单片机的组成以及分类和指标

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单片机的组成

单片机又称单片微控制器，它把一个计算机系统集成到一块芯片上，主要包括微处理器（CPU）、存储器（随机访问存储器RAM、只读存储器ROM）和各种输入/输出接口（包括定时器/计数器、并行I/O接口、串行口、A/D转换器以及脉冲宽度调制（PWM）等，如图1-1所示。

▲图1-1 单片机组成框图

程序存储器（ROM）

ROM用来存放用户程序，分为EPROM、Mask ROM、OTP ROM和Flash ROM等。

EPROM型存储器编程（把程序代码通过一种算法写入程序存储器的操作）后，其内容可用紫外线擦除，用户可反复使用，故特别适用于开发阶段，但EPROM型单片机价格很高。

Mask ROM型单片机价格最低，适用于批量生产。由于Mask ROM型单片机的代码只能由生产厂商在制造芯片时写入，故用户更改程序代码十分不便，在产品未成熟时选用此型单片机风险较高。

OTP ROM型（一次可编程）单片机价格介于EPROM和MaskROM型单片机之间，它允许用户对其编程，但只能写入一次。

Flash ROM型单片机可采用电擦除的方法修改其内容，允许用户使用编程工具或在系统中快速修改程序代码，且可反复使用，故一推出就受到广大用户的欢迎。Flash ROM型单片机既可用于开发阶段，也可用于批量生产，随着制造工艺的改进，价格不断下降，使用越来越普遍，已成为现代单片机的发展趋势。

中央处理器（CPU）

CPU是单片机的核心单元，通常由算术逻辑运算部件（ALU）和控制部件构成。CPU就像人的大脑一样，决定了单片机的运算能力和处理速度。

随机存储器（RAM）

RAM用来存放程序运行时的工作变量和数据，由于RAM的制作工艺复杂，价格比ROM高得多，所以单片机的内部RAM非常宝贵，通常仅有几十到几百字节。RAM的内容具有易失性（也称为易挥发性），掉电后数据会丢失。最近出现了EEPROM 或Flash ROM 型的数据存储器，方便用户存放不经常改变的数据及其他重要信息。单片机通常还有特殊寄存器和通用寄存器，也属于RAM空间，但它们存取数据速度很快，特殊寄存器还用于充分发挥单片机各种资源的功效，但这部分存储器占用存储空间更小。

并行输入/输出（I/O）接口

通常为独立的双向I/O接口，既可以用作输入方式，又可以用作输出方式，通过软件编程设定。现代单片机的I/O接口也有不同的功能，有的内部具有上拉或下拉电阻，有的是漏极开路输出，有的能提供足够的电流可以直接驱动外部设备。I/O接口是单片机的重要资源，也是衡量单片机功能的重要指标之一。

串口输入/输出口

用于单片机和串行设备或其他单片机的通信。串行通信有同步和异步之分，这可以用硬件或通用串行收发器件实现。不同的单片机可能提供不同标准的串行通信接口，如 UART、SPI、I2C、MicroWire等。

定时器/针数器（T/C）

用于单片机内部精确定时或对外部事件（输入信号如脉冲等）进行计数，通常单片机内部有2个或2个以上的定时/计数器。

系统时钟

通常需要外接石英晶体或其他振荡源提供时钟信号输入，有的也使用内部RC振荡器。系统时钟相当于PC微机中的主频。

以上只是单片机的基本构成，现代的单片机又加入了许多新的功能部件，如模拟/数字转换器（A/D）、数字/模拟转换器（D/A）、温度传感器、液晶（LCD）驱动电路、电压监控、看门狗（WDT）电路、低压检测（LVD）电路等。此时的单片机才是真正单片化。内部的RAM和ROM的容量也越来越大，ROM 寻址空间甚至可达 64KB，可以说，单片机发展到了一个全新的阶段，应用领域也更为广泛，许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。

