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MCS-51单片机原理、接口及应用pdf/doc/txt格式电子书下载

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MCS-51单片机原理、接口及应用pdf/doc/txt格式电子书下载

书名:MCS-51单片机原理、接口及应用pdf/doc/txt格式电子书下载

推荐语:

作者:郭文川编

出版社:电子工业出版社

出版时间:2013-01-01

书籍编号:30460109

ISBN:9787121188084

正文语种:中文

字数:144805

版次:1

所属分类:教材教辅-大学

全书内容:

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前言


自从20世纪70年代单片微型计算机(简称单片机)诞生以来,单片机以其功能强、体积小、质量轻、价格低、可靠性高、可塑性好等优点得到了广泛的应用。单片机是目前世界上数量最多的计算机。在现代人类生活中,几乎每件电子和机械产品都集成有单片机,因而,单片机已成为工程师们开发嵌入式应用系统和小型智能化产品的首选控制器。


为了满足社会的需求,国内大部分工科专业已经将单片机列为专业必修课或选修课。虽然单片机的机型很多,但MCS-51单片机仍然是主流机型。为此,本着“通用、适用、实用、易用”的原则,本书以MCS-51单片机为对象,介绍其内部结构、基本原理、接口技术及软硬件系统的设计方法。本书的特点体现在以下几个方面。


(1)理论以够用为度,加大典型例题的引入。单片机课程的特点是理论性和实践性都很强,而对于大部分工科专业,本课程的目标是培养创新型和应用型人才,因此理论内容安排以够用为度,加大了典型例题的介绍。所有例题均是上机调试通过的。通过大量例题的学习,使初学者掌握单片机的基本原理和软硬件系统的设计方法。


(2)汇编语言和C51语言相得益彰。汇编语言与单片机的硬件密切相关,且其代码效率高。学习汇编语言可以了解单片机的工作原理,但是汇编语言的灵活性差,编程较难。与汇编语言相比,C51语言在功能上、结构性、可读性上有明显的优势,因而易学易用。此外,它对单片机的内部结构和工作原理的掌握性要求较低,但是代码效率较低。为了既让学生了解汇编语言的结构及面向机器的特点,同时又便于学生较快地进行单片机系统的开发,对于书中的例题,给出了汇编语言和相应的C51语言程序。两种语言的掌握对于开发高效的程序是很重要的。


(3)仿真软件Proteus和Keil μVision2的引入使学习者更容易进行系统开发。科技的发展使得计算机仿真技术已成为许多设计部门重要的前期设计手段。Proteus是目前仿真单片机系统的优秀软件,它具有设计灵活、结果和过程统一的特点。Proteus的引入使学生在只有一台PC的情况下就能进行单片机系统的开发和设计,大大缩短了开发周期。Keil μVision2软件提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具使单片机开发者事半功倍。


本书的绪论由福建农林大学赵晨和西北农林科技大学郭文川编写,第1章和第12章由西北农林科技大学许景辉编写,第2章由新疆农业大学李春兰和艾海提·赛买提编写,第3章由湖南农业大学康江编写,第4、6、7章由郭文川编写,第5章由湖南农业大学李旭编写,第8章和第10章由西北农林科技大学侯俊才编写,第9章由西南大学吴永烽编写,第11章由山西农业大学李志伟编写,附录由郭文川整理和提供,全书由郭文川整理和统稿。在本书的编写过程中参考了许多资料,主要参考资料列在了参考文献中,在此向所有资料的作者表示衷心的感谢。


限于能力和水平有限,书中难免出现不足,希望不吝赐教(E-mail:wencg915@sina.com)。


编 者


2012年9月

第0章 绪论


微型计算机是大规模集成电路发展的直接产物。随着大规模集成技术的不断发展,导致微型机向两个方面发展:一方面是向高速度、高性能的高档计算机方面发展;另一方面是向稳定可靠、小而廉价的单片机方面发展。本部分首先介绍微型计算机的系统组成及工作过程,进而介绍单片机的发展历程、应用范围、主流产品及MCS-51系列单片机。


