以1976年Intel公司研制出以8048为代表的MCS-48系列单片机（如表1-1所示），在一小块半导体芯片内集成了8位微处理器、8位并行I/O口、8位定时器/计数器、RAM、ROM等部件。这个芯片无串行接口，中断处理比较简单，RAM和ROM容量很小，寻址范围小于4 KB，但在功能上可满足一般工业控制和智能化仪器仪表的需要。这种将微处理器和计算机外围设备集成在一个芯片上的技术，标志着真正的单片机的开始研制。由于单片机在构建新型工业控制系统方面取得了成功，为今后单片机的发展开辟了成功之路。
第三阶段（1980～1983年）：高性能单片机发展阶段。以1980年Intel公司推出以8031为代表的MCS-51系列基本型单片机，形成了8051经典内核。至今，该内核还是国内外单片机产品的主流，众多芯片制造商还在不断地改进和发展它。这个阶段推出的8位单片机带有串行接口，有多级中断处理系统，含有多个16位定时器/计数器，片内RAM、ROM容量增大，寻址范围可达64 KB，个别片内带有A/D转换接口。其他8位单片机的代表产品有Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。
在8位单片机中，MCS-51系列历史最长，长盛不衰，不断更新，形成了既具有经典性，又不乏生命力的系列单片机。它在以下几方面奠定了单片机的经典体系结构：①完善的外部总线，MCS-51设置了经典的8位单片机总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有多机通信功能的串行通信接口；②开创了CPU外围功能单元的集中管理模式；③开发出了具有工控特性的位地址空间及位操作方式；④指令系统趋于丰富和完善，并增加了很多突出控制功能的指令。表1-1 Intel公司单片机系列配置一览表
第四阶段（1983～1990年）：8位单片机的巩固发展和16位单片机推出阶段。1983年Intel公司又研制了MCS-96系列16位单片机。它支持16位算术逻辑运算，具有32位除以16位的除法功能；片内256字节RAM、8 K字节ROM容量进一步增大，除2个16位定时器、计数器外，还可设置4个软件定时器；具有8个中断源，中断系统更加完善；片内带有8通道高精度10位A/D和高速输入/输出部件（HSIO），以及Watch Dog、PWM等部件。MCS-96系列单片机片内CPU为16位，运算速度和控制功能大幅提高，有很强的实时处理能力。采用HMOS或CMOS制造工艺，芯片集成度达12万个晶体管，使单片机的发展进入到一个新阶段。
第五阶段（1990年至今）：单片机全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、寻址范围大、运算能力强的通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等方面向更高水平发展。CPU的位数达到了8位、16位、32位。在结构上，更进一步采用了双CPU结构或内部流水线结构，提高了处理能力和运算速度；时钟频率高达20 MHz，提供了新型串行总线结构，增加了PWM输出、WDT监视定时器、PCA可编程计数器阵列、DMA传输、调制解调器、通信控制器、浮点运算单元等新的特殊功能部件。随着半导体制造工艺的不断改进，促使芯片向高集成化、低功耗方向发展。基于这些优势，单片机在大量数据实时处理、高性能通信、数字信号处理、复杂工业过程控制、机器人及局域网络等方面扮演着越来越重要的角色。1.4 单片机主要制造厂家和机型
单片机系列是指同一芯片厂家生产的具有相同体系结构的微处理器。目前，各芯片制造厂商已推出很多单片机产品，如Intel、STC、Atmel、Philips、Motorola、TI、NEC、SAMSUNG、AMD、Microchip等公司都是著名的芯片制造厂商。就通用单片机而言，其主流产品有几十个系列，数百个品种。单片机制造厂家和型号如表1-2所示。
此外，还有仙童公司的FS、3870系列，ADI公司的ADμC8xx系列，松下公司的MN6800系列，Scenix公司的SX系列，东芝公司的870系列与90系列，EPSON公司的4位SMC6x系列与8位SMC88系列，LG公司的GMS90系列和日立公司的HD6301、Hd65系列单片机，以及义隆、松翰、凌阳等系列单片机。尽管单片机制造厂家很多，品种各异，但在我国最早且最广泛使用的是8051及其兼容机型。由于8051单片机具有品种多、兼容性好、性价比高，且软、硬件设计资料丰富等特点，所以成为我国广大工程技术人员最熟悉的机型。直至现在，8051单片机及其衍生兼容机型仍然是单片机中的主流系列，预计在今后的若干年内仍将是现代工业检测、控制应用的重要机型。表1-2 单片机制造厂家和型号1.5 8位单片机系列介绍
