微型計算機的組成及其應(yīng)用形態(tài) 單片機的特點及應(yīng)用領(lǐng)域

1946年2月15日，第一臺電子數(shù)字計算機 ENIAC問世，這標(biāo)志著計算機時代的到來。ENIAC 是電子管計算機，時鐘頻率雖然僅有 100 kHz，但能在1s 的時間內(nèi)完成 5000 次加法運算。與現(xiàn)代的計算機相比，ENIAC有許多不足，但它的問世開創(chuàng)了計算機科學(xué)技術(shù)的新紀(jì)元，對人類的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生了巨大的影響。

在研制 ENIAC 的過程中，匈牙利籍?dāng)?shù)學(xué)家馮·諾依曼擔(dān)任研制小組的顧問，并在方案的設(shè)計上做出了重要的貢獻(xiàn)。1946年6月，馮·諾依曼又提出了 “程序存儲”和“二進(jìn)制運算”的思想，進(jìn)一步構(gòu)建了計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成這一計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。

電子計算機技術(shù)的發(fā)展，相繼經(jīng)歷了電子管計算機、晶體管計算機、集成電路計算機、大規(guī)模集成電路計算機和超大規(guī)模集成電路計算機五個時代，但是計算機的結(jié)構(gòu)仍然沒有突破馮·諾依曼提出的計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)框架。

1.微型計算機的組成及其應(yīng)用形態(tài)

一、微型計算機的組成 ??

1971 年 1 月，Intel 公司的特德·霍夫在與日本商業(yè)通信公司合作研制臺式計算器時，將原始方案的十幾個芯片壓縮成三個集成電路芯片。其中的兩個芯片分別用于存儲程序和數(shù)據(jù)，另一芯片集成了運算器和控制器及一些寄存器， 稱為微處理器(即 Intel 4004)。微處理器、存儲器加上 I/O 接口電路組成微型計算機。各部分通過地址總線(AB)、數(shù)據(jù)總線(DB)和控制總線(CB)相連。

二、微型計算機的應(yīng)用形態(tài)

從應(yīng)用形態(tài)上，微型計算機可以分成三種：多板機(系統(tǒng)機)、單板機和單片機。??

1.多板機(系統(tǒng)機)??

多板機是將微處理器、存儲器、I/O 接口電路和總線接口等組裝在一塊主機板(即微機主板)上，再通過系統(tǒng)總線和其它多塊外設(shè)適配板卡連接鍵盤、顯示器、打印機、軟/硬盤驅(qū)動器及光驅(qū)等設(shè)備。各種適配板卡插在主機板的擴展槽上,并與電源、軟/硬盤驅(qū)動器及光驅(qū)等裝在同一機箱內(nèi)，再配上系統(tǒng)軟件,就構(gòu)成了一臺完整的微型計算機系統(tǒng)，簡稱系統(tǒng)機。目前人們廣泛使用的個人計算機(PC 機)就是典型的多板微型計算機。由于其人機界面好，功能強，軟件資源豐富，通常作為辦公或家庭的事務(wù)處理及科學(xué)計算，屬于通用計算機，現(xiàn)在已經(jīng)成為社會各領(lǐng)域中最為通用的工具。另外，將系統(tǒng)機的機箱進(jìn)行加固處理，底板設(shè)計成無 CPU 的小底板結(jié)構(gòu)，利用底板的擴展槽插入主機板及各種測控板，就構(gòu)成了一臺工業(yè) PC 機。由于其具有人機界面友好和軟件資源豐富的優(yōu)勢，工業(yè) PC 機常作為工業(yè)測控系統(tǒng)的主機。??

2.單板機 ??

將 CPU 芯片、存儲器芯片、I/O 接口芯片和簡單的 I/O 設(shè)備(小鍵盤、LED 顯示器)等裝配在一塊印制線路板上，再配上監(jiān)控程序(固化在 ROM 中),就構(gòu)成了一臺單板微型計算機，簡稱單板機。典型的產(chǎn)品如 TP801。單板機的 I/O 設(shè)備簡單，軟件資源少，使用不方便。早期主要用于微型計算機原理的教學(xué)及簡單的測控系統(tǒng)，現(xiàn)在已很少使用。??

3.單片機??

在一片集成電路芯片上集成微處理器、存儲器、I/O 接口電路，從而構(gòu)成了單芯片微型計算機，即單片機。??

