单片机原理及技术（一）—— 认识单片机（C51编程）

目录

一、单片机概述

1.1 什么是单片机

1.2 单片机的发展历史

1.3 单片机的特点

1.4 MCS-51 系列与 AT89S5x 系列单片机

1.4.1 MCS-51 系列单片机

1.4.2 AT89S5x 系列单片机

1.5 各种衍生品种的8051单片机

1.5.1 STC 系列单片机

1.5.2 C8051Fxxx 系列单片机

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一、单片机概述

1.1 什么是单片机

单片机（Microcontroller Unit，MCU）指的是一种集成了中央处理器（CPU）、存储器和各种输入输出设备的微型计算机系统。它具备高度集成度、低功耗、体积小、成本低等优势。单片机广泛应用于嵌入式系统、电子设备、工控系统、通信设备等领域。

单片机通常由以下几个部分组成：

1. 中央处理器（CPU）：负责执行指令、进行算术逻辑运算等核心计算任务。
2. 存储器：包括内部存储器（ROM和RAM）和外部存储器（闪存、SD卡等），用于存储程序和数据。
3. 输入输出端口（I/O）：用于与外部设备进行数据交互，如开关、LED灯、传感器、显示器等。
4. 定时器/计数器：提供计时和定时功能，以及对外部事件的计数。
5. 通信接口：如串行通信接口（UART、SPI、I2C）和并行通信接口（GPIO）等，用于与其他设备进行数据通信。
6. 程序存储器编程器：用于将程序存储到单片机的存储器中。

单片机通常使用汇编语言或高级编程语言（如C语言）进行编程，开发工具包括编译器、调试器、仿真器等。根据不同厂商和型号的单片机，其架构、指令集、功能和性能特点会有所不同。

单片机的应用非常广泛，例如在家电、汽车、医疗设备、工业自动化、智能家居、消费电子等领域中都有它的身影。单片机的主要优势是体积小、功耗低、成本较低，同时具备较强的实时性和可编程性，使其成为嵌入式系统设计的理想选择。

1.2 单片机的发展历史

单片机的发展历史：

1. 第一代单片机（1971-1976年）：第一代单片机采用四位或八位的微处理器，有限的存储器容量和外设接口，以及较低的工作频率。最早的单片机是Intel 4004，它由于其简单的功能和广泛应用而受到了很大的关注。

2. 第二代单片机（1976-1986年）：第二代单片机在处理器性能和功能上有了显著的提升。采用八位或十六位处理器，具备更大的存储器容量和更多的外设接口。Intel的8051系列和Motorola的6805系列是这个时期最著名的单片机。

3. 第三代单片机（1986-2000年）：第三代单片机在处理器性能、存储器容量和外设接口上都有了重大突破。处理器的位数逐渐增加到32位，存储器容量和运行速度显著提高，外设接口更加丰富多样。Atmel的AVR系列和Microchip的PIC系列是这个时期最著名的单片机。

4. 第四代单片机（2000年至今）：第四代单片机继续在处理器性能、存储器容量和外设接口上进行创新。处理器的位数进一步增加，存储器容量和运行速度也有了显著提升。此外，随着物联网和嵌入式系统的兴起，单片机的功耗和尺寸也得到了进一步的优化。ARM的Cortex-M系列和ESP8266、ESP32等无线通信芯片也是当前最受欢迎的单片机产品。

1.3 单片机的特点

单片机（Microcontroller）具有以下特点：

1. 集成度高：单片机是一种高度集成的电子器件，包含了微处理器核心、存储器、输入输出接口和外设接口等功能模块，可以完成数据处理和控制任务。

2. 低功耗：单片机采用高度优化的电路设计和节能技术，功耗较低，适合用于移动设备和电池供电的应用。

3. 多功能性：单片机具备通用的处理能力和灵活的配置选项，可以根据不同应用的需求进行编程和配置，实现不同的功能。

4. 实时性强：单片机具备快速的响应能力和实时的数据处理能力，适用于需要实时控制和处理的应用场景。

5. 体积小巧：单片机封装紧凑，体积小巧，适合嵌入式和紧凑空间的应用，例如智能家居、医疗设备等。

6. 成本低廉：由于单片机集成度高，制造工艺成熟，因此成本相对较低，适用于大规模和成本敏感的应用。

7. 易于开发和编程：单片机具备友好的开发环境和丰富的开发工具，简化了软硬件的开发流程，降低了开发门槛。

8. 可扩展性强：单片机具备丰富的外设接口和扩展接口，可以连接各种外部设备和传感器，扩展应用功能。

综上所述，单片机具备集成度高、低功耗、多功能、实时性强、体积小巧、成本低廉、易开发和编程以及可扩展性强等特点，因此被广泛应用于各种嵌入式系统和控制系统中。

1.4 MCS-51 系列与 AT89S5x 系列单片机

1.4.1 MCS-51 系列单片机

MCS-51系列单片机是由Intel公司在1980年推出的一款经典的8位单片机系列。它是指基于Intel 8051内核的一系列单片机，其中包括8051、8052、8031、8032等不同型号。

