第3章 MCS-51系列单片机硬件结构

单片机又称为微控制器，它采用一定的工艺手段将CPU、存储器和I/O接口集成在一个芯片上，发展十分迅速。本章从硬件上阐述MCS-51系列单片机的系统结构、工作原理和应用中的一些技术问题，是学习后续章节的基础。通过本章的学习，可以使读者对MCS-51单片机的硬件结构及工作原理有较为深刻的理解。要求从应用的角度掌握MCS-51单片机的功能、内部结构、外部引脚的意义、主要的硬件资源、存储器系统结构等。其中，单片机存储器的分布是单片机程序设计的基础，因此必须在脑海中形成单片机存储器的分布图；记忆各种特殊功能寄存器的名称对于今后的学习是非常有帮助的。

3.1 单片机概述

单片机是为了满足工业控制需要而诞生的，是自动控制系统的核心部件，因而也主要用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器中。它具有体积小、个性突出（某些方面的性能指标大大优于通用微机中央处理器）、价格低廉等特点，应用领域不断扩大，除了工业控制、智能化仪表、通信、家用电器外，在智能化高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件。

自1975年美国得克萨斯仪器公司（Texas Instruments）第一块微型计算机芯片TMS-1000问世以来，单片机技术已发展成为计算机领域一个非常有前途的分支，它有自己的技术特征、规范、发展道路和应用领域。

3.1.1 单片机的特点、分类及应用

在通用微机中央处理器基础上，将输入/输出（I/O）接口电路、时钟电路以及一定容量的存储器等部件集成在同一芯片上，再加上必要的外围器件，如晶体振荡器，就构成了一个较为完整的计算机硬件系统。由于这类计算机系统的基本部件均集成在同一芯片内，因此被称为单片微控制器（Single-Chip-Micro Controller，单片机）或微控制单元（MicroController Unit，MCU）。

对于通用微处理器来说，其主要任务是数值计算和信息处理，对运算速度和存储容量方面的要求是速度越快越好，容量越大越好，因此它沿着高速、大容量方向发展：字长由8位（如8085处理器）、16位（如8086、80286），迅速向32位（80486）、64位（如Pentium系列CPU，Pentium系列CPU内部数据总线为32位，对外数据总线为64位，因而Pentium还不是真正意义上的64位微处理器）过渡，时钟信号的频率由最初的4.77MHz向33MHz、66MHz、100MHz、200MHz、400MHz、600MHz、1GHz、2GHz，甚至更高频率过渡。而单片机主要面向工业控制，8位字长已足够（在工业控制中，一般仅需要控制线路的通、断，触点的吸合与释放，有时4位单片机也能胜任），尽管也有16位、32位的单片机芯片，但这些高档单片机芯片主要用于语音、图像处理系统。

现在市场上出现了很多类型的单片机，常用的单片机产品介绍请参阅附录B。

1．单片机的特点

单片机芯片作为控制系统的核心部件，除了要具备通用微机CPU的数值计算功能外，还必须具有灵活、强大的控制功能，以便实时监测系统的输入量、控制系统的输出量，实现自动控制。由于单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，如高温、强电磁干扰，甚至含有腐蚀性气体，在太空中工作的单片机控制系统，还必须具有抗辐射能力，因而决定了单片机CPU与通用微机CPU具有不同的特点：

① 单片机的抗干扰性强，工作温度范围宽，而通用微机CPU一般要求在室温下工作，抗干扰能力较低。

② 可靠性高，在工业控制中，任何差错都有可能造成极其严重的后果。

③ 控制功能往往很强，数值计算能力较差，而通用微机CPU具有很强的数值运算能力，但控制能力相对较弱，将通用微机用于工业控制时，一般需要增加一些专用的接口电路。

④ 指令系统比通用微机系统简单。

⑤ 更新换代速度比通用微机处理器慢得多。Intel公司1980 年推出标准MCS-51 内核8051（HMOS工艺）、80C51（CHMOS工艺）单片机芯片后，持续生产、使用十年，直到1996年3月才被增强型MCS-51内核8XC5X系列芯片取代。由于增强MCS-51单片机芯片均采用CHMOS工艺，因此Philips公司将“增强型MCS-51”内核称为“增强型80C51”内核。

2．单片机的应用

单片机的出现是近代计算机发展史上的一个重要里程碑，单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用微型计算机和嵌入式计算机系统两大分支。与体积大、成本高的通用计算机相比，单片机的单芯片的微小体积和极低的成本，使其可广泛地地嵌入到玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通信设备中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。单片机应用的主要领域有：