0.1 微型计算机系统组成及工作工程


一个微型计算机系统是由硬件和软件两个部分组成的。硬件是电器之类的硬设备,是系统的物质基础和软件运行的载体。通常,硬件包括主机、外部设备(外存、显示器、键盘、打印机等)和电源。软件是由硬件所表达的各种内在信息,是一批数据和程序,是硬件功能实现的驱动者。软件又分为系统软件(如DOS、Windows、Linux等)和用户软件。本节介绍微型计算机和微处理器的组成,以及微型计算机系统的工作过程。


0.1.1 微型计算机的组成


微型计算机(micro-computer,MC),是指以中央处理单元CPU(central processing unit)为核心,配上存储器、输入/输出接口电路及系统总线所组成的计算机(又称为主机),它是微型计算机系统的硬件部分。图0-1是微型计算机的组成框图。

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图0-1 微型计算机基本组成框图

把中央处理单元、存储器和输入/输出接口电路集成在一块或多块电路板上的微型机叫做单板或多板微型计算机;如果集成在单个芯片上,则叫做单片微型计算机,简称单片机。单板机如Zilog公司的Z80,多板机如通用PC(personal computer)。本书将主要介绍单片机的结构、原理和使用方法。


1)中央处理单元


中央处理单元CPU又称为微处理器MP(microprocessor),是指由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器功能的中央处理部件。CPU是所有微型计算机的核心,相当于人的大脑,它的性能直接影响到微型机的整体性能。通用PC中的CPU均是采用超大规模集成技术做成单片集成电路,其结构复杂、功能强大。


2)内存


内存是指微型计算机内部的存储器,它直接连接在系统总线上,其存取速度比较快。一般,内存的容量都比较小,如MCS-51单片机的内存只有256字节(51子系列)或512字节(52子系列)。


存储器由许多单元组成,每个单元存放一组二进制数。微型计算机中规定每个存储单元存放8位(bit)二进制数,定义为1字节(Byte)。为了区分各个存储单元,将单元从0开始编号。每个存储单元的号码称为单元地址,单元内存放的8位二进制数称为单元内容。这就像盖好的宿舍大楼有许多房间,每个房间有号码,房间内又住着不同学号的学生。假设内存30H单元存的数据是42H,31H单元存的数据是58H,其数据存储示意如图0-2所示。

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图0-2 内存单元示意图

3)系统总线


微型计算机在组织形式上采用总线结构,即各个部分通过一组公共的信号线连接起来,这组信号线称为系统总线。


根据传送信息的内容和作用的不同,可将总线分成三类——数据总线、地址总线和控制总线。


CPU通过数据总线与存储器或I/O接口传送数据,通过地址总线输出地址码选择某一存储器单元或某一I/O端口,通过控制总线传送CPU向存储器和I/O端口发出的控制信息或存储器和I/O端口送给CPU的状态信息。经常以带箭头的空心线表示系统总线,如图0-1所示,箭头的方向表示信息的流向。


4)接口


微型计算机广泛地应用于各个部门和领域,所连接的外部设备各式各样。有的速度快(如外存),有的慢(如键盘);有的是机械式的,有的是电子式的;有的是电压型,有的是电流型;有的是数字信号,有的是模拟信号。除此之外,还有传输距离远近不同时需考虑传输方式是采用并行还是串行的问题。同时,计算机与外部设备之间还需要询问和应答信号,用来通知外设做什么或者告诉计算机外设的情况或状态。为了使计算机与外设能够联系在一起,相互匹配,实现有条不紊的工作,就需要在计算机和外部设备之间有一个起到中间桥梁作用的部件,该部件就是输入/输出接口。


图0-1中虚线框内的部分构成了微型计算机,方框外的部分统称为外部设备,简称外设。外设不仅包含我们所熟悉的外存、打印机、显示器和键盘,还包括在微型计算机工程上常用的各种开关、继电器、步进电机、A/D和D/A转换器等。


