代码收藏家 单片机原理及应用 第1章：单片机概述、应用领域及主要生产厂家和机型（复旦大学深度解析）
目录
提要
1.1 单片机的历史及发展概况
1.2 单片机的发展趋势
1.2.1 CPU 的改进
1.2.2 存储器的发展
1.2.3 片内 I/O 的改进
1.2.4 集成更多的外围电路
1.2.5 引脚的多功能
1.2.6 低功耗
1.2.7 专用型单机发展加快
1.3 单片机的应用
1.3.1 单片机在各类仪器仪表中的应用
1.3.2 单片机在工业测控中的应用
1.3.3 单片机在计算机网络与通信技术中的应用
1.3.4 单片机在日常生活及家电中的应用
1.4 8 位单片的主要生产厂家和机型
1.4.1 单片机主要厂商
1.4.2 单片机主要产品
1．Intel 公司系列单片机
2.Microchip 美国微芯科技公司的单片机
3．PHILIPS 公司单片机
4．ATMEL51 系列单片机
5．Motorola 公司单片机
6．Zilog 公司的单片机
7、SST 公司的 SST89E 系列单片机
（1）器件一般特点
提要
单片微型计算机简称单片机或微控制器。它将中央处理单元 CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种 I/O，甚至 A/D、D/A 转换器件集成在一块大规模集成电路芯片上，这样一个芯片即为一台具有一定规模、功能的计算机。单片机种类已有几百种，从一位、四位、八位发展到十六位、三十二位，集成度越来越高，功能越来越强，应用也越来越广。单片机可分为专用和通用两类，其中最常用的是 MCS-51 系列单片机，8051单片机是 MCS-51 系列单片机的基本型，SST89E58 单片机与 8051 单片机是兼容的
单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，是一种非常活跃和颇具生命力的机种。单片微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器（Microcontroller 或 MCU）。
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。因此，单片机只需要有适当的软件和外部设备，便可组成为一个单片机控制系统。
1.1 单片机的历史及发展概况
单片机作为微型计算机的一个分支，它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步，主要分为 三个阶段。
第一阶段（1974～1978）：初级单片机阶段。以 Intel 公司的 MCS-48 为代表，这个系列的单片机在 片内集成了 8 位 CPU、并行 I/O 口、8 位定时器/计数器、RAM 等，无串行 I/O 口，寻址范围不大于 4KB。
第二阶段（1978～1982）：高性能单片机阶段。以 MCS-51 系列为代表，这个阶段的单片机均带有串 行 I/O,具有多级中断处理系统，定时器/计数器为 16 位，片内 RAM 和 ROM 容量相对增大，且寻址范围 可达 64K。这类单片机的应用领域极其广泛，由于其优良的性价比，特别适合我国的国情，故在我国得 到广泛的应用。
第三阶段（1982～1990）：8 位单片机巩固、完善及 16 位单片机、32 位单片机推出阶段。以 MCS-96系列为代表，16 位单片机除了 CPU 为 16 位以外，片内 RAM 和 ROM 的容量进一步增大，片内 RAM 增 加为 232 字节，ROM 为 8K 字节，且片内带有高速输入/输出部件、多通道 10 位 A/D 转换器，具有 8 级 中断等。
第四阶段（1990~现在）单片机全面发展阶段。随着单片机在各个领域的全面发展和应用，出现了高 速、大寻址范围、强运算能力的 8 位/16 位/32 位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。
1.2 单片机的发展趋势
早期 MCS-51 典型时钟频率为 12MHz，目前与 MCS-51 单片机兼容的一些单片机的时钟频率达到40MHz 或更高的工作频率；现在已有更快的 32 位 400MHz 的单片机产品出现。
SST89E58 的时钟频率为 11.0592MHz, 每个机器周期包含 12 个时钟周期，也可以选择每个机器周期 包含 6 个时钟周期，使速度加倍。
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。为满足不同的用户要求， 各公司竞相推出能满足不同需要的产品。
1.2.1 CPU 的改进
CPU 功能增强主要表现在运算速度和精度的提高方面。