单片机的分类和指标

单片机从用途上可分成专用型单片机和通用型单片机两大类。专用型单片机是为某种专门用途而设计的，如DVD控制器和数码摄像机控制器芯片等。在用量不大的情况下，设计和制造这样的专用芯片成本很高，而且设计和制造的周期也很长。我们常用的都是通用型单片机，通用型单片机把所有资源（如 ROM、I/O 等）全部提供给用户使用。当今通用型单片机的生产厂家已不下几十家，种类有几百种之多。

下面对单片机的几个重要指标进行介绍。

（1）位数：是单片机能够一次处理的数据的宽度，有 1 位机（如 PD7502）、4 位机（如MSM64155A）、8位机（如MCS-51）、16位机（如MCS-96）、32位机（如IMST414）等。

（2）存储器：包括程序存储器和数据存储器，程序存储器空间较大，字节数一般从几KB到几十KB，另外还有不同的类型，如ROM、EPROM、E2PROM、Flash ROM和OTP ROM型。数据存储器的字节数则通常为几十字节到几百字节之间。程序存储器的编程方式也是用户考虑的一个重要因素，有的是串行编程，有的是并行编程，新一代的单片机有的还具有在系统编程（ISP， In-System-Programmable）或在应用再编程（IAP，In-Application re-Programmable）功能；有的还有专用的ISP编程接口JTAG口。

（3）I/O接口：即输入/输出接口，一般有几个到几十个，用户可以根据需要进行选择。

（4）速度：指的是 CPU 的处理速度，以每秒执行多少条指令来衡量，常用单位是 MIPS（百万条指令每秒），目前最快的单片机可达到100MIPS。单片机的速度通常是和系统时钟（相当于PC的主频）相联系的，但并不是频率高的处理速度就一定快，但对于同一种型号的单片机来说，采用频率高的时钟一般比频率低的速度要快。

（5）工作电压：通常工作电压是5V，范围是±5%或±10%；也有3V/3.3V电压的产品；更低的可在1.25V工作。现代单片机又出现了宽电压范围型，在2.5V～6.5V内都可正常工作。

（6）功耗：低功耗是现代单片机所追求的一个目标，目前低功耗单片机的静态电流可以低至μA或nA级。有的单片机还具有等待、关断、睡眠等多种工作模式，以此来降低功耗。

（7）温度：单片机根据工作温度可分为民用级（商业级）、工业级和军用级3种。民用级的温度范围是 0℃～70℃，工业级是-40℃～85℃，军用级是-55℃～125℃（不同厂家的划分标准可能不同）。

（8）附加功能：有的单片机有更多的功能，用户可根据需要选择适合自己的产品。比如有的单片机内部有A/D、D/A、串口、LCD驱动等，使用这种单片机可减少外部器件，提高系统的可靠性。

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单片机 C语言入门教程

学习一种编程语言，最重要的是建立一个练习环境，边学边练才能学好。Keil软件是目前最流行开发80C51系列单片机的软件，Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（?Vision）将这些部份组合在一起。

学习之前请先安装KEILC51软件,在学会使用汇编语言后，学习C语言编程是一件比较容易的事，我们将通过一系列的实例介绍C语言编程的方法。图1-1所示电路图使用89c51单片机作为主芯片，这种单片机性属于80C51系列，其内部有8K的FLASH ROM,可以反复擦写，非常适于做实验。89c51的P1引脚上接8个发光二极管，P3.2~P3.4引脚上接4个按钮开关，我们的任务是让接在P1引脚上的发光二极管按要求发光。

1　简单的C程序介绍

例1-1：让接在P1.0引脚上的LED发光。

/************************************************

单灯闪烁程序

*************************************************/

#include "reg51.h"//这一句是将51的常用端口,内部寄存器等的定义文件包含进这段程序

sbit P1_0=P1^0;

void main()

{ 　P1_1=0;

}

这个程序的作用是让接在P1.0引脚上的LED点亮。下面来分析一下这个C语言程序包含了哪些信息。

1）"文件包含"处理。

程序的第一行是一个"文件包含"处理。

所谓"文件包含"是指一个文件将另外一个文件的内容全部包含进来，所以这里的程序虽然只有4行，但C编译器在处理的时候却要处理几十或几百行。这里程序中包含REG51.h文件的目的是为了要使用P1这个符号，即通知C编译器，程序中所写的P1是指80C51单片机的P1端口而不是其它变量。这是如何做到的呢？

打开reg51.h可以看到这样的一些内容：

/*--------------------------------------------------------------------REG51.H

Header file for generic 80C51 and 80C31 microcontroller.

