单片计算机及其应用-白驹珩.docx

1、高等学校电子信息类规划教材单 片 计 算 机 及 其 应 用第二版白驹珩 雷晓平 编著高 等 教 育 出 版 社 电 子 科 技 大 学 出 版 社内 容 提 要本书共分十三章。第一至第十一章阐述 MCS-51 单片机的基本结构原理、指令系统、软件、 接口和应用等知识；第十二章对新型的 MCS-51 兼容单片机及其进展作了简要介绍；第十三章对 MCS-96 系列的 8098 准 16 位单片机作了“框架式”的介绍。对 MCS-51 单片机的阐述是本书的 主要部分。本书适用于高等学校计算机应用专业、电子类专业和电气自动化专业的微机教学，也可作为 培训教材，还可供从事微机应用、智能仪表领域的工程技

2、术人员阅读和参考。图 书 在 版 编 目 （ CIP） 数 据单片计算机及其应用 / 白驹珩，雷晓平编著2 版北京：高等教育出版社； 成都：电子科技大学出版社，2005.9高等学校电子信息类规划教材ISBN 7810949853单 白 雷 单片微型计算机高等学校教材 TP368.1 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2005 ）第 120836 号高等学校电子信息类规划教材单片计算机及其应用第二版白驹珩 雷晓平 编著出 版 责任编辑高等教育出版社 唐雅邻电子科技大学出版社（成都市建设北路二段四号，邮编：610054）发 行 电子科技大学出版社经 销 新华书店印 刷 成都蜀通印务有限责任公司开

3、版 印 书 印 定本 次 次 号 数 价787mm1 092mm 1/16 印张 21.75 字数 561 千字1997 年 12 月第一版 2005 年 9 月第二版2005 年 9 月第八次印刷ISBN 7810949853/TP505 17 00121 000 册26.50 元 版权所有 侵权必究 邮购本书请与本社发行科联系。电话：（028）83201495 邮编：610054 本书如有缺页、破损、装订错误，请寄回印刷厂调换。出 版 说 明为做好全国电子信息类专业“九五”教材的规划和出版工作，根据国家教委关于“九 五”期间普通高等教育教材建设与改革的意见和普通高等教育“九五”国家级重点教

4、材 立 项 、 管 理 办 法 ， 我 们 组 织 各 有 关 高 等 学 校 、 中 等 专 业 、 出 版 社 ， 各 专 业 教 学 指 导 委 员 会 ， 在总结前四轮规划教材编审、出版工作的基础上，根据当代电子信息科学技术的发展和面向 21 世纪教学 内容和课程体系改革的要求， 编制了 19 962000 年全国电子 信息类专业教材编 审出版规划。本轮规划教材是由个人申报，经各学校、出版社推荐，由各专业教学指导委员会评选， 并由我部教材办商各专指委、出版社后，审核确定的。本轮规划教材的编制，注意了将教学 改革力度较大、有创新精神、特色风格的教材和质量较高、教学适用性较好、需要修订的教

5、 材以及教学急需，尚无正式教材的选题优先列入规划。在重点规划本科、专科和中专教材的 同时，选择了一批对学科发展具有重要意义，反映学科前沿的选修课、研究生课教材列入规 划，以适应高层次专门人才培养的需要。限于我们的水平和经验，这批教材的编审、出版工作还可能存在不少缺点和不足，希望 使用教材的学校、教师、同学和广大读者积极提出批评和建议，以不断提高教材的编写、出 版质量，共同为电子信息类专业教材建设服务。电子工业部教材办公室前 言本 教 材 系 按 原 电 子 工 业 部 的 19962000 年 全 国 电 子 信 息 类 专 业 教 材 编 审 出 版 规 划 ， 由计算机专业教学指导委员会编

6、审、推荐出版。本教材由佛山科学技术学院白驹珩副教授担 任主编，国防科技大学宋焕章副教授担任主审，责任编委为唐俊杰。本教材的参考学时数为 506 0 学时， 其主要内容为： 第一章至第三章介绍 MCS-51 单片 机的结构特点、结构原理和指令系统。第四章介绍单片机应用程序的设计方法，其中包括运 算 程 序 、 查 表 程 序 以 及 散 转 程 序 的 设 计 。 第 五 章 至 第 八 章 分 别 介 绍 MCS-51 单 片 机 的 定 时 /计 数器、系统扩展、串行通讯和中断系统。第九章介绍组成单片机应用系统的基本方法，主要 通过对一个实际系统的分析，阐述一些典型的外围设备与单片机的接口原