0.1.2 中央处理单元的组成


CPU主要由运算器、控制器和寄存器组成,可完成运算和控制操作。CPU的结构组成如图0-3所示。


1)运算器


运算器又称为算术逻辑单元ALU(arithmetic logic unit),用来进行算术或逻辑运算及移位等操作,它是CPU的执行部件。ALU是一种以全加器为核心的具有多种运算功能的组合逻辑电路。参加运算的两个操作数,通常一个来自累加器A(accumulator,也写成ACC),另一个来自内部数据总线。运算结果往往也送回累加器A暂存。为了反映数据经ALU处理之后的特征,CPU内有一个程序状态字寄存器PSW或Flags,主要反映加、减、乘、除等运算后结果的特征,如进位、溢出等。

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图0-3 CPU的结构

2)控制器


控制器主要由程序计数器、指令寄存器、指令译码器和可编程逻辑阵列等部件组成。


控制器是整个计算机的控制、指挥中心,它根据人们预先写好的程序,依次从存储器中取出各条指令,放在指令寄存器中,通过指令译码器进行译码(分析)确定应该进行什么操作,然后通过控制逻辑在规定的时间往确定的部件发出相应的控制信号,使运算器和存储器等各部件自动而协调的完成该指令所规定的操作。当第一条指令完成以后,再按顺序从存储器中取出下一条指令,并照此同样地分析与执行该指令。如此重复,直到完成所有的指令为止。


控制器的主要功能有两项:一是按照程序逻辑要求,控制程序中指令的执行顺序;二是根据指令寄存器中的指令码控制每一条指令的执行过程。


控制器中各部件的功能简单地归纳如下。


(1)程序计数器PC(program counter)


程序计数器PC中存放着下一条指令在存储器中的地址。控制器利用它来指示程序中指令的执行顺序。当计算机运行时,控制器根据PC中的指令地址,从存储器中取出来将要执行的指令送到指令寄存器中进行分析和执行。


通常情况下,程序的默认执行方式是按顺序逐条执行指令。因此,在大多数情况下,PC可以通过简单地自动加1计数功能实现对指令执行顺序的控制。当遇到程序中的转移指令时,控制器则会使用转移指令提供的转移地址代替原PC自动加1后的地址。这样,计算机就可以通过执行转移指令改变指令的默认执行顺序。因此,程序计数器PC具有寄存地址信息和计数两种功能。


(2)指令寄存器IR(instruction register)


IR用于暂存从存储器取出的将要执行的指令码,以保证在指令执行期间能够向指令译码器ID提供稳定、可靠的指令码。


(3)指令译码器ID(instruction decoder)


ID用来对指令寄存器IR中的指令进行译码分析,以确定该指令应执行什么操作。


(4)可编程逻辑阵列PLA(programmable logic array)


PLA又称为控制逻辑部件。它依据指令译码器ID和时序电路的输出信号,用来产生执行指令所需的全部微操作控制信号,以控制计算机的各部件执行该指令所规定的操作。由于每条指令所执行的具体操作不同,所以每条指令都有一组不同的控制信号组合,以确定相应的微操作序列。


(5)时序电路


时序电路用于产生指令执行时所需的一系列节拍脉冲和电位信号,以定时指令各种微操作的执行时间和确定微操作执行的先后顺序,从而实现对各种微操作执行时间上的控制。不同计算机上的时序电路有所差异。MCS-51单片机中的时序电路见第3章。


(6)地址寄存器AR(address register)和数据寄存器DR(data register)


AR用以保存当前CPU所要访问的存储器单元或I/O设备的地址。由于内存和CPU之间存在着速度上的差别,所以必须使用地址寄存器来保存地址信息,直到内存读/写操作完成为止。DR用于暂存微处理器与存储器或输入/输出接口电路之间待传送的数据。


AR和DR在微处理器的内部总线和外部总线之间,还起着隔离和缓冲的作用。


0.1.3 微型计算机的工作过程


计算机采取“存储程序与程序控制”的工作方式,即事先把程序加载到计算机的存储器中,这称为存储程序。当启动运行后,计算机便会自动按照存储程序的要求进行工作,这称为程序控制。


