單片機

又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的晶元，而是把一個計算機系統集成到一個晶元上。概括的講：一塊晶元就成了一台計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發提供了便利條件。同時，學習使用單片機了解計算機原理與結構的最佳選擇。

可以說，二十世紀跨越了三個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和現已進入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱PC機。它由主機、鍵盤、顯示器等組成（如圖1所示）。還有一類計算機，大多數人卻不怎麼熟悉。這種計算機就是把智能賦予各種機械的單片機（亦稱微控制器，如圖2所示）。顧名思義，這種計算機的最小系統只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機械的“肚子”里。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了。這種單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀錶、實時工控、通訊設備、導航系統、家用電器等。各種產品一旦用上了單片機，就能起到使產品升級換代的功效，常在

產品名稱前冠以形容詞——“智能型”，如智能型洗衣機等。有些工廠的技術人員或其它業餘電子開發者搞出來的某些產品，不是電路太複雜，就是功能太簡單且極易被仿製。究其原因，可能就卡在產品未使用單片機或其它可編程邏輯器件上。

單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀錶的控制，計算機的網路通訊與數據傳輸，工業自動化過程的實時控制和數據處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程式控制玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀錶、醫療器械了。因此，單片機的學習、開發與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師

單片機廣泛應用於儀器儀錶、家用電器、醫用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程式控制制等領域，大致可分如下幾個範疇：

1.在智能儀器儀錶上的應用

單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點，廣泛應用於儀器儀錶中，結合不同類型的感測器，可實現諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。採用單片機控制使得儀器儀錶數字化、智能化、微型化，且功能比起採用電子或數字電路更加強大。例如精密的測量設備（功率計，示波器，各種分析儀）。

2.在工業控制中的應用

用單片機可以構成形式多樣的控制系統、數據採集系統。

3.在家用電器中的應用

可以這樣說，家用電器基本上都採用了單片機控制，從電飯褒、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備，五花八門，無所不在。

4.在計算機網路和通信領域中的應用

現代的單片機普遍具備通信介面，可以很方便地與計算機進行數據通信，為在計算機網路和通信設備間的應用提供了物質條件，通信設備基本上都實現了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程式控制交換機、樓宇自動通信呼叫系統、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的行動電話，集群移動通信，無線電對講機等。

5.單片機在醫用設備領域中的應用

單片機在醫用設備中的用途亦相當廣泛，例如醫用呼吸機，各種分析儀，監護儀，超聲診斷設備及病床呼叫系統等等。

6.在各種大型電器中的模塊化應用

某些專用單片機設計用於實現特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應用，而不要求使用人員了解其內部結構。如音樂集成單片機，看似簡單的功能，微縮在純電子晶元中（有別於磁帶機的原理），就需要複雜的類似於計算機的原理。如：音樂信號以數字的形式存於存儲器中（類似於ROM），由微控制器讀出，轉化為模擬音樂電信號（類似於音效卡）。

在大型電路中，這種模塊化應用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便於更換。

7.單片機在汽車設備領域中的應用

單片機在汽車電子中的應用非常廣泛，例如汽車中的發動機控制器，基於CAN匯流排的汽車發動機智能電子控制器，GPS導航系統，abs防抱死系統，制動系統等等。

此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。

單片機誕生於20世紀70年代末，經歷了SCM、MCU、SoC三大階段。

SCM即單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）主要是尋求最佳的單片形態嵌入式系統的最佳體系結構。“創新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不同的發展道路。在開創嵌入式系統獨立發展道路上，Intel公司功不可沒。

MCU即微控制器（Micro Controller Unit）主要的技術發展方向是：不斷擴展滿足嵌入式應用時，對象系統要求的各種外圍電路與介面電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領域都與對象系統相關，因此，發展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術廠家。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發展也有其客觀因素。在發展MCU方面，最著名的廠家當數Philips公司。

Philips公司以其在嵌入式應用方面的巨大優勢，將MCS-51從單片微型計算機迅速發展到微控制器。因此，當我們回顧嵌入式系統發展道路時，不要忘記Intel和Philips的歷史功績。

