第1章　单片机概述

【内容概要】Intel的8051已成为国内外公认的8位单片机标准体系结构，它被许多厂家作为基核，并推出多种兼容机型，在世界范围内得到广泛应用。美国ATMEL公司的AT89S5x系列单片机，尤其是该系列中的AT89S51/AT89S52仍是目前应用较为广泛的机型，也是单片机初学者首选的入门机型。本章介绍单片机的基础知识、发展历史、发展趋势及应用领域，除了对AT89S51单片机进行简单介绍外，同时也对嵌入式处理器家族中其他成员，如DSP、嵌入式微处理器也做了概括性介绍，以使读者对其有初步了解，为后续学习DSP、嵌入式微处理器打下基础。

单片机自20世纪70年代问世以来，已广泛应用在工业自动化、自动控制与检测、智能仪器仪表、机电一体化设备、汽车电子、家用电器等各个方面。那么，什么是单片机呢？

1.1　什么是单片机

单片机就是在一片半导体硅片上，集成了中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线的，用于测控领域的单片微型计算机，简称单片机。

由于单片机在使用时，通常处于测控系统的核心地位并嵌入其中，因而，国际上通常把单片机称为嵌入式控制器（Embedded MicroController Unit，EMCU）或微控制器（MicroController Unit，MCU）。而在我国，大部分工程技术人员则习惯使用“单片机”这一名称。

单片机的问世，是计算机技术发展史上的一个重要里程碑，它标志着计算机正式形成了通用计算机和嵌入式计算机两大分支。单片机芯片体积小、成本低，可广泛地嵌入如工业控制单元、机器人、智能仪器仪表、武器系统、家用电器、办公自动化设备、金融电子系统、汽车电子系统、玩具、个人信息终端以及通信产品中。

单片机按照其用途可分为通用型和专用型两大类。

通用型单片机就是其内部可开发的资源（如存储器、I/O等各种片内外围功能部件等）全部提供给用户。用户可根据实际需要，设计一个以通用单片机芯片为核心，再配以外围接口电路及其他外围设备（简称外设），并编写相应的程序来控制功能，以满足各种不同测控系统的功能需求。通常所说的和本书所介绍的单片机都是指通用型单片机。

专用型单片机是专门针对某些产品的特定用途制作的，如各种家用电器中的控制器等。由于是用于特定用途，单片机芯片制造商常与产品厂家合作，设计和生产“专用”的单片机芯片。在设计中，已经对“专用”单片机的系统结构最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都做了全面综合考虑，所以“专用”单片机具有十分明显的综合优势。但是，无论“专用”单片机在用途上有多么“专”，其基本结构和工作原理都是以通用单片机为基础的。

1.2　单片机的发展历史

单片机根据其基本操作处理的二进制位数主要分为8位单片机、16位单片机以及32位单片机。

单片机的发展历史可大致分为4个阶段。

第一阶段（1974—1976年）：单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片的形式，而且功能比较简单。1974年12月，仙童公司推出了8位的F8单片机，实际上只包括了8位CPU、64B RAM和2个并行口。

第二阶段（1976—1978年）：低性能单片机阶段。1976年Intel公司推出的MCS-48单片机（8位）极大地促进了单片机的变革和发展。1977年GI公司推出了PIC1650，但这个阶段的单片机仍然处于低性能阶段。

第三阶段（1978—1983年）：高性能单片机阶段。高性能单片机使应用跃上了一个新的台阶。这个阶段推出的单片机普遍带有串行I/O口、多级中断系统、16位定时器/计数器，片内ROM、RAM容量加大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换器。由于这类单片机性价比高，因而得到了广泛应用。其典型代表产品为Intel公司的MCS-51系列、Mortorola公司的6801单片机。此后，各公司的与MCS-51系列兼容的8位单片机得到迅速发展，新机型不断涌现。

第四阶段（1983年至今）：8位单片机巩固发展及16位、32位单片机推出阶段。20世纪90年代是单片机制造业大发展时期，这个时期的Mortorola、Intel、Microchip、ATMEL、德州仪器（TI）、三菱、日立、飞利浦、韩国LG等公司也开发了一大批性能优越的单片机，它们极大地推动了单片机的推广与应用。近年来，又有不少新型的高集成度的单片机涌现出来，出现了单片机产品百花齐放，丰富多彩的局面。目前，除了8位单片机得到广泛应用之外，16位、32位单片机也得到了广大用户的青睐。

1.3　单片机的特点

单片机是集成电路技术与微型计算机技术高速发展的产物。单片机体积小、价格低、应用方便、稳定可靠，因此，单片机的发展普及给工业自动化等领域带来了一场重大革命和技术进步。由于单片机很容易嵌入系统之中，因而便于实现各种方式的检测或控制，这是一般微型计算机根本做不到的。单片机只要在其外部适当增加一些必要的外围扩展电路，就可以灵活地构成各种应用系统，如工业自动控制系统、自动检测监视系统、数据采集系统、智能仪器仪表等。