单片机根据微处理器字长可分为4类：4位、8位、16位和32位单片机。在这些机型中，8051单片机以其卓越品质，仍是今后单片机发展的主流。虽然世界上的单片机品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，8051可能最终成为事实上的标准单片机芯片。
在8位单片机家族中，主流产品有80C51内核、Motorola内核、PIC内核的单片机。它们的基本结构相似，但由于采用的内核不同，所以在性能上存在很多差别。1.5.1 8051内核的单片机
20世纪80年代中期以后，Intel把8051内核使用权以专利互换或出售形式转让给了Atmel、Philips、NEC、AMD、Winbond、ADI、DALLAS等IC制造厂商。这些公司在保持与8051单片机兼容的基础上改善了8051的很多特性，采用CMOS工艺，并对8051做了一些扩充，使产品特点更突出、功能更强、市场竞争力更强。因此，通常用8051系列来称谓所有具有8051指令系统的单片机。在众多IC制造厂商支持下，8051内核单片机已经发展成上百个品种的大家族，现在都统称为8051系列单片机。
通常，从功能特性上 8051 系列单片机可分为基本型、增强型、低功耗型和专用型。目前，使用的8051单片机都是MCS-51系列单片机的低功耗增强型、扩展型的衍生机型，它们与MCS-51系列有很大的不同，内部结构有些区别，但指令系统完全兼容。目前常用8051系列单片机有以下几种类型。
1.STC系列单片机
STC89C51RC/RD+系列是宏晶科技公司于2005年中国本土推出的第一款具有全球竞争力、与MCS-51兼容的STC单片机，表1-3是STC89C51RC/RD+系列低功耗增强型STC单片机。这些单片机采用PDIP40、PLCC44、LQFP44封装，内部含有高保密、可编程Flash程序存储器，可进行100 000次擦写操作；包含32位或36位可编程I/O口，6～8个中断源（分4个优先级）、3个16位定时器/计数器，1个通用串行接口；端口驱动能力达20 mA，具有正常工作模式（4～7 mA）、空闲模式（1 mA）、掉电模式（＜0.1 mA）三种工作模式；5 V单片机工作电压3.4～5.5 V，3 V单片机工作电压2.0～3.8 V；工作频率0～40 MHz，相当于8051的0～80 MHz，实际工作频率可达48 MHz。表1-3 STC89C51RC/RD+系列单片机性能一览表
STC89C51xx系列单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，使用高密度非易失性存储器技术制造，片内包含ISP Flash、Data Flash存储器，具有双倍速、双DPTR数据指针、降低EMI等特性。在单芯片上拥有灵巧的8位CPU、系统可编程ISP、应用可编程IAP，使得STC89C51xx系列单片机可以为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案，完全可以取代其他公司生产的8051系列单片机（如Atmel公司的AT89C51/52/55、Philips公司P89C51/52/54等）。
该系列采用CMOS工艺，型号中间带C的表示5 V单片机，中间带LE的表示3 V单片机。
继STC89C51系列单片机之后，STC公司又陆续推出STC15W4K32S4、STC15F2K60S2、STC15F408AD、STC15F100W、STC15W1K16S、STC15W10x、STC15W201AS等系列高性能、增强型单片机等多个系列的单片机（如表1-4所示）。这个系列包括5 V和3 V工作电压的单片机。它们都是每机器周期1个时钟的高速单片机，工作频率0～35 MHz，最大相当于普通8051的420 MHz；芯片引脚封装多样，从8引脚到最多64引脚，通用I/O脚最大达62个，内部新增PCA/PWM、ISP/IAP、SPI串行通信、看门狗和大容量存储器；每个I/O口驱动能力达20 mA，但40引脚及以上封装的单片机整个芯片最大功耗不能超过120 mA，16～32引脚封装的单片机不能超过90 mA；可针对电机控制，抗干扰能力强，对开发小型电子产品有比较高的实用性，性价比高。表1-4 STC15系列高性能单片机一览表