7、理及其相应的驱动 程序的设计。第十章介绍单片机应用系统开发的基本概念、基本步骤和基本的开发装置。第 十一章对 MCS-96 系列的 8098 准 16 位 单 片 机 作 了 简 要 介 绍 。使用本教材时应注意，教材从第一章开始就直接进入到单片机结构原理方面的内容，且 在以后各章中凡涉及到的电子元器件亦只着重于其外特性及应用原理方面的描述，而不去介 绍它们的内部工作原理。因此，在学习本课程之前，要具备数字电子技术、计算机组成原理 以 及 模 拟 电 子 技 术 方 面 的 基 础 知 识 。 由 于 单 片 机 应 用 技 术 发 展 很 快 ， 故 特 在 第 十 一 章 对 8098 单

8、片机作了简要介绍，目的是开阔视野，并为准备进行更高层次的学习和应用打下一定的基 础。本教材由雷晓平编写第五、七、八、十一章，白驹珩编写第一、二、三、四、六、九、 十章，并由白驹珩统编全稿。参加审阅工作的还有陈松乔教授、彭求实副研究员，他们都为 本书提出了许多宝贵意见，谨此表示诚挚的感谢。由于编者水平有限，书中难免还存在一些 缺点和错误，殷切希望广大读者批评指正。编 者再 版 前 言本书于 1995 年曾作为原电子工业部的“工科电子类专业 19911995 年 编 审 出 版 规 划 ” 的规划教材和于 1997 年 作 为 电 子 工 业 部 的 “19962000 年 全 国 电 子 信 息

9、 类 专 业 教 材 编 审 出 版规划”的规划教材出版，已出版发行四万余册，被不少学校、培训单位选为教材。也正因 为如此，使我们深感责任的重大。时代进入了 21 世 纪 ， 微 电 子 技 术 的 飞 速 进 步 使 单 片 机 技 术 获 得 了 空 前 的 发 展 ， 其 速 度 之 快 令 人 始 料 不 及 ， 新 型 单 片 机 正 在 向 着 被 誉 为 真 正 意 义 上 的 单 片 机 SoC（ System on Chip）系统迈进。当今，只要认为某种或某些功能模块具有实际应用的价值，便可以将它们 与某种类型的单片机的 CPU 基核集成在一起，从而生产出新型的单片机，与 8

10、051 兼容的高 性能单片机的出现就是例证。单 片 机 技 术 新 局 面 的 来 临 ， 迫 使 我 们 去 考 虑 怎 样 使 本 书 在 立 足 于 教 材 的 同 时 尽 可 能 地 反 映当前单片机的新技术和新进展情况。经再三研讨，确定对本书内容作如下修订：1 全书共分 十三章。 第一至第九章、 第十一章专门阐述 MCS-51 单片机 方面的内容， 这 也是全书的基础内容。除对个别章节有所增、补外，基本上保持了原来的体系结构。这使得 多年来为使用本书而在备课上花去了大量精力和时间的教师们，不会因本书的改版而一时陷 入窘境。2 在第一章中增加 1-4 和1-5， 内 容涉及嵌入式系统的

11、基本概念和单片机技术的发展 趋势。新增加的第十二章主要介绍与 MCS-51 兼容的新型单片机及其技术的新进展。通过对 这三部分内容的学习，对单片机的新技术和新进展情况便可见一斑。第十二章的内容还向我 们 揭 示 了 “兼 容 ”的 魅 力 ： 8051 单 片 机 作 为 其 自 身 是 落 伍 了 ， 但 与 其 兼 容 的 新 型 单 片 机 却 层 出 不 穷 。 因 此 ， 从 “兼 容 ”的 角 度 看 ， 8051 又 获 得 了 新 的 生 命 力 。 在 可 以 预 见 的 未 来 ， 8051 将仍不失作为教学的标准机型。3 在 第 三 章 中 增 加 3-4（ MCS-51

12、 的 伪 指 令 ） 。4 在 第 六 章 中 补 充 EEPROM 方面的内容；增加6-6（采用 Flash Memory 的扩展）。5 在 第 七 章 进 一 步 充 实 7-4 关 于 RS-232C 接 口 标 准 方 面 的 内 容 ， 增 加 7-5（ PC 机 与 MCS-51 单 片 机 的 通 讯 技 术 ） ， 从 而 使 第 七 章 的 内 容 更 趋 完 善 ， 但 在 学 习 7-4 内 容 时 ， 会 涉 及到 8086/8088 汇 编 语 言 程 序 格 式 、 相 关 的 伪 指 令 以 及 BIOS、 DOS 中断等知识。因此，若 将本书作为教材使用，对此应