为什么单片机应用如此广泛？其主要原因如下。

（1）简单方便，易于掌握和普及。由于单片机技术是较容易掌握的普及技术，单片机应用系统设计、组装、调试已经是一件容易的事情，广大工程技术人员通过学习可很快地掌握其应用设计与调试技术。

（2）功能齐全，应用可靠，抗干扰能力强。

（3）发展迅速，前景广阔。在短短几十年的时间里，单片机就经过了4位机、8位机、16位机、32位机等几大发展阶段。尤其是形式多样、集成度高、功能日臻完善的单片机不断问世，更使得单片机在工业控制及自动化领域获得了长足发展和大量应用。近几年，单片机内部结构越加完美，配套的片内外围功能部件越来越完善，一片芯片就是一个应用系统，为应用系统向更高层次和更大规模的发展奠定了坚实基础。

（4）嵌入容易，用途广泛。单片机体积小、性价比高、灵活性强等特点在嵌入式微控制系统中具有十分重要的地位。在单片机问世前，人们要想制作一套测控系统，往往采用大量的模拟电路、数字电路、分立元件来完成，它不但系统体积庞大，且因为线路复杂，连接点太多，极易出现故障。单片机问世后，电路组成和控制方式都发生了很大变化。在单片机应用系统中，各种测控功能的实现绝大部分都已经由单片机的程序来完成，其他电子线路则由片内的外围功能部件来替代。

1.4　单片机的应用

单片机具有软硬件结合、体积小，很容易地嵌入各种应用系统中的优点。因此，以单片机为核心的嵌入式控制系统在下述各个领域中得到了广泛的应用。

1．工业控制与检测

在工业领域，单片机的主要应用有：工业过程控制、智能控制、设备控制、数据采集和传输、测试、测量、监控等。在工业自动化的领域中，机电一体化技术将发挥越来越重要的作用。在这种集机械、微电子和计算机技术为一体的综合技术（如机器人技术）中，单片机发挥着非常重要的作用。

2．仪器仪表

目前对仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高。在智能仪器仪表中使用单片机不但有助于提高仪器仪表的精度和准确度、简化结构、减小体积且易于携带和使用，而且能够加速仪器仪表向数字化、智能化、多功能化方向发展。

3．消费类电子产品

单片机在家用电器中的应用已经非常普及，例如，洗衣机、电冰箱、微波炉、空调、电风扇、电视机、加湿机、消毒柜等。在这些设备中嵌入了单片机后，使其功能与性能大大提高，并实现了智能化、最优化控制。

4．通信

在调制解调器、各类手机、传真机、程控电话交换机、信息网络以及各种通信设备中，单片机也已经得到了广泛应用。

5．武器装备

在现代化的武器装备中，如飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器装备、航天飞机导航系统等，都有单片机的嵌入。

6．各种终端及计算机外部设备

计算机网络终端设备（如银行终端）以及计算机外部设备（如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等）中都使用了单片机作为控制器。

7．汽车电子设备

单片机已经广泛地应用在各种汽车电子设备中，如汽车安全系统、汽车信息系统、智能自动驾驶系统、汽车卫星导航系统、汽车紧急请求服务系统、汽车防撞监控系统、汽车自动诊断系统以及汽车黑匣子等。

8．分布式多机系统

在比较复杂的多节点测控系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系，协调工作。在这种系统中，单片机往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。

综上所述，从工业自动化、自动控制、智能仪器仪表、消费类电子产品等方面，直到国防尖端技术领域，单片机都发挥着十分重要的作用。

1.5　单片机的发展趋势

单片机的发展趋势将是向大容量、高性能、外设部件内装化等方面发展。

1．CPU的改进

（1）增加数据总线的宽度。例如，各种16位单片机和32位单片机，其数据处理能力要优于8位单片机。另外，8位单片机内部采用16位数据总线，其数据处理能力明显优于一般8位单片机。

（2）采用双CPU结构，以提高数据处理能力。

2．存储器的发展

（1）片内程序存储器普遍采用闪烁（Flash）存储器。闪烁存储器能在+5V下读写，既有静态RAM的读写操作简便，又有在掉电时数据不会丢失的优点。单片机可不用扩展外部程序存储器，这大大简化了系统的硬件结构，有的单片机片内程序存储器容量可达128KB，甚至更多。

（2）加大片内数据存储器存储容量，如8位单片机PIC18F452片内集成了4KB的RAM，以满足动态数据存储的需要。

3．片内I/O的改进

（1）增加并行口的驱动能力，以减少外部驱动芯片。有的单片机可以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）。