計算機原始的設(shè)計目的是為了提高計算數(shù)據(jù)的速度和完成海量數(shù)據(jù)的計算。人們將完成這種任務(wù)的計算機稱為通用計算機。?

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)了計算機在邏輯處理及工業(yè)控制等方面也具有非凡的能力。在控制領(lǐng)域中，人們更多地關(guān)心計算機的低成本、小體積、運行的可靠性和控制的靈活性。特別是智能儀表、智能傳感器、智能家電、智能辦公設(shè)備、汽車及軍事電子設(shè)備等應(yīng)用系統(tǒng)要求將計算機嵌入到這些設(shè)備中。嵌入到控制系統(tǒng)(或設(shè)備)中，實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計算機稱為嵌入式計算機， 也稱為專用計算機。??

嵌入式應(yīng)用的計算機可分為嵌入式微處理器(如 386EX)、嵌入式 DSP 處理器(如 TMS320 系列)、嵌入式微控制器(即單片機，如 80C51 系列)及嵌入式片上系統(tǒng) SOC。

單片機體積小、價格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應(yīng)用形態(tài)對于滿足嵌入式應(yīng)用需求具有獨特的優(yōu)勢。目前，單片機應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成為電子應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計最為常用的技術(shù)手段，學(xué)習(xí)和掌握單片機應(yīng)用技術(shù)具有極其重要的現(xiàn)實意義。?

綜上所述，微型計算機技術(shù)的發(fā)展正趨于兩個方向，一是以系統(tǒng)機為代表的通用計算機，致力于提高計算機的運算速度，在實現(xiàn)海量高速數(shù)據(jù)處理的同時兼顧控制功能;二是以單片機為代表的嵌入式專用計算機，致力于計算機控制功能的片內(nèi)集成，在滿足嵌入式對象的測控需求的同時兼顧數(shù)據(jù)處理。

2.單片機的發(fā)展過程及產(chǎn)品近況

2.1單片機的發(fā)展過程

單片機技術(shù)發(fā)展十分迅速，產(chǎn)品種類已琳瑯滿目。縱觀整個單片機技術(shù)發(fā)展過程，可以分為以下三個主要階段：?

一、單芯片微機形成階段 ??

1976 年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機。該系列單片機早期產(chǎn)品在芯片內(nèi)集成有：8 位CPU、1K 字節(jié)程序存儲器(ROM)、64字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、27 根 I/O 線和1個8 位定時/計數(shù)器。此階段的主要特點是：在單個芯片內(nèi)完成了 CPU、存儲器、I/O 接口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、時鐘等部件的集成，但存儲器容量較小，尋址范圍小(不大于 4K)，無串行接口，指令系統(tǒng)功能不強。??

二、性能完善提高階段 ??

1980 年，Intel 公司推出 MCS-51 系列單片機。該系列單片機在芯片內(nèi)集成有：8 位 CPU、4K 字節(jié)程序存儲器(ROM)、128 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、4個 8 位并行接口、1 個全雙工串行接口和 2 個 16 位定時/計數(shù)器。尋址范圍為64 K，并集成有控制功能較強的布爾處理器完成位處理功能。此階段的主要特點是：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點進(jìn)一步突出。現(xiàn)在，MCS-51 已成為公認(rèn)的單片機經(jīng)典機種。?

三、微控制器化階段 ?

1982 年，Intel 公司推出 MCS-96 系列單片機。該系列單片機在芯片內(nèi)集成有：16 位 CPU、8K 字節(jié)程序存儲器(ROM)、232 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、 5 個 8 位并行接口、1 個全雙工串行接口和 2 個 16 位定時/計數(shù)器。尋址范圍最大為 64 K。片上還有 8 路 10 位 ADC、1 路 PWM(D/A)輸出及高速 I/O 部件。?

近年來，許多半導(dǎo)體廠商以 MCS-51 系列單片機的 8051 為內(nèi)核，將許多測控系統(tǒng)中的接口技術(shù)、可靠性技術(shù)及先進(jìn)的存儲器技術(shù)和工藝技術(shù)集成到單片機中，生產(chǎn)出了多種功能強大、使用靈活的新一代 80C51 系列單片機。此階段的主要特點是：片內(nèi)面向測控系統(tǒng)的外圍電路增強，使單片機可以--方便靈活地應(yīng)用于復(fù)雜的自動測控系統(tǒng)及設(shè)備。因此，“微控制器”的稱謂更能反應(yīng)單片機的本質(zhì)。

2.2. 單片機產(chǎn)品近況

隨著微電子設(shè)計技術(shù)及計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機產(chǎn)品和技術(shù)日新月異。單片機產(chǎn)品近況可以歸納為以下二方面。?

