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单片微型计算机（Single Chip Microcomputer，简称单片机），又称MCU（Microcontroller Unit），也称微控制器。是将计算机的基本部分微型化，集成在一个晶体芯片上，构成一台功能独特、完整的微型计算机，可以实现微型计算机的基本功能。单片机片内含有如中央处理器CPU（Central Processing Unit）、随机存取存储器RAM（Random Access Memory）、只读存储器ROM（Read Only Memory）、并行I/O接口、串行I/O接口、定时/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。内部结构示意图如图1-2所示。
单片机实质上是一个芯片，在实际应用中，通常很少将单片机和被控对象直接进行电气连接，而必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件和软件，才能构成一个单片机应用系统。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，只是存储器和外设的配置及封装不同，这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配。因此，单片机发展成了一个庞大的家族，有上千种产品可供用户选择。
图1-2 单片机内部结构示意图
单片机应用系统是以单片机为核心，配合输入、输出、显示、控制等外围电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。所以说，单片机应用系统是由硬件和软件组成的，硬件是应用系统的基础，软件则在硬件的基础上对其资源进行合理配置和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可。单片机应用系统的组成如图1-3所示。
图1-3 单片机应用系统的组成
单片机应用系统的开发人员必须从硬件和软件两个方面来深入了解单片机，只有将二者有机结合起来，才能形成具有特定功能的应用系统或整机产品。
自从1974年美国Fairchild公司研制出第一台单片机F8之后，单片机技术的发展已经逐步走向成熟。单片机经历了由4位、8位、16位再到32位机，正朝着高性能、多品种方向发展。目前，在实际应用中，8位单片机也在不断地采用新技术，而且8位增强型单片机在速度和功能上并不逊色于16位单片机，因此在未来相当长的时期内，8位单片机仍是单片机的主流机型。单片机技术的发展有以下几个方面的特点：
（1）微型单片化、功能更强
目前已经有许多单片机不仅具有通用的单片机功能外，而且增强型的单片机还集成有A/D、D/A、LED/LCD显示驱动、DMA控制器、PWM（脉宽调制器）、PLC（锁相环控制）、PCA（可编程计数阵列）、WDT（看门狗），并支持多种通信方式等。而且存储器的编程（烧录）方式也越来越方便，有脱机编程、在系统可编程（ISP）。单片机技术正朝着片上系统（System On Chip，SOC）的方向发展。另外，结合专用集成电路ASIC、精简指令集RISC技术，使单片机发展成为嵌入式的微处理器，深入到数字信号处理、图像处理、人工智能、机器人等领域，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
（2）低电压、低功耗
现在单片机功耗越来越低，普遍都在100 mW左右。采用CHMOS制作工艺使单片机集HMOS的高速、高集成度和CMOS的低功耗技术为一体，使单片机的功耗进一步降低，适应的电压范围更宽（2.6～6V）。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。低电压、低功耗的单片机的特性尤为重要，使之大量应用于便携式的供电仪器仪表和家用电器产品。
（3）价格更低
随着微电子技术的不断进步，许多公司陆续推出了价格更低的单片机。可以说，单片机一个显著的特点是成本低，易于产品化。在相当一部分以单片机为核心的嵌入式产品中，单片机的硬件投入成本仅占整个产品的一小部分，更多的成本是来自系统设计、软件开发与市场营销。
（4）主流与多品种共存
现在虽然单片机的品种繁多、各具特色，而应用最广的则当属Intel公司的MCS-5l系列8位机。在Philips等公司推出新一代80C51系列单片机后，各种型号的80C51单片机层出不穷，ATMEL公司的闪速存储器单片机AT89C51等更有后来者居上之势。
目前，中国台湾的Holtek公司近年生产的单片机产量与日俱增，Motorola公司的产品、日本几大公司的专用单片机等也占据了一定的市场份额。由于单片机技术不断地发展，各种品种的功能具有独特的优势，在一定的时期内，不会出现某个单片机一统天下的垄断局面，而是多个品种依存互补、相辅相成、共同发展。
尽管各类单片机很多，各类单片机的指令系统各不相同，功能各有所长，但无论是从世界范围还是从全国范围来看，使用最为广泛、市场占有率最高的是MCS-51系列单片机，因为世界上很多知名的IC生产厂家都生产兼容MCS-51的芯片。生产MCS-51系列单片机的厂家有Intel公司、ATMEL公司、Philips公司、AMD公司、WINBOND公司、LG公司、NEC公司等。到目前为止，MCS-51单片机已有数百个品种，并且还在不断推出功能更强的新产品。近年来，Philips公司又推出了指令和MCS-5l兼容的16位单片机，这样保证了MCS-51单片机的先进性，因此MCS-51单片机成为教学的首选机型。
Intel公司可以说是MCS-51系列单片机的“开山鼻祖”，正是Intel公司的8031单片机开创了MCS-51单片机时代。Intel公司的8051系列单片机，构成了8051单片机的基本标准。许多参考书上将这种单片机称为MCS-51系列单片机。MCS-51系列单片机的典型产品资源见表1-1所示。
表1-1 MCS-51系列单片机的资源
MCS-51系列单片机是单片机发展历史上的一个“里程碑”，其意义是重大的，可以说后来的系列单片机都是在它的基础上发展起来的。
