1.1 单片机的概念及发展
项目任务1 一只会闪光的灯
在还没有学习单片机这门课程之前，我们先看一个案例：现在有一块单片机开发板，接上电源，打开开关，我们看到有一个发光二极管在闪烁，即每隔0.5 s发光二极管亮一次，然后再灭一次，依此规律循环。单片机是如何控制一个发光二极管（LED）闪烁的呢？本任务要求在学习什么是单片机、单片机的结构及单片机最小系统的应用等基础知识后，再动手实施与本案例相类似电路的设计过程。
1.1.1 单片机的定义
随着单片机性价比的不断提高，应用范围不断扩大，单片机开发可参考的资料、案例日益丰富，开发平台也日臻完善，单片机已不再局限于高端产品中的应用。因此，在新产品开发及老产品改造中将会更广泛地使用单片机技术。
1．单片机的概念与特点
单片微型计算机简称单片机。它是微型计算机发展中的一个重要分支，以其独特的结构和性能，越来越广泛地应用到工业、农业、国防、网络、通信以及人们日常工作、生活领域中。
1）什么是单片机
单片机（Single Chip Computer）又称单片微控制器（Microcontroller），它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是将计算机主要部件集成到一块芯片上。概括地讲，一块芯片集成了计算机的主要功能模块。
单片机主要由中央处理器（CPU）、存储器（随机存储器RAM和只读存储器ROM）、输入/输出接口、定时器/计数器等部分组成。
它的体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。将单片机装入各种智能化产品中，便成为嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller）。
2）单片机的特点
单片机具有如下特点：
（1）体积小、质量轻。
（2）电源单一、功耗低（突出特点）。
许多单片机可在2.2V的电压下工作，有的能在1.2V或0.9V电压下工作，功耗降为μA级。
（3）功能强、价格低，有优异的性能价格比。
（4）元器件全部集成在芯片上，布线短、合理，集成度高。
（5）数据大部分在单片机内传递，运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高。
2．单片机的体系结构
单片机的体系结构有两种，一是传统的冯·诺依曼（John Von Neumann）结构；另一种是哈佛（Harvard）结构。
1）冯·诺依曼结构
计算机的组成结构多数是冯·诺依曼型的，即它是通过执行存储在存储器中的程序而工作的。计算机执行程序自动按序进行，无须人工干预，程序和数据由输入设备输入存储器，执行程序所获得的运算结果由输出设备输出。因此，计算机通常由运算控制部件、存储部件、输入设备和输出设备四部分组成，如图1.1所示。
图1.1 冯·诺依曼型的计算机组成框图
2）哈佛结构
如图1.2所示为哈佛结构示意图。下面结合图1.2简单地介绍其结构特点。
图1.2 哈佛结构示意图
数据与程序分别存于两个存储器中，是哈佛结构的重要特点。由图1.2可见系统有两条总线，即数据总线和指令传输总线完全分开。哈佛结构的优点：指令和数据空间是完全分开的，一个用于取指令，另一个用于存取数据。所以与常见的冯·诺依曼结构不同的第一点：程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是8位的，但低挡、中挡和高挡系列的指令总线位数分别为12、14和16位。第二点：由于可以对程序和数据同时进行访问，CPU的取指和执行指令采用指令流水线结构，如图1.3所示，当一条指令被执行时允许下一条指令同时被取出，使得每个时钟周期都可以获得最高效率。
图1.3 指令流水线结构示意图
而在指令流水线结构中，取指和执行在时间上是相互重叠的，所以才可能实现单周期指令。只有涉及改变程序计数器PC（Program Counter）值的分支程序指令时，才需要两个周期。
在后面的学习中，本书主要介绍的AT89S52单片机采用的就是哈佛结构。
1.1.2 单片机的应用领域
单片机是在一块芯片上集成了一台微型计算机所需的CPU、存储器、输入/输出部件和时钟电路等。因此它具有体积小、使用灵活、成本低、易于产品化、抗干扰能力强、可在各种恶劣环境下可靠地工作等特点。特别是它应用面广、控制能力强，使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了广泛的应用。单片机主要可用于以下几方面：
1）家用电器
单片机已广泛应用于家用电器的自动控制中。如洗衣机、空调、电冰箱、彩色电视机、录像机、VCD、音响设备、手机和BP机等。单片机的使用提高了家用电器的性能和质量，降低了家用电器的生产成本和销售价格。
2）智能卡
尽管目前使用的各种卡主要是磁卡和IC卡，但是，带有CPU和存储器的智能卡，已经并将日益广泛地用于金融、通信、信息、医疗保健、社会保险、教育、旅游、娱乐和交通等各个领域。
3）智能仪器仪表
单片机体积小、耗电少，被广泛用于各类仪器仪表。如智能电度表、智能流量计、气体分析仪、智能电压电流测试仪和智能医疗仪器等。单片机使仪器仪表走向了智能化和微型化，使仪器仪表的功能和可靠性大大提高。
4）网络与通信
许多型号的单片机都有通信接口可方便地进行机间通信，也可方便地组成网络系统。如单片机控制的无线遥控系统、列车无线通信系统和串行自动呼叫应答系统等。
5）工业控制
单片机可以构成各种工业测控系统、数据采集系统。如数控机床、汽车安全检测系统、报警系统和生产过程自动控制系统等。
1.1.3 单片机技术的发展阶段
单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源不仅能满足很多应用场合的需要，且具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、性能可靠、价格低廉等特点。因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、网络系统、汽车工业、国防工业、高级计算器具、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。单片机的潜力越来越被人们所重视，特别是当前用CMOS工艺制成的各种单片机，由于其功耗低、使用的温度范围大、抗干扰能力强、能满足一些特殊场合的要求，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促进了单片机技术的发展。
单片机的发展主要经历了3个阶段（以Intel公司产品为例）。
第1阶段（1971—1978年）：初级单片机阶段，以MCS-48系列为代表。有4位、8位CPU，并行I/O口，8位定时器/计数器，无串行口，中断处理比较简单，RAM、ROM容量较小，寻址范围不超过4KB。
第2阶段（1978—1983年）：单片机普及阶段，以MCS-51系列为代表。8位CPU，片内RAM、ROM容量加大，片外寻址范围可达64KB，增加了串行口，多级中断处理系统， 16位定时器/计数器。
第3阶段（1983年以后）：16位单片机阶段，以MCS-96系列为代表。16位CPU，片内RAM、ROM容量进一步增大，增加了A/D和D/A转换器，8级中断处理功能，实时处理能力更强，它允许用户采用面向工业控制的专用语言，如C语言等。
总之，单片机发展可归结为以下几个方面：
（1）增加字长，提高数据精度和处理速度；
（2）改进制作工艺，提高单片机的整体性能；
（3）由复杂指令集CISC转向简单指令集RISC技术；
（4）多功能模块集成技术，使一块嵌入式芯片具有多种功能；
（5）微处理器与DSP技术相结合；
（6）融入高级语言的编译程序；
（7）低电压、低功耗。
目前，国际市场上8位、16位系列单片机已有很多，32位的单片机也已经进入了实用阶段。随着单片机技术的不断发展，新型单片机还将不断涌现，单片机技术正以惊人的速度向前发展着。