1.1　微控制器简介

1.1.1　微型计算机的组成

微型计算机（Microcomputer）诞生于20世纪70年代初，它是大规模集成电路及超大规模集成电路技术发展的产物。微型计算机硬件系统通常由微处理器、存储器、输入/输出接口电路及必要的外围设备等组成，这些部件之间通过总线有机地连接在一起。微型计算机系统的硬件系统和软件系统两者之间相辅相成，缺一不可。微型计算机系统组成示意图如图1-1所示。

1.1.2　微控制器的定义

在微控制器出现之前，为满足工业控制对象的应用要求，只能将通用计算机进行机械加固、电气加固后嵌入到对象系统（如船舶、航天器等）中构成控制系统等。通用计算机体积大且成本高，无法嵌入到一些小型应用系统中（如家用电器、仪器仪表等），因此由于应用的需求，在微型计算机基础上产生了微控制器。如今，微控制器的应用可以说是无处不在。

那么什么是微控制器？所谓微控制器就是把微型计算机的基本功能部件：中央处理器（CPU）、存储器、中断系统、定时/计数器（Timer/Counter）以及输入/输出接口（I/O接口）等集成在一块半导体芯片上，构成一个既小巧又完善的计算机硬件系统，可实现微型计算机的基本功能，因此早期称其为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer，SCM），简称为单片机。它是大规模、超大规模集成电路技术发展和计算机微型化技术发展的产物。随着SCM在架构上的不断扩展，新一代单片机不断涌现，这些单片机的控制功能被不断扩充，许多外围功能部件被内装化，如ADC（模数转换器）、DAC（数模转换器）、PWM（脉宽调制器）、WDT（监视定时器）等，所以已不能再用SCM来准确表达其内涵。目前，国际上统一称单片机为微控制器（Micro Controller Unit，MCU）。在国内，因单片机一词已约定俗成而继续沿用，但其内涵应该对应MCU，因此应该明确知道的是MCU的结构及功能均是按照工业控制的要求而设计的，其主要应用是面向控制的。因此，称其为微控制器MCU更为科学。

从微控制器的组成、逻辑功能上来看，它具备了微机系统的基本部件。但是，绝大多数微控制器毕竟还只是一个芯片，只有在配置了应用系统所需的接口芯片、输入/输出设备等，才可以构成实用的微控制器应用系统。图1-2所示为AT89C51微控制器（单片机）的实物图及功能模块。

1.1.3　微控制器的发展历程及应用

1.微控制器的发展历程

微控制器的诞生是计算机发展史上一个重要的里程碑，标志着计算机在控制领域形成了一个独立的分支——嵌入式系统（Embedded Systems），从此计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系统两大分支齐头并进的时代。微控制器从其诞生至今的40多年中，已发展形成上百种系列的近千个型号。以Intel公司MCS系列微控制器为主线，微控制器的发展大致经历了以下几个阶段：

（1）1976—1979年：微控制器的探索阶段

1976年，Intel公司推出MCS-48系列微控制器，将CPU和计算机的基本功能部件集成到了一个芯片上，SCM一词即由此而来。第一代8位通用微控制器的诞生，开创了嵌入式系统与通用计算机完全不同的独立发展道路，表明Intel在工控领域的创新探索获得成功。

（2）1979—1982年：微控制器的完善阶段

1980年，Intel公司在MCS-48系列微控制器基础上推出了MCS-51系列高性能8位微控制器，开始配备串行通信接口（UART），其典型产品为80C51。MCS-51系列微控制器的推出奠定了典型通用总线型的微控制器架构。从此微控制器发展到了一个全新阶段，应用领域更加广泛。

（3）1982—1990年：16位微控制器推出且高性能8位微控制器更进一步发展阶段

1982年，Intel公司推出了MCS-96系列微控制器，将ADC、PWM、WDT等用于测控系统的部件内装在芯片中，体现了微控制器的特征。嵌入式计算机系统走上了单芯片化发展的道路。

（4）1990年以后：微控制器的全面发展阶段

微控制器正朝着高性能和多品种的方向发展：一方面，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位、16位、32位通用型微控制器；另一方面，出现了小型廉价的专用型微控制器。随着超大规模集成电路（VLSI）工艺技术的发展，有可能把所需的外围电路全部装入微控制器内，这种芯片称为系统级芯片（System on a Chip，SoC）。专用微控制器的发展呈SoC化趋势是微控制器的发展热点之一。

2.新一代80C51系列微控制器的崛起

随着引领微控制器发展的Intel公司忙于开发个人计算机使用的微处理器，将其MCS-51内核使用权转让给ATMEL、Philips、NEC、SST、Winbond（华邦）等著名IC（集成电路）制造商。众多IC制造商竞相研制和开发与MCS-51系列微控制器兼容的各具增强特色的微控制器，如ATMEL公司的89C51和89S51、Philips公司的P89C51、Winbond公司的W78E51B以及Hyundai公司的GMS97C5l等。

微控制器园地里品种异彩纷呈，争奇斗艳，MCS-51及80C51变成有众多IC制造商支持并开发出上百个机种的大家族，现统称其为新一代的80C5l。其典型产品为ATMEL公司推出的AT89C51。