（2）有些单片机设置了一些特殊的串行I/O功能，为构成分布式、网络化系统提供了方便条件。

（3）引入了数字交叉开关，改变了以往片内外设与外部I/O引脚的固定对应关系。交叉开关是一个大的数字开关网络，可通过编程设置交叉开关控制寄存器，将片内的计数器/定时器、串行口、中断系统、A/D转换器等片内外设灵活配置出现在端口I/O引脚，允许用户根据自己的特定应用，将内部外设资源分配给端口I/O引脚。

4．低功耗

目前单片机产品均为CMOS化芯片，具有功耗小的优点。这类单片机普遍配置有等待状态、睡眠状态、关闭状态等工作方式。在这些状态下，低电压工作的单片机消耗的电流仅在µA或nA量级，非常适合于电池供电的便携式、手持式的仪器仪表以及其他消费类电子产品。

5．外围电路内装化

随着集成电路技术及工艺的不断发展，把所需的众多外围电路全部装入单片机内，即系统的单片化是目前单片机发展趋势之一，一片芯片就是一个“测控”系统。

6．编程及仿真的简单化

目前大多数的单片机都支持程序的在线编程，也称在系统编程ISP（In System Program），编程时只需一条与PC相连的ISP下载线（多为USB口或串口），就可以把仿真调试通过的程序代码从PC在线写入单片机的Flash存储器内，省去编程器。某些机型还支持在线应用编程（IAP），可在线升级或销毁单片机的应用程序，省去了仿真器。

综上所述，单片机正在向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格（几元钱）、外设电路内装化以及片内程序存储器、数据存储器容量不断增大的方向发展。

7．实时操作系统的使用

单片机可配置实时操作系统RTX51，RTX51是一个针对8051单片机的多任务内核。RTX51实时内核从本质上简化了对实时事件反应速度要求较高的复杂系统设计、编程和调试，它已完全集成到C51编译器中，使用简单方便。

1.6　MCS-51系列与AT89S5x系列单片机

20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，其中Intel公司的MCS-51系列单片机是一款设计成功、易于掌握并在世界范围得到广泛普及应用的机型。

1.6.1　MCS-51系列单片机

MCS是Intel公司生产的单片机的系列符号，MCS-51系列单片机是Intel公司在MCS-48系列基础上，于20世纪80年代初发展起来的，是最早进入我国并在我国得到广泛应用的机型。

MCS-51的基本型产品主要包括8031、8051、8751（对应的低功耗型80C31、80C51、87C51）和增强型产品8032、8052、8752。

1．基本型

基本型的典型产品有8031、8051、8751。8031内部包括1个8位CPU、128B RAM、21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口、2个16位定时器/计数器、5个中断源，但片内无程序存储器，因此需外部扩展程序存储器芯片。

8051是在8031的基础上，片内又集成有4KB ROM作为程序存储器。所以，8051是一个程序不超过4KB的小系统。ROM内的程序是芯片厂商制作芯片时代为用户烧制的，主要用在程序已定且批量大的单片机产品中。

8751与8051相比，片内集成的4KB的EPROM取代了8051的4KB ROM，从而构成了一个程序不大于4KB的小系统。用户可以将程序固化在EPROM中，EPROM中的内容可反复擦写修改。8031外部扩展一片4KB的EPROM就相当于一片8751。

2．增强型

Intel公司在MCS-51系列基本型产品基础上，又推出了增强型系列产品，即52子系列，其典型产品为8032、8052、8752。它们的内部RAM增至了256B，8052、8752的片内程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个，6个中断源。

表1-1列出了基本型和增强型的MCS-51系列单片机片内的基本硬件资源。

表1-1　MCS-51系列单片机的片内硬件资源

	型号	片内程序存储器	片内数据存储器（B）	I/O口线（位）	定时器/计数器（个）	中断源个数（个）
基本型	8031	无	128	32	2	5
	8051	4KB ROM	128	32	2	5
	8751	4KB EPROM	128	32	2	5
增强型	8032	无	256	32	3	6
	8052	8KB ROM	256	32	3	6
	8752	8KB EPROM	256	32	3	6

