AVR单片机与MCS-51的应用实例

单片机嵌入式系统的硬件部分包括单片机（或单片微控制器）和外围的接口电路。其中单片机是构成单片机嵌入式系统的核心。

为了强调单片机控制属性，也可以把单片机称为微控制器MCU。在国际上，“微控制器”的叫法似乎更通用一些，而我国比较习惯使用“单片机”这一名称。单片机由于将计算机的主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理单元CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要微型机部件集成在一块芯片上。因此，一片芯片构成了一个基本的微型计算机系统。

由于单片机芯片体积小、成本低和面向控制设计等特点，从而被广泛应用于工业控制、智能仪器仪表、家用电器、电子通信产品等领域。可以说以单片机为核心的嵌入式系统已成为现代电子系统中最重要的组成部分。

早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是Intel的8031，因为简单可靠且性能不错，获得了广泛的好评。此后在8031上发展出了MCS-51系列单片机系统。基于这一系统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年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着Inteli960系列特别是后来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。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，因此8位单片机将在未来很长时间里继续发展。

目前高校单片机教学中大都以MCS-51为首选机型进行讲解，MCS-51单片机为目前最具代表性的主流机型，然而，随着单片机的应用进入SOC（System On Chip）时代，其不足和缺陷也显而易见。这些缺陷和不足表现在以下方面。

1）单片机上资源不够丰富。

2）系统开发调试不足。

●连接问题：设计系统的PCB时要考虑在线仿真器与其的连接，否则无法进行总线调试。

●时序限制：目标系统在设计时要求在处理器、目标内存或目标系统中的其他存储器映射FO设备之间有非常陡的时序边缘，使用在线仿真器可能会产生问题。

●在线调试时工作频率受限：在仿真调试中的工作频率不高于20MHz。

3）功耗较大。

MCS-51是由5V电源供电的，功耗较大，难以满足许多系统低功耗的要求。

AVR单片机是美国ATMEL公司设计的，AVR单片机对原MCS-51单片机内核进行了较大改造，采用精简指令集RISC（Reduced Instruction Set Computing）的AVR结构，废除了原MCS-51单片机中的机器周期，由原来12个时钟执行一条指令改进为一个时钟执行一条单周期指令，大多数指令执行所需的时钟周期数与指令的字节数相同，使得AVR单片机的运行速度大大提高。

AVR单片机的设计者除了改造MCS-51内核外，还将Flash、EEPROM、A/D、RTC、Watchdog、定时器、I²C、SPI、PWM和片内振荡器等集合为一体，可以真正做到单片。AVR单片机兼容MCS-51指令集，能够沿用过去开发的MCS-51应用程序，使得一直用MCS-51单片机教学的高校和从事MCS-51单片机开发应用者可以在原有基础上继续工作。

AVR技术创新主要体现在以下方面。(www.xing528.com)

●高性能，采用精简指令集（RISC）和哈佛（Harvard）结构的流水线技术，拥有32个通用工作寄存器。

●片内集成了非易失性程序、数据存储器，以及工作存储器。

●丰富的外设，如I²C、SPI、EEPROM、RTC、看门狗定时器、A/D转换器、PWM和片内振荡器等。

●宽工作电压：1.8～6V。

●低功耗：具有6种休眠模式，能够从低功耗模式迅速唤醒。

●编译好的目标文件可通过在线编程（ISP）直接写入程序存储器，实现芯片在系统编程调试，无需购买昂贵的仿真器和编程器，从而节省了系统开发成本。

●输入输出口资源丰富，设计灵活，驱动力强。

●具有多复位源、多中断源方式。

●串口通信不占用定时器，采用独特的波特率发生器。

●保密性强，Flash程序存储器具有保密锁死功能。

由于AVR单片机具有上述这些优点，给用户带来了前所未有的好处。越来越多的设计人员把目光转向AVR单片机，把AVR单片机作为8位单片机的最佳选择，从而使AVR单片机的应用领域进一步扩大。

ATmega系列单片机属于AVR中的高档产品，它具有AVR单片机所具有的特点，并在此基础上，增加了更多的接口功能，提供更充足的程序和数据存储器，而且在省电性能、稳定性、抗干扰性以及灵活性方面考虑得更加周全和完善。本书以ATmega16单片机为例进行讲解，它属于ATmega系列单片机的一个子集（ATmega32/64/128），指令系统完全兼容，学会了ATmega16的应用技术，掌握其他的ATmega系列单片机就会驾轻就熟。

随着单片机技术的发展，ATmega系列单片机已成为MCS-51的升级替代产品，那么必然会成为经典单片机教学的方向。