13、加以注意。6 增 加 第 十 章 （ I2C 总 线 及 其 应 用 ） 。 单 片 机 的 总 线 技 术 发 展 很 快 ， 限 于 篇 幅 ， 我 们 仅选取了 I2C 总 线 加 以 介 绍 。 通 过 I2C 总 线 使 单 片 机 的 系 统 扩 展 更 加 方 便 、 灵 活 、 规 范 和 高 效 ， 为单片机应用找到更加广阔的天地。在修订过程中， 所增加的第十章、 第十二章由雷晓平编写。 胡明除对第七章内容作了增、 补外，还对全书修订内容作了大量的整理和编辑工作。白驹珩对第一章、第三章和第六章的 内容作了增、补，并对全书进行了统编和审核。向 使 用 本 书 作 为 教 材 的

14、 老 师 们 、 同 学 们 以 及 其 他 广 大 读 者 表 示 感 谢 ， 还 要 感 谢 电 子 科 技 大学出版社对本书修订再版的大力支持。编 者2004 年 10 月目 录第一章 绪论 11-1 单 片 机 的 结 构 特 点 .11-2 单 片 机 的 主 要 品 种 及 系 列 2一、4 位单片机 .2二、8 位单片机 .3三、16 位单片机 .3四、32 位单片机 .31-3 单 片 机 的 应 用 .4一、单片机的应用领域及应用模式 4二、单片机的供应状态 7三、单片机产品的等级 81-4 单 片 机 与 嵌 入 式 系 统 8一、什么是嵌入式系统 8二、嵌入式系统的由来

15、9三、嵌入式系统的种类 9四、单片机是经典的嵌入式系统 10五、嵌入式系统的特点及其典型应用 101-5 单 片 机 技 术 的 发 展 趋 势 11一、大力提升主流型单片机的技术性能 11二、单片机和模糊逻辑相结合 12三、大力发展专用型单片机 12四、全盘 CMOS 化趋势 12五、实现全面的功耗管理 13六、采用 RISC 体系结构 .13七、片内 EPROM 的 Flash Memory 化 .13八、推行串行扩展总线 14第二章 MCS-51 单片机的结构和原理 .162-1 关 于 MCS-51 系列 .162-2 MCS-51 单 片 机 的 结 构 原 理 17I2一 、 MC

16、S-51 单片机的基本组成 .17二 、 8051 单片机的内部结构 .172-3 MCS-51 单 片 机 的 引 脚 及 其 片 外 总 线 结 构 .26一、管脚功能 26二、片外三总线结构 272-4 MCS-51 单 片 机 的 工 作 方 式 28一、复位方式 28二、程序执行方式 29三、单步执行方式 29四、掉电和节电方式 30五、编程和校验方式 322-5 MCS-51 单 片 机 的 时 序 33一、机器周期、状态和指令周期 34二 、 MCS-51 指令的取指/执行时序 34三、访问外部 ROM 和外部 RAM 的时序 35第三章 MCS-51 单片机的指令系统 .373

17、-1 指 令 的 格 式 及 标 识 37一、指令的格式 37二、指令中的符号标识 38三、关于注释 393-2 寻 址 方 式 .39一、寄存器寻址 40二、直接寻址 40三、立即寻址 41四、寄存器间接寻址 41五、变址寻址 42六、相对寻址 43七、位寻址 433-3 MCS-51 指 令 系 统 的 分 类 44一、数据传送类指令 44二、算术操作类指令 46三、逻辑操作类指令 50四、控制程序转移类指令 51五、布尔变量操作类指令 563-4 MCS-51 的伪指令 58一、指令性语句 58二、指示性语句 58III第四章 MCS-51 单片机的应用程序设计 .634-1 运 算 程

18、 序 .63一、多字节数加法 63二、多字节数减法 64三、多字节十进制数（BCD 码）加法 65四、多字节数乘法 65五、多字节数除法 664-2 数 据 的 拼 拆 和 转 换 68一、数据的拼拆 68二、数据的转换 694-3 查 表 程 序 .734-4 散 转 程 序 .77一、采用转移指令表的散转程序 77二、采用地址偏移量表的散转程序 79三、采用转向地址表的散转程序 79四 、 采 用 “RET”指 令 的 散 转 程 序 804-5 I/O 端 口 控 制 程 序 814-6 子 程 序 调 用 时 的 参 数 传 递 方 法 83一、通过寄存器传递参数 83二、通过堆栈传递

