1.1 单片机概述

1.1.1 嵌入式系统与单片机

现代计算机系统有两大分支：通用计算机系统和嵌入式计算机系统（简称嵌入式系统）。前者是人类的“智力平台”；后者是人类工具的“智力嵌入”。

嵌入式系统是嵌入到应用对象中的微型计算机系统，是硬件、软件结合的智力系统。硬件包括中央处理器、存储器、外设器件、I/O（输入/输出）端口和图形控制器等。软件部分包括系统软件和应用程序。

嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU）又称单片机，它将整个计算机系统集中到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时器/计数器、I/O口、串行口、A/D转换器、D/A转换器、FlashRAM、E2PROM、PWM控制器等各种必要的功能部件和外设。为适应不同的应用需求，对功能的设置和外设的配置进行必要的修改和裁剪定制。嵌入式微控制器使应用系统的体积大大减小，功耗和成本大幅下降，可靠性提高，这使得嵌入式微控制器成为嵌入式系统应用的主流。

单片机接上振荡元件、复位电路、接口电路，载入软件后，可以构成单片机应用系统。将它嵌入形形色色的应用系统中，它将成为众多产品、设备的智能化核心。单片机种类很多，型号也很多，例如，AT89C51、AT89S51、P87C51、W7851E、MCS-51、PIC、ARM7、ARM9等。AT89S51单片机内部结构原理示意框图如图1-1所示。

1.1.2 单片机的发展概况

1.单片机发展简要历程

1976年Intel公司推出8位单片机MCS-48系列单片机。

1980年Intel公司推出8位单片机MCS-51系列单片机。

1982年Intel公司推出16位单片机MCS-96系列单片机。

近年来，ARM等公司推出了各种型号的32位单片机，并获得了迅速发展。例如，ST公司推出了基于ARM9为内核的32位STR91x系列产品，该产品是包含以太网、CAN、USB和DSP功能的Flash单片机。

三十多年来，单片机经历了4位、8位、16位、32位机的各个阶段。64位的单片机走向市场也指日可待。

8位单片机系列多，型号多，并且在更多的市场找到了发挥的空间，因此占据国内单片机市场的主流地位。国内使用最多的8位单片机系列中有MCS-51、AT89、P87C、W78E系列机、PIC、HT等。AT89系列机、P87C系列机、W78E系列机均是MCS-51系列机的兼容机。表1-1列出了几种常用8位单片机的主要配置。

表1-1 几种常用8位单片机的主要配置

单片机在目前的发展形势下，表现出以下几大趋势：

• 采用多核CPU提高处理能力。
• 采用新型存储器方便用户擦写程序及数据，加大存储容量，加强程序的保密措施。
• 单片机内部的集成度越来越高，和模拟电路结合越来越紧密，使其应用水平不断提高。如NS（美国国家半导体公司）的单片机已把语言、图像部件也集成到单片机中。
• 通信和联网功能不断增强。
• 集成度不断提高，功耗越来越低，电源电压范围加宽。

2.AT89系列单片机

AT89系列机是Atmel公司将先进的Flash存储器（快闪擦写存储器）技术和Intel80C51单片机的内核相结合的系列单片机，是与MCS-51系列机兼容的Flash系列单片机。它既继承了MCS-51原有的功能，又拥有一些独特的优点，是目前应用广泛的主流机型之一。AT89系列有AT89C系列和AT89S系列，各系列中又有低档型、标准型和高档型之分。AT89C51、AT89S51还与80C51、87C51的引脚兼容，可直接进行代换。

AT89C51单片机是AT89系列机的标准型单片机，是低功耗高性能的8位单片机，使用最高晶振频率为24MHz。

AT89S51单片机的基本功能、基本优点、引脚等都与AT89C51相同，但增加了一些新功能。例如，增加了ISP在线系统编程、看门狗、双DPTR等功能，并将工作频率提高到33MHz。AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

AT89SXX系列单片机实现了ISP下载功能，故而取代了89CXX系列的下载方式，也是因为这样，Atmel公司已经停止生产89CXX系列的单片机，现在市面上的89CXX多是停产前的库存产品。

1.1.3 单片机的应用领域

单片机由于其体积小、功耗低、价格低廉，且具有逻辑判断、定时计数和程序控制等多种功能，广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，处处可以见到它的身影，单片机主要应用于以下方面。

（1）仪表、传感器智能化

这是单片机应用最多、最活跃的领域之一。各种测量仪器、仪表普遍以单片机为核心的系统替代传统的系统，使测量系统具有各种智能功能。如存储、数据处理、查找、判断、联网和语音功能等。

将单片机与传感器结合可以构成新一代的智能传感器，可实现诸如电压、频率、功率、温度、流量、速度等物理量的测量。

（2）工业控制智能化

单片机广泛用于工业生产过程的自动控制、物理量的自动检测与处理、工业机器人、电机控制等领域。

（3）家用电器智能化

国内外各种家用电器已普遍采用单片机控制电路，构成单片机智能化控制系统。如电冰箱、空调器、微波炉、电饭煲、洗衣机、电视机等的控制器都以单片机为核心。

（4）通信产品智能化

现代通信设备基本上都实现了单片机智能控制。如程控交换机、手机、电话机、智能线路运行控制等。

（5）汽车电子系统智能化

单片机已应用到汽车电子系统中。例如，汽车点火控制、变速控制、防滑刹车、排气控制、节能控制、汽车报警、冷气控制、测试设备等。