前言
1946年2月15日，第一台电子数字计算机ENIAC问世，标志着计算机时代的到来。
ENIAC 是一台电子管计算机。 虽然时钟频率只有100kHz，但可以在1秒内完成5000次加法运算。 与现代计算机相比，ENIAC有很多缺点，但它的问世开创了计算机科学技术的新时代，对人类的生产和生活方式产生了巨大影响。
ENIAC的开发过程中，匈牙利数学家冯诺依曼担任开发团队的顾问，为程序的设计做出了重要贡献。
1946年6月，冯·诺依曼提出“程序存储”和“二进制运算”的思想，进一步构建了由运算单元、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成的计算机的经典结构。 。
电子计算机技术的发展先后经历了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大规模集成电路计算机和超大规模集成电路计算机五个时代。 然而，计算机的结构仍然没有突破冯·诺依曼提出的计算机结构。 经典的结构框架。
一、微型计算机的组成及其应用形式 1、微型计算机的组成
1971年1月，英特尔的特德·霍夫与日本商通公司合作开发台式计算器时，他将原计划的十几个芯片压缩为三个集成电路芯片。
其中两块芯片分别用来存储程序和数据，另一块芯片集成了运算单元、控制器和一些寄存器，称为微处理器（即Intel 4004）。 微处理器、存储器和I/O接口电路组成微型计算机。 各部分通过地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）连接。
2、微型计算机的应用形式
从应用形式上看，微型计算机可分为多板计算机（系统计算机）、单板计算机和单片机三种类型。
1.多板机（系统机）
多板计算机将微处理器、存储器、I/O接口电路和总线接口组装在一块主板(即微型计算机主板)上，然后通过系统总线和多个其他外围转接板连接键盘和显示器。 、打印机、软/硬盘和光驱等设备。 各种转接板插入主板的扩展槽中，与电源、软/硬盘、光驱安装在同一机箱内。 与系统软件一起构成完整的微机系统，简称系统机。
目前人们广泛使用的个人计算机（PC）就是典型的多板微型计算机。 由于其良好的人机界面、强大的功能和丰富的软件资源，通常用作办公室或家庭事务处理和科学计算的通用计算机。 现在它已经成为社会各个领域最常用的工具。
另外，系统机的底盘进行了加固，底板设计为不带CPU的小底板结构。 底板的扩展槽用于插入主板和各种测控板，组成工业PC。 由于工业PC具有人机界面友好、软件资源丰富等优点，常被用作工业测控系统的主机。
2.单板机
将CPU芯片、存储芯片、I/O接口芯片和简单I/O设备（键盘、LED显示屏）组装在一块印刷电路板上，然后加上监控程序（固化在ROM中），就形成了一台单板微机，简称单板计算机。 典型产品如TP801。
单板机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。 早期主要用于微机原理和简单测控系统的教学，现在已很少使用。
3.微控制器
将微处理器、存储器和I/O接口电路集成在一块集成电路芯片上，构成单片机，即单片机。
计算机最初的设计目的是为了提高计算数据的速度，完成海量数据的计算。 完成这一任务的计算机称为通用计算机。
随着计算机技术的发展，人们发现计算机在逻辑处理和工业控制方面也具有非凡的能力。 在控制领域，人们更关心计算机的成本低、体积小、运行可靠、控制灵活等。
特别是智能电表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车和军用电子设备等应用系统需要将计算机嵌入到这些设备中。 嵌入控制系统（或设备）并实现嵌入式应用的计算机称为嵌入式计算机，也称为专用计算机。
嵌入式应用的计算机可分为嵌入式微处理器（如386EX）、嵌入式DSP处理器（如TMS320系列）、嵌入式微控制器（即单片机，如80C51系列）和嵌入式片上系统SOC。
微控制器体积小、价格低、可靠性高。 其非凡的嵌入式应用形态在满足嵌入式应用的需求方面具有独特的优势。
目前，单片机应用技术已成为电子应用系统设计中最常用的技术手段。 学习和掌握单片机应用技术具有极其重要的现实意义。
综上所述，微机技术的发展正趋向两个方向。 一是以系统机为代表的通用计算机，致力于提高计算机的运算速度，在实现海量高速数据处理的同时兼顾控制功能； 二是以系统机为代表的通用计算机。 以微控制器为代表的嵌入式专用计算机，致力于在片上集成计算机控制功能，在满足嵌入式对象测控需求的同时兼顾数据处理。
2、单片机的发展历程及产品现状 2.1 单片机的发展历程
微控制器技术发展非常迅速，产品种类也变得令人眼花缭乱。 纵观整个微控制器技术的发展历程，可以分为以下三个主要阶段：
1、单片机的形成阶段
1976年，Intel推出MCS-48系列微控制器。 该系列微控制器的早期产品在芯片中集成了：8位CPU、1K字节程序存储器（ROM）、64字节数据存储器（RAM）、27条I/O线和一个8位定时器/计数器。
