探析单片机的特点与应用介绍

应用最广泛的8位单片机首推Intel的51系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势。世界有许多著名的芯片公司都购买了51芯片的核心专利技术，并在其基础上进行性能上的扩充，使得芯片得到进一步的完善，形成了一个庞大的体系，直到现在仍在不断翻新，把单片机世界炒得沸沸扬扬。有人推测，51芯片可能最终形成事实上的标准微控制器（MCU）芯片。

51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。51系列单片机在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，有16字节，单元地址为20H～2FH，它既可作字节处理，也可作位处理（作位处理时，合128位，相应位地址为00H～7FH），使用极为灵活。这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。而实施这一处理（包括前面所有的位功能），只需用一条位操作指令即可。

【例2-1】 如对21H的第0位（相应位地址为08H）置位，只需用一条位指令SETB08H，对周围的其他位不会产生影响。

有的单片机并不能直接对RAM中的位进行操作，如AVR系列单片机中，若想对RAM中的某位置位时，必须通过状态寄存器SREG的T位进行中转。

【例2-2】 如对RAM中的R0寄存器的第4位置位，则：

BSET6；状态寄存器T置位

BLD R0，4；将T位复制到R0的第4位

显然，AVR系列单片机比51系列单片机要复杂。

51系列单片机的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。8位除以8位的除法指令，商为8位，精度嫌不够，用得不多。而8位乘8位的乘法指令，其乘积为16位，精度还是能满足要求的，用得较多。作乘法时，只需一条指令就行了，即MPLAB（两个乘数分别在累加器A和寄存器B中。积的低位字节在累加器A中，高位字节在寄存器B中）。很多8位单片机都不具备乘法功能，作乘法时还得编一段子程序调用，十分不便。

在51系列单片机中，还有一条二进制转换成十进制调整指令DA，能将二进制变为BCD码，这对于十进制的计量十分方便。而在其他的单片机中，则也需调用专用的子程序才行。

Intel公司51系列单片机的典型产品是8051，片内有4KB的一次性可编程（OTP）存储器。Atmel公司就将其改为电可改写的闪速（Flash）存储器，允许改写1000次以上，这给编程和调试带来极大的便利，其AT89C51、AT89C52等产品成为了当今最流行的8位单片机。(www.xing528.com)

51系列单片机的I/O引脚的设置和使用非常简单，当该引脚作为输入引脚使用时，只需将该引脚设置为高电平（复位时，各I/O引脚均置高电平）。当该引脚作为输出引脚使用时，则为高电平或低电平均可。低电平时，吸入电流可达20mA，具有一定的驱动能力；而高电平时，输出电流仅数十微安甚至更小（电流实际上是由引脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力。其原因是高电平时，该引脚也同时作为输入引脚使用，而输入引脚必须具有高的输入阻抗，因而上拉的电流必须很小才行。作为输出引脚使用，欲进行高电平驱动时，得利用外电路来实现（见图2-4），I/O引脚不通，电流经R驱动发光二极管（LED）发光；低电平时，I/O引脚导通，电流由该引脚入地，LED熄灭（I/O引脚导通时对地的电压降小于1V，LED的阈值为1.5～1.8V）。

图2-4 I/O脚的高电平输出电路

51系列单片机I/O引脚使用简单，但高电平时无输出能力，可谓有利有弊。故其他系列的单片机（如PIC系列、AVR系列等）对I/O端口进行了改进，增加了方向寄存器，以确定输入或输出，但使用也变得复杂。

一些简装的51系列单片机产品也相应出现，如Atmel公司的AT89C1051、AT89C2051、AT89C4051等（闪速存储器分别为1KB、2KB、4KB等，但不能外接数据存储器），指令系统与AT89C51完全兼容，但引脚均为20个，不光体积小，而且价格低廉，这使得其他的公司竞相仿造。

不过，原51系列单片机也有许多值得改进之处，例如运行速度过慢等。当晶体振荡频率为12MHz时，机器周期达1μs，显然适应不了现代高速运行的需要。华邦（Winbond）公司生产的单片机产品型号有W77系列和W78系列。W78系列与AT89C系列完全兼容。W77系列为增强型，对原有的8051的时序作了改进，每个机器周期从12个时钟周期改为4个时钟周期，使速度提高了三倍，同时，晶体振荡频率最高可达40MHz。W77系列还增加了看门狗（Watchdog）定时器、两组通用异步收发器（UART）、两组数据指针（DPTR）、在线系统可编程（ISP）等多种功能。

特别是两组数据指针，能给编程带来很大的便利。在51系列单片机中，数据指针（DPTR）是片内与片外的数据存储器打交道的主要途径（由片外数据存储器读入片内累加器A或由片内累加器A写入片外数据存储器），也是程序存储器与累加器A之间的数据传送的必由之路。由于频繁的交换数据，特别是数据块的搬运和比较，数据指针非常吃紧，它需要不断地实施现场保护与还原，不光编程变得复杂，而且运行速度也减慢。而当采用两组数据指针时，可以各负其责，互不相扰，轻松地完成上述过程。两组数据指针的选取取决于特殊功能寄存器AUXR1的第D0位DPS。当DPS为0时，选中数据指针DPTR0（复位时DPS也为0）；DPS为1时，选中数据指针DPTR1。DPS位不能位寻址，故不能进行布尔操作，但由于AUXR1的D1位被强制为逻辑“0”，不可能发生由D0位向D1位的进位，因而可以通过对AUXR1进行增1来使D0位由0变为1或由1变为0，从而达到两组数据指针的快速切换的目的。

ISP功能能实现在系统可编程，可以省去通用的编程器，单片机在用户板上即可下载和烧录用户程序，而无需将单片机从生产好的产品上取下。未定型的程序还可以边生产边完善，加快了产品的开发速度，减少了新产品因软件缺陷带来的风险。由于可以将程序下载并观看运行结果，故也可以不用仿真器。

单片机的提速运行、两组DPTR及ISP功能并非是W77系列所特有的，一些新型的51系列产品大都有该功能，如Philips公司的51LPC系列、AT89系列中的某些型号、STC89C系列等。有的单片机还附有A/D转换、D/A转换、片内数据存储器（EEPROM）、PWM输出、I²C总线、上电复位检测、欠电压复位检测等，这些新系列的单片机，它们都兼容8051的指令系统。增强功能的实现，大都是由片内新增的特殊功能寄存器来进行设置，这些寄存器被安排在片内特殊功能寄存器区间（80～FFH）的预留地址上。

比较有代表性的产品还有STC89C51RC、C8051F331/330等。可以这么说，新的51系列单片机产品几乎可以涵盖所有新的功能。由于新型号的芯片种类太多，此处不可能一一列举，读者可根据使用的需求查阅相关的资料。