2.NXP增强型单片机
Philips公司的P89LPC900系列是采用低功耗增强型80C51内核制造的增强高档型单片机。它们采用了高性能的处理器结构，含有PLCC、TSSOP、HVQFN、LQFP等多种低成本的封装形式，引脚数有8、10、14、16、20、28、44、64引脚封装，可以满足多方面的性能要求。指令执行时间只需2～4个时钟周期，是标准80C51的6倍；此外还集成扩充了很多系统级的功能部件，包括多路A/D、D/A、PWM输出、模拟比较器和看门狗定时器；具有波特率发生器、间隔检测、帧错误检测、自动地址识别和通用的中断功能；具有UART、2IC和SPI通信端口，提供片内振荡器、频率范围和RC振荡器的可配置选项。可大大减少元件的数目，减小PCB面积，降低系统设计成本。
LPC93x系列单片机还具有2个模拟比较器、2个16位定时/计数器和1个23位系统定时器。工作频率为20 kHz～18 MHz，工作电压范围为2.4～3.6 V，I/O口可承受5 V（可上拉或驱动到5.5 V），具有可编程I/O口输出配置，口线驱动能力20 mA。具有17个中断源，4个中断优先级。
3.AVR高速型单片机
AVR系列单片机是Atmel公司结合Flash技术，于1997年推出的全新配置的精简指令集（RISC）的8位单片机，简称AVR。目前，AVR单片机已形成低档、中档、高档系列产品，分别对应于ATtiny11/12/13/15/26/28、AT90 S1200/2313/8515/8535、AT Mega8/16/32/64/128、ATmega8515/8535等单片机。AT90系列正在淘汰或转型到Mega系列中，高档单片机含JTAG ICE仿真功能。AVR单片机的主要特点如下：（1） 采用哈佛结构，具备高速运行处理能力，低功耗，具有Sleep（休眠）功能及CMOS技术，时钟为20 MHz时每条指令执行速度为50 ns，耗电1～2.5 mA，典型功耗在WDT关闭时为100 nA，具有空闲、省电、掉电三种低功耗方式，掉电模式下工作电流小于1μA。（2） 超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，解决了8051单片机采用单一ACC进行数据处理造成的瓶颈问题。（3） 快速的存取寄存器组、单周期指令系统，极大地优化了目标代码，提高了执行效率，有的Flash容量很大，特别适用于使用高级语言（如C语言）进行开发，且易学、易写、易移植。（4） 作为输出时，与PIC的HI/LOW相同，可输出40 mA（单一输出）。作为输入时，可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10～20 mA灌电流的能力。（5） 片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠。2（6） AVR片上资源丰富，内部集成了EPROM、PWM、RTC、SPI、UART、TWI、ISP、A/D、Analog Comparator、WDT等部件。（7） 大部分AVR除具有ISP功能外，还有IAP功能，便于升级或销毁应用程序。（8） 高度保密，保密位在芯片底部，无法利用设备看到，可多次烧写的Flash具有多重密码保护锁死功能。（9） 性价比高，宽电压工作范围（2.7～6.0 V），电源抗干扰能力强。
所以，AVR单片机和8051单片机有所不同，开发设备也不通用。AVR的纳秒级指令运行速度是8051处理器的50倍，是一款真正的8位高速单片机。
4.C8051Fxxx系列高速单片机
Cygnal公司推出的C8051F系列单片机，其指令集与MCS-51兼容，弥补了8051系列单片机速度慢、内部资源少的不足。
C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核。它在单片机内集成了很多数据采集或系统控制所需要的功能部件。这些功能部件包括：8～64 KB的Flash 存储器、ADC、DAC、可编程增益放大器、电压比较器、电2压基准、温度传感器、SMBus/IC、UART、SPI、定时器、可编程计数器/定时器阵列（PCA）、内部振荡器、看门狗定时器、电源监视器及20 个中断源等。这些部件的高集成度为设计小体积、低功耗、高可靠、高性能的应用系统提供了便利，同时也极大地降低了系统的成本。C8051F系列单片机运行速度在25 MIPS以上，工作电压2.7～3.6 V，I/O、RST、JTAG引脚均允许输入5 V电压，典型工作电流10 mA，睡眠方式下电流0.1μA。