在此,以求5+6之和的运算说明微型计算机的工作过程。计算机执行任务是按照人们事先编写好的程序执行的。同样的任务,让不同的微型计算机完成,所编写的程序、对应的机器语言及机器语言的存储都是不一样的。在此,以MCS-51单片机的汇编语言为例说明微型计算机处理任务的过程。


首先,用助记符号编写能实现该任务的汇编语言源程序。由于机器不能识别助记符号,需要翻译(汇编)成机器语言指令。完成5+6=?的MCS-51单片机汇编语言源程序和对应的机器代码见表0-1。本程序有5条指令,但ORG 和END属于伪指令,不产生机器代码(具体内容见第4章),中间的三句有机器代码,共5字节。利用编译软件将机器代码存到存储器中(对于MCS-51,放到程序存储器中),程序已经说明存放的起始地址为80H,则从80H单元开始,依次存放数据74H、05H、24H、06H和00H。每个数据占1字节。


程序是由指令构成的,执行程序就是执行指令,且逐条执行。执行一条指令可包括两个阶段:取指令阶段和执行指令阶段。


CPU首先进入取指令阶段,从存储器中取出指令码并送到指令寄存器中寄存,然后对该指令译码后,再转入执行指令阶段。在这期间,CPU执行指令指定的操作,如加法、减法等。待本条指令执行完后,再取下一条指令,再执行该指令,如此循环操作。下面详细地说明本段程序的执行过程。

表0-1“5+6=?”的MCS-51汇编语言程序及机器代码

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执行程序前,必须先给程序计数器PC赋以第1条指令的首地址80H,然后就进入第1条指令的取指令阶段。


1)第1条指令的执行过程


取指令阶段如下所示。


(1)将程序计数器PC的内容(80H)送至地址寄存器AR,记为PC → AR。


(2)PC的内容自动加1变为81H,为取下一条指令字节做准备,记为PC+1 → PC。


(3)地址寄存器AR将80H通过地址总线送至存储器,地址译码器译码,选中80H单元,记为AR→M。


(4)CPU发出“读”命令。


(5)将所选中的80H单元的内容74H读至数据总线DB,记为(80H)→ DB。


(6)经数据总线DB将读出的74H送至数据寄存器DR,记为DB → DR。


(7)将数据寄存器DR的内容送至指令寄存器IR,经过译码器ID译码后,控制逻辑发出执行该条指令的一系列控制信号,记为DR → IR、IR → ID、PLA。经过对74H译码,CPU识别出这个指令的功能是把下一单元中的立即数data取出送给累加器A,即“MOV A,#data”。于是,它通知控制器发出执行这条指令的各种控制。这就完成了第1条指令的取指令阶段,上述过程如图0-4所示。

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图0-4 取第1条指令的操作示意图

执行指令阶段如下所示。


执行第1条指令就必须把该指令第2字节中的立即数取出送给累加器A,取指令第2字节的过程为:


(1)PC → AR,即将PC的内容81H送至地址寄存器AR。


(2)PC+1 → PC,即将PC的内容自动加1变成82H,为取下一条指令做准备。


(3)AR → M,即地址寄存器AR将81H通过地址总线送至存储器,经地址译码选中81H单元。


(4)CPU发出“读”命令。


(5)(81H)→ DB,即将选中的81H存储单元的内容05H读至数据总线DB上。


(6)DB → DR,即通过数据总线,把读出的内容05H送至数据寄存器DR。


(7)DR → A。因为经过译码已经知道读出的是立即数,并要求将它送到累加器A,故数据寄存器DR通过内部数据总线将05H送至累加器A。


上述过程如图0-5所示。

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图0-5 执行第1条指令的操作示意图

2)第2条指令的执行过程


第1条指令执行完毕以后,进入第2条指令的执行过程。


取指令阶段的执行过程与取第1条指令的过程相似,如图0-6所示。


执行指令阶段如下所示。


经过对指令操作码24H译码后,知道这是一条加法指令,它规定累加器A中的内容与指令第2字节的立即数data相加,即“ADD A,#data”。所以,紧接着执行取出指令中第2字节的立即数06H,并与累加器A的内容相加,其过程为:


(1)把PC的内容83H送至AR,记为PC → AR。


(2)当把PC的内容可靠地送至AR以后,PC自动加1,记为PC+1 → PC。


(3)AR通过地址总线把地址83H送至存储器,经过译码,选中相应的单元,记为AR → M。


(4)CPU发出“读”命令。

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图0-6 取第2条指令的操作示意图

(5)选中的83H存储单元的内容06H读出至数据总线上,记为(83H)→ DB。


(6)数据通过数据总线送至DR,记为DB → DR。


(7)因由指令译码器已知读出的为操作数,且要与A中的内容相加,故数据由DR通过内部数据总线送至ALU的另一输入端,记为DR → ALU。


(8)累加器A中的内容送ALU,且执行加法操作,记为A → ALU。


(9)累加的结果由ALU输出至累加器A中,记为ALU → A。


第2条指令的执行过程如图0-7所示。至此,第2条指令的执行阶段结束了,就转入第3条指令的取指令阶段。

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图0-7 执行第2条指令的操作示意图

按上述类似的过程取出第3条指令,经译码后是1条空操作语句,仅消耗1个机器周期。这样,微型计算机就完成了事先编写的程序所规定的全部操作。


总之,微型计算机的工作过程就是执行指令的过程,而计算机执行指令的过程可看成是信息(包括数据信息与指令信息)在计算机各个组成部件之间的有序流动过程。信息在流动的过程中得到相关部件的加工处理。


0.2 单片机概述


单片微型计算机SCM(single chip microcomputer,简称单片机),又称为微控制器MCU(micro controller unit),是将CPU、RAM、ROM、定时/计数器、I/O(输入/输出)接口电路集成到一块电路芯片上构成的微型计算机。单片机的可靠性、微型性和智能性使其已经渗透到社会的各个领域。本节介绍单片机的特点、发展历史、应用领域、主流产品及MCS-51单片机系列。


0.2.1 单片机系统的特点


人们通常提到计算机的时候,更多想起的是个人计算机,即PC,它们是由主机、键盘、显示器等组成具有完整的人机界面、可以高速处理海量数据的现代化智能电子设备。计算机大家族中还有一类面向设备使用的计算机,统称为嵌入式计算机,而单片机是以单芯片形态进行嵌入式应用的计算机,它具有唯一专门为嵌入式控制应用设计的体系结构和指令系统。虽然单片机系统和常见的PC系统都属于计算机系统,具有相似的硬件结构和软件工作原理,都按照冯·诺依曼计算机的原理工作,能存放并且自动执行控制计算机的机器指令,但是二者还是有许多不同之处。


(1)输入/输出:单片机系统的对象一般是自然界的物理量,如温度、重量、速度等。


(2)硬件系统:为了提高性价比,单片机硬件系统一般不会直接选用通用的硬件平台,而是根据需要自行开发出针对性强的精简的硬件系统。


(3)软件系统:单片机系统不是在运行时在RAM中加载用户的程序,而是将程序代码固化、加密、形成可靠的不可改变的程序,程序不存在被修改的可能,因此单片机系统不存在病毒和木马等PC常见的问题。


(4)程序开发及方法:由于单片微机系统存储量限制,为了节省空间提高目标代码程序效率,一般通过汇编语言和C语言来做开发。作为单片机系统开发人员,需要更多的关于信号处理、自动控制和通信技术方面的专业知识。


(5)外观和人机接口:单片机系统没有固定的外观,而是根据具体应用采用灵活多变的形式,人机接口部分也没有PC那样的键盘、鼠标、显示屏和多媒体部件,而是采用更简洁的键盘、数码管和液晶显示器。