19、参数 84三、利用数据指针传递参数 84第五章 MCS-51 单片机内部定时/计数器及其应用 865-1 定 时 /计 数 器 的 结 构 及 工 作 原 理 .865-2 定 时 /计 数 器 的 方 式 和 控 制 寄 存 器 .88一、定时器方式寄存器 TMOD.88二、定时器控制寄存器 TCON885-3 定 时 /计 数 器 的 工 作 方 式 .89一、方式 0.89二、方式 1.90三、方式 2.91四、方式 3.915-4 定 时 /计 数 器 的 应 用 举 例 .92一、方式 0、 方 式 1 应用 .93二、方式 2 应用 93三、门控位应用 954第六章 MCS-51

20、单片机的系统扩展 .976-1 MCS-51 单 片 机 最 小 应 用 系 统 97一 、 8051/8751 最小应用系统 97二 、 8031 最小应用系统 .986-2 MCS-51 单 片 机 的 外 部 扩 展 性 能 99一 、 MCS-51 单片机的片外总线结构 .99二 、 MCS-51 单片机的系统扩展能力 .1006-3 程 序 存 储 器 的 扩 展 100一、外部程序存储器扩展概要 101二、典型 EPROM 扩展电路 1026-4 数 据 存 储 器 的 扩 展 104一、数据存储器扩展概要 104二、常用数据存储器扩展电路 1056-5 采 用 EEPROM 的存

21、储器扩展 107一 、 EEPROM 的特点 .107二 、 EEPROM 的接口类型 .107三、并行接口 EEPROM 的写入方式 108四、并行接口 EEPROM 写入周期结束的检测方法 109五 、 EEPROM 的扩展电路 .1096-6 采 用 Flash Memory 的扩展 .113一 、 Flash Memory 的主要性能特点 113二 、 Flash Memory 的工作方式（以 28F256 为例） 114三 、 Flash Memory 的操作命令寄存器 115四 、 28F256 与 8031 的接口和编程 .1186-7 I/O 口 扩 展 120一、简单 I/O

22、 口的扩展 121二、可编程 I/O 口的扩展 122第七章 MCS-51 系统的串行接口 .1307-1 串 行 通 讯 概 说 .130一、串行通讯的两种基本方式 131二、波特率 131三、数据传送的方向 1327-2 MCS-51 单 片 机 的 串 行 接 口 132一、串行口的构成 133二、串行口控制寄存器 SCON133三、串行口的工作方式 1357-3 MCS-51 单 片 机 串 行 口 的 应 用 1385一 、 MCS-51 单片机串行通讯的波特率 .138二、串行口方式 0 用做扩展并行 I/O 口 .139三、方式 1 与点对点的异步通讯 142四、方式 2、 方

23、式 3 与多机通讯 .1447-4 相 互 通 道 接 口 标 准 及 其 选 择 151一、相互通道的典型结构 151二、关于 RS-232C、 RS-422、 RS-423 和 RS-449 标准接口 .1527-5 PC 机 与 MCS-51 单片机的通讯技术 .160一、异步通讯接口芯片 8250 的结构、逻辑及其初始化编程 161二、PC 机与 8051 单片机间点对点的通讯技术 169三、PC 机与多台 8051 单片机间的通讯技术 173第八章 MCS-51 单片机的中断系统 .1848-1 中 断 系 统 及 其 管 理 185一、中断源 185二、中断请求标志 185三、中断

24、允许控制 186四、中断响应过程及响应时间 1888-2 扩 充 外 中 断 源 .189一、利用定时器扩充外部中断源 189二、采用中断和查询相结合的方法扩充外部中断源 1908-3 中 断 系 统 的 应 用 （ x 0，1） 192一 、 8051 系统的单步操作 .192二、只有一个外部中断源的情况 193三、多个外部中断源的情况 194第九章 单片机应用系统的组成 1969-1 组 成 单 片 机 应 用 系 统 的 基 本 方 法 196一、组成应用系统的基本方法 196二、应用系统举例 1979-2 显 示 器 、 键 盘 与 单 片 机 的 连 接 198一、七段发光管显示器与

25、单片机的连接方法 199二、简易键盘与单片机的连接方法 202三、键盘、显示器与单片机连接的其他方案 2069-3 A/D 转 换 器 与 单 片 机 的 连 接 207一、逐次比较型 A/D 转换器与单片机的接口方法 .208二、双积分型 A/D 转换器与单片机的接口方法 .2109-4 D/A 转 换 器 与 单 片 机 的 连 接 214一、不带数据寄存器 D/A 转换器的接口方法 .2156二、带数据寄存器的 D/A 转换器的接口方法 .216三、高于 8 位的 D/A 转换器接口方法 .2189-5 步 进 电 机 与 单 片 机 的 连 接 219一、步进电机的基本工作原理 220