（1）在智能仪表中的应用

单片机广泛地应用于实验室、交通运输工具、计量等各种仪器仪表之中，使仪器仪表智能化，提高它们的测量精度，加强其功能，简化仪器仪表的结构，便于使用、维护和改进。例如，电度表校验仪，电阻、电容、电感测量仪，船舶航行状态记录仪，烟叶水分测试器，智能超声波测厚仪等。单片机在这些领域的应用，不仅使传统的仪器仪表发生了根本的变革，也给传统的仪器仪表行业的改造带来了美好的前景。

（2）在机电一体化中的应用

机电一体化是机械工业发展的重要方向。机电一体化产品是指集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的数控机床等。单片机的出现促进了机电一体化的进程，它作为机电产品中的控制器，能充分发挥其体积小、可靠性高、控制功能强、安装方便等优点，大大提升了机器的功能，提高了机器的自动化、智能化的程度。

（3）在实时控制中的应用

单片机也可广泛地应用于各种实时控制系统中，如对工业上各种窑炉的温度、酸度、化学成分的测量和控制，使系统工作于最佳状态，提高系统的生产效率和产品的质量。在航空航天、通信、遥控、遥测、工业机器人控制等各种实时控制和实时数据采集系统中，都可以用单片机作为控制器。

（4）在军工领域的应用

由于单片机具有可靠性高、温度范围宽、能适应各种恶劣环境的特点，因而可广泛应用于导弹控制、鱼雷制导控制、智能武器装备、航天飞机导航系统等领域。

（5）在分布式多机系统中的应用

利用单片机可以构成分布式测控系统，系统中若干台单片机组成的功能各异的仪器设备，它们通过通信相互联系，各自完成特定的任务，协调完成整个任务，能同时采集或处理更多信息，使单片机的应用进入一个新水平。

（6）在民用电子产品中的应用

单片机在民用电子产品中的应用，能明显提高产品的性价比，提高产品在市场上的竞争能力，受到了产品开发商和用户的双重青睐。目前高档的家用电器、电子玩具等几乎都是由单片机来作为控制器的。

单片机作为最典型的嵌入式系统，它的成功应用推动了嵌入式系统的发展。近年来，各种类型的工控机，各种以通用微处理器构成的计算机主板模块，以通用微处理器为核心，片内扩展一些外围功能电路单元构成的嵌入式微处理器，甚至单片形态的PC等，都实现了嵌入式应用，成为嵌入式系统的庞大家族。

单片机是现代计算机、电子技术结合的新兴领域，无论是单片机本身还是单片机应用系统的设计方法，都会随时代不断发生变化。

3．单片机的分类

目前，据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000 种，流行体系结构有30多个系列，其中8051体系的占有多半。生产8051单片机的半导体厂家有20多个，共350多种衍生产品。单片机可以按用途、位数和结构进行分类。

（1）按用途分类

单片机按用途可分为两大类：专用型单片机和通用型单片机。

专用型单片机用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好，用户不能进行修改。其特点是成本低，适合大批量生产。电子表里的单片机就是其中的一种，来电显示电话中配有液晶驱动器接口的单片机和全自动洗衣机中的微控制器，都是专用单片机。小家电、玩具领域的单片机，因其小封装、价格低廉，外围器件、外设接口集成度高，多数为专用单片机。

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。所谓资源丰富，是指片内集成的功能部件多，性能全面；通用性强，是指可以应用在非常广泛的领域。使用不同的接口电路及编制不同的应用程序，通用型单片机就可完成不同的功能，小到家用电器、仪器仪表，大到机器设备和整套生产线，都可用单片机来实现自动化控制。

（2）按位数分类

按单片机数据总线的位数，可将单片机分为4位、8位、16位、32位机。

① 4位单片机

4位单片机适用于各种规模较小的家电类消费产品。一般的单片机厂家均有自己的4位单片机产品，有OKI公司的MSM64164C、MSM64481，NEC公司的78006X系列、EPSON公司的SMC62系列等。典型应用领域有：PC用的输入装置（鼠标、游戏杆）、电池充电器、运动器材、带液晶显示的音频视频产品控制器、一般家用电器的控制及遥控器、玩具控制、计时器、时钟、表、计算器、多功能电话、LCD游戏机。

