1.2 单片机的历史与发展

单片机自20世纪70年代诞生以来，发展十分迅速。从各种新型单片机的性能上看，单片机正朝着面向多层次用户的多品种、多规格方向发展。

1.2.1 单片机的发展概况

单片机的产生与发展和微处理器的产生与发展大体上同步，也经历了4个阶段。

第1阶段（1974—1976年）：单片机初级阶段。1974年，美国Fairchild（仙童）公司研制出世界上第一台单片微型计算机F8，深受家用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视，从此拉开了研制单片机的序幕。这个时期生产的单片机特点是制造工艺落后，集成度低，而且采用双片结构。

第2阶段（1976年～1978年）：低性能单片机阶段。这一时期的单片机虽然已经能在单块芯片内集成CPU、并行口、定时器、RAM和ROM等功能芯片，但CPU功能还不太强，I/O的种类和数量少，存储容量小，只能应用于比较简单的场合。例如，MCS-48单片机是Intel公司的第一代8位单片机系列产品，集成了8位的CPU、并行I/O接口、8位定时器/计数器，寻址范围不大于4KB，无串行接口。此阶段的很多产品（包括基本型8048、8748和8035，强化型8049、8039和8050、8040，简化型8020、8021、8022，专用型UPI-8041、8741等）目前已被高档8位单片机所取代。

第3阶段（1978—1983年）：高性能单片机阶段。这一阶段的单片机普遍带有串行接口，有多级中断处理系统和16位定时器/计数器，片内RAM、ROM容量加大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换接口。这类单片机有Intel公司的MCS-51及Motorola公司的M6805和Zilog公司的Z8等。由于其应用领域极其广泛，各公司正在不断地改进其结构与性能，所以，这个系列的各类产品仍是目前国内外同类产品的主流。其中，MCS-51系列产品最为明显。

第4阶段（1983年至今）:16位以上的单片机和超8位单片机并行发展阶段。这一阶段的单片机的主要特征是，一方面发展16位及以上单片机和专用单片机；另一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，以满足不同用户的需要。自1982年16位单片机诞生以来，现在已有 Intel公司的MCS-96、Mostek公司的MK68200、NS公司的HPC16040、NEC公司的783xx和TI公司的TMS9940及9995系列等。16位单片机的特点是CPU是16位的，运算速度普遍高于8位机，有的单片机寻址可达1MB，片内含有A/D和D/A转换电路，支持高级语言。16位单片机主要用于过程控制、智能仪表、家用电器及计算机外部设备的控制器等。

32位单片机的字长为32位，具有极高的运算速度。近年来，随着家用电子系统、多媒体技术和Internet技术的发展，32位甚至64位单片机的生产前景看好，其典型产品有Motorola公司的M68300和Hitachi公司的SH系列等。第4阶段单片机的一个重要标志是，超8位单片机的各档机型都增加了直接存储器存取（DMA）通道、特殊串行接口等。这些8位单片机主要有Intel公司的8044、87C252、80C252、UPI-452、Zilog公司的Super8和Motorola公司的68HC11等。

单片机从操作处理的数据位数来看，有4位、8位、16位、32位甚至64位单片机。从技术上看，8位、16位、32位及64位单片机将会越来越受到人们的重视，今后其应用会越来越多。但是衡量单片机，不仅要看其性能指标，还要考虑价格和开发周期等综合效益。在许多场合，4位和8位单片机已经可以满足要求，如果使用高档的16位及32位甚至64位单片机，可能会延长开发周期，增加开发费用。因此，在今后相当长的一段时间，16位、32位及64位单片机只能不断扩大其应用范围，并不能完全代替8位机。另外，因为8位单片机在性能价格比上占有优势，而且8位增强型单片机在速度和功能上可向现在的16位单片机挑战，所以，8位单片机仍将在今后的一段时间里占主流地位。

尽管目前单片机品种繁多，但其中最为典型、销量最多的仍当属Intel公司的MCS-51系列单片机。它的功能强大，兼容性强，软硬件资料丰富。近年来，Intel公司及其他公司在提高该系列产品的性能方面做了很多工作，如低功耗控制、高级语言编程，同时将MCS-96系列中的一些高速输出、脉冲宽度调制（PWM）、捕捉定时器/计数器功能移植进来了。直到现在，MCS-51仍不失为单片机中的主流机型，因此，本书主要介绍MCS-51系列单片机。

1.2.2 单片机的发展趋势

近年来单片机的发展趋势正朝着大容量高性能化、小容量低价格比、外围电路内装化、多品种化及I/O接口功能的增强、功耗降低等方向发展。

（1）CPU的发展

单片机内部CPU功能的增强集中体现在数据处理速度和精度的提高，以及I/O处理能力的提高。通过其他CPU改进技术，如采用双CPU结构、增加数据总线宽度、采用流水线结构，来加快运算速度，提高处理能力等。

（2）单片机大容量化

现在单片机片内存储器容量日益扩大。早期单片机片内ROM为1～8KB，片内RAM为64～256B，现在片内ROM可达64KB，片内RAM可达4KB，并具有掉电保护功能，I/O接口也无需外加扩展芯片。许多高性能的单片机不但扩大了内部存储器容量，而且扩大了CPU的寻址范围，提高了系统的扩展功能。随着单片机程序空间的扩大，单片机的空余空间可以嵌入实时操作系统RTOS等软件。这些将大大提高产品的开发效率和单片机的性能。