--------------------------------------------------------------------------*/

/* BYTE Register */

sfr P0 = 0x80;

sfr P1 = 0x90;

sfr P2 = 0xA0;

sfr P3 = 0xB0;

sfr PSW = 0xD0;

sfr ACC = 0xE0;

sfr B = 0xF0;

sfr SP = 0x81;

sfr DPL = 0x82;

sfr DPH = 0x83;

sfr PCON = 0x87;

sfr TCON = 0x88;

sfr TMOD = 0x89;

sfr TL0 = 0x8A;

sfr TL1 = 0x8B;

sfr TH0 = 0x8C;

sfr TH1 = 0x8D;

sfr IE = 0xA8;

sfr IP = 0xB8;

sfr SCON = 0x98;

sfr SBUF = 0x99;

/* BIT Register */

/* PSW */

sbit CY = 0xD7;

sbit AC = 0xD6;

sbit F0 = 0xD5;

sbit RS1 = 0xD4;

sbit RS0 = 0xD3;

sbit OV = 0xD2;

sbit P = 0xD0;

/* TCON */

sbit TF1 = 0x8F;

sbit TR1 = 0x8E;

sbit TF0 = 0x8D;

sbit TR0 = 0x8C;

sbit IE1 = 0x8B;

sbit IT1 = 0x8A;

sbit IE0 = 0x89;

sbit IT0 = 0x88;

/* IE */

sbit EA = 0xAF;

sbit ES = 0xAC;

sbit ET1 = 0xAB;

sbit EX1 = 0xAA;

sbit ET0 = 0xA9;

sbit EX0 = 0xA8;

/* IP */

sbit PS = 0xBC;

sbit PT1 = 0xBB;

sbit PX1 = 0xBA;

sbit PT0 = 0xB9;

sbit PX0 = 0xB8;

/* P3 */

sbit RD = 0xB7;

sbit WR = 0xB6;

sbit T1 = 0xB5;

sbit T0 = 0xB4;

sbit INT1 = 0xB3;

sbit INT0 = 0xB2;

sbit TXD = 0xB1;

sbit RXD = 0xB0;

/* SCON */

sbit SM0 = 0x9F;

sbit SM1 = 0x9E;

sbit SM2 = 0x9D;

sbit REN = 0x9C;

sbit TB8 = 0x9B;

sbit RB8 = 0x9A;

sbit TI = 0x99;

sbit RI = 0x98;

熟悉80C51内部结构的读者不难看出，这里都是一些符号的定义，即规定符号名与地址的对应关系。注意其中有

sfr P1 = 0x90;

这样的一行（上文中用黑体表示），即定义P1与地址0x90对应，P1口的地址就是0x90（0x90是C语言中十六进制数的写法，相当于汇编语言中写90H）。

从这里还可以看到一个频繁出现的词：sfr

sfr并标准C语言的关键字，而是Keil为能直接访问80C51中的SFR而提供了一个新的关键词，其用法是：

sfrt 变量名=地址值。

2）符号P1_0来表示P1.0引脚。

在C语言里，如果直接写P1.0，C编译器并不能识别，而且P1.0也不是一个合法的C语言变量名，所以得给它另起一个名字，这里起的名为P1_0，可是P1_0是不是就是P1.0呢？你这么认为，C编译器可不这么认为，所以必须给它们建立联系，这里使用了Keil C的关键字sbit来定义，sbit的用法有三种：