Philips公司生产与MCS-51兼容的80C51系列单片机，片内具有I 2 C总线、A/D转换器、定时监视器、CRT控制器（OSD）、“看门狗”（WTD）电路、电源监测和时钟监测等。丰富的外围部件，其某些产品工作电压甚至可低至1.8V，并且扩大了接口功能，如设置高速口，扩展I/O数量，增加外部中断源及将ADC、PWM做入片内。为提高运行速度，时钟频率已达16/24MHz.主要产品有80C51、80C52、80C31、80C32、80C528、80C552、80C5132、80C751等。
Atmel公司可以说是现在MCS-51系列单片机的行业老大，它生产的系列单片机提供了丰富的外围接口和专用的控制器，可用于特殊用途，例如电压比较、USB控制、MP3解码及CAN控制等。另外，Atmel公司还将ISP技术集成在MCS-51系列单片机中，使用户能够方便地改变程序代码，从而方便地进行系统调试。Atmel公司还提供了各种产品的不同封装，以方便用户进行选择。如目前市场上常用的AT89S51、AT89S52、AT89S2051等系列单片机，其特点如下。
（1）AT89S51单片机
AT89S51单片机是Atmel公司推出的一款在系统可编程（ISP）单片机。通过相应的ISP软件，用户可方便地对该单片机Flash程序存储器中的代码进行修改。AT89S51和AT89C51（早期产品）的引脚完全兼容，其技术参数如下：
·4KB在系统可编程Flash程序存储器，3级安全保护；
·128字节的内部数据存储器；
·32个可编程I/O引脚；
·2个16位计数/定时器；
·5个中断源，可以在断电模式下响应中断；
·1个全双工的串行通信口；
·最高工作频率为33MHz；
·工作电压为4.0～5.5V；
·双数据指针使得程序运行得更快。
（2）AT89S2051单片机
AT89S2051单片机是另外一种使用非常多的单片机，因其功耗低、体积小等特点而被广大用户所选用。此外，AT89C2051单片机还有很多独特的结构和功能，例如具有LED驱动电路、电压比较器等。AT89C2051有两种可编程的电源管理模式：空闲模式，该模式下CPU停止工作，但是RAM、计数器/定时器、串行口和中断系统仍然工作；断电模式，该模式下保存了RAM的内容，但是冻结了其他部分的内容，直至被再次重启。AT89C2051有DIP20和SOIC20两种封装形式，其技术参数如下：
①2KB的程序存储器，2个级别的程序存储器保护功能。
②128字节的内部数据存储器。
③15个可编程I/O引脚，可以作为直接的LED驱动。
④2个16位计数/定时器。
⑤6个中断源，2个优先级别。
⑥1个全双工的串行口。
⑦片上电压比较控制器。
⑧工作电压为2.7～6V。
（3）AT89S52单片机
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS的8位微控制器，使用Atmel公司高密度非易失性存储技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，也适于常规编程器，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下主要性能：
·8KB在系统可编程Flash存储器；
·256B的内部数据存储器；
·全静态操作：0Hz～33MHz；
·32个可编程I/O口线；
·三个16位定时/计数器；
·八个中断源；
·全双工UART串行通道；
·三级加密程序存储器；
·低功耗空闲和掉电模式；
·掉电后中断可换醒；
·看门狗定时器；
·双数据指针。
对一般用户来说，Atmel89系列单片机具有以下明显的优点：
①内部含Flash存储器，因此在系统的开发过程中可以十分容易地修改程序，大大缩短系统的开发周期。同时，在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不会影响信息的保存。
②Atmel 89系列单片机是以8031为核心构成的，引脚是和80C51一样的，对于以8051为基础的系统来说，用Atmel公司的89系列单片机取代8051的系统设计是十分容易进行替换和构造的。
③可进行反复系统试验。用89系列单片机设计的系统，可以反复进行系统试验。每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优。而且随用户的需要和发展，还可以进行修改，使系统不断追随用户的最新要求。
④静态时钟方式。89系列单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有用。
MCS-51系列单片机品种很多，如果按照存储器配置状态可划分为：片内ROM型，如80（C）5X；片内EPROM型，如87（C）5X；片内Flash EEPROM型，如89C5X；内部无EPROM型，如80（C）3X。如果按照其功能，则可划分为以下一些特征类型。
（1）基本型
基本型有8031、8051、8031AH、8751、89C51和89S51等。基本型的代表产品是8051。
（2）增强型
增强型有8052、8032、8752、89C52和89S52等，此类型单片机内的ROM和RAM容量比基本型的增大了一倍，同时将16位定时/计数器增加到3个。87C54内部ROM为16KB，87C58增加到32KB，89C55内部ROM为20KB。
（3）低功耗型
低功耗型有80C5X、80C3X，87CSX、89C5X等。型号中带有“C”字样的单片机采用CHMOS工艺，其特点是功耗低。另外，87C51还有两级程序存储器保密系统，可防止非法复制程序。
（4）高级语言型
例如，8052AH-BASIC芯片内固化有MCS BASIC52解释程序，其BASIC语言能与汇编语言混用。
（5）可编程计数阵列（PCA）型
例如，83C51FA、80C51FA、87C51FA、83C51FB等产品都是CHMOS器件，具有两个特点：一个特点是具有5个比较/捕捉模块，每个模块可执行16位捕捉正跳变触发、16位捕捉负跳变触发、16位软件定时器、16位高速输出及8位脉冲宽度调制等功能；另一个特点是有一个增强的多机通信串行接口。
（6）A/D型
例如，83C51GA、80C51GA、87C51GA等系列单片机具有下述新功能；带有8路8位A/D及半双工同步串行接口；拥有16位监视定时器；扩展了A/D中断和串行接口中断，使中断源达到7个；可进行振荡器失效检测。
（7）在系统可编程（ISP）型
ATMEL公司生产AT89S51、AT89S52等S系列的产品。S系列的产品最大的特点就是具有在系统可编程功能。用户只要连接好下载电路，就可以在不拔下51芯片的情况下，直接在系统中进行编程。在编程期间系统是不能运行程序的。