C8051F12x系列单片机中资源丰富、功能多、运算速度快（可达到100 MIPS），标准的8051单片机一个机器周期要占用12个系统时钟周期，执行一条指令最少要1个机器周期。C8051F系列单片机指令处理采用流水线结构，机器周期由标准的 12 个时钟周期降为 1 个时钟周期，指令处理能力比MCS-51大大提高。CIP-51内核70%的指令执行是在1个或2个系统时钟周期内完成的，4条指令的执行只需4个以上时钟周期。CIP-51指令与MCS-51指令系统全兼容，共有111条指令。
因此，熟悉MCS-51系列单片机的工程技术人员可以很容易掌握C8051F系列单片机的应用和软件移植。但是不能将8051的程序直接应用于C8051F单片机，因为这两种系列单片机的内部资源存在较大差异，不能完全移植照搬，必须经过“改良”（主要是初始化控制字的改写）后才能正确运行。
5.专用型单片机
就单片机的应用面来说，有通用型和专用型。通用型单片机的主要特点是：内部资源比较丰富，性能全面，而且通用性强，可覆盖多种应用要求。通用型单片机的用途很广泛，使用不同的接口电路及编制不同的应用程序就可实现不同的功能。上述介绍的8051系列都是低功耗通用型单片机。
专用型单片机的主要特点是：针对某一种产品或某一种控制应用而专门设计，设计时已使结构最简，软、硬件应用最优，可靠性及应用成本最佳。专用型单片机用途专一，出厂时已将程序一次性固化好，因此生产成本低。例如，电子表、电话机、电视机和空调里就嵌入了专用型单片机；Cypress公司推出的EZU SR-2100单片机，在8051内核的基础上增加了USB接口电路，可以专门用于USB串行接口通信；日立公司推出的H8/310系列单片机是用于制作IC卡的专用8位单片机。1.5.2 Motorola内核的单片机
在单片机家族中，8051系列单片机一直扮演着重要的角色，在教学及科研等领域已经成为单片机入门应用的首选，该产品以其易读性好、扩展能力强而著称，从而成为广大单片机开发者最熟悉、最具代表性的机型。由于8051系列单片机在运算速度、功耗、内部资源等方面略有不足，所以人们往往在熟悉8051系列单片机之后，又会选择其他系列单片机去开发电子产品。
Motorola公司是世界上最大的单片机厂商之一，从M6800开始，推出了众多品种的单片机。其中MC68H系列单片机MC68HC05和MC68HC08是两个典型的、应用广泛的8位单片机。其电压范围为3.3～5.0 V，正常工作电流大约为2 mA，等待方式电流为0.5～1 mA，停止方式电流为1～2μA，总线速度为2.1～4 MHz，I/O口驱动能力为20 mA。
MC68HC05采用HCMOS工艺制造，是一种高性能、低功耗的8位2单片机，内部有64～920 KB RAM、0.9～32 KB EPROM或EPROM和各种I/O接口，有的还集成了A/D、PWM、COP监视定时器，以及2SPI、IC、USB、CAN等串行接口，适用于家电、消费产品、仪器仪表和工业控制系统中。
MC68HC08系列单片机是在MC68HC05的基础上改进的8位单片机，采用0.35μm工艺，具有速度更快（总线速度8 MHz）、价格低、功耗小、功能强等优点，其Flash存储器比MC68HC05具有更高的性价比。这个系列单片机包括GP、JL和XL通用型，汽车控制的AZ型，模糊控制的KX、KJ型，马达控制MR型，电话用的W型，以及DSP型、家用消费型、智能IC卡型和LCD驱动型等。
Motorola单片机在同样速度下所用的时钟频率比Intel公司的单片机低很多，因此高频噪声低、抗干扰能力强，更适用于工控领域等恶劣环境，是一种很有应用前景的单片机。1.5.3 PIC内核的单片机
PIC系列单片机是Microchip公司制造的一款8位单片机，采用RISC指令集（指令系统和开发工具与8051系列不同），仅有33条指令，指令最短执行时间为160 ns，功耗较低（在5 V，4 MHz振荡频率时工作电流＜2 mA），可采用降低工作频率的方法降低功耗，睡眠方式下电流小于15μA，工作电压为2.5～6 V，带负载能力强，每个I/O接口可提供20 mA拉电流或25 mA灌电流。由于其超小型、低功耗、低成本、多品种等特点，已广泛应用于工业控制、仪器、仪表、通信、家电、玩具等领域。
