單片機是單片微型計算機（Single-Chip Microcomputer）的簡稱，是一種將中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）采用超大規(guī)模集成電路技術集成到一塊硅片上構成的微型計算機系統(tǒng)。

單片機特點

（1）集成度高、體積小。

單片機將CPU、存儲器、I/O接口等各種功能部件集成在一塊晶體芯片上，體積小，節(jié)省空間。能靈活，方便地應用于各種智能化的控制設備和儀器，實現機電一體化。

（2）可靠性高，抗干擾性強。

單片機把各種功能部件集成在一塊芯片上，內部采用總線結構，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。

（3）低功耗。

許多單片機的工作電壓只有2～4伏特，電流幾百微安，功耗很低，適用于便攜式系統(tǒng)。

（4）控制功能強。

其CPU可以對I/O端口直接進行操作，可以進行位操作、分支轉移操作， 還能方便地實現多機控制，使整個系統(tǒng)的控制效率大為提高，適用于專門的控制領域。

（5）可擴展性好。

單片機具有靈活方便的外部擴展總線接口，使得當片內資源不夠使用時可以非常方便地進行片外擴展。另外，現在單片機具有越來越豐富的通信接口：如異步串行口SCI、同步串行口SPI、I2C、CAN總線、甚至有的單片機還集成了USB接口或以太網接口，這些豐富的通信接口使得單片機系統(tǒng)與外部計算機系統(tǒng)的通信變得非常容易。

（6）性價比高。

單片機應用廣泛，生產批量大，產品供應商的商業(yè)競爭使得單片機產品的性能越來越強而價格低廉，有優(yōu)異的性能價格比。

單片機應用

單片機具有體積小、控制功能強、功耗低、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，在家用電器、智能儀器儀表、工業(yè)控制、計算機網絡和通信、汽車設備、醫(yī)用設備等許多領域都有廣泛的應用。

 

單片機常用指令

一、傳送操作

助記符 代碼 說明

MOV Rn,A F8~FF A送寄存器

MOV A,direct E5 dircet 直接字節(jié)送A

MOV A,direct E5 dircet 直接字節(jié)送A

MOV Rn,#data 78~7F data 立即數送寄存器

MOV dircet,Rn 88~8F dircet 寄存器送直接字節(jié)

MOV dircet1,dircet2 85 dircet1 dircet2 直接字節(jié)送直接字節(jié)

MOV dircet,@Ro 86~87 間接RAM送直接字節(jié)

MOV @Ri,A F6~F7 A送間接RAM

MOV DPTR,#data16 90 data 15~8 16位常數送數據指針

MOVX A,@Ri E2~E3 送外部數據（8位地址）送A

MOVX A,@DPTR E0 送外部數據（16位地址）送A

MOVX @DPTR,A F0 A送外部數據（16位地址）

二、算術操作

ADD A,Rn 28~2F 寄存器加到A

ADD A,@Ri 26~27 間接RAM加到A

ADD A,#data 24data 立即數加到A

ADD A,Rn 38~3F 寄存器和進位位加到A

ADD A,dircet 35dircet 直接字節(jié)和進位位加到A

ADD A,@Ri 36~37 間接字節(jié)和進位位加到A

ADD A,data 34 data 立即數和進位位加到A

ADD A,Rn 98~9F A減去寄存器和進位位

ADD A,dircet 95 dircet A減去直接字節(jié)和進位位

ADD A,@Ri 36~37 間接RAM和進位位加到A

ADD A,data 34 data 立即數和進位位加到A

SUBB A,Rn 98~9F A減去寄存器和進位位

SUBB A,dircet 95 dircet A減去直接字節(jié)和進位位

SUBB A,@Ri 96~97 A減去間接RAM和進位位

三、邏輯操作

ANL A,Rn 58~5F 寄存器“與”到A

ANL A,dircet 55 dircet 直接字節(jié)“與”到A

ANL A,@Ri 56~57 間接RAm“與”到A

ANL A,#data 54 data 立即數“與”到A

ANL dircet A 52 dircet A“與”到直接字節(jié)