1.6.2　AT89S5x系列单片机

1．8051内核单片机与AT89S5x系列单片机

MCS-51系列单片机的代表产品为8051，目前世界其他公司推出的兼容扩展型单片机都是在8051内核的基础上进行了功能的增减。20世纪80年代中期以后，Intel公司已把精力集中在高档CPU芯片的研发上，逐渐淡出单片机的开发和生产。由于MCS-51单片机设计上的成功以及较高的市场占有率，它得到了世界众多公司的青睐。Intel公司以专利转让或技术交换的形式把8051的内核技术转让给了许多芯片生产厂家，如ATMEL、Philips、Cygnal、ANALOG、LG、ADI、Maxim、DEVICES、DALLAS等公司。这些厂家生产的兼容机型均采用8051的内核结构，指令系统相同，且采用CMOS工艺；有的公司还在8051内核的基础上又增加了一些片内外设模块，使其集成度更高，功能和市场竞争力更强。人们常用8051（80C51，“C”表示采用CMOS工艺）来称呼所有具有8051内核、且使用8051指令系统的单片机，人们习惯把这些兼容型扩展型等各种衍生品种统称为8051单片机。

在众多的兼容扩展型等衍生机型中，美国ATMEL公司的AT89系列，尤其是该系列中的AT89C5x/AT89S5x单片机在世界8位单片机市场中占有较大的份额。

ATMEL公司是美国20世纪80年代中期成立并发展起来的半导体公司。该公司于1994年以E²PROM技术与Intel公司的80C51内核的使用权进行了交换。ATMEL公司的技术优势是其闪烁（Flash）存储器技术，它将Flash技术与80C51内核相结合，形成了片内带有Flash存储器的AT89C5x/AT89S5x系列单片机。AT89C5x/AT89S5x系列单片机与MCS-51系列单片机在原有功能、引脚以及指令系统方面完全兼容，系列中的某些品种又增加了一些新的功能，如看门狗定时器WDT、ISP（在线编程）及SPI串行接口等，片内Flash存储器可直接在线（ISP）重复编程。此外，AT89C5x/AT89S5x还支持两种节电工作方式，非常适于电池供电或其他低功耗场合。

AT89S51 片内4KB Flash存储器可在线编程或使用编程器重复编程，且价格较低，因此AT89S5x单片机是目前8051单片机的典型芯片之一。本书以AT89S51单片机为典型机型，介绍其工作原理与应用设计。

AT89S5x的“S”档系列是ATMEL公司继AT89C5x系列之后推出的新机型，“S”表示含有串行下载的Flash存储器，代表产品为AT89S51和AT89S52。AT89C51单片机已不再生产，可用AT89S51直接代换。与AT89C5x系列相比，AT89S5x系列的时钟频率以及运算速度都有了较大的提高。例如，AT89C51工作频率的上限为24MHz，而AT89S51则为33MHz。AT89S51片内集成有双数据指针DPTR、看门狗定时器、具有低功耗空闲工作方式和掉电工作方式，另外还增加了5个特殊功能寄存器。

从表1-1可看出AT89S51与AT89S52单片机的差别。AT89S51片内有4KB Flash存储器、128B的RAM、5个中断源以及2个定时器/计数器。而AT89S52片内有8KB的Flash程序存储器、256B的RAM、6个中断源、3个定时器（比AT89S51多出的1个定时器，具有捕捉功能）。

尽管AT89S5x系列有多种机型，但是掌握好基本型AT89S51是十分重要的，因为它是各种8051内核的单片机的基础，最具代表性，同时也是各种8051内核的增强扩展型等衍生品种的基础。

本书中经常用到“8051”，它是泛指世界各芯片厂商生产的具有8051内核的各种增强型、扩展型的单片机。而“AT89S51”仅是指ATMEL公司的AT89S51单片机。

除了8位单片机得到广泛应用外，一些厂家的16位单片机也得到了用户的青睐，如美国TI公司的16位的MSP430系列、Microchip公司的PIC24××系列单片机。这些单片机本身都带有A/D转换器，增加了各种串行口以及各种数字控制部件，一片芯片就构成了一个测控系统，使用非常方便。除了16位单片机外，各公司还推出了32位单片机，尽管如此，8位单片机应用的还是非常广泛与普及的，这是因为目前在大多数应用场合中，8位单片机的性能能满足大部分实际需求，况且8位单片机的性价比也较好。