1998年，ATMEL公司将微控制器内的程序存储器（EPROM）改为闪速存储器（Flash Memory），率先推出了AT89系列微控制器。由于闪速电可擦除可编程只读存储器（Flash Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory，FEEPROM）可以像RAM一样在线擦写，在系统开发过程中给编程和调试带来了极大的便利，大大缩短了系统的开发周期。另外，FEEPROM又具有像ROM一样掉电信息不丢的特性，使得在系统工作过程中，能有效地保存数据信息。AT89C51的引脚和80C51是一致的，软件上又完全兼容标准MCS-51的指令系统，所以AT89C51可以直接替换80C51。AT89系列微控制器已成为当今最流行的8位微控制器，它的出现使得学习微控制器不再因花费昂贵而高不可攀。

目前，微控制器应用呈现8位、16位、32位微控制器并举的格局。虽然微控制器品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观实践表明，新一代80C51是其中的佼佼者，它以价格低廉、品种齐全、开发方便、应用软件丰富和支持环境充分等特点而占据主导地位。本书将以AT89系列微控制器为主，阐述微控制器的原理与应用。

当然，微控制器并非只是新一代80C51一枝独秀，而是百花齐放。美国Microchip公司发布了一种完全不兼容MCS-51的PIC系列微控制器。这种具有RISC（精简指令集计算机）架构的PIC系列微控制器只有33条精简指令集，比MCS-51的111条指令集要少得多。吸引了不少用户，PIC系列微控制器也获得了快速的发展，在业界中占有一席之地。

3.微控制器的特点

微控制器正是由于它单芯片集成的结构形式以及所采用的半导体工艺，使其在速度、功耗、成本上和多芯片系统相比具有较大的优势。微控制器侧重的是增强对测控对象的控制功能，提高工业环境下的可靠性，构成灵活、方便的应用计算机系统的界面接口。因此，微控制器有着自己的特点，归纳起来主要有如下五点：

（1）性价比高

同昂贵的通用微处理器相比，微控制器的成本低廉，许多微控制器芯片的每片价格只有几元人民币。

（2）集成度高，可靠性好

微控制器把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，提高了它的可靠性与抗干扰能力。从而能适应较宽泛的温度环境，能在恶劣的工业环境下可靠地工作。

（3）功能完善，接口多样

微控制器专为满足工业控制而设计，具有各种各样的接口，具有丰富的控制指令，特别是逻辑操作与位处理指令。其应用软件配套，提供了丰富的软件库，使用户开发微控制器应用系统时更快速、便利。

（4）低功耗、低电压

一般电源供电电压为3～5V，在此范围内微控制器都能正常工作，供电的下限可达1～2V。在生产工艺上以CMOS（互补金属氧化物导体）或HCMOS（高密度互补金属氧化物导体）代替NMOS（N型金属氧化物半导体），工作电流可从mA级降到µA级。嵌入式微处理器的低功耗，使得便于利用它生产便携式的无线及移动的计算机通信设备，靠电池供电的嵌入式系统更是如此。

（5）总线多样，易于扩展

微控制器外部的典型三总线结构，方便系统扩展，可方便地实现多机和分布式控制，构成各种规模的应用系统，提高整个控制系统的效率和可靠性。外部总线增加了I2C及SPI等串行总线方式，缩小了体积，简化了结构。可根据需要进行并行或者串行扩展，形成网络和多机控制系统。

4.微控制器的应用

微控制器的应用范围广泛，在家用电器、医疗设备、测控仪表、计算机外设、数控机床、尖端武器、机器人和航空航天中都得到了广泛的应用，成为控制系统中重要的智能化芯片。归纳起来，微控制器的主要应用有以下五方面：

（1）工业自动化控制

这是最早采用微控制器控制的领域之一。用微控制器可以构成各种形式的控制系统，如流水线的智能化管理、电梯PLC智能化控制、各种报警系统、与计算机联网构成二级控制系统等。微控制器还作为机电一体化产品中的控制器，可大大提高机器的自动化、智能化程度。

（2）智能化家电控制

微控制器嵌入到现代的各种家用电器中取代传统的电子电路控制已经成为发展趋势，并且提高了这些家电的身价。例如，微控制器控制的智能化电饭煲、全自动洗衣机、电冰箱、空调、彩电等，五花八门，无所不在。

（3）计算机外设控制

在计算机外围设备中多数都嵌入了微控制器系统，如打印机、复印机、扫描仪、磁盘驱动器等。例如，有些微型打印机内部采用8035单片微机控制，能打印点阵汉字，可与一般的微机配接。在硬盘驱动器中，大多采用8048微控制器，控制主轴电动机的启停和转速，控制步进电动机的精确步距，从而保证磁头的精确寻道和定位。

（4）智能化仪表测控

在传统仪器仪表中嵌入了微控制器之后，可以简化其硬件结构，使仪器仪表数字化、微型化；可以提高测量的精度，提升智能化程度，增加其性价比，从而提高仪器仪表的档次。结合不同类型的传感器，还可实现各类物理量的精密测量，如温度、湿度、流量、流速、电压、频率等。微控制器在医疗设备中也用得相当广泛，如呼吸机、监护仪、超声诊断设备及病床呼叫系统等。微控制器在机器人、军用航空等尖端领域的应用更加突出。

（5）多机系统中的测控

微控制器所具备的通信接口，能方便地实现微控制器与微控制器之间、微控制器与计算机之间的数据通信。在分布式多机系统中，若干台功能各异的微控制器通过串行通信相互联系，协调工作。微控制器可以置于恶劣环境的前端，对现场信息进行实时的测控。现代通信设备大多实现了微控制器智能控制，如手机、移动电话、楼宇自动通信呼叫系统、无线电对讲机等。

综上所述，微控制器已成为计算机发展和应用的一个重要方面。