② 8位单片机

8位单片机是目前品种最为丰富、应用最为广泛的单片机，有着体积小、功耗低、功能强、性价比高、易于推广应用等显著优点。目前主要分为MCS-51 系列及其兼容机型和非MCS-51系列单片机。MCS-51兼容产品因开发工具及软硬件资源齐全而占主导地位，Atmel、Philips、Winbond是MCS-51单片机生产的老牌厂家，CYGNAL及ST也推出了新的产品，其中ST新推出的μPSD系列片内有大容量Flash(128/256KB)、8/32KB的SRAM、集成A/D、看门狗、上电复位电路、两路UART、支持在系统编程ISP及在应用中编程IAP等诸多先进特性，迅速被广大51 单片机用户接受。非51 系列单片机在中国应用较广的有Motorola 68HC05/08系列、Microchip的PIC单片机及Atmel的AVR单片机。8位单片机在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到广泛应用。

③ 16位单片机

16位单片机的操作速度及数据吞吐能力在性能上比8位机有较大提高。目前以Intel的MCS-96/196系列、TI的MSP430系列及Motorola的68HC11系列为主。16位单片机主要应用于工业控制、智能仪器仪表、便携式设备等场合，其中TI的MSP430系列以其超低功耗的特性广泛应用于低功耗场合。

④ 32位单片机

32位单片机是单片机的发展趋势。随着技术发展及开发成本和产品价格的下降，32位单片机将会与8位机并驾齐驱。生产32位单片机的厂家与生产8位单片机的厂家一样多。Motorola、TOSHIBA、HITACH、NEC、MITSUBISHI、SAMSUNG群雄割据，其中以32位ARM单片机及Motorola的MC683XX、68K系列应用较广。基于Internet、无线数字传输的嵌入式应用，32位机将具有更广泛的市场。

（3）按结构分类

迄今为止，世界上主要芯片厂家投放市场的单片机产品达70多个系列，500多个品种。这些产品按其结构划分，大致可以有以下两类。

① CISC结构的单片机

CISC的含义是复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer），CISC结构的单片机数据线和指令线分时使用，称为冯·诺依曼结构。

随着单片机的发展，传统CISC的指令集引入了各种各样的复杂指令，使得指令集和要实现这些指令的体系结构越来越复杂，已经不堪重负。经过大量的研究和分析，发现在CISC的指令集中，各种指令的使用频率相差悬殊：大概有20%的指令被反复使用，使用量占整个程序的80%；而有80%左右的指令则很少使用，其使用量约占整个程序的20%。这就是所谓的“二八定律”。“二八定律”使得CISC的效率大大降低。例如MCS-51系列单片机，时钟速度为12MHz时，单机器周期指令速度仅为1MIPS（百万条指令/秒）。

总之，采用CISC结构的单片机具有指令丰富、功能强大的特点，但由于取指令和取数据不能同时进行，因而速度受到限制，价格亦高。属于CISC结构的单片机有Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的M68HC系列、Atmel公司的AT89系列、中国台湾地区Winbond（华邦）公司的W78系列、荷兰Philips公司的PCF80C51系列。CISC结构的单片机适用于控制关系比较复杂的场合，如通信产品、工业控制系统等。

② RISC结构的单片机

RISC的含义是精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer），采用这种结构的单片机，其数据线和指令线分离，具有所谓的哈佛（Harvard）结构。

如上所述，当CISC发展到一定程度后，一些过于复杂的指令很难也很少使用。把这样的指令加入到指令集反而使控制器的设计变得复杂，并占用CPU芯片面积相当大的部分。因此，从处理器的执行效率和开发成本两个方面考虑，提出了RISC。RISC具有3个基本要素：一个有限的简单指令集；强调寄存器的使用；强调对指令流水线的优化。

自1950年第一台程序存储式计算机诞生以来，RISC结构就是计算机技术中最重要的变革之一，对传统计算机结构的技术和概念提出了挑战，并对今后的计算机系统结构产生了深远影响。RISC的特点是：指令规范、对称，简单指令小于100条，基本寻址方式有2种或3种；单周期指令长度一致，单拍完成，便于流水操作。

采用RISC体系结构，指令绝大部分成为单周期指令，而且通过增加程序存储器的宽度（例如从8位增加到10位、12位、16位等），实现一个地址单元存放一条指令。在这样的体系结构中，很容易实现并行流水线操作，其结果大大提高了指令运行速度。目前，一些RISC结构的单片机已实现了一个时钟周期执行一条指令。与MCS-51相比，在相同的12MHz外部时钟下，单周期指令运行速度可达12MIPS，可获得很高的指令运行速度。从另一方面，在相同的运行速度下，可大大降低时钟频率，有利于获得良好的电磁兼容效果。

