1.2 单片机的硬软件系统及种类

1.2.1 单片机的硬件系统

单片机的硬件系统包含5个基本组成部分，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。其基本组成与通用微型计算机是一样的，但在硬件结构上单片机也有着自己独特之处。

1）存储器ROM和RAM是严格分工的

ROM用做程序存储器，只存放应用程序和常数表格；而RAM用做数据存储器，存放临时的中间结果、数据和变量（这样的存储器结构称为哈佛结构）。这样的设计方案使单片机更适用于实时控制系统：配置几KB到几十KB的程序存储空间ROM，将已调试好的程序固化其中，不仅掉电时程序不丢失，还可避免程序被修改和破坏，从而确保了程序的安全。实时控制场合一般仅需容量较小的RAM，用于存放少量随机数据，这样有利于提高单片机的操作速度。

2）输入/输出（I/O）端口引脚通常设计有多种功能

为了减小单片机的体积，芯片封装的引脚数受到限制。为了解决I/O引脚数量少而实际需要信号功能种类多的矛盾，可以将一个引脚分时复用。应用设计时，使用多功能引脚的哪一种功能，可由用户根据需要确定。

3）单片机的硬件功能具有广泛的通用性

同一种单片机可以应用在不同的控制系统中，只是其中所配置的软件不同而已。也就是说，给单片机固化上不同的软件，便可形成用途不同的专用智能芯片，这种芯片称为固件。

1.2.2 单片机的软件系统

硬件系统作为实体为单片机工作提供了基础和条件，但要想使单片机有效地工作，还必须有软件的配合。所谓软件，是指完成各种功能的计算机程序的集合，如操作、监控、管理、控制、计算和自诊断程序等。

一般来说，计算机的软件系统包括系统软件、应用软件和程序设计语言3个部分。单片机由于硬件支持和需要所限，其软件系统比较简单。

1）监控程序

单片机的系统管理不需要像微型计算机那样复杂的操作系统。8051单片机的系统管理只使用简单的监控程序。

2）集成开发系统

单片机集成开发系统软件是指用来在计算机上编写、汇编、仿真、调试单片机应用程序的软件。目前用得比较多的有WAVE公司的WAVE6000、Keil公司的Keil C51以及万利公司的MedWin等，本书选用WAVE6000作为集成开发环境。系统软件一般不需要用户自己设计，它只是开发应用软件的工具。

3）应用软件

应用软件是面向生产过程的程序，大都由用户自己根据实际需要进行开发。如A/D转换程序、D/A转换程序、数据采样程序、数据滤波程序、键盘处理程序、显示程序和过程控制程序等。

4）程序设计语言

早期的单片机中通常使用汇编语言，单片机并没有自己专用的汇编程序，用户的应用程序是在其他微型计算机上通过交叉汇编的方法得到的二进制目标码。由于C语言使用的方便性和广泛性，在单片机的开发应用中，除了使用汇编语言外，也逐渐引入了C语言。早在1985年便出现了适用于8051单片机的C语言，简称C51。本书为使读者更加透彻地了解单片机的工作原理，以汇编语言为主来讲解单片机应用程序的开发。

1.2.3 单片机的分类与选择

本小节主要介绍目前主流的单片机厂商生产的几种使用比较广泛、有代表性的单片机芯片。

1）Motorola单片机

Motorola是世界上最大的单片机厂商。从M6800开始，开发了大量的品种，涉及4位、8位、16位、32位单片机。其中典型的产品有：M6805和M68HC05系列（8位）、M68HC11和M68HC12（8位增强型）、M68HC16（16位）、M683××（32位）。Motorola单片机在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多，因而使得高频噪声低、抗干扰能力强，更适合于工控领域及恶劣的环境。

2）AVR单片机

Atmel公司的AVR单片机是增强型RISC内载Flash（闪存）的单片机，芯片上的Flash存储器附在用户的产品中，可随时编程、再编程，使用户的产品设计容易，更新换代方便。AVR单片机采用增强的RISC结构，具有高速处理能力，在一个时钟周期内可执行复杂的指令，1MHz可达到1MIPS的处理能力。AVR单片机工作电压范围为2.7～6.0V，可以实现耗电最优化。AVR单片机广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通信设备、家用电器和宇航设备等领域。

另外，Atmel公司的AT89系列单片机（简称89系列单片机）是目前使用比较广泛的一种单片机。该系列单片机与51系列单片机完全兼容，内部含有大容量的Flash存储器，在便携式商品、手提式仪器等方面有着十分广泛的应用。

3）MicroChip单片机

MicroChip单片机的主要产品是PIC16C系列和PIC17C系列8位单片机，采用RISC结构和Harvard双总线结构、运行速度快、工作电压低、功耗低、有较大的输入/输出直接驱动能力、价格低、一次性编程、体积小。适用于用量大、档次低、价格敏感的产品。在办公自动化设备、消费电子产品、智能仪器仪表、汽车电子、金融电子和工业控制等领域都有广泛的应用。PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高，发展非常迅速。

4）Philips单片机

Philips公司是国际上生产51兼容单片机种类最多的厂家之一。Philips公司的单片机都属于51系列兼容的单片机，型号有上百种。其8位机的主要产品型号有P80C××、P87C××和P89C××系列。16位机的主要产品型号有PXAC××、PXAG××和PXAS××等。常用的51系列单片机如表1.2所示。