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第2章 单片机基础入门.docx
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8051 单片机 C 语言基础教程
第 2 章 单片机基础入门
2.1 概述
2.1.1 什么是单片机
很多初学者在刚开始接触单片机的时候都不清楚单片机是做什么的。用专业术语讲,
单片机是典型的嵌入式微控制器(Microcontroller Unit),常用英文字母的缩写 MCU 表示
单片机,它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而
来。单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器及各种输入输出接口的芯片,这样
一块芯片就具有了计算机的属性,因被称为单片微型计算机,简称单片机。看到这里大家
可能更加糊涂了,微处理器又是什么?存储器又是什么?什是输入/输出接口呢? 在本书
中我将用最通俗的语言为大家讲解学习单片机的整个过程。将专业术语通俗化,避免大家
因满篇专业术语而学的晕头转向,打击了单片机初学者的信心。当大家对单片机的基本概
念有了初步的认识和简单的了解之后,就会对一系列的专业术语清晰明了了。
用比较通俗的语言来讲,单片机就是一块集成芯片,但这块集成芯片既有一些特殊的
功能,而它的功能实现要靠我们使用者自己来编程完成。我们编程的目的就是控制这块芯
片的各个引脚在不同时间输出不同状态(高电平 1 或低电平 0)。进而控制与单片机各个
引脚相连接的外围电路的电气状态。本书我们将选用 C 语言来编程,使得大家更好的掌握
单片机。
2.1.2 单片机分类
单片机的种类繁多,一般按单片机数据总线的位数进行分类,主要分为 4 位、8 位、16
位和 32 位单片机。
① 4 位单片机
4 位单片机结构简单,价格便宜,非常适合用于控制单一的小型电子类产品,如 PC 机
用的输入装置(鼠标、游戏杆)、电池充电器、遥控器、电子玩具、小家电等。
② 8 位单片机
8 位单片机是目前品种最为丰富、应用最为广泛的单片机,目前,8 位单片机主要分
为 51 系列及和非 51 系列单片机。
51 系列单片机以其典型的结构,众多的逻辑位操作功能,以及丰富的指令系统,堪称
一代“名机”,目前,主要生产厂商有 Atmel(爱特梅尔)、Philips(飞利浦)、Winbond
第 2 章 单片机基础入门
(华邦)等。
非 51 系列单片机在中国应用较广的有 Microchip(微芯)的 PIC 单片机、Atmel 的 AVR
单片机、义隆 EM78 系列,以及 Motorola(摩托罗拉)的 68HC05/11/12 系列单片机等。
③ 16 位单片机
16 位单片机操作速度及数据吞吐能力在性能上比 8 位机有较大提高。目前,应用较多
的有 TI 的 MSP430 系列、凌阳 SPCE061A 系列、Motorola 的 68HC16 系列、Intel 的 MCS-96/196
系列等。
④ 32 位单片机
与 51 单片机相比,32 位单片机运行速度和功能大幅提高,随着技术的发展以及价格
的下降,将会与 8 位单片机并驾齐驱。
32 位单片机主要由 ARM 公司研制,因此,提及 32 位单片机,一般均指 ARM 单片机。
严格来说,ARM 不是单片机,而是一种 32 位处理器内核(主要有 ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10
等),它由英国 ARM 公司开发,但 ARM 公司自己并不生产芯片,而是由授权的芯片厂商如
Samsung(三星)、Philips(飞利浦)、Atmel(爱特梅尔)、Intel(英特尔)等制造,芯
片厂商可以根据自己的需要进行结构与功能的调整,因此,实际中使用的 ARM 芯片有很多
型号,常见的 ARM 芯片主要有飞利浦的 LPC2000 系列、三星的 S3C/S3F/S3P 系列等。
本书中我们以 89C52 单片机进行学习。
2.1.3、单片机发展历程
早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031,因为简单可靠而性
能不错获得了很大的好评。此后在 8031 上发展出了 MCS51 系列单片机系统。基于这一系
统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高,开始出现了 16
位单片机,但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90 年代后随着消费电子产品大
发展,单片机技术得到了巨大提高。随着 INTEL i960 系列特别是后来的 ARM 系列的广泛应
用,32 位单片机迅速取代 16 位单片机的高端地位,并且进入主流市场。而传统的 8 位单
片机的性能也得到了飞速提高,处理能力比起 80 年代提高了数百倍。目前,高端的 32 位
单片机主频已经超过 300MHz,性能直追 90 年代中期的专用处理器,而普通的型号出厂价
格跌落至 1 美元,最高端的型号也只有 10 美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境
下开发和使用,大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为
掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的 Windows 和 Linux 操作系
统。
8051 单片机 C 语言基础教程
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统,因此它得到了最多的应用。事实上单
片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会
集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑
配件中都配有 1-2 部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般
配备 40 多部单片机,复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作!单片
机的数量不仅远超过 PC 机和其他计算的总和,甚至比人类的数量还要多。
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系
统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机,和计算机相比,单片机只缺少了 I/O 设
备。概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、
应用和开发提供了便利条件。同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构
的最佳选择。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块,比如 CPU,内存,并行总线,还有和硬盘作
用相同的存储器件,不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多,不过价钱
也是低的,一般不超过 10 元即可......用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣
了。我们现在用的全 自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD 等等的家电里面都可以看到它的身
影!......它主要是作为控制部分的核心部件,是一种在线式实时控制计算机,在线式就是
现场控制,需要的是有较强的抗干扰能力,较低的成本,这也是和离线式计算机的(比如家
用 PC)的主要区别。
单片机是靠程序运行的,并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能,尤其是特
殊的独特的一些功能,这是别的器件需要费很大力气才能做到的,有些则是花大力气也很
难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国 50 年代开发的 74 系列,
或者 60 年代的 CD4000 系列这些纯硬件来搞定的话,电路一定是一
块大 PCB 板!但是如果要是用美国 70 年代成功投放市场的系列单
片机,结果就会有天壤之别!只因为单片机会通过你编写的程序
可以实现高智能,高效率,以及高可靠性!