（3）单片机内部的资源增多

现在很多单片机内部集成了一些常用的I/O接口电路（包括并行接口和串行接口、多路A/D转换器、定时器/计数器、定时输出和捕捉输入、系统故障监视器、DMA 通道、PWM、LED 和LCD驱动器，以及D/A输出电路等），大大减少了单片机的外接电路，从而减小了控制系统的体积，提高了工作的可靠性。

（4）引脚（引线）的多功能化、发展串行总线

随着单片机内部资源的增多，所需的引脚也相应增加，为了减少引脚数量，单片机中普遍使用多功能引脚，即一个引脚具有几种功能供用户选择。单片机的扩展方式从并行总线发展出各种串行总线，并被工业界接受，形成一些工业标准，如 I2C（Inter Integrated Circuit）总线、CAN （Controller Area Network）总线、USB（Universal Serial Bus）总线接口等。它们采用3条数据总线代替现行的8位数据总线，从而减少了单片机的引脚总数，降低了成本。

（5）单片机低廉化、超微型化

为了适应各个领域的应用需要，单片机正在向多层次、多品种的纵深方向发展。价格低廉的4位、8位机也是单片机的发展方向之一，其用途是把以往用数字逻辑电路组成的控制电路单片化。同时，专用型的单片机将得到大力发展，专业单片机能最大限度地简化系统结构，提高可靠性，提高资源利用率，大批量使用，最能体现经济效益。

单片机的内部一般采用模块式结构，在内核CPU不变的情况下，根据应用目标的不同，增减一定的模块和引脚就可以得到一个新的产品，于是便出现了一种超微型化的单片机。这类单片机的体积小，价格低廉，特别适用于家用电器、玩具等领域的应用。

（6）低功耗

目前单片机普遍采用CMOS制造工艺，非CMOS工艺的单片机逐步被淘汰，同时增加了软件激发的空闲（等待）方式和掉电（停机）方式，极大地降低了单片机的功耗。低功耗的单片机能用电池供电，对于野外作业等领域的应用具有特殊意义。低功耗的技术措施可提高可靠性，降低工作电压，使抗噪声和抗干扰等各种性能全面提高。

（7）单片机开发方式大为进步

现在单片机应用系统的开发方式走出了以功能实现为目标的初级阶段，进入全面解决系统可靠性的综合开发阶段，即从器件选择、硬件结构设计、电路板图设计、软件设计等各方面综合解决系统的可靠性。

另外，由于单片机片内Flash ROM的使用，替代了过去的片内掩膜ROM，使得开发单片机应用不再需要仿真器。如今单片机的片内Flash ROM都可以在线编程，即在线写入、擦除、下载程序。Flash ROM的写入、擦除次数可达10万次以上，故开发过程中可不必顾及寿命问题。在目标板的单片机中直接运行应用程序，是在真实的硬件环境下运行，比在使用仿真器的单片机上运行效果要真实得多。

（8）多机与网络系统的支持技术日益成熟

近年来推出的网络系统总线体现了单片机现场控制网络总线的特点，它与芯片间串行总线相配合，能灵活方便地构成各种规模的多机系统和网络系统。

1.2.3 单片机产品近况

目前主要的单片机供应商有美国的Intel、Motorola（Freescale）、Zilog、NS、Microchip、Atmel和TI，荷兰的Philip，德国的Siemens，日本的NEC、Hitachi、Toshiba和Fujitsu，韩国的LG及中国台湾地区的凌阳等公司。对于8位、16位和32位单片机，各大公司有很多不同的系列，每个系列又有繁多的品种。随着技术的发展，单片机可实现的功能会越来越多，也会不断地有新的单片机产品问世。下面对部分常用的单片机系列产品加以介绍。

MCS-51系列单片机是Intel公司在总结MCS-48系列单片机的基础上于20世纪80年代初推出的高性能8位单片机。表1-1所示为MCS-51系列单片机的特性。

MCS-51系列单片机按片内有无程序存储器，分为3种基本品种：8051、8751和8031。这3种基本产品采用HMOS工艺，即高速度、高密度、短沟道MOS工艺。8051单片机片内含有4KB的ROM,ROM中的程序是由单片机芯片生产厂家固化的，适合于大批量的产品。8751单片机片内含有4KB的EPROM，单片机应用开发人员可以把编好的程序用开发机和编程器写入其中，需要修改时，可以先用紫外线擦除器擦除，然后再写入新的程序。8031单片机片内没有程序存储器，当在单片机芯片外扩展EPROM后，就相当于一片8751，此种应用方式方便、灵活。这3种芯片只是在程序存储器的形式上不同，在结构和功能上都一样。

8xC51系列单片机是MCS-51中的一个子系列，是一组高性能兼容型单片机。其中，x规定为程序存储器的配置：0表示无片内ROM,3表示片内为掩膜ROM,7表示片内为EPROM/OTP ROM,9表示片内为Flash ROM。自从Intel公司对MCS-51系列单片机实行技术开放政策后，许多公司如（Philips、Siemens、Atmel和Fujitsu等）都在80C51的基础上推出了与80C51兼容的新型单片机，通称为80C51系列。因此，现在的80C51系列已不局限于Intel公司一家。其中， Philips 公司的80C51系列单片机性能卓著，产品齐全，最具有代表性。此系列的典型产品还有80C552，它与Intel公司的MCS-51系列单片机完全兼容，具有相同的指令系统、地址空间和寻址方式，采用模块化的系统结构。

由于80C51已经成为目前主要单片机流行系列，因而本书主要以80C51为例介绍单片机的原理及系统设计方法。