PIC系列单片机价格低、性能高，在国内应用得越来越多，目前已形成低档、中档、高档和高性能系列单片机，分别对应PIC16C5x、PIC16Cxx、PIC17Cxx和PIC18Cxxx系列。其中PIC17Cxx系列是目前工业用单片机中速度最快的单片机，具有16位字宽的RISC指令系统（只有58条指令），时钟频率可至25 MHz，指令周期可达160 ns，片内集成了丰富的硬件资源。PIC18Cxxx系列是集高性能、CMOS、全静态、模/数转换器于一体的16位单片机（价格与8位单片机相当），具有嵌入分层控制能力，内部包含灵活的OTP存储器和先进的模拟功能，可为用户提供完美的片上系统解决方案。1.5.4 其他公司8位单片机
除上述单片机外，还有各式各样的单片机，如Micon公司的MDT20xx系列单片机是工业级OTP单片机，它与PIC单片机引脚完全兼容，海尔电冰箱、TCL通信产品和长安奥拓、铃木轿车等设备的功率分配器就是使用的这款单片机。
TOSHIBA公司的单片机允许使用慢模式，采用32 kHz时钟，功耗可降至10μA数量级，其种类齐全，4位机在家电领域占有很大市场，8位机主要包含870系列和90系列。东芝公司的32位单片机采用MIPS3000A RISC的CPU结构，适用于VCD、数码相机和图像处理等方面。
Z8是Zilog公司的单片机，采用多累加器结构，有较强的中断处理能力，开发工具价廉物美。Z8单片机采用低价位手段面向低端市场应用。
EPSON公司的单片机以低电压、低功耗和内置LCD驱动器等特点闻名于世。目前已推出4位SMC62、SMC63系列和8位SMC88系列单片机，广泛应用于工业控制、医疗设备、家用电器、仪器仪表、通信设备和手持式消费产品等领域。
COP8单片机是NS公司的产品，其内部集成了16位A/D转换器，在多路看门狗和STOP工作方式下，单片机的唤醒方式很有特色，程序加密性很强。
Scenix公司推出的8位RISC结构的SX系列单片机和Intel的Pentium II等产品被Electronic Industry Yearbook 1998评选为1998年世界十大处理器。SX系列采用双时钟设置，指令运行速度可达50、75、100 MIPS，具有虚拟外设功能，可柔性化I/O接口，所有I/O接口都可单独编程设定。提供各种编程函数库，用于实现各种模块功能，如多路UART、多路A/D、PWM、SPI、DTMF、FS和LCD驱动等。内2含EPROM/Flash程序存储器，可进行在线编程和仿真。
Chipcon先锋公司推出了全新概念的新一代ZigBee无线单片机CC2430/CC2431系列和短距离通信的新一代无线单片机CC2510/CC1110系列；这些以经典8051微处理器为内核的无线单片机，也称射频SoC（片上系统），以其优异的无线性能、超低功耗、超低成本，在单片机技术领域开创了单片机无线化和无线网络化的全新时代，采用这些新型无线单片机，进行无线通信、RFID产品等产品设计，是开发低成本、低功耗单片机应用产品的理想方案。
三星单片机有KS51和KS57系列4位单片机，KS86和KS88系列8位单片机，KS17系列16位单片机和KS32系列32位单片机。三星公司在单片机技术上以引进消化发达国家的技术、生产与之兼容的产品，然后以价格优势取胜。例如，在4位机上采用NEC的技术，8位机引进Z8的技术，在32位机上购买ARM7内核。三星的OTP型具有ISP在线编程功能，其单片机裸片的价格有相当的竞争力。
LG公司生产的GM90系列单片机与8051单片机兼容，多用于电话机、智能传感器、电度表、工业控制、防盗报警装置、各种计费器、各种IC卡装置、VCD、DVD及CD-ROM等领域。
此外，HITACHI、SIEMENS、NEC、富士通等公司的单片机，都具有各自的特点和体系结构。1.6 16位和32位单片机系列介绍1.6.1 16位单片机
16位单片机是高性能单片机，比较典型的产品有凌阳16位单片机、TI MSP430系列（极低功耗的单片机）和PIC24系列单片机。（1） 凌阳16位单片机
2001年凌阳公司推出了第一代单片机，该单片机采用片上系统SoC技术设计而成，内部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF及LCD驱动等电路。该单片机采用RISC精简指令集，指令周期均以CPU时钟数为单位，驱动兼有DSP芯片功能，内置16位硬件乘法器和加法器，并配有DSP特殊指令，大大加快了各种算法的运行速度。在数字语音播报和识别等应用领域得到了广泛的应用，是数字语音识别和信号处理的理想产品。