ANL dircet,#data 53 dircet data 立即數“與”到直接字節(jié)

ORL A,Rn 48~4F 寄存器“或”到A

ORL A,dircet 45 dircet 直接字節(jié)“或”到A

ORL A,@Ri 46~47 間接RAM“或”到A

ORL A,#data 44 data 立即數“或”到A

ORL dircet,A 42 dircet A“或”到直接字節(jié)

ORL dircet,#data 43 dircet data 立即數“或”到直接字節(jié)

XRL A,Rn 68~6F 寄存器“異或”到A

XRL A,dircet 65 dircet 直接字節(jié)“異或”到A

XRL A,@Ri 66~67 間接RAM“異或”到A

XRL A,#data 64 data 立即數“異或”到A

XRL dircet A 62 dircet A“異或”到直接字節(jié)

XRL dircet,#data 63 dircet data 立即數“異或”到直接字節(jié)

四、控制程序轉移

ACALL addr 11 *1 addr(a7~a0) 絕對子程序調用

LCALL addr 16 12 addr(15~8) 長子程序調用

addr(7~0) 　　RET 22 子程序調用返回

RETI addr 11 32 中斷調用返回

AJMP addr 11 △1 addr(a7~a6) 絕對轉移

LJMP addr 16 02addr(15~8) 長轉移

addr(7~0) 　　SJMP rel 80 rel 短轉移，相對轉移

JMP @A+DPTR 73 相對于DPTR間接轉移

JZ rel 60 rel A為零轉移

JNZ rel 70 rel A為零轉移

CJNE A,dircet,rel B5 dircet rel 直接字節(jié)與A比較，不等則轉移

CJNE A,#data,rel B4 data rel 立即數與A比較，不等則轉移

CJNE A,Rn,#data,rel B8~BF data rel 立即數與寄存器比較，不等則轉移

CJNE @Ri,#data,rel B6~B7 data rel 立即數與間接RAM比較，不等則轉移

DJNZ Rn,rel D8~DF rel 寄存器減1，不為零則轉移

單片機結構特征

　以最常見的8051單片機為例介紹單片機的結構特點，8051的CPU由運算器和控制器組成：

　　一、運算器

　　運算器以完成二進制的算術/邏輯運算部件ALU為核心，再加上暫存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序狀態(tài)標志寄存器PSW及布爾處理器。累加器ACC是一個八位寄存器，它是CPU中工作最頻繁的寄存器。在進行算術、邏輯運算時，累加器ACC往往在運算前暫存一個操作數（如被加數），而運算后又保存其結果（如代數和）。寄存器B主要用于乘法和除法操作。標志寄存器PSW也是一個八位寄存器，用來存放運算結果的一些特征，如有無進位、借位等。其每位的具體含意如下所示。PSW CY AC FO RS1 RS0 OV － P對用戶來講，最關心的是以下四位。

　　1進位標志CY（PSW7）。它表示了運算是否有進位（或借位）。如果操作結果在位有進位（加法）或者借位（減法），則該位為1，否則為0。

　　2輔助進位標志AC。又稱半進位標志，它反映了兩個八位數運算低四位是否有半進位，即低四位相加（或減）有否進位（或借位），如有則AC為1狀態(tài)，否則為0。

　　3溢出標志位OV。MCS－51反映帶符號數的運算結果是否有溢出，有溢出時，此位為1，否則為0。

　　4奇偶標志P。反映累加器ACC內容的奇偶性，如果ACC中的運算結果有偶數個1（如11001100B，其中有4個1），則P為0，否則，P=1。

　　PSW的其它位，將在以后再介紹。由于PSW存放程序執(zhí)行中的狀態(tài)，故又叫程序狀態(tài)字?運算器中還有一個按位（bit）進行邏輯運算的邏輯處理機（又稱布爾處理機）。其功能在介紹位指令時再說明。