2．AT89系列单片机的型号说明

AT89S5x系列单片机的型号编码由3部分组成：前缀、型号和后缀。下面分别说明。

（1）前缀。由字母“AT”组成，它表示是ATMEL公司的产品。

（2）型号。由“89C××××”或“89LV××××”或“89S××××”等表示。

“89C××××”中，8表示单片，9表示内部含有Flash存储器，C表示CMOS产品。

“89LV××××”中，LV表示低电压产品，可在2.5V电压下工作。

“89S××××”中，S表示含有串行下载的Flash存储器，而“××××”表示器件的型号，如51、52、2051、8052等。

（3）后缀。后缀由最后的4个“××××”参数组成，每个参数意义不同。在型号与后缀部分由“-”号隔开。

① 后缀中第1个“×”表示时钟频率：

x=12，时钟频率为12MHz；

x=16，时钟频率为16MHz；

x=20，时钟频率为20MHz；

x=24，时钟频率为24MHz。

② 后缀中第2个“×”表示封装：

x=P，塑料双列直插DIP封装；

x=D，陶瓷封装；

x=Q，PQFP封装；

x=J， PLV封装；

x=A，TQFP封装；

x=S，OIC封装；

x=W，表示裸芯片。

③ 后缀中第3个“×”表示芯片的使用温度范围：

x=C，表示商业用产品，温度范围为0～+70℃；

x=I，表示工业用产品，温度范围为−40～+85℃；

x=A，表示汽车用产品，温度范围为−40～+125℃；

x=M，表示军用产品，温度范围为−55～+150℃；

④ 后缀中的第4个“×”表示工艺：

x为空，表示处理工艺是标准工艺；

x=/883，表示处理工艺采用MIL-STD-883标准。

例如，某一单片机型号为“AT89C51-12PI”，则表示该单片机是ATMEL公司的Flash单片机、CMOS产品、速度为12 MHz、封装塑料双列直插DIP封装，是工业用产品，按标准处理工艺生产。

1.7　各种衍生品种的8051单片机

除了AT89S5x系列单片机外，世界各半导体器件厂家也推出了8051内核、各种集成度高、功能强的增强扩展型单片机，已得到了广泛应用。

1.7.1　STC系列单片机

STC系列单片机是我国具有独立自主知识产权，其功能与抗干扰性强的增强型8051单片机一样。STC系列单片机中有多种子系列，几百个品种，以满足不同应用的需要。其中的STC12C5410/ STC12C2052系列的主要性能及特点如下。

（1）高速：普通的8051单片机是每个机器周期为12个时钟，而STC单片机可以是每个机器周期1个时钟，这样一来指令执行速度大大提高，速度比普通的8051快8～12倍。

（2）宽工作电压：5.5～3.8V，2.4～3.8V（STC12LE5410AD系列）。

（3）12KB/10KB/8KB/6KB/4KB片内Flash程序存储器，擦写次数达10万次以上。

（4）512B片内的RAM数据存储器。

（5）可在线编程（ISP）/在应用可编程（IAP），无需编程器/仿真器，可远程升级。

（6）8通道的10位ADC，4路PWM输出。

（7）4通道捕捉/比较单元，也可用来再实现4个定时器或4个外部中断（支持上升沿/下降沿中断）。

（8）2个硬件16位定时器，兼容普通8051的定时器。4路可编程计数/定时器阵列（PCA）还可再实现4个定时器。

（9）硬件看门狗（WDT）。

（10）高速SPI串口。

（11）全双工异步串行口(UART)，兼容普通8051的串口。

（12）通用I/O口（27/23/15个）中的每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不可超过55mA。

（13）超强抗干扰能力与高可靠性：

• 高抗静电；
• 通过2kV/4kV快速脉冲干扰的测试（EFT测试）；
• 宽电压，不怕电源抖动；
• 宽温度范围：−40℃～+85℃；
• I/O口经过特殊处理；
• 片内的电源供电系统、时钟电路、复位电路、看门狗电路均经过特殊处理。

（14）采取降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施：如选每个机器周期为6个时钟，外部时钟频率可降一半；

（15）超低功耗设计：

• 掉电模式：典型功耗＜0.1μA；
• 空闲模式：典型功耗为2mA；
• 正常工作模式：典型功耗为4～7mA；
• 掉电模式可由外部中断唤醒，适用于电池供电系统，如水表、气表、便携设备等。

STC单片机可直接替换ATMEL、Philips、Winbond（华邦）等公司的8051机型。

由上述可知，这是一款高性能、高可靠性且价格低廉的机型，尤其是其较高的抗干扰特性，用户应给予足够的重视。

1.7.2　C8051F×××单片机

美国Cygnal公司的C8051F×××系列单片机，是一款集成度高，并采用8051内核的8位单片机，它的代表产品为C8051F020。

C8051F020内部采用流水线结构，大部分指令的完成时间为1或2个时钟周期，峰值处理能力为25MIPS，与经典的8051单片机相比，它的可靠性和速度有很大提高。

C8051F020片内集成了1个8位ADC、1个12位ADC、1个双12位DAC、64KB片内Flash程序存储器、256B RAM、128B SFR、8个I/O端口共64根I/O口线、5个16位通用定时器、5个捕捉/比较模块的可编程计数/定时器阵列、1个UART串行口、1个SMBus/I²C串口、1个SPI串行口、2路电压比较器、电源监测器、内置温度传感器。