采用双 CPU 结构，以提高处理能力。
增加数据总线宽度，单片机内部采用 16 位或 32 位数据总线，其数据处理能力明显优于一般 8 位单 片机。
采用流水线结构。指令以队列形式出现在 CPU 中，且具有很快的运算速度。
1.2.2 存储器的发展
加大存储容量。新型单片机片内 ROM 一般可达 4KB 至 64KB，RAM 为 2K。有的单片机片内 ROM容量可达 256KB。SST89E58 单片机片内 ROM 一般可达 8K 字节至 32K 字节，RAM 为 1K 字节。
片内 EPROM 开始 E 2PROM 或 FLASH 化。片内 EPROM 由于需要高压编程写入，紫外线擦除给用 户带来不便。采用电改写的 E 2PROM 后，不需紫外线擦除，只需重新写入。特别是能在+5V 下读写 的 E 2PROM，既有静态 RAM 读写操作简便，又有在掉电时数据不会丢失的优点，片内 E 2PROM 的 使用不仅会对单片机结构产生影响，而且会大在简化应用系统结构。SST89E58 采用的是 Flash 化的E 2PROM。
程序保密化。一般 EPROM 中的程序很容易被复制。为防止复制，有的单片机设有对片内 ROM 中 信息的读取保护，这就达到了程序保密的目的。SST89E58 设有不同类型的防盗锁：硬件锁和软件锁。
1.2.3 片内 I/O 的改进
一般单片机都有较多的并行口，以满足外围设备、芯片扩展的需要，并配有串行口，以满足多机通 信功能的要求。
增加并行口的驱动能力。这样可减少外部驱动芯片。有的单片机能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）。
增加 I/O 口的逻辑控制功能。大部分单片机的 I/O 都能进行逻辑操作。SST89E58 单片机的位处理系 统能够对 I/O 口进行位寻址及位操作，大大的加强了 I/O 口线控制的灵活性。
配置了一些特殊的串行接口，如菲利浦公司开发的 I2C 总线（Inter-ICbus），该总线是用两条串行总 线代替现行的 8 位并行数据总线，从而大大减少了单片机引线，降低了单片机的成本，为单片机的 扩展及通信提供了方便。
通信及网络功能加强。在某些单片机内部还含有局部网络控制模块，因此这类单片机十分容易构成 网络。特别是在控制系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。目前，将单片机系统和 Internet连接起来已是一种趋势。
1.2.4 集成更多的外围电路
随着集成度的不断提高，有可能把众多的外围功能器件集成在片内。这也是单片机发展的重要趋势。 除了一般必须具有的 ROM、RAM、定时/计数器、中断系统外，随着单片机档次的提高，以适应检测、 控制功能更高的要求，片内集成的部件还有模/数转换器、数/模转换器、DMA 控制器、锁相环、实时时 钟、LCD 控制器、Watchdog 电路等。
由于集成工艺在不断发展，能装入片内的外围电路也可以是大规模的，把所需的外围电路全部装入单 片机内，即系统的单片化(SOC)是目前单片机发展趋势之一。
1.2.5 引脚的多功能
随着芯片内部功能的增强和资源的丰富，单片机所需的引脚数也会相应增加，这是不可避免的。例 如：一个能寻址 1MB 存储空间的单片机需 20 条地址线和 8 条数据线。太多的引脚不仅会增加加制造时 的困难，而且也会使应用单片机更复杂。为了减少引脚数量，提高应用灵活性，单片机中普遍采用一脚 多用的设计方案。
1.2.6 低功耗
8 位单片机中多数产品采用 CHMOS 工艺，CMOS 芯片的单片机具有功耗小的优点，而且为了充分 发挥低功耗的特点，这类单片机普遍配置有空闲和掉电两种工作方式。例如采用 CHMOS 工艺的 MCS51 系列单片机 80C51BH/80C31/87C51 在正常运行（5V, 12MHz）时，工作电流为 20mA，同样条件下空 闲方式工作时，工作电流则为 3.7mA，而在掉电（2V）时，工作电流仅为 50µA，以致不少单片机实际可 采用干电池供电。
1.2.7 专用型单机发展加快
专用型单片机具有最大程度简化的系统结构，资源利用率最高，大批量使用有可观的经济效益。
1.3 单片机的应用
单片机是为了实现控制功能而设计的一种微型计算机。它的应用首先是控制功能，即在于实现计算 机控制。其实现手段采用嵌入方式，即嵌入到对象环境中作为一个智能控制单元。由于被控对象种类繁 多，其应用也非常广泛，下面只介绍一些典型的应用领域和应用特点。 MCS-51 系列单片机的应用范围很广，根据使用情况大致可分为如下四大类。