26、二、步进电机的基本运行方式 220三、步进电机与单片机的接口 2219-6 单 片 机 应 用 系 统 设 计 举 例 223一、硬件设计 223二、软件设计 224第十章 I2C 总线技术及其应用 .22710-1 I2C 总线的基本原理 228一、什么是 I2C 总线 228二 、 I2C 总线在单片机应用系统设计中的优势 .229三 、 I2C 总线的基本原理 .23010-2 I2C 总线应用举例 238一 、 AT24Cxx 芯片与 MCS-51 的连接 .239二、通用 I2C 总线发送/接收程序 .247三 、 PCF8563 时钟/日历芯片与 MCS-51 的连接 .252第十

27、一章 单片机应用系统的开发 25711-1 开 发 的 概 念 及 开 发 系 统 25711-2 应 用 系 统 开 发 过 程 25811-3 单 片 机 开 发 系 统 的 基 本 组 成 258一、仿真与仿真器 259二 、 EPROM 写入器 .260三、交叉汇编 26011-4 常 见 的 几 类 单 片 机 开 发 系 统 261一、专门研制的开发系统 261二、用通用微机做成的开发系统 261三、普及型的开发装置 261四、各种单片单板机 262五、软件模拟开发 262第十二章 新型的 MCS-51 兼容单片机简介 26312-1 对 MCS-51 的 简 要 回 顾 .263

28、12-2 8xC552 系 列 单 片 机 .26512-3 Atmel 公司的 AT89 系列 269一 、 AT89 系列单片机的特点 .2697二 、 AT89 系列单片机的分档 .270三 、 AT89 系列单片机的基本结构 .272四 、 AT89 系列单片机的应用 .27312-4 不 断 涌 现 的 与 8051 兼 容 的 新 型 单 片 机 273一 、 8051 兼容的新型 8 位单片机在不断涌现 .274二 、 8051 兼容单片机的新进展 .274第十三章 8098 准 16 位单片机简介 .27913-1 概述 27913-2 中 央 处 理 机 CPU282一 、

29、CPU 总线 .283二 、 CPU 寄存器阵列 .283三、RALU .28313-3 内 部 定 时 .28413-4 存 储 器 空 间 .285一、内部 RAM 空间 .286二、保留的存储空间 288三、片内 ROM/EPROM 空间 289四、存储控制器 28913-5 中 断 系 统 .290一、中断源 290二、中断的控制 29113-6 定 时 器 .293一、定时器 1.293二、定时器 2.293三、关于定时器的中断 29413-7 高 速 输 入 单 元 .294一 、 HSI 的运行方式 295二 、 HSI 队列 296三 、 HSI 中断 296四 、 HSI 中

30、数据的读取 296五 、 HSI 输入引脚控制 29713-8 高 速 输 出 单 元 .297一 、 HSO CAM298二 、 HSO 状态 .299三、软件定时器 29913-9 模 拟 接 口 .299一、模拟输入 299二 、 脉 冲 宽 度 调 制 输 出 （ PWM） 301813-10 串 行 口 .302一、串行口的工作方式 302二、串行口控制 303三、波特率 304四、多机通讯 30513-11 I/O 口 30513-12 控 制 寄 存 器 和 状 态 寄 存 器 30513-13 监 视 定 时 器 （ WDT） .30713-14 复位 30813-15 MCS

31、-96 的软件 309一、操作数的类型 309二、操作数的寻址 310三、程序状态字 312四、指令系统概要 313附录 MCS-51 系 列 单 片 机 的 指 令 表 .316附录 MCS-96 系 列 单 片 机 的 指 令 表 .325参考文献 3321第 一 章 绪 论通过本章的学习， 应该了解和掌握： 单片机的结构特点； 单片机的应用模式和应用领域； 单片机的供应状态及其选择原则；了解单片机技术的发展方向。单 片 计 算 机 即 单 片 机 ， 其 全 称 为 单 片 微 型 计 算 机 （ Single-Chip Microcomputer） ， 亦 称 为 微 控 制 器 （