C8051F×××单片机最突出的改进是引入了数字交叉开关（C8051F2××除外）。它改变了以往内部功能与外部引脚的固定对应关系。用户可通过可编程的交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换器输入、比较器输出以及单片机内部的其他硬件外设配置出现在端口I/O引脚。用户可根据特定应用，选择通用I/O端口与片内硬件资源的灵活组合。

1.7.3　ADμC812单片机

ADμC812是美国ADI（Analog DeviceInc）公司生产的高性能单片机，其内部包含高精度自校准的8通道12位模数转换器（ADC）、2通道12位数模转换器（DAC）以及8051 内核，指令系统与MCS-51系列兼容。片内有8KB Flash程序存储器、640B Flash数据存储器、256B数据SRAM（支持可编程）。

ADμC812片内集成有看门狗定时器、电源监视器以及ADC DMA功能。它为多处理器接口和I/O扩展提供了32条可编程的I/O线，以及包含有与I²C兼容的串行接口、SPI串行接口和标准的UART串口。

ADμC812的MCU内核和模数转换器均设置有正常、空闲和掉电工作模式，通过软件可控制芯片从正常模式切换到空闲模式，也可切换到更为省电的掉电模式。在掉电模式下，ADμC812消耗的总电流约为5µA。

1.7.4　华邦W77系列、W78系列单片机

华邦公司（Winbond）的产品W77系列、W78系列单片机与8051单片机完全兼容。

华邦单片机对8051的时序做了改进：每个指令周期只需要4个时钟周期，速度提高了3倍，工作频率最高可达40MHz。

W77系列为增强型，片内增加了看门狗WatchDog、两组UART串口、两组DPTR数据指针（编写应用程序非常便利）、ISP（在线编程）等功能。片内集成了USB接口，以及语音处理等功能，它具有6组外部中断源。

华邦公司的W741系列的4位单片机具有液晶驱动、在线烧录、保密性高、低工作电压（1.2～1.8V）等优点。

1.8　PIC系列单片机与AVR系列单片机

除8051单片机外，各种非8051机型的8位单片机也得到了广泛的应用。其中，使用较为广泛的是PIC系列与AVR系列单片机，这两种单片机博采众长，又具独特技术，已占有较大的市场份额。

1.8.1　PIC系列单片机

PIC系列单片机是美国Microchip公司的产品，主要特性如下。

（1）PIC系列单片机最大特点是从实际出发，从低到高有几十个型号，可满足各种需要。例如，一辆摩托车的点火器需要一个I/O较少、RAM及程序存储空间不大、可靠性较高的小型单片机，如采用PIC12C508单片机，仅有8个引脚。该型号单片机有512B ROM、25B RAM、1个8位定时器、1根输入线、5根I/O线，而且价格非常便宜，应用在摩托车点火器这样的场合非常适合。此时，如果采用40引脚的单片机就可能是“大马拉小车”了。

目前，世界上最小的单片机为Microchip推出的6脚单片机 PIC10F322，该单片机带有4个I/O。它的最大特色是外设增加了可配置逻辑单元CLC、数控振荡器NCO、互补波形发生器CWG，另外还有3个通道的8位ADC、2个10位的PWM、2个8位定时器；64B的静态RAM、512B的程序空间，支持高性能的精简指令集（RISC）的CPU。

PIC的高档型单片机，如PIC16C74（尚不是最高档次型）有40个引脚，其内部有4KB 的ROM、192B RAM、8路A/D、3个8位定时器、2个CCP模块、3个串行口、1个并行口、11个中断源、33个I/O脚。这种型号几乎可以和其他品牌的高档型号相媲美。

（2）PIC单片机采用精简指令集（RISC），指令执行效率大为提高。数据总线和指令总线分离的哈佛总线（Harvard）结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令代码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用复杂指令结构（CISC）的8位单片机相比，可达到2:1的代码压缩，并且速度提高4倍。

（3）具有优越开发环境。普通8051单片机的开发系统大都采用高档型号仿真低档型号，其实时性不尽理想。PIC每推出一款新型号单片机的同时，便推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，因此实时性非常好。

（4）引脚通过限流电阻可接至220V交流电源，直接与继电器控制电路相连，无需光电耦合器隔离，这给使用带来极大方便。

PIC的8位单片机型号繁多，分为低档、中档和高档型。

中档产品是Microchip公司重点发展的系列产品，因此品种最为丰富。尤其是PIC18系列，其程序存储器最大可达64KB，通用数据存储器为3968B；有8位和16位定时器、比较器；8级硬件堆栈、10位A/D转换器、捕捉输入、PWM输出；配置了I²C、SPI，UART串口，CAN、USB接口，模拟电压比较器及LCD驱动电路等，其封装从14脚到64脚，价格适中，性价比高。它已广泛应用在高、中、低档的各类电子产品中。