1.3.1 单片机在各类仪器仪表中的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强等优点，可广泛应用于各类仪器仪表中（包括温度、温度、 流量、流速、电压、频率、功率、厚度、角度、硬度、元素、压力测定等），引入单片机使得仪器仪表数 字化、智能化、微型化，且功能大大提高。例如，精密数字温度计、智能电度表、智能流速仪、微机多 功能 PH 测试仪等等。
1.3.2 单片机在工业测控中的应用
用单片机可以构成各种工业测控系统、自适应控制系统、数据采集系统等。例如，SST89E58 单片机 控制的铁路车站控制台按钮记录器、交通灯的控制、人防报警系统控制、PC 机和单片机组成的二级计算机控制系统等。
1.3.3 单片机在计算机网络与通信技术中的应用
MCS-51系列单片机具有通信接口，为单片机在计算机网络与通信设备中的应用提供了良好的条件。 例如，MCS-51 系列单片机控制的小型电话交换机、列车无线通信系统、单片机控制无线遥控系统等
1.3.4 单片机在日常生活及家电中的应用
单片机愈来愈广泛地应用于日常生活中的智能电气产品以及家电中，例如，电子秤、银行计息电脑、 电脑缝纫机、心率监护仪、电冰箱控制、彩色电视机控制、洗衣机控制等等。 目前各种变送器、电气测量仪表普遍使用单片机系统代替传统的测量系统，赋予测量设备以各种智 能化功能，如存储、数据处理、查找、判断、联网语音接口等。将单片机与传感器做成一体，构成新一 代的智能化集成传感器。它将传感器变换得的电量具做进一步的变换、处理，输出能满足传送、与微机 接口的大信号、数字信号的要求。例如将单片机与 CCD 传感器集成后构成的一体化图像传感器中，单片 机将提供 CCD 所要求的时序信号，并交 CCD 的图像进行采集及预处理。
单片机除了上述应用领域之外，还广泛地应用于商业流通领域、汽车电子及航空电子等等。
综上所述，单片机的应用领域非常广泛。同时，它的应用也从根本上改变了传统控制系统设计思想 和设计方法，代以微控制技术来实现。随着单片机应用技术的推广普及，微控制技术必将不断发展、完 善。
1.4 8 位单片的主要生产厂家和机型
1.4.1 单片机主要厂商
1976 年单片机诞生以来，其产品在 20 多年里得到了迅猛的发展，形成了多公司、多系列、多型号的局面。在国际上影响较大的公司及其产品如表 1-1 所示。
除上述公司及其产品外，还有一些其他公司也生产各种类型的单片机，如 Siemens、OKI、Mostek 公 司等等。
1.4.2 单片机主要产品
1．Intel 公司系列单片机
Intel 公司的系列单片机可分为 MCS-48、MCS-96 三个系列。Intel 的单片机每一类芯片的 ROM 根据 型号一般有片内掩膜 ROM、片内 EPROM 和外接 EPROM 三种方式，这是 Intel 公司的首创，现已成为 单片机的统一规范。最近 Intel 公司又推出了片内带 E 2PROM 型单片机。片内掩膜 ROM 型单片机适合于 已定型的产品，可以大批量生产；片内带 EPROM 型、外接 EPROM 型及片内带 E 2PROM 型单片机适合 于研制产品和生产产品样机。
2.Microchip 美国微芯科技公司的单片机
Microchip 公司推出了 PIC16C5X 系列的单片机。它的的典型产品 PIC16C57 具有 8 位 CPU、2KB×12位 E 2PROM 程序存储器、80B×8 RAM、1 个 8 位定时器/计数器、21 根 I/O 口线等硬件资源。指令系统 采用 RISC 指令，拥有 33 条基本指令，指令长度为 12 位，工作速度较高。主要产品有 PIC16C54、PIC16C56等。
3．PHILIPS 公司单片机
PHILIPS 公司生产与 MCS-51 兼容的 80C51 系列单片机，片内具有 I 2C 总线、 A/转换器、定时监视器、CRT 控制器（OSD）等丰富的外围部件。其主要产品有 80C51、80C52、80C31、80C32、80C528、80C552、80C562、80C751 等，其中 83C552 功能最强，83C751 体积最小。 PHILIPS 单征机独特的创造是具有 I 2C 总线，这是一种集成电路和集成电路之间的串行通信总线。可 以通过总线对系统进行扩展，使单片机系统结构更简单，体积更小。I 2C 总线也可以用于多机通信。
4．ATMEL51 系列单片机
ATMEL 公司生产的 CMOS 型 51 系列单片机，具有 MCS-51 内核，用 Flash ROM 代替 ROM 作为程 序存储器，具有价格低、编程方便等优点。例如 89C51 就是拥有 4KB Flash ROM 的单片机。 ATMEL 公司生产的单片机主要有 89C51、89F51、89C52、89LV52、89C55 等。
