单片微型计算机
原理与接口技术
编著者 高锋
第一章
绪 论
1.1 单片微机的发展
1.1.1单片微机的概念
单片微机是单片微型计算机 SCMC（ Single Chip
Micro Computer） 的译名简称, 在国内也常简称为, 单片微
机, 或, 单片机, 。 它包括中央处理器 CPU,随机存储器
RAM,只读存储器 ROM,中断系统, 定时器 /计数器, 串行
口和 I/O等等 。
除了工业控制领域, 单片微机在家用电器, 电子玩具,
通信, 高级音响, 图形处理, 语言设备, 机器人, 计算机等
各个领域迅速发展 。 目前单片微机的世界年产量已达 100亿片,
而在中国大陆地区单片微机的年应用量已达 6亿片左右, 截止
2001年 4月, 由中国大陆地区自行设计和生产的单片微机也已
达到 2000万片 。
1970年微型计算机研制成功之后, 随着大规模集成电路的发
展又出现了单片微机, 并且按照不同的发展要求, 形成了二个独立
发展的分支 。 美国 Intel公司 1971年生产的 4位单片微机 4004和 1972
年生产的 8位单片微机 8008,特别是 1976年 MCS-48单片微机问世以
来, 在短短的二十几年间, 经历了四次更新换代, 其发展速度大约
每二三年要更新一代, 集成度增加一倍, 功能翻一番 。 发展速度之
快, 应用范围之广, 已达到了惊人的地步 。 它已渗透到生产和生活
的诸领域, 可谓, 无孔不入, 。
1976年 Intel公司首先推出 MCS－ 48系列单片微型计算机 。 它
包括计算机的三个基本单元, 已成为真正意义的单片微机, 为单片
微机的发展奠定了基础, 成为单片微机发展进程中的一个重要阶段 。
许多半导体公司和计算机公司争相研制和发展自己的单片
微机系列，有 Motorola公司的 6801,6802,Zilog公司的 Z－ 8系
列,Rockwell公司的 6501,6502等，此外，日本的 NEC公司、
日立公司及 EPSON公司等，也都相继推出了各具特色的单片微
机品种。
最具典型性的属 Intel公司的 MCS－ 51系列单片微机, 它
具有品种全, 兼容性强, 软硬件资料丰富等特点 。 直到现在
MCS－ 51仍不失为单片微机中的主流机型 。 由于 8位单片微机的
高性能价格比, 估计近十年内, 8位单片微机将仍是单片微机中
的主流机型 。
在 8位单片微机之后, 16位单片微机也有很大发展 。
1983年 Intel公司推出的 MCS－ 96系列单片微机 。 与 MCS－ 51相
比, MCS－ 96不但字长增加一倍, 而且还具有 4路或 8路的 10位
A/D 转换功能, 此外, 在其它性能方面也有一定的提高 。
飞利浦公司推出了与 80C51在源码级兼容性的 16位单片微机,
即 80C51XA(每一条 80C51指令可以 1∶ 1地被翻译成一条 XA指
令, 仅 XCHD指令除外 ),用户不需投入很大的软件开销和人员
就能较大的提高产品性能 。 80C51XA具有的高性能包括：执行
速度快, 支持高级语言 (比如 C语言 ), 支持实时多任务执行,
易于形成派生系列产品, 地址宽度可变 (用户可以方便地将外部
地址线宽度选定为 12位, 16位, 20位, 24位等等 。 在工业控制
产品, 高档智能仪表, 彩色复印机, 录像机等应用领域,
单片微机正朝多功能, 多选择, 高速度, 低功耗, 低价格, 扩大
存储容量和加强 I/O功能及结构兼容方向发展 。
⑴ 多功能
在单片微机中尽可能多的把应用系统中所需要的存储器,
各种功能的 I/O口都集成在一块芯片内, 即外围器件内装化, 如
把 LED,LCD或 VFD显示驱动器集成在 8位单片微机中, 如把
A/D,D/A,乃至多路模拟开关和采样 /保持器也集成在单片微机
芯片中, 从而成为名副其实的单片微机 。
⑵ 高性能
为了提高速度和执行效率, 在单片微机中开始使用 RISC
体系结构, 并行流水线操作和 DSP等的设计技术, 使单片微机的
指令运行速度得到大大提高, 其电磁兼容等性能明显地优于同类
型的微处理器 。
⑶ 全盘 CMOS化趋势
单片微机采用二种半导体工艺生产, HMOS工艺即高密
度短沟道 MOS工艺, 具有高速度和高密度； CHMOS工艺即互
补金属氧化物的 HMOS工艺, 除具有 HMOS的优点外, 还具有