　　二、控制器

　　控制器是CPU的神經中樞，它包括定時控制邏輯電路、指令寄存器、譯碼器、地址指針DPTR及程序計數器PC、堆棧指針SP等。這里程序計數器PC是由16位寄存器構成的計數器。要單片機執(zhí)行一個程序，就必須把該程序按順序預先裝入存儲器ROM的某個區(qū)域。單片機動作時應按順序一條條取出指令來加以執(zhí)行。因此，必須有一個電路能找出指令所在的單元地址，該電路就是程序計數器PC。當單片機開始執(zhí)行程序時，給PC裝入條指令所在地址，它每取出一條指令（如為多字節(jié)指令，則每取出一個指令字節(jié)），PC的內容就自動加1，以指向下一條指令的地址，使指令能順序執(zhí)行。只有當程序遇到轉移指令、子程序調用指令，或遇到中斷時（后面將介紹），PC才轉到所需要的地方去。8051 CPU碢C指定的地址，從ROM相應單元中取出指令字節(jié)放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中的指令代碼被譯碼器譯成各種形式的控制信號，這些信號與單片機時鐘振蕩器產生的時鐘脈沖在定時與控制電路中相結合，形成按一定時間節(jié)拍變化的電平和時鐘，即所謂控制信息，在CPU內部協(xié)調寄存器之間的數據傳輸、運算等操作。

　　三、存儲器

　　存儲器是單片機的又一個重要組成部分，圖6給出了一種存儲容量為256個單元的存儲器結構示意圖。其中每個存儲單元對應一個地址，256個單元共有256個地址，用兩位16進制數表示，即存儲器的地址（00H～FFH）。存儲器中每個存儲單元可存放一個八位二進制信息，通常用兩位16進制數來表示，這就是存儲器的內容。存儲器的存儲單元地址和存儲單元的內容是不同的兩個概念，不能混淆。

　　一、程序存儲器

　　程序是控制計算機動作的一系列命令，單片機只認識由“0”和“1”代碼構成的機器指令。如前述用助記符編寫的命令MOV A，＃20H，換成機器認識的代碼74H、20H：（寫成二進制就是01110100B和00100000B）。在單片機處理問題之前必須事先將編好的程序、表格、常數匯編成機器代碼后存入單片機的存儲器中，該存儲器稱為程序存儲器。程序存儲器可以放在片內或片外，亦可片內片外同時設置。由于PC程序計數器為16位，使得程序存儲器可用16位二進制地址，因此，內外存儲器的地址可從0000H到FFFFH。8051內部有4k字節(jié)的ROM，就占用了由0000H～0FFFH的4k個字節(jié)，這時片外擴充的程序存儲器地址編號應由1000H開始，如果將8051當做8031使用，不想利用片內4kROM，全用片外存儲器，則地址編號仍可由0000H開始。不過，這時應使8051的第{31}腳（即EA腳）保持低電平。當EA為高電平時，用戶在0000H至0FFFH范圍內使用內部ROM，大于0FFFH后，單片機CPU自動訪問外部程序存儲器。