5．Motorola 公司单片机
Motorola 公司的单片机从应用角度可以分成两类：高性能的通用型单片机和面向家用消费领域的专 用型单片机。
通用型单片机具有代表性的是 MC68HC11 系列，有几十种型号。其典型产品为 MC68HC11A8,具有 准 16 位的 CPU、8KB ROM、256 B RAM、512B E 2PROM、16 位 9 功能定时器、38 位 I/O 口线、2 个串 行口、8 位脉冲累加器、8 路 8 位 A/D 转换器、Watchdog、17 个中断向量等功能，可单片工作，也可以 扩展方式工作。除上述系列之外，还有 MC68HC16 系列，典型产品为 MC68HC16Z1,具有高速 16 位 CPU、
20 根外部地址总线、16 位数据总线、IKB RAM、9 功能 16 位定时器、2 路 PWM、串行通信口、高速 8
路 10 位 A/D 转换器，46 根 I/O 口线、200 多个中断矢量、Watchdog 等功能。M68HC16 系列单片机采用 模块化设计，由 16 位 CPU 模块、内部总线模块、系统集成模块、各种 I/O 模块、各种存储器模块等组 成。改变存储器模块或 I/O 模块可形成不同的 MC68HC16 系列单片机。
专用型单片机性能价格比高，应用时一般采用“单片”形式，原则上一块单片机就是整个控制系统。 这类单片机无法外接存储，如 MC68HC05/MC68HC04 系列。
6．Zilog 公司的单片机
Zilog 公司推出的 Z8 系列单片机是一种中档 8 位单片机。它的典型产品为 Z8601,具有 8 位 CPU、2 KB ROM、124 B RAM、2 个 8 位定时器/计数器、32 位 I/O 口线、1 个异步串行通信口、6 个中断向量 等。主要产品型号有 Z8600/10、Z8601/11、Z86C06、Z86C21、Z86C40、Z86C93 等。
7、SST 公司的 SST89E 系列单片机
美国 SST 公司推出的以 SST89 系列单片机为标准的 51 系列单片机,包括 SST89E/V52RD2, SST89E/V54RD2,SST89E/V58RD2,SST89E/V554RC,SST89E/V564RD 等，SST 所有 MCU 的设计和制造 都是用了 SST 公司特有的 SuperFlash 工艺，并且和 8051 完全相同的指令集，是脚到脚兼容标准的 8051微控制器，并且它与 8052 系列单片机兼容。提供系统在线编程(ISP 功能)。内部 flash 擦写次数 1 万次以 上,程序保存时间可达 100 年。SST89E58 是一款 8 位 Flash 类型的 51 单位机芯片，内部集成 40k 字节E2PROM 存储器和 1k 字节 RAM，工作频率最高可到 40MHz，工作电压为 5V。该芯片支持串口在线调 试，所以借用该功能可制作简易的 51 单片机仿真器。
（1）器件一般特点
与 ATMEL、PHILIPS、WINBOND 等公司的 8 位标准 8051 系列单片机完全兼容：软件完全兼容； 开发工具兼容；封装和引脚（Pin-Pin）完全兼容。
工作频率
SST89E554/564：0～40MHz，4.5～5.0V SST89V554/564：0～33MHz，2.7V～3.3V SST89E54、SST89E58：0～40MHZ，2.7V～5.5V
1K 字节内部 SRAM
三个高电流驱动端口（每端口 16mA）
三个 16 位定时器/计数器
全双工、增强型串口
8 个中断源，4 级中断优先级
可编程看门狗（WDT）
可编程计数器阵列（PCA）
四个 8 位 I/O 端口（32 个 I/O 引脚）
双 DPTR，提高块数据交换速度
低的 EMI（可禁止 ALE）
SPI 接口
增强的双倍速模式和标准模式
兼容 TTL 和 CMOS 逻辑电平
掉电检测
低功耗模式
休眠模式
与其他 MCS-51 系列单片机相比，其突出特点：（1）内部嵌入 SuperFlash 存储器：提高器件抗干扰 性能，SST 的 MCU 在 51 系列中抗干扰性能最好的；（2）可编程计数器阵列（PCA）：产生 PWM 输出； （3）IAP 功能：能够支持远程在线下载和修改程序；（4）增强的双倍速模式：比其他 51 单片机执行速 度快一倍。
本教材将以由单片机 SST89E58、接口芯片及实验单元、外设接口和系统电源组成的 JD51 单片机开 发板进行单片机开发实践的学习，所以各章节会针对 SST89E58 进行专门的说明。
资料仅供学习使用
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作者：上理考研周导师