一、80C51 系列單片機產(chǎn)品繁多，主流地位已經(jīng)形成 通用微型計算機計算速度的提高主要體現(xiàn)在 CPU 位數(shù)的提高(16 位、32 位乃至 64 位)，而單片機更注重的是產(chǎn)品的可靠性、經(jīng)濟性和嵌入性。所以，單片機 CPU 位數(shù)的提高需求并不十分迫切。而多年來的應(yīng)用實踐已經(jīng)證明， 80C51 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)成熟。因此，許多單片機芯片生產(chǎn)廠商傾力于提高 80C51 單片機產(chǎn)品的綜合功能，從而形成了 80C51 的主流產(chǎn)品地位。近年來推出的與 80C51 兼容的主要產(chǎn)品有：

ATMEL 公司融入 Flash 存儲器技術(shù)推出的 AT89 系列單片機;

Philips 公司推出的 80C51、80C552 系列高性能單片機;

華邦公司推出的 W78C51、W77C51 系列高速低價單片機;

LG 公司推出的 GMS90/97 系列低壓高速單片機;

Maxim 公司推出的 DS89C420 高速(50MIPS)單片機;

Cygnal 公司推出的 C8051F 系列高速 SOC 單片機等。

由此可見，80C51 已經(jīng)成為事實上的單片機主流系列，所以本書以 80C51為對象，講述單片機的原理與接口方法。

二、非 80C51 結(jié)構(gòu)單片機新品不斷推出，給用戶提供了更為廣泛的選擇空間在 80C51 及其兼容產(chǎn)品流行的同時，一些單片機芯片生產(chǎn)廠商也推出了一些非 80C51 結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，影響比較大的有：

Intel 公司推出的 MCS-96 系列 16 位單片機;

Microchip 公司推出的 PIC 系列 RISC 結(jié)構(gòu)單片機;

TI 公司推出的 MSP430F 系列 16 位低電壓、低功耗單片機;

ATMEL 公司推出的 AVR 系列 RISC 結(jié)構(gòu)單片機等。

3.單片機的特點及應(yīng)用領(lǐng)域、

3.1 單片機的特點

一、控制性能和可靠性高 ??

單片機是為滿足工業(yè)控制而設(shè)計的，所以實時控制功能特別強，其 CPU 可以對 I/O 接口直接進(jìn)行操作，位操作能力更是其它計算機無法比擬的。另外， 由于 CPU、存儲器及 I/O 接口集成在同一芯片內(nèi)，各部件間的連接緊湊，數(shù)據(jù)在傳送時受到的干擾較小，且不易受環(huán)境條件的影響，所以單片機的可靠性非常高。近期推出的單片機產(chǎn)品，內(nèi)部集成有高速 I/O 接口、ADC、PWM、WDT 等部件，并在低電壓、低功耗、串行擴展總線、控制網(wǎng)絡(luò)總線和開發(fā)方式(如在系統(tǒng)編程 ISP)等方面都有了進(jìn)一步的增強。??

二、體積小、價格低、易于產(chǎn)品化 ?

每片單片機芯片即是一臺完整的微型計算機，對于批量大的專用場合，一方面可以在眾多的單片機品種間進(jìn)行匹配選擇，同時還可以專門進(jìn)行芯片設(shè)計， 使芯片功能與應(yīng)用具有良好的對應(yīng)關(guān)系。在單片機產(chǎn)品的引腳封裝方面，有的單片機引腳已減少到 8 個或更少，從而使應(yīng)用系統(tǒng)的印制板減小，接插件減少， 安裝簡單方便。在現(xiàn)代的各種電子器件中，單片機具有良好的性能價格比。這正是單片機得以廣泛應(yīng)用的重要原因。

3.2 單片機的應(yīng)用領(lǐng)域

由于單片機具有良好的控制性能和靈活的嵌入品質(zhì)，近年來單片機在各種領(lǐng)域都獲得了極為廣泛的應(yīng)用。概要地分成以下幾個方面：??

一、智能儀器儀表 ??

