單片機基本常識2
發布時間：2014-08-02 共1頁
Philips公司以其在嵌入式應用方面的巨大優勢，將MCS-51從單片微型計算機迅速發展到微控制器。因此，當我們回顧嵌入式系統發展道路時，不要忘記Intel和Philips的歷史功績。
當前趨勢
SoC嵌入式系統(System on Chip）式的獨立發展之路，向MCU階段發展的重要因素，就是尋求應用系統在芯片上的最大化解決，因此，專用單片機的發展自然形成了SoC化趨勢。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發展，基于SoC的單片機應用系統設計會有較大的發展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應用系統。
早期發展
1971年intel公司研制出世界上第一個4位的微處理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一塊4位微處理器芯片Intel 4004，標志著第一代微處理器問世，微處理器和微機時代從此開始。因發明微處理器，霍夫被英國《經濟學家》雜志列為“二戰以來最有影響力的7位科學家”之一。
1971年11月，Intel推出MCS-4微型計算機系統（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微處理器）其中4004（下圖）包含2300個晶體管，尺寸規格為3mm×4mm，計算性能遠遠超過當年的ENIAC，最初售價為200美元。
1972年4月，霍夫等人開發出第一個8位微處理器Intel 8008。由于8008采用的是P溝道MOS微處理器，因此仍屬第一代微處理器。
1973年intel公司研制出8位的微處理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微處理器Intel 8080，以N溝道MOS電路取代了P溝道，第二代微處理器就此誕生。
主頻2MHz的8080芯片運算速度比8008快10倍，可存取64KB存儲器，使用了基于6微米技術的6000個晶體管，處理速度為0.64MIPS（Million Instructions Per Second ）。
1975年4月，MITS發布第一個通用型Altair 8800，售價375美元，帶有1KB存儲器。這是世界上第一臺微型計算機。
1976年intel公司研制出MCS-48系列8位的單片機，這也是單片機的問世。
Zilog公司于1976年開發的Z80微處理器，廣泛用于微型計算機和工業自動控制設備。當時，Zilog、Motorola和Intel在微處理器領域三足鼎立。
20世紀80年代初，Intel公司在MCS-48系列單片機的基礎上，推出了MCS-51系列8位高檔單片機。MCS-51系列單片機無論是片內RAM容量，I/O口功能，系統擴展方面都有了很大的提高。
硬件特性
1、主流單片機包括CPU、4KB容量的ROM、128 B容量的RAM、 2個16位定時/計數器、4個8位并行口、全雙工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。
2、系統結構簡單，使用方便，實現模塊化；
3、單片機可靠性高，可工作到10^6 ~10^7小時無故障；
4、處理功能強，速度快。
5、低電壓，低功耗，便于生產便攜式產品
6、控制功能強
7、環境適應能力強。
基本結構
1.運算器
運算器由運算部件——算術邏輯單元（Arithmetic & Logical Unit，簡稱ALU）、累加器和寄存器等幾部分組成。ALU的作用是把傳來的數據進行算術或邏輯運算，輸入來源為兩個8位數據，分別來自累加器和數據寄存器。ALU能完成對這兩個數據進行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結果存入累加器。例如，兩個數6和7相加，在相加之前，操作數6放在累加器中，7放在數據寄存器中，當執行加法指令時，ALU即把兩個數相加并把結果13存入累加器，取代累加器原來的內容6。
運算器有兩個功能：
(1) 執行各種算術運算。
(2) 執行各種邏輯運算，并進行邏輯測試，如零值測試或兩個值的比較。
運算器所執行全部操作都是由控制器發出的控制信號來指揮的，并且，一個算術操作產生一個運算結果，一個邏輯操作產生一個判決。
2.控制器
控制器由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發生器和操作控制器等組成，是發布命令的“決策機構”，即協調和指揮整個微機系統的操作。其主要功能有：
(1) 從內存中取出一條指令，并指出下一條指令在內存中的位置。
(2) 對指令進行譯碼和測試，并產生相應的操作控制信號，以便于執行規定的動作。
(3) 指揮并控制CPU、內存和輸入輸出設備之間數據流動的方向。
微處理器內通過內部總線把ALU、計數器、寄存器和控制部分互聯，并通過外部總線與外部的存儲器、輸入輸出接口電路聯接。外部總線又稱為系統總線，分為數據總線DB、地址總線AB和控制總線CB。通過輸入輸出接口電路，實現與各種外圍設備連接。
3.主要寄存器
（1）累加器A
圖1-2 單片機組成框圖
累加器A是微處理器中使用最頻繁的寄存器。在算術和邏輯運算時它有雙功能：運算前，用于保存一個操作數；運算后，用于保存所得的和、差或邏輯運算結果。
（2）數據寄存器DR
數據寄存器通過數據總線向存儲器和輸入/輸出設備送（寫）或取（讀）數據的暫存單元。它可以保存一條正在譯碼的指令，也可以保存正在送往存儲器中存儲的一個數據字節等等。
（3）指令寄存器IR和指令譯碼器ID
指令包括操作碼和操作數。
指令寄存器是用來保存當前正在執行的一條指令。當執行一條指令時，先把它從內存中取到數據寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。當系統執行給定的指令時，必須對操作碼進行譯碼，以確定所要求的操作，指令譯碼器就是負責這項工作的。其中，指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。