單片機是嵌入式系統的獨立發展之路，向MCU階段發展的重要因素，就是尋求應用系統在晶元上的最大化解決；因此，專用單片機的發展自然形成了SoC化趨勢。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發展，基於SoC的單片機應用系統設計會有較大的發展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應用系統。

單片機學習應用的六大重要部分

我們知道，一個電路總是由元器件通過電線連接而成的，在模擬電路中，連線並不成為一個問題，因為各器件間一般是串列關係，各器件之間的連線並不很多，但計算機電路卻不一樣，它是以微處理器為核心，各器件都要與微處理器相連，各器件之間的工作必須相互協調，所以需要的連線就很多了，如果仍如同模擬電路一樣，在各微處理器和各器件間單獨連線，則線的數量將多得驚人，所以在微處理機中引入了匯流排的概念，各個器件共同享用連線，所有器件的8根數據線全部接到8根公用的線上，即相當於各個器件並聯起來，但僅這樣還不行，如果有兩個器件同時送出數據，一個為0，一個為1，那麼，接收方接收到的究竟是什麼呢？這種情況是不允許的，所以要通過控制線進行控制，使器件分時工作，任何時候只能有一個器件發送數據（可以有多個器件同時接收）。器件的數據線也就被稱為數據匯流排，器件所有的控制線被稱為控制匯流排。在單片機內部或者外部存儲器及其它器件中有存儲單元，這些存儲單元要被分配地址，才能使用，分配地址當然也是以電信號的形式給出的，由於存儲單元比較多，所以，用於地址分配的線也較多，這些線被稱為地址匯流排。

數據、地址、指令

之所以將這三者放在一起，是因為這三者的本質都是一樣的——數字，或者說都是一串‘0’和‘1’組成的序列。換言之，地址、指令也都是數據。指令：由單片機晶元的設計者規定的一種數字，它與我們常用的指令助記符有著嚴格的一一對應關係，不可以由單片機的開發者更改。地址：是尋找單片機內部、外部的存儲單元、輸入輸出口的依據，內部單元的地址值已由晶元設計者規定好，不可更改，外部的單元可以由單片機開發者自行決定，但有一些地址單元是一定要有的（詳見程序的執行過程）。數據：這是由微處理機處理的對象，在各種不同的應用電路中各不相同，一般而言，被處理的數據可能有這麼幾種情況：

1?地址（如MOV DPTR，1000H），即地址1000H送入DPTR。

2?方式字或控制字（如MOV TMOD，#3），3即是控制字。

3?常數（如MOV TH0，#10H）10H即定時常數。

4?實際輸出值（如P1口接彩燈，要燈全亮，則執行指令：MOV P1，#0FFH，要燈全暗，則執行指令：MOV P1，#00H）這裡0FFH和00H都是實際輸出值。又如用於LED的字形碼，也是實際輸出的值。

理解了地址、指令的本質，就不難理解程序運行過程中為什麼會跑飛，會把數據當成指令來執行了。

P0口、P2口和P3的第二功能用法

初學時往往對P0口、P2口和P3口的第二功能用法迷惑不解，認為第二功能和原功能之間要有一個切換的過程，或者說要有一條指令，事實上，各埠的第二功能完全是自動的，不需要用指令來轉換。如P3.6、P3.7分別是WR、RD信號，當微片理機外接RAM或有外部I/O口時，它們被用作第二功能，不能作為通用I/O口使用，只要一微處理機一執行到MOVX指令，就會有相應的信號從P3.6或P3.7送出，不需要事先用指令說明。事實上‘不能作為通用I/O口使用’也並不是‘不能’而是（使用者）‘不會’將其作為通用I/O口使用。你完全可以在指令中按排一條SETB P3.7的指令，並且當單片機執行到這條指令時，也會使P3.7變為高電平，但使用者不會這麼去做，因為這通常會導致系統的崩潰。

程序的執行過程

單片機在通電複位后8051內的程序計數器（PC）中的值為‘0000’，所以程序總是從‘0000’單元開始執行，也就是說：在系統的ROM中一定要存在‘0000’這個單元，並且在‘0000’單元中存放的一定是一條指令。