單片機用于各種儀器儀表，一方面提高了儀器儀表的使用功能和精度，使儀器儀表智能化，同時還簡化了儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，從而可以方便地完成儀器儀表產(chǎn)品的升級換代。如各種智能電氣測量儀表、智能傳感器等。??

二、機電一體化產(chǎn)品 ?

機電一體化產(chǎn)品是集機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動化技術(shù)和計算機技術(shù)于一體，具有智能化特征的各種機電產(chǎn)品。單片機在機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)中可以發(fā)揮巨大的作用。典型產(chǎn)品如機器人、數(shù)控機床、自動包裝機、點鈔機、醫(yī)療設(shè)備、打印機、傳真機、復(fù)印機等。?

三、實時工業(yè)控制 ?

單片機還可以用于各種物理量的采集與控制。電流、電壓、溫度、液位、流量等物理參數(shù)的采集和控制均可以利用單片機方便地實現(xiàn)。在這類系統(tǒng)中， 利用單片機作為系統(tǒng)控制器，可以根據(jù)被控對象的不同特征采用不同的智能算法，實現(xiàn)期望的控制指標(biāo)，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。典型應(yīng)用如電動機轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、自動生產(chǎn)線等。??

四、分布系統(tǒng)的前端模塊 ??

在較復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)中，經(jīng)常要采用分布式測控系統(tǒng)完成大量的分布參數(shù)的采集。在這類系統(tǒng)中，采用單片機作為分布式系統(tǒng)的前端采集模塊。系統(tǒng)具有運行可靠，數(shù)據(jù)采集方便靈活，成本低廉等一系列優(yōu)點。??

五、家用電器 ??

家用電器是單片機的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域，前景十分廣闊。如空調(diào)器、電冰箱、洗衣機、電飯煲、高檔洗浴設(shè)備、高檔玩具等。另外，在交通領(lǐng)域中，汽車、火車、飛機、航天器等均有單片機的廣泛應(yīng)用。如汽車自動駕駛系統(tǒng)、航天測控系統(tǒng)、黑匣子等。

4.單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)簡介

4.1 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)

設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)時，在完成硬件系統(tǒng)設(shè)計之后，必須配備相應(yīng)的應(yīng)用軟件。正確無誤的硬件設(shè)計和良好的軟件功能設(shè)計是一個實用的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)。完成這一目標(biāo)的過程稱為單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。單片機作為一片集成了微型計算機基本部件的集成電路芯片，與通用微機相比，它自身沒有開發(fā)功能，必須借助開發(fā)機(一種特殊的計算機系統(tǒng))來完成如下任務(wù)：1、排除應(yīng)用系統(tǒng)的硬件故障和軟件錯誤;2、調(diào)試完的程序要固化到單片機內(nèi)部或外部程序存儲器芯片中。??

一、指令的表示形式 ?

指令是讓單片機執(zhí)行某種操作的命令。在單片機內(nèi)部，指令按一定的順序以二進(jìn)制碼的形式存放于程序存儲器中。二進(jìn)制碼是計算機能夠直接執(zhí)行的機器碼(或稱目標(biāo)碼)。為了書寫、輸入和顯示方便，人們通常將機器碼寫成十六進(jìn)制形式。如二進(jìn)制碼 0000 0100B 可以表示為 04H。04H 所對應(yīng)的指令的意義是累加器 A 的內(nèi)容加 1。若寫成 INC A，則要清楚得多，這就是該指令的符號表示，稱為符號指令。

二、匯編或編譯

符號指令要轉(zhuǎn)換成計算機所能執(zhí)行的機器碼并存入計算機的程序存儲器中，這種轉(zhuǎn)換稱為匯編。常用的匯編方法有三種，一是手工匯編，設(shè)計人員對照單片機指令編碼表，把每一條符號指令翻譯成十六進(jìn)制數(shù)表示的機器碼指令， 借助于小鍵盤送入開發(fā)機，然后進(jìn)行調(diào)試，并將調(diào)試好的程序?qū)懭氤绦虼鎯ζ餍酒?。二是利用開發(fā)機的匯編程序進(jìn)行匯編。三是利用通用微型計算機配備的匯編程序進(jìn)行交叉匯編，然后將目標(biāo)碼傳送到開發(fā)機中。另外，還可以采用高級語言(如C51)進(jìn)行單片機應(yīng)用程序的設(shè)計。在 PC 機中編輯好的高級語言源程序經(jīng)過編譯、連接后形成目標(biāo)碼文件，并傳送到開發(fā)機中。這種方法具有周期短、移植和修改方便的優(yōu)點，適合于較復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)。