當前趨勢
SoC嵌入式系統(System on Chip）式的獨立發展之路，向MCU階段發展的重要因素，就是尋求應用系統在芯片上的最大化解決，因此，專用單片機的發展自然形成了SoC化趨勢。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發展，基于SoC的單片機應用系統設計會有較大的發展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應用系統。
早期發展
1971年intel公司研制出世界上第一個4位的微處理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一塊4位微處理器芯片Intel 4004，標志著第一代微處理器問世，微處理器和微機時代從此開始。因發明微處理器，霍夫被英國《經濟學家》雜志列為“二戰以來最有影響力的7位科學家”之一。
1971年11月，Intel推出MCS-4微型計算機系統（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微處理器）其中4004（下圖）包含2300個晶體管，尺寸規格為3mm×4mm，計算性能遠遠超過當年的ENIAC，最初售價為200美元。
1972年4月，霍夫等人開發出第一個8位微處理器Intel 8008。由于8008采用的是P溝道MOS微處理器，因此仍屬第一代微處理器。
1973年intel公司研制出8位的微處理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微處理器Intel 8080，以N溝道MOS電路取代了P溝道，第二代微處理器就此誕生。
主頻2MHz的8080芯片運算速度比8008快10倍，可存取64KB存儲器，使用了基于6微米技術的6000個晶體管，處理速度為0.64MIPS（Million Instructions Per Second ）。
1975年4月，MITS發布第一個通用型Altair 8800，售價375美元，帶有1KB存儲器。這是世界上第一臺微型計算機。
1976年intel公司研制出MCS-48系列8位的單片機，這也是單片機的問世。
Zilog公司于1976年開發的Z80微處理器，廣泛用于微型計算機和工業自動控制設備。當時，Zilog、Motorola和Intel在微處理器領域三足鼎立。
20世紀80年代初，Intel公司在MCS-48系列單片機的基礎上，推出了MCS-51系列8位高檔單片機。MCS-51系列單片機無論是片內RAM容量，I/O口功能，系統擴展方面都有了很大的提高。
硬件特性
1、主流單片機包括CPU、4KB容量的ROM、128 B容量的RAM、 2個16位定時/計數器、4個8位并行口、全雙工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。
2、系統結構簡單，使用方便，實現模塊化；
3、單片機可靠性高，可工作到10^6 ~10^7小時無故障；
4、處理功能強，速度快。
5、低電壓，低功耗，便于生產便攜式產品
6、控制功能強
7、環境適應能力強。
基本結構
1.運算器
運算器由運算部件——算術邏輯單元（Arithmetic & Logical Unit，簡稱ALU）、累加器和寄存器等幾部分組成。ALU的作用是把傳來的數據進行算術或邏輯運算，輸入來源為兩個8位數據，分別來自累加器和數據寄存器。ALU能完成對這兩個數據進行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結果存入累加器。例如，兩個數6和7相加，在相加之前，操作數6放在累加器中，7放在數據寄存器中，當執行加法指令時，ALU即把兩個數相加并把結果13存入累加器，取代累加器原來的內容6。
運算器有兩個功能：
(1) 執行各種算術運算。
(2) 執行各種邏輯運算，并進行邏輯測試，如零值測試或兩個值的比較。
運算器所執行全部操作都是由控制器發出的控制信號來指揮的，并且，一個算術操作產生一個運算結果，一個邏輯操作產生一個判決。
2.控制器
控制器由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發生器和操作控制器等組成，是發布命令的“決策機構”，即協調和指揮整個微機系統的操作。其主要功能有：
(1) 從內存中取出一條指令，并指出下一條指令在內存中的位置。
(2) 對指令進行譯碼和測試，并產生相應的操作控制信號，以便于執行規定的動作。
(3) 指揮并控制CPU、內存和輸入輸出設備之間數據流動的方向。
微處理器內通過內部總線把ALU、計數器、寄存器和控制部分互聯，并通過外部總線與外部的存儲器、輸入輸出接口電路聯接。外部總線又稱為系統總線，分為數據總線DB、地址總線AB和控制總線CB。通過輸入輸出接口電路，實現與各種外圍設備連接。
3.主要寄存器
（1）累加器A
圖1-2 單片機組成框圖
累加器A是微處理器中使用最頻繁的寄存器。在算術和邏輯運算時它有雙功能：運算前，用于保存一個操作數；運算后，用于保存所得的和、差或邏輯運算結果。
（2）數據寄存器DR
數據寄存器通過數據總線向存儲器和輸入/輸出設備送（寫）或取（讀）數據的暫存單元。它可以保存一條正在譯碼的指令，也可以保存正在送往存儲器中存儲的一個數據字節等等。
（3）指令寄存器IR和指令譯碼器ID
指令包括操作碼和操作數。
指令寄存器是用來保存當前正在執行的一條指令。當執行一條指令時，先把它從內存中取到數據寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。當系統執行給定的指令時，必須對操作碼進行譯碼，以確定所要求的操作，指令譯碼器就是負責這項工作的。其中，指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。