高档产品PIC17Cxx是在中档型产品的基础上增加了硬件乘法器，指令周期可达160ns。它是目前世界上8位单片机中性价比最高的机种，可用于高、中档产品的开发，如电机控制等。

此外，Microchip公司还推出了高性能的16位的PIC24xx系列和32位的PIC33xx系列单片机，它们受到用户欢迎，并得到了较为广泛的应用。

1.8.2　AVR系列单片机

AVR系列单片机是1997年由ATMEL公司研发出的精简指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC）的高速8位单片机，其特点如下。

（1）废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机（CISC）追求指令完备的做法。它采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将操作数与操作码安排在一字之中，指令长度固定，指令格式与种类相对较少，寻址方式也相对较少，绝大部分指令都为单周期指令。取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然，这种“高速度”是以高可靠性来保障的。

（2）新工艺AVR器件的Flash程序存储器擦写可达10 000次以上。片内较大容量的RAM，不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效地支持使用高级语言开发系统程序，并可像8051单片机那样很容易地扩展外部RAM。

（3）丰富的外设。AVR单片机有定时器/计数器、看门狗电路、低电压检测电路BOD，并有多个复位源（自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位），可设置的启动后延时运行程序，从而增强了单片机系统的可靠性。片内有通用的异步串行口（UART），面向字节的高速硬件串口TWI（与I²C兼容）、SPI串口。此外，还有ADC、PWM等片内外设。

（4）I/O口功能强、驱动能力大。工业级产品具有大电流（最大可达40mA），可省去功率驱动器件，直接驱动晶闸管SSR或继电器。I/O口的输入可设定为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，便于满足各种多功能I/O口应用的需要，具备10～20mA灌电流的能力。

（5）低功耗。具有省电功能（Power Down）及休眠功能（Idle）的低功耗的工作方式。一般耗电在1～2.5 mA；对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备，有的器件最低1.8 V即可工作。

（6）支持程序的在线编程，只需一条ISP下载线，就可把程序写入AVR单片机，无需使用编程器。其中MEGA系列还支持在线应用编程IAP（可在线升级或销毁应用程序），从而省去了仿真器。

AVR单片机系列齐全，有3个档次，可适用于各种不同场合的要求。

• 低档Tiny系列AVR单片机：主要有Tiny11/12/13/15/26/28等。
• 中档AT90S系列AVR单片机：主要有AT90S1200/2313/8515/8535等。
• 高档 Atmega 系列 AVR 单片机：主要有ATmega8/16/32/64/128（存储容量为8KB/16KB/32KB/64KB/128KB）以及ATmega8515/8535等。

1.9　其他的嵌入式处理器简介

目前以各类嵌入式处理器为核心的嵌入式系统的应用，已经成为当今电子信息技术应用的一大热点。

具有各种不同体系结构的嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。除单片机外，还有数字信号处理器（DSP）以及嵌入式微处理器。

1.9.1　嵌入式DSP处理器

数字信号处理器（DSP）是非常擅长高速实现各种数字信号处理运算（如数字滤波、FFT、频谱分析等）的嵌入式处理器。由于DSP的硬件结构和指令进行了特殊设计，因而其能够高速完成各种数字信号处理算法。

1981年，美国TI（Texas Instruments)公司研制出了著名的TMS320系列的首片低成本、高性能的DSP处理器芯片——TMS320C10，它使DSP技术向前跨出了意义重大的一步。

20世纪90年代，由于无线通信、各种网络通信、多媒体技术的普及和应用，高清晰度数字电视的研究，极大地刺激了DSP的推广应用。DSP大量进入嵌入式领域。推动DSP快速发展的是嵌入式系统的智能化，如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，实时语音压缩解压系统、数字图像处理等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP的长处所在。但在一些实时性要求很高的场合，单片DSP的处理能力还是不能满足要求。因此，各大公司又研制出多总线、多流水线和并行处理的包含多个DSP处理器的芯片，这大大提高了系统的性能。

与单片机相比，DSP所具有的实现高速运算的硬件结构与指令系统以及多总线结构，尤其，DSP处理的是数字信号处理算法的复杂度和大的数据处理流量，这些更是单片机不可企及的。

DSP的主要厂商有美国TI、ADI、Motorola、Zilog等公司，TI公司位居榜首，它占全球DSP市场约60%。DSP代表性的产品是TI公司的TMS320系列，其中包括用于控制领域的2000系列，用于移动通信的5000系列以及应用在网络、多媒体和图像处理领域的6000系列等。