4.2 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的傳統(tǒng)開發(fā)方式

單片機開發(fā)系統(tǒng)又稱為開發(fā)機或仿真器。仿真的目的是利用開發(fā)機的資源(CPU、存儲器和I/O設(shè)備等)來模擬欲開發(fā)的單片機應(yīng)用系統(tǒng)(即目標(biāo)機) 的 CPU、存儲器和I/O操作，并跟蹤和觀察目標(biāo)機的運行狀態(tài)。仿真可以分為軟件模擬仿真和開發(fā)機在線仿真兩大類。軟件模擬仿真成本低，使用方便，但不能進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)硬件的實時調(diào)試和故障診斷。下面僅介紹在線仿真方法。?

一、利用獨立型仿真器開發(fā)

獨立型仿真器采用與單片機應(yīng)用系統(tǒng)相同類型的單片機做成單板機形式， 板上配置 LED 顯示器和簡易鍵盤。這種開發(fā)系統(tǒng)在沒有普通微機系統(tǒng)的支持下，仍能對單片機應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行在線仿真，便于在現(xiàn)場對應(yīng)用軟件進(jìn)行調(diào)試和修改。另外，這種開發(fā)系統(tǒng)還配有串行接口，能與普通微機系統(tǒng)連接。這樣， 可以利用普通微機系統(tǒng)配備的組合軟件進(jìn)行源程序的編輯、匯編和聯(lián)機仿真調(diào)試。然后將調(diào)試無誤的目標(biāo)程序(即機器碼)傳送到仿真器，利用仿真器進(jìn)行程序的固化。??

二、利用非獨立型仿真器開發(fā) ?

這種仿真器采用通用微型計算機加仿真器方式構(gòu)成。仿真器與通用微機間以串行通信的方式連接。這種開發(fā)方式必須有微機的支持，利用微機系統(tǒng)配備的組合軟件進(jìn)行源程序的編輯、匯編和仿真調(diào)試。有些仿真接口上還備有EPROM 寫入插座，可以將開發(fā)調(diào)試完成的用戶應(yīng)用程序?qū)懭?EPROM 芯片。與前一種相比，此種開發(fā)方式現(xiàn)場參數(shù)的修改和調(diào)試不夠方便。

以上兩種開發(fā)方式均是在開發(fā)時拔掉目標(biāo)系統(tǒng)的單片機芯片和程序存儲器芯片，插上從開發(fā)機上引出的仿真頭，即把開發(fā)機上的單片機出借給目標(biāo)機。仿真調(diào)試無誤后，拔掉仿真頭，再插回單片機芯片，把開發(fā)機中調(diào)試好的程序固化到 EPROM 芯片中并插到目標(biāo)機的程序存儲器插座上，目標(biāo)機就可以獨立運行了。

4.3 單片機開發(fā)方式的發(fā)展

由于單片機貼片封裝形式的廣泛采用以及 Flash 存儲器技術(shù)的迅速發(fā)展， 傳統(tǒng)的單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的理念將受到?jīng)_擊。采用新的單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)可以將單片機先安裝到印制線路板上，然后通過 PC 機將程序下載到目標(biāo)系統(tǒng)。如：SST 公司推出的 SST89C54 和 SST89C58 芯片分別有 20 KB 和 30 KB 的SuperFlash 存儲器，利用這種存儲器可以進(jìn)行高速讀/寫的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP)功能。首先在 PC 機上完成應(yīng)用程序的編輯、匯編(或編譯)和模擬運行，然后實現(xiàn)目標(biāo)程序的串行下載。

Microchip 公司推出的RISC 結(jié)構(gòu)單片機PIC16F87X 中內(nèi)置在線調(diào)試器ICD功能，該公司還配置了具有 ICSP功能的簡單仿真器和燒寫器。由于芯片內(nèi)置了偵測電路邏輯，所以可以不需要額外的硬件仿真器。通過 PC 機串行電纜(含有完成通信功能的MPLAB-ICD 模塊及與目標(biāo)板連接的 MPLAB-ICD 頭)就可以完成對目標(biāo)系統(tǒng)的仿真調(diào)試。

審核編輯：湯梓紅