0.2.2 单片机的应用


事实上,单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置、飞机上各种仪表的控制、计算机的网络通信与数据传输、工业自动化过程的实时控制和数据处理、广泛使用的各种智能IC卡、民用豪华轿车的安全保障系统、录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制、程控玩具、电子宠物,以及自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械等,都离不开单片机。单片机的应用大致可分如下几个领域。


1)在智能仪器仪表上的应用


单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比采用电子或数字电路更加强大。例如,精密功率计、示波器、各种分析仪等。


2)在工业控制中的应用


用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如,工厂流水线的智能化管理、电梯智能化控制、各种报警系统、与计算机联网构成的二级控制系统等。


3)在家用电器中的应用


现在的家用电器基本上都采用单片机控制,如电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、音响视频器材、电子秤量设备等。


4)在计算机网络和通信领域中的应用


现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件。现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从小型程控交换机、集群移动通信、无线电对讲机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信到日常生活中随处可见的手机、电话机等。


5)单片机在医用设备领域中的应用


单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,如医用呼吸机、各种分析仪、监护仪、超声诊断设备及病床呼叫系统等。


此外,单片机在工商、金融、科研、教育、国防、航空航天等领域也有着十分广泛的用途。


0.2.3 单片机的发展历史及未来方向


Intel公司在1971年11月推出了4位微处理器Intel 4004,内含随机存储器RAM(random access memory)和只读存储器ROM(read only memory)。1972年4月,Intel公司又推出了功能较强的8位微处理器Intel 8008。1974年,美国Fairchild公司推出F8单片机。实际上,F8只包含8位CPU、64 B RAM和2个并行口,还需加一块3851(由1 KB ROM、定时/计数器和2个并行I/O口构成)才能构成一台完整的计算机。因此,严格地说,这些产品只是单片机的雏形,但却拉开了研制单片机的序幕。1976年,Intel公司推出了MCS-48系列单片机,它以体积小、功能全、价格低等特点赢得了广泛的应用,是单片机发展进程中一个重要的阶段,通常称为第一代单片机。20世纪70年代后期,许多半导体公司看到单片机的巨大市场前景,纷纷加入到这一领域的开发研制之中,推出了多个品种的系列机。


1978年下半年Motorola公司推出M6800系列单片机,Zilog公司相继推出Z8单片机系列,而这一阶段的典型产品是1980年Intel公司在MCS-48系列基础上推出的高性能的MCS-51系列单片机。这类单片机均带有串行I/O口、16位定时/计数器,片内ROM和RAM的存储容量都相应增大,并有中断优先级处理功能。单片机的功能、寻址范围都比早期的扩大了,它们是当时单片机应用的主流产品,而基于此的单片机系统直到现在还在广泛使用。


随着工业控制领域要求的提高,开始出现了16位单片机,但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。20世纪90年代后电子产品的大发展,也使单片机技术得到了巨大的提高。随着Intel i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用,32位单片机迅速取代了16位单片机的高端地位,并且进入主流市场地位的16位单片机的性能也得到了飞速提高,处理能力比起20世纪80年代提高了数百倍。目前,高端的32位单片机主频已经超过300 MHz。


当代单片机系统已不再是裸机环境下的开发和使用,大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机,甚至可直接使用专用的Windows和Linux操作系统。


自从20世纪70年代单片机诞生以来,结合半导体集成电路技术和微电子技术的发展趋势,可以预见未来的单片机将继续沿着大容量高性能化、低功耗CMOS化、外围电路内装化及I/O端口功能增强化等方向发展。


(1)大容量高性能化:以往单片机内的ROM为1~4 KB,RAM为128~256字节。但在需要复杂控制的场合,常常遇到存储量不够而外接扩展的情况。现在单片机的片内ROM可以达到40 KB,片内RAM可达4 KB。随着程序存储器空间的扩大,富余的空间可嵌入实时操作系统RTOS等软件,将大大提高产品开发效率和单片机的性能。


(2)低功耗CMOS化:MCS-51系列的8031推出时的功耗达630 mW,而现在单片机普遍都在100 mW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在各大制造商基本都采用CM

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