凌阳16位单片机具有高速、低价、可靠、实用、体积小、功耗低和简单易学等特点。这些特点体现了微控制器工业发展的新趋势。凌阳公司在自行研发设计单片机的同时，也配有自行研发设计单片机的应用开发环境工具。此工具可在Windows环境下操作，支持标准C语言和凌阳单片机汇编语言，集设计、编程、仿真等功能于一体，操作方便简单易学，同时提供大量的函数库，大大缩短了软件开发的进程。（2） MSP430单片机
MSP430是TI公司推出的单片机，采用冯·诺伊曼结构，利用通用存储器地址总线（MAB）与存储器数据总线（MDB）将 16 位 RISC CPU、多种外设和高度灵活的时钟系统进行完美结合。MSP430能够为混合信号应用提供很好的解决方案，所有MSP430外设仅需少量的软件服务。例如，模数转换器具备自动输入通道扫描功能和硬件启动转换触发器，有些还带有 DMA 数据传输机制。卓越的硬件特性使编程人员能够充分利用CPU 资源，实现应用目标特性，而不必花费大量时间用于基本的数据处理。这意味着能用最精简的软件与超低的功耗来实现低成本的应用系统，在计量设备、便携式仪表、智能传感系统等方面具有广泛的应用。（3） PIC24系列单片机
在8位PIC系列产品性能、外设和特性的基础上开发的16位PIC24单片机，可提供高达40 MIPS的性能。当结合优化的MPLABC＠30C编译器时，PIC24可以提供实现系统目标高吞吐能力和代码密度。PIC24系列包括PIC24FJxxx和PIC24HJxxx两个子系列，可为超出8位单片机性能范围的很多应用带来性能、存储及外设方面的效益提升，满足更苛刻的应用要求。
此外，16位dsPIC数字信号控制器（DSC）系列具备一个完全实现的数字信号处理器引擎，40 MIPS非流水线运算性能，采用了高性能RISC CPU、改进的哈佛结构、灵活的寻址方式、84条指令、24位宽指令，16位宽数据地址、优化的C编译器指令系统，以及用户熟悉的单片机架构和设计环境。dsPIC30F和dsPIC33F的16位闪存DSC具有业界最好的性能，适用于电动机控制、电源转换、语音和音频、电信、因特网和调制解调连接、高速感测、汽车应用等领域。PIC的16位单片机和数字信号控制器采用通用的开发工具，具有引脚排列兼容、软件兼容、外设兼容的特性。1.6.2 32位单片机
32位单片机又称为嵌入式处理器，是面向特定应用，隐藏于应用系统或电子产品内部的专用计算机。比较有影响的嵌入式RISC处理器产品有ST意法半导体公司STM32系列，以ARM Cortex-M3为内核，专门为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计。还有Philips公司的LPC2220系列、SAMSUNG公司的S3C44B0X系列、IBM公司的PowerPC系列、MIPS公司的MIPS系列、Sun公司的Sparc系列和ARM公司的ARM系列嵌入式处理器。
ARM系列处理器是ARM公司的产品。ARM是业界领先的知识产权供应商，只采用IP（Intelligence Property）授权的方式来许可其他半导体公司生产基于ARM处理器的产品，本身不提供具体芯片，仅提供基于ARM处理器内核的系统芯片解决方案和技术授权。
ARM公司设计先进数字产品的核心应用技术，应用领域涉及无线、网络、影像、消费电子、汽车电子、安全和存储装置等嵌入式应用领域。ARM公司提供广泛的产品，包括16/32位RISC处理器、数据引擎、三维图形处理器、数字单元库、嵌入式存储器、软件、开发工具和高速连接产品。ARM公司协同众多技术合作伙伴为业界提供快速、稳定、完整的系统解决方案。
ARM公司已形成了完整的产业链，在全球拥有122家半导体与系统合作伙伴、50家操作系统合作伙伴、35家技术共享合作伙伴，并于2002年在上海成立了中国全资子公司。
ARM取得了巨大的成功，世界上所有主要半导体厂商都从ARM公司购买了IP许可，并利用ARM核开发出面向各类应用的SoC芯片。目前ARM系列芯片已被广泛应用于移动电话、PDA、机顶盒等嵌入式应用领域，成为世界上销售量最大的32位微处理器。ARM的成功在于它拥有极高的性能和极低的功耗，使之能够与高端的MIPS、Power PC嵌入式处理器抗衡。随着嵌入式应用系统的发展，在未来一段时间内，ARM将成为各种应用系统的32位主流嵌入式处理器。