　　二、數據存儲器

　　單片機的數據存儲器由讀寫存儲器RAM組成。其容量可擴展到64k，用于存儲實時輸入的數據。8051內部有256個單元的內部數據存儲器，其中00H～7FH為內部隨機存儲器RAM，80H～FFH為專用寄存器區(qū)。實際使用時應首先充分利用內部存儲器，從使用角度講，搞清內部數據存儲器的結構和地址分配是十分重要的。因為將來在學習指令系統(tǒng)和程序設計時會經常用到它們。8051內部數據存儲器地址由00H至FFH共有256個字節(jié)的地址空間，該空間被分為兩部分，其中內部數據RAM的地址為00H～7FH（即0～127）。而用做特殊功能寄存器的地址為80H～FFH。在此256個字節(jié)中，還開辟有一個所謂“位地址”區(qū)，該區(qū)域內不但可按字節(jié)尋址，還可按“位（bit）”尋址。對于那些需要進行位操作的數據，可以存放到這個區(qū)域。從00H到1FH安排了四組工作寄存器，每組占用8個RAM字節(jié)，記為R0～R7。究竟選用那一組寄存器，由前述標志寄存器中的RS1和RS0來選用。在這兩位上放入不同的二進制數，即可選用不同的寄存器組，如附表1所示。

　　三、特殊功能寄存器

　　特殊功能寄存器（SFR）的地址范圍為80H～FFH。在MCS－51中，除程序計數器PC和四個工作寄存器區(qū)外，其余21個特殊功能寄存器都在這SFR塊中。其中5個是雙字節(jié)寄存器，它們共占用了26個字節(jié)。各特殊功能寄存器的符號和地址見附表2。其中帶＊號的可位尋址。特殊功能寄存器反映了8051的狀態(tài)，實際上是8051的狀態(tài)字及控制字寄存器。用于CPU PSW便是典型一例。這些特殊功能寄存器大體上分為兩類，一類與芯片的引腳有關，另一類作片內功能的控制用。與芯片引腳有關的特殊功能寄存器是P0～P3，它們實際上是4個八位鎖存器（每個I/O口一個），每個鎖存器附加有相應的輸出驅動器和輸入緩沖器就構成了一個并行口。MCS－51共有P0～P3四個這樣的并行口，可提供32根I/O線，每根線都是雙向的，并且大都有第二功能。

 

單片機硬件特征

（1）單片機的體積比較小， 內部芯片作為計算機系統(tǒng)，其結構簡單，但是功能完善，使用起來十分方便，可以模塊化應用。

（2）單片機有著較高的集成度，可靠性比較強，即使單片機處于長時間的工作也不會存在故障問題。

（3） 單片機在應用時低電壓、低能耗，是人們在日常生活中的首要選擇， 為生產與研發(fā)提供便利。

（4）單片機對數據的處理能力和運算能力較強，可以在各種環(huán)境中應用，且有著較強的控制能力。

單片機發(fā)展歷程

?。?）階段（1976-1978）：初級階段。

　　這個階段的單片機受集成電路技術的限制，制造工藝落后（使用NMOS工藝），速度低，功耗大，集成度低，片內資源較少。典型的代表產品有Intel公司的MCS-48系列。其特點是：片內集成有8位的CPU（有的還是4位的CPU），只有并行接口，無串行接口，有1個8位的定時器/計數器，最多只有2個中斷源，1KB或2KB的ROM，64B或128B的RAM，尋址范圍不大于4KB。

　?。?）第二階段（1978-1982）：發(fā)展和完善階段。

　　這個時期，單片機中開始采用CMOS 工藝，并逐漸被高速低功耗的HMOS工藝代替。代表產品有Intel公司的MCS-51系列，Motorola公司的MC6805系列，TI公司的TMS7000系列等。這個階段的單片機在以下幾個方面奠定了典型的單片機通用體系結構。

　　① 完善的外部總線。MCS-51設置了經典的8位單片機的總線結構，包括8位數據總線、16位地址總線、控制總線及具有多機通信功能的串行通信接口。

　?、?CPU外圍功能單元的集中管理模式。

　?、?體現工控特性的位地址空間及位操作方式。

　?、?指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。

　?。?）第三階段（1982-1990）：8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機推出階段，也是單片機向微控制器（Micro Control Unit—MCU）發(fā)展的階段。

　　Intel公司推出的MCS–96系列單片機，將一些用于測控系統(tǒng)的模數轉換器、程序運行監(jiān)視器、脈寬調制器等納入片中，體現了單片機的微控制器特征。