采用RISC结构的单片机，其取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类RISC单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度也更快。同时，这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。属于RISC结构的单片机有Microchip公司的PIC系列、Zilog公司的Z86系列、Atmel公司的AT90S系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机、中国台湾地区义隆公司的EM-78系列等。一般来说，控制关系较简单的小家电，都可以采用RISC型单片机。此外，RISC单片机功能的迅速完善，使其在控制关系复杂的场合也毫不逊色。

3.1.2 单片机技术的发展趋势

从单片机的发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域为拉动，表现出以下技术特点及发展趋势。

1．单片机的技术现状

目前单片机芯片系统、品种、规格繁多，先后经历4位机、8位机、16位机、新一代8位机、32位机等几个有代表性的发展阶段。4位机主要用于家用电器，如电视机、空调机、洗衣机中，不过随着8位机价格的下降，在家用电器中已开始大量采用8位机，以便在家用电器中采用一些新技术，如模糊控制、变频调速等，提高家用电器的智能化、自动化程度，并尽可能降低系统的能耗；16位机具有很强的数值运算能力和较快的反应速度，常用在需要实时控制、实时处理的系统中，尽管16位单片机进入市场已十余年，但一直未能取代8位机成为主流产品，目前已强化了控制接口功能的新一代8位机和数值运算能力极强的32位机的销量也在迅速上升。在今后一段时间内，8位、16位和32位单片机芯片销量的绝对值可能会有不同程度的增长，但在目前，甚至今后相当长的时间，如5年、10年时间内，8位单片机，尤其是强化了控制接口功能的新一代8位机，如80C51、MC68HC11系列，依然是单片机的主流产品。因此，本书也主要介绍8位单片机原理及系统组成。

8位单片机先后经历了三个发展阶段。

第一代单片机系统（如Intel公司的MCS-48 系列）功能较差，它实际上是8位通用CPU单元电路和基本I/O接口电路、小容量存储器、中断控制系统的简单组合，没有串行通信功能，不带A/D、D/A转换器，中断控制和管理能力也较弱。因此它的应用范围受到很大的限制。

为了提高单片机的控制功能，拓宽其应用领域，在20世纪80年代初期，Intel、Motorola等公司在第一代8位单片机电路基础上，增加通用串行通信控制和管理接口（UART），强化中断控制功能，增加定时/计数器的个数，扩展存储器容量，更新存储器的种类，部分系统单片机芯片内还集成了A/D、D/A转换接口电路，形成了第二代8位单片机系统，如Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的6801系列、Zilog公司的Z8系列及NEC公司的μPD7800等。第二代8位单片机芯片投放市场后，迅速取代了第一代8位单片机，成为当时单片机市场的主流，并持续了十余年。

第二代8位单片机的特点是通用性强，但个性还不突出，控制功能也有限，依然不能满足不同应用领域、不同测控系统的要求。在20世纪90年代中后期，各大芯片厂商，如Intel、Philips、Motorola、Temic Seconductor Technology、Microchip等在第二代单片机CPU内核基础上，除了进一步强化原有的功能（如在串行口部件中增加错误侦测和自动地址识别功能）外，针对不同的应用领域，将不同功能、用途的外部接口电路嵌入到第二代单片机CPU内，形成了规格、品种繁多的新一代8位单片机芯片，如Intel、Philips、Atmel公司的8XC5X系列，Motorola公司的68HC05、68HC5X系列，Micro Chip公司的PIC16C系列等。在新一代8位单片机中，以增强型MCS-51为内核的8XC5X系列、以6801为内核的68HC05和68HC11系列目前已成为主流单片机芯片。

2．单片机技术的特点

单片机技术具有以下几个特点。

（1）单片机寿命长

所谓寿命长，一方面是指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作10年、20年，另一方面是指与微处理器相比生存周期长。微处理器更新换代的速度越来越快，以386、486、586为代表的微处理器，几年内就被淘汰出局。而传统的单片机如8051、68HC05等“年龄”已有20多岁，产量仍是上升的。一些成功上市的相对年轻的CPU核心，也会随着I/O功能模块的不断丰富，有着相当长的生存周期。