基于ARM核嵌入式处理器的典型应用有：（1） 汽车产品，如车上娱乐系统、车上安全装置、自主导航系统等；（2） 消费娱乐产品，如数字视频、Internet终端、交互电视、机顶盒、网络计算机等；（3） 数字音频播放器、数字音乐板、游戏机等；（4） 数字影像产品，如信息家电、数字照相机、数字系统打印机等；（5） 工业控制产品，如机器人、工程机械、冶金控制、化工生产控制等；（6） 网络产品，如PCI网卡、ADSL调制解调器、路由器等；（7） 安全产品，如电子付费终端、银行系统付费终端、智能卡、32位SIM卡等；（8） 存储产品，如Ultra2 SCSI 64位RAID控制器、硬盘控制器等；（9） 无线产品，如手机、PDA，目前85%以上手机采用ARM系统。
以上基于ARM的应用只是粗略的概述，随着经济的快速发展，自动化装备的不断更新，人民生活水平的不断提高，嵌入式系统渗透到社会生活的各个方面，为人们的学习、工作和生活提供高效、便捷的服务。1.7 单片机的发展趋势
现在正是单片机类型快速更新的时期，世界上各大芯片制造商都推出了各自的单片机，从4位、8位、16位到32位，应有尽有。有的与主流8051系列兼容，有的不兼容，各具特色，为单片机应用提供了广阔天地。从单片机的发展过程可以预见单片机的发展趋势，大致如下：
1.改进CPU结构（1） 采用双CPU或多CPU结构，提高微处理器的处理能力。（2） 扩展数据总线宽度，内部采用16位数据总线，其数据处理能力明显优于8位数据总线的单片机。2（3） 开发串行接口总线结构，用IC、SPI串行总线代替并行数据总线，大大简化了单片机外部接口的电路连接。
2.低电压、低功耗、CMOS化
MCS-51系列的8031推出时的功耗达630 mW，而现在的单片机功耗普遍都在100 mW以下。随着对单片机低功耗要求越来越迫切，各制造商基本上都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。例如，80C51采用了HMOS（高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定了其工作速度不够快。而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征更适合应用在低功耗要求的场合。例如，采用CHMOS工艺的80C31/80C51在正常运行时（5 V/12 MHz），工作电流为16 mA，在空闲模式下工作电流为3.7 mA，在掉电模式下工作电流为50 nA，所以这种工艺将是今后一段时期内单片机发展的主要工艺。
几乎所有的单片机都有空闲、掉电等省电运行方式，允许使用的电源电压范围也越来越宽，一般都能够在3～6 V范围内工作，用电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。低压供电的单片机电源下限由2.7 V降至2.2～1.8 V，0.9 V供电的单片机也已经问世。
3.改善存储器性能（1） 存储容量扩大化。新型的单片机片内程序存储器容量一般为4～8 KB，有的可达128 KB。片内数据存储器容量为256 B，有的可达1 KB以上。2（2） 编程在线化。片内程序存储器从原先的EPROM、EPROM发展到采用Flash或ISP Flash存储器，使单片机编程既有读/写操作简便的静态RAM的优点，又有在线编程的优点，极大地简化了应用系统的结构。（3） 单片机编程保密化。一般写入EPROM中的程序很容易被复2制。为了保证程序的保密性，对写入单片机片内EPROM、Flash或ISP Flash存储器中的程序进行了加锁和加密。加锁后将无法读取单片机内的程序，达到了片内程序保密的目的。
4.改进I/O接口性能
单片机都有较多并行接口，用于满足外围设备或芯片的扩展需要，并配置了串行接口，以满足多机通信的要求。目前单片机并行接口的性能改进如下：（1） 并行I/O接口的驱动能力增强。目前的I/O接口可直接输出大电流（15～25 mA），I/O口驱动能力的增强可减少外部驱动芯片，能够直接驱动LED和VFD（荧光显示器）。（2） 并行I/O接口的逻辑控制功能增强。大部分单片机I/O接口都能够进行逻辑操作，中、高档单片机的位处理系统能够对I/O接口进行位寻址及位操作，提高了I/O接口线的控制能力。（3） 增加了特殊串行接口功能，为构建分布式和网络化的系统提供了方便。
5.外围电路内装化
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