32、Microcontroller） ， 就 是 将 CPU、 RAM、 ROM、 定 时 /计 数 器 和 多 种 接 口 电 路 都 集 成到一块集成电路芯片上的微型计算机。因此，一块芯片就构成了一台计算机。其特点是体 积小、成本低、功能强、功耗低，是微机应用产品化的最佳机种之一，它已广泛地应用在产 品智能化和工业自动化上。1-1 单 片 机 的 结 构 特 点单 片 机 是 在 一 块 大 规 模 集 成 电 路 （ LSI） 或 超 大 规 模 集 成 电 路 （ VLSI） 芯 片 上 集 成 的 一 台具有一定规模的微型计算机，它在硬件结构和指令设置上有其独到之处。下面以 MCS-51

33、 系列单片机作为背景，说明单片机的主要结构特点。首 先 ， 单 片 机 在 存 储 器 结 构 上 ， 严 格 地 将 程 序 存 储 器 （ ROM） 和 数 据 存 储 器 （ RAM） 在空间上分开，并使用不同的寻址方式，使用两个不同的地址指针。ROM 用 来 存 放 调 试 好 的程序指令、常数及数据表格，而 RAM 则 用 来 存 放 少 量 的 随 机 数 据 。 这 样 的 存 储 器 结 构 又 称为哈佛 （Har vard） 结构 。 采用这样的存储器结构， 主要是考虑到单片机用于控制上的特点， 即需要较大的程序存储空间和较小的随机数存储空间。由于集成度的限制，在单片机内的存

34、 储 器 容 量 不 会 很 大 ， 但 允 许 用 户 在 片 外 扩 展 存 储 器 。 所 以 ， CPU 可以进行操作的存储器就分 为内部程序存储器和外部程序存储器；内部数据存储器和外部数据存储器。在单片机芯片上集成了较多的元器件之后，需要的芯片引脚就较多，但由于工艺和成品 率的关系，芯片上的引脚又不能太多。为了解决实际允许的引脚数和需要的引脚数之间的矛 盾，单片机的引出线一般都设计成多功能的。每条引线在一定时刻起什么作用，由指令和机 器状态来决定。例如，数据线和地址线的低 8 位可分时合用 I/O 口 0，而地址线的高 8 位与 其他信号可分时合用 I/O 口 2。因此，单片机对外并

35、不存在专用的数据总线和地址总线，而 是采用分时复用技术来解决片外数据和地址的传送问题。在单片机中， 有 21 个颇具 特色的特殊功能寄存器 SFR。 要理解 MCS-51 系列 单片机的工 作 原 理 ， 就 必 须 对 特 殊 功 能 寄 存 器 SFR 的 工 作 有 清 楚 的 理 解 。 正 是 由 于 有 了 SFR， 才 使 一 个2只有 40 脚封 装的单片机系统的功能获得很大的扩充， 并使 I/O 口在程序的控制下具有第二功 能。利用 SFR 还 可 以 完 成 对 定 时 /计 数 器 、 串 行 口 和 中 断 逻 辑 的 控 制 。单片机的另一个特点是在内部有一个全双工的

36、串行接口。在程序的控制下，串行口能工 作于四种方式。用户可根据需要将它设定为移位寄存器方式，以扩充 I/O 接口和外接同步输 入、输出设备；或用做异步通信接口，以实现双机或多机通信。因此，单片机能极为方便地 组成分布式控制系统。最后要指出的就是在单片机内部设置有一个能独立进行操作的位处理器，又称为布尔处 理器。它有自己的累加器以及可位寻址的 RAM、 特 殊 功 能 寄 存 器 和 I/O 口，并设有专门的 17 条按位 操 作的指令。 利用布尔处理器的位操作功能， 可以十分方便地进行组合逻辑设计和 用软件模拟组合逻辑的功能，这对工业控制十分有用。以上列举了单片机结构特点的一些主要方面。读者应

37、该从一开始就注意这些特点，这对 于以后学习内容的掌握是十分重要的。1-2 单 片 机 的 主 要 品 种 及 系 列单片机分为通用型单片机和专用型单片机两大类。我们通常所说的单片机是指通用型单 片机。通用型单片机把可开发资源 （如 ROM， I/O 口等） 全部提供给用户使用， 其适应性较强 ， 应用较广泛。专用单片机是针对各种特殊场合专门设计的芯片，即专门为过程控制、参数监 测以及信号处理等方面的特殊需要而设计的单片机，它通常是微控制系统的集成化产品。例 如 ， TMS320 系 列 就 是 专 门 用 于 信 号 处 理 的 单 片 机 。 它 的 指 令 时 间 短 、 运 算 速 度