（2）8位、32位单片机共同发展

这是当前单片机技术发展的另一动向。长期以来，单片机技术的发展是以8位机为主的。随着移动通信、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32位单片机的应用得到了长足、迅猛的发展。

（3）低噪声与高速度

为提高单片机的抗干扰能力，降低噪声，降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。一些8051 单片机兼容厂商改善了单片机的内部时序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了很多。Motorola单片机使用了锁相环技术或内部倍频技术，使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率。68HC08单片机使用4.9MHz外部振荡器，内部时钟频率达32MHz。三星电子新近推出了1.2GHz的ARM处理器内核。

（4）低电压与低功耗

几乎所有的单片机都有Wait、Stop等省电运行方式，允许使用的电源电压范围也越来越宽。一般单片机都能在3～6V范围内工作，对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。低电压供电的单片机电源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。0.9V供电的单片机也已经问世。

（5）低噪声与高可靠性

为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。如ST公司的由标准8032核和PSD（可编程系统器件）构成的μPSD系列单片机片内增加了看门狗定时器，NS公司的COP8单片机内部增加了抗EMI电路，增强了“看门狗”的性能。Motorola推出了低噪声的LN系列单片机。

（6）ISP与IAP

ISP（In-System Programming）技术的优势是，不需要编程器就可以进行单片机的实验和开发，单片机芯片可以直接焊接到电路板上，调试结束即成为成品，免去了调试时由于频繁地插入/取出芯片对芯片和电路板带来的不便。IAP（In-Application Programming）技术是从结构上将Flash存储器映射为两个存储体，当运行一个存储体上的用户程序时，可对另一个存储体重新编程，之后将程序从一个存储体转向另一个。ISP的实现一般需要很少的外部电路辅助实现，而IAP的实现更加灵活，通常可利用单片机的串行口接到计算机的RS232口，通过专门设计的固件程序来对内部存储器编程，可以通过现有的Internet或其他通信方式很方便地实现远程升级和维护。

3．单片机的发展趋势

单片机的发展趁势是高性能、大容量、微型化、外围电路内装化等。

（1）CPU的改进

① 采用双CPU结构，以提高处理速度和处理能力。

② 增加数据总线宽度，以提高数据处理速度和能力。

③ 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，尤其适合于实时数字信号处理。

④ 串行总线结构。菲利浦公司开发了一种新型总线——I2C总线（Intel-Icbus），该总线采用三条数据线代替现行的8位数据总线，从而大大减少了单片机的外部引脚，降低了单片机的成本，特别适用于电子仪器设备的微型化。

（2）存储器的发展

① 增大存储容量。新型单片机片内ROM一般可达4KB至8KB，有的甚至可达128KB。片内RAM可达1KB字节。片内存储器存储容量的增大有利于外围扩展电路的简化，从而提高产品的稳定性，降低产品的成本。

② 片内EPROM开始EEPROM化。片内EPROM由于需要高压编程输入、紫外线擦除，使用时存在许多不便。采用电擦除的EEPROM后，不需要紫外线擦除，只需重新写入。特别是能在+5V下读写的EEPROM，既有静态RAM读写操作简便的优点，又有在掉电时数据不会丢失这一ROM的优点。片内EEPROM的使用不仅会对单片机结构产生影响，而且会大大简化应用系统的组成结构，从而提高产品的稳定性，降低产品的成本。由于EEPROM中数据写入后能永久保持，因此有的单片机将它作为片内RAM使用，甚至有的单片机将EEPROM用做片内通用寄存器使用。

③ 程序保密化。一般EPROM中的程序很容易被复制，为防止复制，某些公司开始采用KEPROM（Keyed access EPROM）编程写入，对片内EPROM或EEPROM采用加锁方式。加锁后无法读出其中的程序，防止应用系统程序被抄袭。

（3）片内I/O的改进

一般单片机都有较多的并行口，以满足外设、芯片扩展的需要，并配以串行口，以满足多机通信功能的要求。

① 提高并行口的驱动能力，这样可减少外围驱动芯片。有的单片机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）等。

② 增加I/O接口的逻辑控制功能，中、高档单片机的位处理系统能够对I/O接口线进行位寻址及位操作，加强了I/O接口线控制的灵活性。

③ 特殊的串行接口功能，为单片机构成网络系统提供更便利的条件。

（4）外围电路内装化

随着集成电路集成度的不断提高，有可能把众多的外围功能电路集成到单片机芯片内。除了一般具备的ROM、RAM、定时器/计数器、中断系统外，为满足检测、控制功能更高的要求，片内集成的部件还可有A/D转换器、D/A转换器、DMA控制器、锁相环、频率合成器、字符发生器、语音发生器、CRT控制器等。由于集成工艺在不断地改进和提高，能集成于片内的外围电路也可以是大规模的，把所需要的外围电路全部集成到单片机内，即系统的单片化是目前单片机发展的趋势。

