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1.1 51系列单片机概述 |
单片机的命名比较杂乱，但基本的意思就是单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）的简称。形象地说，单片机是一种简化了的计算机，其主要针对于各种小型设备和便携式设备等嵌入式系统。1946年，世界上第一台电子数字计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学研制成功。随后，计算机技术便突飞猛进，很难想象其在短短的几十年的时间居然发展得如此神速，普及得如此广泛。
在计算机技术中，单片微型计算机，也就是单片机，也是异军突起，发展十分迅速，已成为电子工程师必备的技术。单片机内部集成了中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、只读存储器（Read Only Memory，ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）、定时器/计数器及I/O（Input/Output）接口等部件。这些部件使单片机具有了和计算机同样强大的功能。
单片机大概可以追溯到20世纪70年代。1970—1974年之间，诞生了第一代4位单片机。这类单片机已经具有了并行I/O接口及一些常用的A/D和D/A等资源。这在当时来说是非常强大的，通过灵活的控制能力，使其应用于电视机、收音机和电子玩具。
随后，潘多拉的盒子便打开。人们认识到单片机的潜在能力和市场价值，各个公司便投入了大量的研究力量。在1974—1978年，单片机进入8位时代。这个时期以Intel公司的MCS-48系列单片机最具代表性。此时的单片机内部集成了更为强大的8位CPU内核、多个并行I/O接口，同时增加了定时器/计数器及小容量的RAM和ROM等。
1978—1983年，Intel公司的MCS-51系列为代表，标志着进入高档8位单片机时代。这个时期的单片机工作频率、硬件资源和RAM/ROM容量等都有极大的突破，创新地加入了串口通信接口及多级中断处理系统。我们现在所广泛使用的单片机都仍以该内核为基础，因此，也常称为51系列单片机。
随后，单片机市场便进入百花齐放、百家争鸣时代。各个厂商不仅在增强单片机的性能，还推出了不同类型的单片机，例如PIC系列单片机、ARM系列单片机、AVR系列单片、C8051F系列单片机，以及Cypress的PSoC系列等。这便是我们现在看到的单片机领域的纷繁复杂格局。
总的来说，现在的单片机产品线非常丰富，4位、8位、16位单片机乃至32位单片机均有其各自的应用领域。单片机的技术已经深入人心，现在如果不会单片机，便很难跟上技术的发展。
51系列单片机是单片机领域中的一类，也是影响最为深远，使用最为广泛的单片机系列。51系列单片机是指Intel的MCS-51系列及和其具有兼容内核的单片机。51系列单片机最早由Intel公司发展起来，随后将51内核授权给其他各个厂商。
因此，现在MCS-51兼容的单片机种类繁多，例如Atmel公司的AT89C系列、AT89S系列，Silicon Laboratories公司的C8051F系列，还有Philips公司的8XC552系列等。有些厂商还进一步发展了增强型的51内核，例如Cypress公司的带USB接口的单片机、MAXIM公司DS80/83/87/89系列高速单片机等。这些兼容的或者增强的51内核单片机有着十分接近的指令系统和硬件结构。这给开发人员带来的好处是，一方面有丰富的产品线可供选择，另一方面方便程序和设计的移植。
到目前为止，51系列单片机仍然占据了绝大多数的单片机市场。因此学习和掌握51系列单片机是最有前途的技术。其他类型单片机只在特定领域或者高端应用场合使用。读者只要掌握了51系列单片机的开发技术，便很容易学习其他的单片机技术。
51系列单片机以其强大的可重复编程能力和高的性价比等优点而得到广泛应用。目前，到处都可以看到51系列单片机的身影。51系列单片机主要应用于如下几个领域：
家电产品，例如电视、电话、冰箱、空调、洗衣机、家用防盗报警器等。在这类设备中，单片机主要用于功能控制。
●随身影音设备，例如MP3、MP4、录音笔等。在这些设备中，单片机用于系统控制和功能管理。
●电子玩具，例如各种电动玩具、发声玩具、玩具机器人、遥控电动车、遥控航模等。在这类设备中，单片机实现了核心功能的控制和智能人机接口。
●机电一体化设备，例如车床、铣床、数控机床等。在这类设备中，单片机作为机电一体化设备的控制器，可以简化机械产品的结构设计，实现智能的生产和操作控制，并扩展原有设备的功能。
●数据通信，例如无线数传、大容量存储设备等。在这类设备中，单片机依靠串口、并口或者高速USB接口等，实现计算机之间、计算机与外围设备之间的控制和数据传输等。
●测控设备，例如数据采集系统、示波器、智能仪表等。在这类设备中，依靠单片机强大控制和通信能力，实现测试、测量和控制等功能。
上面这几个领域基本涵盖了电子设备的各个方面。因此，总的来说，需要控制、通信和智能的领域，便可以找到单片机的身影和应用市场。
51系列单片机是最为成功的产品之一。虽然早期的51内核技术现在看来已经比较陈旧，但是各个厂商在推出产品的时候都进行了不同程度的增强。这些51内核的增强，便体现了51系列单片机的发展方向，主要有如下几个方面。
●高速。早期的51内核只有几MHz的运行频率，现在各个公司推出的51单片机产品均能够达到几十MHz的运行频率，例如Atmel公司的AT89S系列的单片机最大运行于33MHz，还有其他一些公司的产品也都具有很高的速度。
●缩短指令执行周期。早期的51内核指令一般需要1～4个指令周期来完成，最快的单周期指令也需要6个时钟周期，相当于12个时钟振荡周期。新的增强型51内核大大缩短了指令的执行周期，例如MAXIM的高速单片机每机器周期使用一个时钟，速度是标准8051的33倍。还有其他一些公司也相应提高了指令的执行时间。
●低功耗。单片机主要应用于各种嵌入式设备中，这类设备最大的共性便是采用电池供电，需要出色的功耗控制。否则，一个产品很快没电了，便毫无使用价值了。现在的单片机功耗都在逐步下降，同时还提供了丰富的低功耗模式可供选择，大大延长了电池的使用时间。
●高度集成性。现在的单片机集成了越来越多的功能，例如A/D转换、D/A转换、SPI接口、I2C接口、USART接口、USB接口、CAN接口等。在有些设计项目中，甚至仅靠一个单片机便可以完成所有的工作，真正实现“单片”的含义。
●减小封装尺寸。单片机在提高强度的接口功能的同时，其封装体积也在逐步减少。这样，可以减小电路板的使用面积，使最终产品小型化。目前的手机、笔记本等的日益小型化便是很好的体现。