單片機指令系統(tǒng)和尋址方式

單片機要正常運作，事先需編制程序，再把程序放入存貯器中，然后由CPU執(zhí)行該程序。程序是由指令組成的，指令的基本組成是操作碼和操作數。單片機的品種很多，設計時怎樣表示操作碼和操作數，都有各自的規(guī)定，再有指令代碼也各不相同，因此，必須對所選單片機的全部指令，也就是所謂“指令系統(tǒng)”，有足夠的了解。各個系列的單片機雖然有不同的指令系統(tǒng)，但也有其共同性。掌握一種單片機的指令系統(tǒng)，對其它系列單片機可以起到觸類旁通的作用。MCS－51單片機應用廣泛，派生品種多，具有代表性，所以，這里以MCS－51系列的指令系統(tǒng)為例說明“指令”的組成和應用。

1、MOV A，＃20H

這條指令表示把20H這個數送入累加器A中（一個特殊功能寄存器）。

2、ADD A，70H

這條指令表示把累加器A中的內容（在上例中送入的＃20H）和存貯器中地址為70H單元中的內容（也是一個數字），通過算術邏輯單元（英文縮寫為ALU）相加，并將結果保留在A中。這里MOV、ADD等稱為操作碼，而A、＃20H、70H等均稱為操作數。在匯編語言程序中，操作碼通常由英文單詞縮寫而成，這樣有助于記憶，所以又稱助記符。如MOV就是英文單詞MOVE的縮寫，含有搬移的意思；而ADD即為英文單詞，其意為相加。因此，對于略懂英語的用戶，掌握單片機指令的含意是較為方便的。操作數有多種表示法，如以上的＃20H稱為立即數，即20H就是真正的操作數。而70H是存貯器中某個單元的地址，在該單元中，放著操作數（比如說是3AH），ADD A，70H不是將70H和A中的內容相加，而是從存貯器70H單元中將3AH取出和A中的內容相加。由上可知，要找到實際操作數，有時就要轉個彎，甚至轉幾個彎，這個過程稱為尋址，MCS－51共有7種尋址方式，現介紹如下：

一、立即尋址：

操作數就寫在指令中，和操作碼一起放在程序存貯器中。把“＃”號放在立即數前面，以表示該尋址方式為立即尋址，如＃20H。

二、寄存器尋址：

操作數放在寄存器中，在指令中直接以寄存器的名字來表示操作數的地址。例如MOV A，R0就屬于寄存器尋址，即將R0寄存器的內容送到累加器A中。

三、直接尋址：

操作數放在單片機的內部RAM某單元中，在指令中直接寫出該單元的地址。如前例的ADD A，70H中的70H。

四、寄存器間接尋址：

操作數放在RAM某個單元中，該單元的地址又放在寄存器R0或R1中。 如果RAM的地址大于256，則該地址存放在16位寄存器DPTR（數據指針）中，此時在寄存器名前加@符號來表示這種間接尋址。如MOV A，@ R0。其它還有變址尋址、相對尋址、位尋址等，待以后再詳細介紹?？赡苡腥藭枺谥噶钪兄苯咏o出實際操作數，不是簡單、明了嗎？為什么還要用其它幾種尋址方式呢？這是因為在編制程序時很難一下子就給出操作數。如用單片機控制溫度時，時時需要將給定的控制溫度（如20℃）減去環(huán)境溫度，而環(huán)境溫度時時有變化，顯然無法在程序指令中給出，只有通過一定方式，將其送入某個輸入/輸出口，再存放在某個寄存器中，這就必須用到寄存器尋址。又如要進行算術運算，要計算每班學員各科成績的平均值，如果把每個學員的各科都編一個程序，在程序中直接給出該學員各科成績，再求平均值，顯然太麻煩。這里可以編一個求平均成績的通用程序，把每位學員的成績送入存貯器的各個單元中，這時可采取直接尋址，一個程序可供每個學員用，不是更方便嗎？所以，尋址方式越多，編制程序就越方便、靈活，適用范圍就越廣。