这一阶段的主要特点是：将CPU、存储器、I/O接口、定时器/计数器、中断系统、时钟等部件集成在一块芯片中，但存储器容量小，寻址范围小（无4K以上），无串口，命令系统功能不强。
2、绩效提升阶段
1980年，Intel推出MCS-51系列微控制器。 该系列单片机芯片内集成：8位CPU、4K字节程序存储器（ROM）、128字节数据存储器（RAM）、4个8位并行接口、1个全双工串行接口和2个16位定时器/柜台。 寻址范围为64K，集成了控制功能较强的布尔处理器，完成位处理功能。 这一阶段的主要特点是：结构体系日趋完善，性能大幅提升，控制性特征进一步凸显。 现在，MCS-51已成为公认的经典微控制器。
3. 微控制器阶段
1982年，Intel推出MCS-96系列微控制器。 该系列单片机芯片内集成：16位CPU、8K字节程序存储器（ROM）、232字节数据存储器（RAM）、5个8位并行接口、1个全双工串行接口和2个16位定时器/柜台。 寻址范围最大为64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM(D/A)输出和高速I/O元件。
近年来，许多半导体制造商以MCS-51系列单片机的8051为核心，将许多测控系统中的接口技术、可靠性技术以及先进的存储技术和工艺技术集成到单片机中，产生了多种功能强大、灵活运用的新一代80C51系列单片机。 这一阶段的主要特点是：增强了测控系统的片上外围电路，使单片机可以方便、灵活地应用于复杂的自动测控系统和设备中。 因此，“微控制器”这个标题更能体现微控制器的本质。
2.2. 微控制器产品现状
随着微电子设计技术和计算机技术的不断发展，单片机产品和技术日新月异。 单片机产品的现状可以概括为以下两个方面。
1、80C51系列单片机产品较多，主流地位已确立。 通用微机运算速度的提高主要体现在CPU位数的增加（16位、32位甚至64位），而单片机更注重可靠性和运算能力。产品的经济性。 性和嵌入性。 因此，增加单片机CPU位数的需要并不是很迫切。 多年的应用实践证明，80C51系统具有合理的系统结构和成熟的技术。 因此，众多单片机芯片厂商致力于提高80C51单片机产品的综合功能，从而形成80C51的主流产品地位。 近年来推出的与80C51兼容的主要产品包括：
可见80C51已经成为单片机事实上的主流系列，因此本书以80C51为对象来讲述单片机的原理和接口方法。
2、非80C51结构的新单片机产品不断推出，为用户提供了更广泛的选择。 在80C51及其兼容产品流行的同时，一些微控制器芯片制造商也推出了一些非80C51结构的产品。 影响较大的包括：
3、单片机的特点及应用领域，3.1单片机的特点1、控制性能高、可靠性高
单片机是为了满足工业控制的需要而设计的，因此实时控制功能特别强。 其CPU可直接操作I/O接口，其位运算能力是其他计算机无法比拟的。 另外，由于CPU、存储器和I/O接口集成在同一芯片内，各部件之间的连线紧凑，数据在传输过程中受干扰较小，不易受环境条件影响，因此系统的可靠性单片机的要求很高。 最近推出的微控制器产品集成了高速I/O接口、ADC、PWM、WDT等元件，并集成了低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方法（如在系统编程ISP）其他方面也有了进一步的提升。
2.体积小、价格低、易于产品化
每个单片机芯片都是一个完整的微型计算机。 对于大批量的特殊场合，一方面可以在多种类型的单片机中进行选配，同时还可以进行特殊设计，使芯片功能与应用有良好的对应关系。 关系。 在单片机产品的引脚封装方面，部分单片机引脚已减少到8个以下，从而减少了应用系统的印制板，减少了连接器的数量，安装简单方便。 在各种现代电子设备中，微控制器具有良好的性价比。 这是单片机得到广泛应用的重要原因。
3.2 微控制器的应用领域
由于微控制器良好的控制性能和灵活的嵌入质量，近年来微控制器在各个领域得到了广泛的应用。 大致可以分为以下几个方面：
1、智能仪器仪表
微控制器用于各种仪器中。 一方面，它们提高了仪器的功能和精度并使其智能化。 它们还简化了仪器的硬件结构，使仪器产品的升级变得容易。 如各种智能电测仪表、智能传感器等。
2、机电一体化产品
机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术为一体的具有智能化特征的各种机电产品。 微控制器可以在机电一体化产品的开发中发挥巨大的作用。 典型产品包括机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。
3、实时工业控制
微控制器还可以用于各种物理量的采集和控制。 利用单片机即可轻松实现电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制。 此类系统采用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特性，采用不同的智能算法，达到理想的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。 典型应用包括电机速度控制、温度控制、自动生产线等。