今天，随着全球信息化和Internet的普及，多媒体技术的广泛应用，尖端技术向民用领域的迅速转移，DSP也大范围地进入消费类电子产品。DSP的不断更新换代，性能指标不断提高，价格不断下降，已成为新兴科技：通信、多媒体系统、消费电子、医用电子等飞速发展的主要推动力。据国际著名市场调查研究公司Forward Concepts 发布的一份统计和预测报告显示，目前世界DSP产品市场每年正以30%的增幅增长，它是目前最有发展和应用前景的嵌入式处理器之一。

1.9.2　嵌入式微处理器

嵌入式微处理器（Embedded MicroProcessor Unit，EMPU）的基础是通用计算机中的CPU，虽然在功能上它和标准微处理器基本是一样的，但由于它只保留和嵌入式应用有关的功能，因此可大幅度减小系统体积和功耗，同时在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强处理。

嵌入式微处理器中比较有代表性的产品为ARM系列，主要有5个产品系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。

以ARM7为例，它的地址线为32条，所扩展的存储器空间要比单片机存储器空间大得多，可配置实时多任务操作系统(RTOS)，它是嵌入式应用软件的基础和开发平台。

常用的RTOS为Linux（数百KB）和VxWorks（数MB）以及µC-OSⅡ。由于嵌入式实时多任务操作系统具有高度灵活性，可很容易地对它进行定制或适当开发，即对它进行“裁剪”、“移植”和“编写”，从而可以设计出用户所需的程序，满足实际应用需要。

由于嵌入式微处理器能运行实时多任务操作系统，所以能够处理复杂的系统管理任务和处理工作。因此，在移动计算平台、媒体手机、工业控制和商业领域（例如，智能工控设备、ATM机等）、电子商务平台、信息家电（机顶盒、数字电视）等方面，甚至军事上的应用，它都具有巨大的吸引力。因此，以嵌入式微处理器为核心的嵌入式系统的应用，已经成为继单片机、DSP之后的电子信息技术应用的又一大热点。

这里要对“嵌入式系统”这个名称作以说明，从更广泛的意义上讲，凡是系统中嵌入了“嵌入式处理器”，如单片机、DSP、嵌入式微处理器，都称其为“嵌入式系统”。但是目前较为流行的说法是把“嵌入”了嵌入式微处理器的系统，称为“嵌入式系统”。目前“嵌入式系统”还没有一个严格和权威的定义，但人们通常所说的“嵌入式系统”，多指后者。

思考题及习题

一、填空题

1．除了单片机这一名称之外，单片机还可称为　　　　或　　　　。

2．单片机与普通微型计算机的不同之处在于其将　　　　、　　　　和　　　　3部分，通过内部　　　　连接在一起，集成于一块芯片上。

3．AT89S51单片机工作频率上限为　　　　MHz。

4．专用单片机已使系统结构最简化，软硬件资源利用最优化，从而大大降低　　　　和提高　　　　。

二、单选题

1．单片机内部数据之所以用二进制形式表示，主要是　　　　。　

　　A．为了编程方便　　　　　　 　　B．受器件的物理性能限制　

　　C．为了通用性　　　　　　　 　　D．为了提高运算速度　

2．在家用电器中使用单片机应属于微计算机的　　　　。

　　A．辅助设计应用　　　　　B．测量、控制应用

　　C．数值计算应用　　　　　D．数据处理应用

3．下面不属于单片机应用范围的是　　　　。

　　A．工业控制　　　　　　B．家用电器的控制　

　　C．数据库管理　　　　　D．汽车电子设备

三、判断对错

1．STC系列单片机是8051内核的单片机。

2．AT89S52与AT89S51相比，片内多出了4KB的Flash程序存储器、128B的RAM、1个中断源、1个定时器（且具有捕捉功能）。

3．单片机是一种CPU。

4．AT89S52单片机是微处理器。

5．AT89S51片内的Flash程序存储器可在线写入（ISP），而AT89C52则不能。

6．为AT89C51单片机设计的应用系统板，可将芯片AT89C51直接用芯片AT89S51替换。

7．为AT89S51单片机设计的应用系统板，可将芯片AT89S51直接用芯片AT89S52替换。

8．单片机的功能侧重于测量和控制，而复杂的数字信号处理运算及高速的测控功能则是DSP的长处。

四、简答题

1．微处理器、微计算机、微处理机、CPU、单片机、嵌入式处理器它们之间有何区别？

2．AT89S51单片机相当于MCS-51系列单片机中的哪一型号的产品？“S”的含义是什么？

3．单片机可分为商用、工业用、汽车用以及军用产品，它们的使用温度范围各为多少？

4．解释什么是单片机的在系统编程（ISP）以及什么是在线应用编程（IAP）。

5．什么是“嵌入式系统”? 系统中嵌入了单片机作为控制器，是否可称为“嵌入式系统”?

6．嵌入式处理器家族中的单片机、DSP、嵌入式微处理器各有何特点？它们的应用领域有何不同？