MCS-51系列的基础型产品主要包括以下几款单片机：

1. 8051：8051是MCS-51系列中最常见的型号，具有4KB的内部程序存储器（ROM）、128B的内部数据存储器（RAM），以及多个外设接口如GPIO、计时器/计数器、串行口等。

2. 8052：8052是在8051的基础上增加了更多的功能和内存容量的单片机。它具有8KB的内部程序存储器（ROM）、256B的内部数据存储器（RAM），以及额外的I/O引脚和更强大的计时器/计数器。

3. 8031：8031是与8051兼容的单片机，具有和8051相似的特性，但内存容量较小。它包括1KB的内部程序存储器（ROM）和128B的内部数据存储器（RAM）。

4. 8032：8032是在8031的基础上增加了更多的功能和内存容量的单片机。它具有1KB的内部程序存储器（ROM）、256B的内部数据存储器（RAM），以及额外的I/O引脚和更强大的计时器/计数器。

1.4.2 AT89S5x 系列单片机

AT89S5x系列单片机是基于Intel 8051架构的8位微控制器系列。它们具有高度集成的特点，适用于各种应用领域，包括工业控制、家电、汽车电子、通信设备等。这个系列的单片机具有低功耗、高性能和多种外设接口等优点。

AT89S5x系列单片机根据内部FLASH存储器的不同容量可以分为不同型号，如AT89S51、AT89S52等。它们都具有相同的核心架构，但在存储容量和外设接口等方面略有差异。

AT89S5x系列单片机中的核心功能包括一个8位的CPU、内部RAM和ROM存储器，以及各种外部和内部中断源。它们还具有多个通用I/O引脚、定时器/计数器、串口通信接口、定时/计数器、PWM输出和ADC功能等。

AT89S5x系列单片机还支持ISP（In-System Programming）和IAP（In-Application Programming）功能，这意味着可以通过串行接口对程序进行编程和更新，而无需将芯片从电路板上取下来。

1.5 各种衍生品种的8051单片机

1.5.1 STC 系列单片机

STC系列单片机是由中国的STC微控制器公司推出的一款基于8051核心架构的8位微控制器系列。STC单片机的特点是低成本、易学易用，广泛应用于各种嵌入式系统。

STC系列单片机具有多种型号，主要包括STC89系列、STC12系列和STC15系列。这些单片机都具有相似的架构和功能，但在存储器容量、外设接口和性能方面略有差异，可以根据具体应用的需求选择适合的型号。

STC单片机具有丰富的外设接口，包括通用I/O口、定时器/计数器、串口通信接口、PWM输出、模拟输入等。它们还支持多种编程方式，包括ISP（In-System Programming）和IAP（In-Application Programming），使得开发者可以通过串行接口对程序进行编程和更新。

STC单片机的开发工具和编程软件相对简单易用，可以使用STC-ISP或STC-ISP-PRO等编程器进行编程，同时可以使用类似Keil C或SDCC等C编译器进行程序开发。

1.5.2 C8051Fxxx 系列单片机

C8051Fxxx系列单片机是由美国Silicon Labs公司推出的一款基于8051核心架构的8位微控制器系列。这些单片机具有高性能、低功耗和丰富的外设接口，适用于各种嵌入式应用领域。

C8051Fxxx系列单片机主要包括C8051F32x、C8051F33x、C8051F34x、C8051F35x、C8051F36x、C8051F37x和C8051F38x等型号。这些型号在存储器容量、外设接口和性能等方面有所差异，开发者可以根据具体应用的需求选择合适的型号。

C8051Fxxx系列单片机具有丰富的外设接口，包括GPIO（通用输入/输出口）、定时器/计数器、ADC（模数转换器）、DAC（数模转换器）、SPI、I2C、UART等。这些外设接口提供了灵活的接口，可以满足各种应用的需求。

C8051Fxxx系列单片机还具有强大的系统集成功能，包括多路模拟输入通道、内部振荡器、低功耗模式和片内电源管理等。这些功能有助于降低系统功耗、提高性能和简化系统设计。

开发C8051Fxxx系列单片机的工具和软件也非常成熟，Silicon Labs提供了Simplicity Studio，这是一个集成开发环境（IDE），支持C语言开发和调试。开发者可以使用C编译器和调试器进行程序开发和调试。