第2章单片机基础

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第2章章

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第2章章2.1 概述

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2.2 MCS—51系列单片机基本结构系列单片机基本结构 2.3 中央处理器中央处理器CPU 2.4 MCS—51单片机存储器及存储空间单片机存储器及存储空间 2.5 并行输入输出接口并行输入/输出接口

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2.1 概述2.1.1 单片机的产生与发展单片机出现的历史并不长, 但发展十分迅猛。它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步, 自1971 年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来, 它的发展到目前为止大致可分为5个阶段:

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第1阶段(1971~1976): 单片机发展的初级阶段。 1971年11月Intel公司首先设计出集成度为2 000只晶体管/片的4位微处理器Intel 4004, 并配有RAM、 ROM和移位寄存器, 构成了第一台MCS—4微处理器, 而后又推出了8位微处理器Intel 8008, 以及其它各公司相继推出的8位微处理器。

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第2阶段(1976~1980): 低性能单片机阶段。以 1976年Intel公司推出的MCS—48系列为代表, 采用将8位 CPU、 8位并行I/O接口、 8位定时/计数器、 RAM和 ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构, 虽然其寻址范围有限(不大于4 KB), 也没有串行I/O, RAM、 ROM容量小, 中断系统也较简单, 但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。

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第3阶段(1980~1983): 高性能单片机阶段。这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口, 有多级中断处理系统, 多个16位定时器/计数器。片内RAM、 ROM的容量加大,且寻址范围可达64 KB, 个别片内还带有A/D转换接口。

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第4阶段(1983~80年代末): 16位单片机阶段。 1983年Intel公司又推出了高性能的16位单片机MCS—96 系列, 由于其采用了最新的制造工艺, 使芯片集成度高达12万只晶体管/片。第5阶段(90年代): 单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。

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2.1.2单片机的应用由于单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低, 控制功能强及运算速度快等特点, 因而在国民经济建设、军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。按照单片机的特点, 其应用可分为单机应用与多机应用。 1. 单机应用在一个应用系统中, 只使用1片单片机称为单机应用, 这是目前应用最多的一种方式。单片机应用的主要领域有:

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(1) 测控系统。用单片机可以构成各种不太复杂的工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等, 达到测量与控制的目的。 (2) 智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表, 促进

仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化方向发展。 (3) 机电一体化产品。单片机与传统的机械产品相结合, 使传统机械产品结构简化, 控制智能化。

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(4) 智能接口。在计算机控制系统, 特别是在较大型的工业测、控系统中, 用单片机进行接口的控制与管理, 加之单片机与主机的并行工作, 大大提高了系统的运行速度。 (5) 智能民用产品。如在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子秤、收银机、办公设备、厨房设备等许多产品中, 单片机控制器的引入, 不仅使产品的功能大大增强, 性能得到提高, 而且获得了良好的使用效果。

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2. 多机应用单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、并行多机处理及局部网络系统。 (1) 功能集散系统。多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。 (2) 并行多机控制系统。并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速性问题, 以便构成大型实时工程应用系统。 (3) 局部网络系统。

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2.1.3 单片机系列简介目前世界上单片机生产厂商很多 , 如 : Intel 、 Motorola、 Philips、 Siemens、 NEC、 ADM、 Zilog等公司, 其主流产品有几十个系列, 几百个品种。尽管其各具特色, 名称各异, 但作为集CPU、 RAM、 ROM(或 EPROM)、 I/O接口、定时器/计数器、中断系统为一体的单片机, 其原理大同小异。现以Intel公司的系列产品为例, 说明各系列之间的区别。 Intel公司从其生产单片机开始, 发展到现在, 大体上可分为 3 大系列 : MCS—48 系列、 MCS—51 系列、 MCS—96系列。该3大系列的性能简介见表2―1。

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第2章章表2―1 Intel单片机系列性能简介

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2.2 MCS—51系列单片机基本结构系列单片机基本结构2.2.1 MCS—51单片机系列 MCS—51系列单片机虽已有10多种产品, 但可分为两大系列: MCS—51子系列与MCS—52子系列。 MCS— 51子系列中主要有8031、 8051、 8751 三种类型。而 MCS—52子系列也有3种类型8032、 8052、 8752。各子系列配置见表2―2所示。

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表2―2 MCS—51系列单片机配置一览表

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表2―2中列出了MCS—51系列单片机的两个子系列, 在4个性能上略有差异。由此可见, 在本子系列内各类芯片的主要区别在于片内有无 ROM 或 EPROM; MCS—51与MCS—52子系列间所不同的是片内程序存储器ROM从4 KB增至8 KB; 片内数据存储器由128个字节增至256个字节;定时器/计数器增加了一个; 中断源增加了1~2个。另外, 对于制造工艺为CHMOS的单片机,

由于采用CMOS技术制造, 因此具有低功耗的特点, 如 8051功耗约为630 mW, 而80C51的功耗只有120 mW。

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2.2.2 MCS—51系列单片机内部结构及功能部件 MCS—51系列单片机的内部结构框图如图2―1所示。分析图2―1, 并按其功能部件划分可以看出, MCS— 51系列单片机是由8大部分组成的。图2―2为按功能划分的MCS—51系列单片机内部结构简化框图。这8大部分是: · 一个8位中央处理机CPU。 · 128个字节(MCS—52子系列为256字节)的片内数据存储器RAM。

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·4 KB(MCS—52子系列为8 KB)的片内程序只读存储器ROM或EPROM(8031和8032无)。 ·18个(MCS—52子系列为21个)特殊功能寄存器 SFR。 ·4个8位并行输入输出I/O接口: P0口、 P1口、 P2口、 P3口(共32线), 用于并行输入或输出数据。 · 1个串行I/O接口。 ·2个(MCS—52子系列为3个)16位定时器/计数器。

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· 1个具有5个(MCS—52子系列为6个或7个)中断源, 可编程为2个优先级的中断系统。它可以接收外部中断申请, 定时器/计数器中断申请和串行口中断申请。

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图2―1 MCS—51系列单片机内部结构框图

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图2―2 MCS—51系列单片机内部结构简化框图