堆棧是一個區域，是用來存放數據的，這個區域本身沒有任何特殊之處，就是內部RAM的一部份，特殊的是它存放和取用數據的方式，即所謂的‘先進後出，後進先出’，並且堆棧有特殊的數據傳輸指令，即‘PUSH’和‘POP’，有一個特殊的專為其服務的單元，即堆棧指針SP，每當執一次PUSH指令時，SP就（在原來值的基礎上）自動加1，每當執行一次POP指令，SP就（在原來值的基礎上）自動減1。由於SP中的值可以用指令加以改變，所以只要在程序開始階段更改了SP的值，就可以把堆棧設置在規定的內存單元中，如在程序開始時，用一條MOV SP，#5FH指令，就是把堆棧設置在從內存單元60H開始的單元中。一般程序的開頭總有這麼一條設置堆棧指針的指令，因為開機時，SP的初始值為07H，這樣就使堆棧從08H單元開始往後，而08H到1FH這個區域正是8031的第二、三、四工作寄存器區，經常要被使用，這會造成數據的混亂。不同作者編寫程序時，初始化堆棧指令也不完全相同，這是作者的習慣問題。當設置好堆棧區后，並不意味著該區域成為一種專用內存，它還是可以象普通內存區域一樣使用，只是一般情況下編程者不會把它當成普通內存用了。

單片機的開發過程

這裡所說的開發過程並不是一般書中所說的從任務分析開始，我們假設已設計並製作好硬體，下面就是編寫軟體的工作。在編寫軟體之前，首先要確定一些常數、地址，事實上這些常數、地址在設計階段已被直接或間接地確定下來了。如當某器件的連線設計好后，其地址也就被確定了，當器件的功能被確定下來后，其控制字也就被確定了。然後用文本編輯器（如EDIT、CCED等）編寫軟體，編寫好后，用編譯器對源程序文件編譯，查錯，直到沒有語法錯誤，除了極簡單的程序外，一般應用模擬機對軟體進行調試，直到程序運行正確為止。運行正確后，就可以寫片（將程序固化在EPROM中）。在源程序被編譯后，生成了擴展名為HEX的目標文件，一般編程器能夠識別這種格式的文件，只要將此文件調入即可寫片。

市場上單片機可以說是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大晶元製造公司都推出了自己的單片機，從8位、16位到32位，數不勝數，應有盡有，有與主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應用提供廣闊的天地。

縱觀單片機的發展過程，可以預示單片機的發展趨勢，大致可以分為：

一、低功耗CHMOS化

MCS-51系列的8031推出時的功耗達630mW，而單片機普遍都在100mW左右，隨著對單片機的功耗要求越來越低，各個單片機製造商基本都採用了CMOS(互補金屬氧化物半導體工藝)。像80-C51就採用了HMOS(即高密度金屬氧化物半導體工藝)和CHMOS(互補高密度金屬氧化物半導體工藝)。CMOS雖然功耗較低，但由於其物理特徵決定其工作速度不夠高，而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點，這些特徵，更適合於在要求低功耗像電池供電的應用場合。所以這種工藝將是今後一段時期單片機發展的主要途徑。

二、微型單片化

常規的單片機普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機存取數據存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串列通信介面，中斷系統、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的晶元上，增強型的單片機集成，例如A/D轉換器、PMW(脈寬調製電路)、WDT(看門狗)、有些單片機將LCD(液晶)驅動電路都集成在單一的晶元上，這樣單片機包含的單元電路就更多，功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據用戶的要求量身定做，製造出具有自己特色的單片機晶元。

此外，產品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機除了功能強和功耗低外，還要求其體積要小。許多單片機都具有多種封裝形式，其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎，使得由單片機構成的系統正朝微型化方向發展。

三、主流與多品種共存

雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以80C51為核心的單片機佔主流，兼容其結構和指令系統的有PHILIPS公司的產品，ATMEL公司的產品和中國台灣的Winbond系列單片機。所以C8051為核心的單片機佔據了半壁江山。而Microchip公司的PIC精簡指令集(RISC)也有著強勁的發展勢頭，中國台灣的HOLTEK公司近年的單片機產量與日俱增，與其低價質優的優勢，佔據一定的市場分額。此外還有MOTOROLA公司的產品，日本幾大公司的專用單片機。在一定的時期內，這種情形將得以延續，將不存在某個單片機一統天下的壟斷局面，走的是依存互補，相輔相成、共同發展的道路。