38、快 、 精 度 高 ， 有 专 门 的 （ 16 16） 位 乘 法 器 ， 完 成 一 次 乘 法 运 算 只 需 200ns， 用 它 来 完 成 64 点的快速傅里 叶 变 换 （ FFT） 只 要 58ns。 专 用 单 片 机 的 应 用 范 围 受 到 一 定 的 限 制 。1971 年 ， Intel 公 司 首 先 生 产 了 4 位机 4004， 接 着 又 在 1976 年 生 产 出 MCS-48 系列单片 机，之后，单片机的发展非常迅速。就通用型单片机而言，目前世界上一些著名的半导体器 件厂家已投放市场的产品，至少有 50 个 系 列 ， 300 多 个 品 种 。 从

39、 基 本 操 作 处 理 的 数 据 来 看 ， 有 4 位 单 片 机 、 8 位 单 片 机 、 16 位 单 片 机 以 及 32 位单片机。下面分别对它们作一简单介绍。一、4 位单片机4 位 单 片 机 的 主 要 生 产 国 是 日 本 ， 如 SHARP 公司的 SM 系 列 、 东 芝 公 司 的 TLCS 系 列 、 NEC 公 司 的 COM 75和 PD75系 列 等 。 此 外 ， 美 国 TI 公司的 TMS1000 和 NS 公司的 COP400 系列也占一定的市场。国内已能生产 COP400 的 4 位 单 片 机 。4 位单片机的 特点是价格便宜， 但功能并不弱，

40、 只是 CPU 为 4 位。 其存储器有片内 ROM 为 2KB， RAM 为 128 4b 的 。 NEC 公 司 的 PD75的片内 ROM 可达 8KB， RAM 为 512 4b， 还带有 6 位 A/D 转换。4 位 单 片 机 主 要 用 于 控 制 诸 如 洗 衣 机 、 微 波 炉 等 家 用 电 器 及 高 档 电 子 玩 具 。3二、8 位单片机8 位 机 已 成 为 单 片 机 中 的 主 要 机 型 。 在 8 位 单 片 机 中 ， 一 般 把 无 串 行 I/O 接口和只提供 小范围的寻址空间（小于 8KB） 的 单 片 机 称 为 低 档 的 8 位单片机，如 I

41、ntel 公司的 MCS-48 系列和 Fairchild 公司 的 F8 就属此类； 把带有串行 I/O 接口或 A/D 转换， 以及可以进行 64KB 以上寻址的单片机，称为高档 8 位 单 片 机 ， 如 Intel 公司的 MCS-51 系 列 、 Motorola 公司的 MC6801、 Zilog 公司的 Z8 等即是。近来，在高档 8 位单片机的基础上又出现了超 8 位单片 机， 如 Intel 公司的 UPI-452， 83C152； Zilog 公司 的 Super8， Motorola 公司 的 MC68HC11 等。 它们不但进一步扩大了片内 ROM 和 RAM 的 容

42、量 ， 而 且 还 增 加 了 高 级 通 信 、 DMA 传送和高 速 I/O 的功能。由于 8 位单片机的功能强、价格低廉、品种齐全，因而被广泛应用于各个领域，特别是高档 8 位 单 片 机 ， 已 成 为 目 前 单 片 机 的 主 要 机 型 。三、16 位单片机目前主要的 16 位单片机如 表 1-1 所示， 而得到实际应用的 16 位 单片机主要是 Intel 公司 的 MCS-96 单片机系列 。 在可以预见的将来， 16 位机的空间有可能被 8 位机、 32 位 机所挤占。表 1-1 16 位单片机性能表公 司 Thomson Intel NS NEC型号 68200 8096

43、 HPC16040 783ROM 4KB 8KB 4KB 8KBRAM 256B 232B 256B 156B中断源 15 8 8 15串行口 异/同步 异步 异步 异步A/D 无 8 10 无 4 8PWM 输出 借用通用计数器 有 有 有Watchdog 定时器 借用通用计数器 有 有 有高速 I/O 无 HSIO 有 有计数器 3 16 2 16 8 16 2 16DMA 无 无 无 8 个宏通道I/O 引脚 48 68 52 48四、32 位单片机32 位 单 片 机 的 字 长 为 32 位，属单片机的顶级产品。它具有极高的运算速度。这类单片 机的代表产品有 Motorola 公司的