可以说,二十世纪跨越了三个“电”的时代,即电气时代、电
子时代和现已进入的电脑时代。不过,这种电脑,通常是指个人
计算机,简称 PC 机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机,大多数人却不
怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机(亦称微控制器)。顾名思义,
这种计算机的最小系统只用了一片集成电路,即可进行简单运算和控制。因为它体积小,
第 2 章 单片机基础入门
通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中,起着有如人类头脑的作用,它出了
毛病,整个装置就瘫痪了。现在,这种单片机的使用领域已十分广泛,如智能仪表、实时
工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机,就能起到使产品
升级换代的功效,常在产品名称前冠以形容词——“智能型”,如智能型洗衣机等。现在
有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品,不是电路太复杂,就是功
能太简单且极易仿制。究其原因,可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。
2.1.4 怎样学习单片机
作为一个初学者,如何单片机入门?
知识上,其实不需要多少东西,会简单的 C 语言,知道 51 单片机的基本结构就可以了。
设备上,一般是建议购买一个仿真器,例如,目前的“双功能下载线”就具有良好的稳定
性和较快的下载速度,上位机可扩展,可以下载更多的单片机及嵌入式芯片。通过实验,
这样才可以进行实际的,全面的学习。日后在工作上,仿真器也大有用处。还有,一般光
有仿真器是不行,还得有一个实际的电路,即学习板。
学习板以强大的接口为主,单片机的学习分两方面,一方面是单片机的原理及内部结
构,另一方面是单片机的接口技术。这些都是需要平时多积累,多动手,多思考,这样才
能学好单片机技术。
需要注意的是其实 51 单片机也支持汇编语言,并且汇编语言执行速度快,占用“内存”
少,但是由于汇编语言晦涩难懂,是一种低级语言,并且现在的 51 单片机 ROM 不断扩大,
C 语言编程早已成为一种潮流。
单片机学习的 4 个阶段 :
① 总体了解
要知道单片机是什么?单片机有何用?如何系统学习单片机?单片机系统设计的流程
是怎样的,需要掌握哪些辅助软件?了解这些之后,我们的学习就有了目标和方向。
② 详细学习
单片机很难学,是因为其内部结构、编程语言抽象,且实际应用中与其他电子技术和
元器件知识相互关联,需结合起来一起设计开发产品。所以,第二阶段要了解单片机的内
部结构是怎样的?单片机开发经常会用到哪些电子技术和元器件知识?如何将一条
条编程指令组合成一段段有效的程序?
③ 扩展实验
8051 单片机 C 语言基础教程
单片机之所以能成为控制核心,设计出包罗万象的应用系统来,是因为开发者利用了
单片机提供的种种功能及各种外设。所以,第三阶段我们要掌握单片机的各种功能,再加
上诸如传感器、模数转换、扫描显示、串行、中断的应用思维,结合更多的元器件、电子
电路知识,逐个学习、体会实际的单片机系统的秘密。
④ 重在实践
通过以上三个阶段,读者基本就可掌握单片机的应用了。但要设计出丰富的单片机系
统,解决复杂的实际问题,还需要了解更多的外设知识及其与单片机的联系(如电动机、
各类 存储器、继电器、红外管等)。这些需要不断的学习和积累。有时候,接到一些开发
任务,就需要你针对这个任务自觉地去搜集、学习相关知识,
在实践中不断载学习和提高。
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