（5）低功耗与工作电压范围加宽

在8位单片机中有半数以上的产品已CMOS化，CMOS单片机具有功耗小的优点。为了充分发挥低功耗的特点，这类单片机普遍设置有空闲和掉电两种工作方式。如采用CHMOS工艺的MCS-51系列单片机80C51BH/80C31/87C51，在正常运行时（5V、12MHz），工作电流为16mA；同样条件下的空闲工作方式，其工作电流为3.7mA；而在掉电方式（2V）工作时，工作电流仅为50nA。

对于采用NMOS工艺制作的单片机，工作电压一般为4.5～5.5V。采用CMOS工艺的单片机，一般都可以在3～6V的条件下工作。目前有的单片机工作电压更低，如TI公司的MSP430X11X系列单片机的工作电压是2.2V。

（6）低噪声与高可靠性技术

为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机厂家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。如有很多系列单片机在片内增加了看门狗定时器，Motorola公司的MC68HC08系列单片机采用了EFT（Electrical Fast Transient）抗干扰技术。

（7）ISP及IAP

在线编程技术（ISP）及在应用中编程技术（IAP）是通过计算机的并口或串口对单片机进行程序下载编程的。单片机引出的编程线与I/O线共用，不增加单片机的额外引脚。ISP为开发、调试提供了方便，并使单片机系统的远程调试、升级成为现实。IAP可实现单片机在应用中的再编程，为仪器仪表的智能化提供了重要的技术手段。

（8）单片机的小容量低廉化

小容量低廉的4位机、8位机也是单片机发展方向之一，其用途是把以往用数字逻辑电路组成的控制电路单片化。专用型的单片机将得到大力发展，使用专用单片机可最大限度地简化系统结构，提高可靠性，使资源利用率最高，在大批量使用时有可观的经济效益。

（9）单片机的应用系统化

单片机是嵌入式系统的独立发展之路，单片机向MCU发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决。因此，专用单片机的发展自然形成了SoC（System on Chip）化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，随着集成电路技术及工艺的快速发展，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

现在，虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以8051 为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有Philips公司的产品、Atmel公司的产品和Winboad公司的系列单片机。所以8051 为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集计算机（RISC）也有着强劲的发展势头，中国台湾地区的Holtek公司近年的单片机产量与日俱增，并以其低价质优的优势，占据一定的市场份额。此外还有Motorola公司的产品、日本几大公司的专用单片机。在一定时期内，这种情形将得以延续，不会存在某个单片机一统天下的垄断局面。

由于单片机的开发手段目前仍以仿真器为主，能否提供廉价的仿真器，并提供方便的技术服务与培训，较之能否提供高性能、低价位的单片机有着同等的重要性。各单片机厂商在开发工具以及技术服务方面也进行着激烈的竞争。这种竞争与推出新型的单片机以显示高技术方面的优势是相辅相成的。竞争的结果是为单片机应用工程师提供更广阔的选择空间，而最终受益的是单片机产品的消费者。

3.1.3 单片机应用系统

由于单片机的应用场合及系统功能要求不同，用单片机构成的应用系统在规模上、结构上区别很大，大致可分为基本系统和扩展系统两种类型。

1．基本系统

单片机的基本系统也称为最小系统，这种系统所选择的单片机内部资源已能满足系统的硬件需求，不需要外接存储器或I/O接口。这种单片机内含有用户的程序存储器（用户程序写入到内部只读程序存储器），例如EPROM型单片机、EEPROM型单片机、Flash Memory型单片机、定制的ROM型单片机。

单片机基本系统结构如图3-1所示。

2．扩展系统

单片机的扩展系统通过单片机的并行扩展总线（地址总线AB、数据总线DB、控制总线CB）或串行扩展总线（如SPI或I2C总线）在外部扩展程序存储器、数据存储器、I/O接口等，以弥补单片机内部资源的不足，满足特定应用系统的软硬件要求。单片机扩展系统结构如图3-2所示。

单片机应用系统设计好之后需要调试，调试过程中的具体问题请参阅附录C。