44、 M68300 系 列 机 、 日 立 公 司 的 SH 系列机以及英国 Inmos 公 司的 IM-ST414 等 。 在 满 足 高 速 数 字 处 理 方 面 ， 32 位 机 将 发 挥 重 要 作 用 。41-3 单 片 机 的 应 用由于单片机具有下述一些特点，因而使得单片机的应用模式多、应用范围广。这些特点 是：（ 1） 小 巧 、 低 功 耗 、 低 成 本 、 控 制 功 能 强 、 易 于 产 品 化 ， 因 而 能 方 便 地 组 装 成 各 种 智 能 式控制设备和仪器，做到机、电、仪一体化；（2） 面向控制， 能有针对性地解决从简单到复杂的各类控制问题， 因而获得最佳

45、的性能 价格比；（ 3） 抗 干 扰 能 力 强 ， 适 应 温 度 范 围 宽 ， 在 各 种 恶 劣 环 境 下 都 能 可 靠 地 工 作 ；（ 4） 可 以 方 便 地 实 现 多 机 和 分 布 式 控 制 ， 从 而 使 整 个 控 制 系 统 的 效 率 和 可 靠 性 大 为 提 高。一、单片机的应用领域及应用模式按照单片机的特点，单片机的应用可分为单机应用和多机应用。1单机应用 所谓单机应用，是指在一个应用系统中只使用一块单片机，这是目前应用最多的方式。 单机应用的主要领域有：（ 1） 智 能 产 品 单片机与传统的机械产品相结合，使传统的机械产品结构简化、控制智能化，构成了

46、新一代的机、电一体化产品。例如，在电传打字机的设计中，就由于采用了单片机而取代了近 千个机械部件。智能产品不止局限于家用电器、办公设备，而且已发展到机床、纺织机械以 及工业设备中。（ 2） 智 能 仪 表 用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促使仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化以及柔性化的方向发展，并使长期以来测量仪表中的误差修正和线性化处理等难题迎刃而 解。由单片机构成的智能仪表，集测量、处理、控制功能于一体，从而赋予测量仪表以崭新 的面貌。单片机智能仪表的这些特点，不仅使传统的仪器、仪表发生根本的变革，也给传统 的仪器、仪表行业的技术改造带来了曙光。（ 3） 测 控 系 统 用单片机

47、可以构成各种工业控制系统、适应控制系统以及数据采集系统等。（ 4） 数 控 控 制 机 采用单片机作为机床数控系统的控制机，可提高机床数控系统的可靠性、增强功能、降低控制机成本，并有可能改变数控控制机的结构模式。（ 5） 智 能 接 口 在计算机系统， 特别是在较大型的工业测控系统中 ， 除通用外部设 备 （如打印机、 键盘、5态磁盘驱动器、CRT）外，还有许多外部通信、采集、多路分配管理以及驱动控制等接口。这 些外部设备与接口，如果完全由主机进行管理，势必造成主机负担过重，降低系统的运行速 度，接口的管理水平也不可能提高。如果用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机便 可并行工作，使系统的

48、运行速度大大提高。另一方面，由于单片机可对接口信息进行加工处 理，也就可以大量减小接口界面的通信密度，极大地提高接口的管理水平。例如，在大型数 据 采 集 系 统 中 ， 用 单 片 机 对 模 /数 转 换 接 口 进 行 控 制 ， 不 仅 可 以 提 高 采 集 速 度 ， 而 且 还 可 以 对 数据进行预处理，如数字滤波、线性化处理以及误差修正等。在通信接口中采用单片机，可 以对数据进行编码、 解码、 分配管理以及接收/ 发送等工作。 在一些通用计算机的外围设备上， 已实现了单片机的键盘管理以及对打印机、绘图机、硬盘驱动器的控制。2多机应用多机应用是单片机在高科技领域中应用的主要模式

49、。单片机的高可靠性、高控制性能以 及高运行速度的“三高”技术，必然使得未来的高科技工程系统采用单片机多机系统作为主 要的发展方向。单片机的多机应用系统可分为功能弥散系统、并行多机处理系统以及局部网络系统。（ 1） 功 能 弥 散 系 统 功能弥散系统是为了满足工程系统各种外围功能要求而设置的多机系统。例如，一个加工中心的计算机系统，除了要完成机床加工运行控制外，还要控制对刀系统、坐标指示、刀 库管理、状态监视、伺服驱动等机构。当只有一个控制主机时，主机要分时地去完成这些任 务， 这就必然使各个功能处于低级智能的水平。 如果每个功能都由一个独立的单片机来完成， 而让主机只负责协调和调度，就能使每个功能都达到高级的智能水平。所谓功能弥散，就是 指工程系统中可以在任意环节上设置单片机功能子系统，它体现了多机系统的功能分布。机器人的计算机多机控制系统是一个