4、分发系统前端模块
在较为复杂的工业系统中，常常采用分布式测控系统来采集大量的分布式参数。 此类系统中采用单片机作为分布式系统的前端采集模块。 该系统具有运行可靠、数据采集方便灵活、成本低廉等一系列优点。
5、家用电器
家用电器是微控制器的另一个重要应用领域，前景十分广阔。 如空调、冰箱、洗衣机、电饭锅、高档沐浴设备、高档玩具等。此外，在交通领域，单片机广泛应用于汽车、火车、飞机、航天器等。如汽车自动驾驶系统、航空航天测控系统、黑匣子等。
4、单片机应用系统的发展简介 4.1 单片机应用系统的发展
在设计单片机应用系统时，完成硬件系统设计后，必须配备相应的应用软件。 正确的硬件设计和良好的软件功能设计是一个实用的单片机应用系统的设计目标。 实现这一目标的过程称为微控制器应用系统的开发。 单片机作为集成了微型计算机基本部件的集成电路芯片，与通用微型计算机相比，本身不具有开发功能。 它必须使用开发机（一种特殊的计算机系统）来完成以下任务： 1. 排除应用系统的硬件故障和软件错误； 2、调试好的程序必须固化到单片机内部或外部程序存储芯片中。
1、指令的表示形式
指令是告诉微控制器执行某种操作的命令。 在微控制器内部，指令以二进制代码的形式按一定顺序存储在程序存储器中。 二进制代码是计算机可以直接执行的机器代码（或目标代码）。 为了书写、输入和显示的方便，人们通常将机器代码以十六进制的形式书写。 例如，二进制代码0000 0100B可以表示为04H。 04H对应的指令含义是累加器A的内容加1，如果写成INC A就清楚多了。 这就是指令的符号表示，称为符号指令。
2. 汇编或编译
符号指令必须转换成计算机可以执行的机器代码并存储在计算机的程序存储器中。 这种转换称为汇编。 常用的组装方法有以下三种：
此外，还可以使用高级语言（如C51）来设计单片机应用程序。 在PC机中编辑好的高级语言源程序经过编译连接形成目标代码文件，然后传输到开发机上。 该方法具有周期短、移植修改方便等优点，适合开发较为复杂的系统。
4.2 单片机应用系统的传统开发方法
微控制器开发系统也称为开发机或仿真器。 仿真的目的是利用开发机的资源（CPU、内存和I/O设备等）来模拟待开发的单片机应用系统（即目标机）的CPU、内存和I/O操作），并跟踪观察目标机器的运行情况。 运行状态。
仿真可分为两类：软件仿真和开发机在线仿真。 软件仿真成本低、使用方便，但无法对应用系统硬件进行实时调试和故障诊断。 下面仅介绍在线模拟方法。
1.使用独立模拟器开发
独立仿真器采用与单片机应用系统相同型号的单片机，制成单板机。 该板配备了 LED 显示屏和简单的键盘。 这种开发系统无需普通微机系统的支持，仍可对单片机应用系统进行在线仿真，方便现场调试和修改应用软件。
此外，本开发系统还配备了串行接口，可以与普通微机系统连接。 这样，普通微机系统配备的组合软件就可以进行源程序编辑、汇编和在线仿真调试。 然后将调试好的目标程序（即机器代码）传输到模拟器中，用模拟器来固化程序。
2.使用非独立模拟器开发
该仿真器由通用微机加仿真器组成。 仿真器和通用微机通过串行通信连接。 这种开发方式必须有微机支持，利用微机系统配备的组合软件对源程序进行编辑、汇编和模拟调试。 有的仿真接口还配有EPROM写入插座，可以将开发调试的用户应用程序写入EPROM芯片中。 与前一种开发方式相比，这种开发方式现场参数的修改和调试不够方便。
上述两种开发方式都是在开发时拔掉目标系统的单片机芯片和程序存储芯片，从开发机上插上模拟头，即将开发机上的单片机借给目标机。
仿真调试无误后，拔下仿真头，插回单片机芯片，将开发机中调试好的程序固化到EPROM芯片中，插到目标机的程序存储器插槽中。 目标机可以独立运行。
4.3 单片机开发方法的发展
由于微控制器芯片封装的广泛采用和闪存技术的快速发展，微控制器应用系统开发的传统理念将受到冲击。
采用新型单片机应用系统开发技术，可以先将单片机安装在印刷电路板上，然后通过PC机将程序下载到目标系统。
例如：SST推出的SST89C54和SST89C58芯片分别具有20 KB和30 KB SuperFlash存储器。 该存储器可用于高速读写，并可实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）功能。 。
首先在PC机上完成应用程序的编辑、汇编（或编译）和仿真运行，然后实现目标程序的串行下载。
Microchip推出的RISC结构微控制器PIC16F87X内置在线调试器ICD功能。 公司还配置了一个简单的仿真器和具有ICSP功能的编程器。 由于芯片内置检测电路逻辑，因此不需要额外的硬件仿真器。
通过PC串口线（包含完成通信功能的MPLAB-ICD模块和与目标板连接的MPLAB-ICD头）可以完成目标系统的仿真调试。