尋址有如找人，如被找的人有手機、BP機、座機電話等多種聯(lián)系方式則就容易找到他，單片機也是如此，尋址方式越多，找操作數越方便，單片機的功能就越強。前面介紹51系列單片機的尋址方式時，常遇到單片機內部的一些寄存器、累加器A、通用寄存器R0～R7、數據指針DPTR和存貯器等。在以后介紹指令時，數據就要在這些寄存器、存貯器之間傳送，或者進行運算。因此，編制程序就需熟悉單片機的內部結構。

單片機有效應用

（1）使用壽命。壽命主要指以下2方面：單片機開發(fā)產品擁有良好的穩(wěn)定性和較長的使用壽命，可以長時間穩(wěn)定運行10年或是20多年；與微處理器相比擁有較長的使用壽命。隨著半導體技術的不斷提高，MPU更新?lián)Q代速度的不斷提升，部分已經成功上市，同時年齡較小的CPU核心同樣會隨著I/O模塊的發(fā)展而不斷豐富，生存周期較長。隨著新型CPU產品的出現，單片機領域也不斷擴展，用戶選擇余地也相繼增加。目前單片機的主要發(fā)展趨勢就是32位、16位和8位單片機的共同進步。最初單片機主要是從8位開始的，隨著多媒體技術、互聯(lián)網技術和移動通訊技術的發(fā)展，32位單片機逐漸發(fā)展起來。比如32位的CPU單片機Mororola68k曾經就實現過八千萬枚的銷量，而16位單片機的發(fā)展從產量和品種兩種層面上看也有著巨大的進步，呈現出增長的態(tài)勢。

（2）運行速度。MUP發(fā)展中的主要是不斷提升速度，主要是以時鐘頻率為主要標志，時鐘頻率逐漸增高。但是單片機卻和MUP存在一定的差異，為了進一步提升單片機的抗干擾能力，減少噪音影響，單片機在發(fā)展過程中逐漸開始從降低時鐘頻率入手，為此不惜降低運算效率。從單片機內部系統(tǒng)入手，改變內在時序，在不提升時鐘頻率的基礎上，進一步提高了單片機的運算速度。

（3）高可靠性和低噪音技術。首先是EFT技術屬于抗干擾技術，主要是振蕩電路中的正弦信號被外部的環(huán)境所影響時，其所發(fā)出的波形就疊加各種毛刺信號，而人們在處理過程中也經常利用施密特電路進行整形，隨后電路振蕩毛刺就會變成觸發(fā)信號干擾的時鐘，交替利用RC濾波電路和施密特電路能夠有效消除毛刺作用，讓影響失效，促進系統(tǒng)時鐘信號的順利傳輸。進一步提升單片機穩(wěn)定性。其次是驅動技術和低噪音的布線技術，傳統(tǒng)單片機通常是將地線和電源設置在電路外殼中的對稱引腳位置，大都是在右上左下、左上右下兩部分對稱位置中，如此讓電源噪音順利穿過整個芯片，干擾單片機內部電路。大部分單片機都將電源引腳與地線設置在兩個相鄰引腳中，這樣能夠有效減少穿過整個芯片的電流，同時還能在印刷電路板中設置去耦電容，進一步減少噪聲影響。

（4）掩膜與OTP。OTP屬于一次性輸入的單機片，過去將投產掩膜的單片機當作單片機產品成熟的標志，因為掩膜擁有相應的生產周期，同時OTP型號的單片機價格也不斷降低，因此通過OTP進行產品制造逐漸成為近幾年的發(fā)展趨勢。與掩膜方式比較起來，擁有風險小、生產周期短等優(yōu)勢。在社會發(fā)現新時期，OTP型號的單片機需求量也不斷上漲。