第一种方法：sbit 位变量名＝地址值

第二种方法：sbit 位变量名＝SFR名称^变量位地址值

第三种方法：sbit 位变量名＝SFR地址值^变量位地址值

如定义PSW中的OV可以用以下三种方法：

sbit OV=0xd2 （1）说明：0xd2是OV的位地址值

sbit OV=PSW^2 （2）说明：其中PSW必须先用sfr定义好

sbit OV=0xD0^2 （3）说明：0xD0就是PSW的地址值

因此这里用sfr P1_0=P1^0;就是定义用符号P1_0来表示P1.0引脚，如果你愿意也可以起P10一类的名字，只要下面程序中也随之更改就行了。

3）main称为"主函数"。

每一个C语言程序有且只有一个主函数，切必须有一个主函数,其放置的位置不要求,可以放在程序最后(推荐),函数后面一定有一对大括号"{}"，在大括号里面书写其它程序。

从上面的分析我们了解了部分C语言的特性，下面再看一个稍复杂一点的例子。

例1-2 让接在P1.0引脚上的LED闪烁发光

/*************************************************

单灯闪烁程序

*************************************************/

#include "reg51.h"

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit P10=P1^0;

/*延时程序

由Delay参数确定延迟时间

void mDelay(unsigned int Delay)

{ unsigned int i;

for(;Delay>0;Delay--)

{ for(i=0;i<124;i++)

{;}

}

void main()

{ for(;;)

{ P10=!P10; //取反P1.0引脚

mDelay(1000);

}

程序分析：主程序main中的第一行暂且不看，第二行是"P1_0=!P1_0;"，在P1_0前有一个符号"！"，符号"！"是C语言的一个运算符，就像数学中的"+"、"-"一样，是一种运算任号，意义是"取反"，即将该符号后面的那个变量的值取反。

注意：取反运算只是对变量的值而言的，并不会自动改变变量本身。可以认为C编译器在处理"！P1_0"时，将P1_0的值给了一个临时变量，然后对这个临时变量取反，而不是直接对P1_0取反，因此取反完毕后还要使用赋值符号（"＝"）将取反后的值再赋给P1_0，这样，如果原来P1.0是低电平（LED亮），那么取反后，P1.0就是高电平（LED灭），反之，如果P1.0是高电平，取反后，P1.0就是低电平，这条指令被反复地执行，接在P1.0上灯就会不断"亮"、"灭"。

该条指令会被反复执行的关键就在于main中的第一行程序：for(;;)，这里不对此作详细的介绍，读者暂时只要知道，这行程序连同其后的一对大括号"{}"构成了一个无限循环语句，该大括号内的语句会被反复执行。

第三行程序是："mDelay(1000);"，这行程序的用途是延时1s时间，由于单片机执行指令的速度很快，如果不进行延时，灯亮之后马上就灭，灭了之后马上就亮，速度太快，人眼根本无法分辨。

这里mDelay(1000)并不是由Keil C提供的库函数，即你不能在任何情况下写这样一行程序以实现延时。如果在编写其它程序时写上这么一行，会发现编译通不过。那么这里为什么又是正确的呢？注意观察，可以发现这个程序中有void mDelay(…)这样一行，可见，mDelay这个词是我们自己起的名字，并且为此编写了一些程序行，如果你的程序中没有这么一段程序行，那就不能使用mDelay（1000）了。有人脑子快，可能马上想到，我可不可以把这段程序也复制到我其它程序中，然后就可以用mDelay(1000)了呢？回答是，那当然就可以了。还有一点需要说明，mDelay这个名称是由编程者自己命名的，可自行更改，但一旦更改了名称，main()函数中的名字也要作相应的更改。

mDelay后面有一个小括号，小括号里有数据（1000），这个1000被称之"参数"，用它可以在一定范围内调整延时时间的长短，这里用1000来要求延时时间为1000毫秒，要做到这一点，必须由我们自己编写的mDelay那段程序决定的。

上海羊羽卓进出口贸易有限公司

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