CMOS工艺的低功耗特点 。 如 8051的功耗为 630mw,而 80C51
的功耗仅 120mw。
从第三代单片微机起开始淘汰非 CMOS工艺 。
⑷ 推行串行扩展总线
推行串行扩展总线可以显著减少引脚数量, 简化系统结
构 。 随着外围器件串行接口的发展, 单片微机的串行接口的普
遍化, 高速化, 使得并行扩展接口技术日渐衰退 。
推出了删去了并行总线的非总线单片微机, 需要外扩器
件 (存储器, I/O等 ) 时, 采用串行扩展总线, 甚至用软件虚拟
串行总线来实现 。
由于集成度的进一步提高, 有的单片微机的寻址能力已
突破 64KB的限制, 8位, 16位的单片微机有的寻址能力已达到
1MB和 16 MB。 片内 ROM的容量可达 62 KB,RAM的容量可
达 2KB。
1.2 80C51系列单片微机
8051是美 INTEL公司在 1980年推出的 MCS-51系列的第一
个成员,MCS是 INTEL公司的注册商标。其它公司生产的以
8051为核心单元的其它派生单片微机却不能称为 MCS-51系列，
只能称为 8051系列。 8051系列泛指所有公司（也包括 INTEL公司）
生产的以 8051为核心单元的所有单片微机。
80C51系列包括 Intel公司的 MCS-51，又包括了以 8051为核
心单元的世界许多公司生产的单片微机，比如 PHILIPS(飞利浦
公司 ) 的 83C552及 51LPC系列等,SIEMENS(西门子公司 ) 的
SAB80512等,AMD(先进微器件公司 ) 的 8053等,OKI(日本冲电
气公司 ) 的 MSM80C154等,ATMEL公司的 Flash单片微机 89C51
等,DALLAS公司的 DS5000/DS5001等、华邦公司的 W78C51及
W77C51等。
从 MCS－ 48单片微机发展到如今的新一代单片微机, 大
致经历了三代 。 如以 Intel 8位单片微机为例,
第一代：以 MCS－ 48系列单片微机为代表 。 属于低性能
单片微机阶段 。
第二代：以 MCS－ 5l系列的 8051,8052单片微机为代表。
主要的技术特征是为单片微机配置了完善的外部并行总
线（ AB,DB,CB） 和具有多机识别功能的串行通信接口
（ UART）,规范了功能单元的特殊功能寄存器（ SFR） 控制
模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统，为发展具
有良好兼容性的新一代单片微机奠定了良好的基础。
第三代：以 80C51系列单片微机为代表 。
它包括了 Intel公司发展 MCS－ 51系列的新一代产品, 如
8XC152,80C51FA/FB,80C5lGA/GB石 XC451,8XC452,还
包括了 Phlips,Siemens,ADM,Fujutsu,OKI,ATMEL等
公司以 80C51为核心推出的大量各具特色, 与 MCS－ 51兼容的
单片微机 。
部分厂家所生产的 80C51系列或与之相兼容的单片微机
的特点列于 表 1－ l,表 1一 2及 表 1一 3中 。
80C51系列单片微机保留了 MCS－ 51的所有特性, 内部
组成基本相同 。 80C51系列增设了两种可以用软件进行选择的
低功耗工作方式：空闲方式和掉电方式 。
87C51是 80C51含 EPROM的产品, 89C51是 80C51含
EEPROM的产品 。 新一代的 80C51系列除了上述的结构特性外,
还向外部电路扩展, 有的公司型号配备了串行扩展线, 比如芯
片间的总线 (飞利浦公司的 I2C总线 ), 设备间网络系统总线
(CAN总线 ) 等, 为外部提供了完善的总线结构 。 采用总线 方
式的应用系统多属较复杂的工控系统, 智能仪表, 监测系统,
或满足这些应用而构成的多机与网络系统 。 总线方式的单片微
机在不使用外部并行总线时, 外部并行总线引脚可作为 I/O口
用 。 在掩膜用户程序时, 还可要求将这些 I/O口改造成具有各
种驱动能力的 I/O口 。 根据应用的需要, 部分产品对总线结构
作了重大改进, 推出了非总线型单片微机, 其对外部不存在并
行三总线 (AB,DB,CB), 必要时可以通过串行总线进行扩展 。
1.3单片微机的应用
按照所使用单片微机的类型不同，单片微机应用系统结
构可分成总线方式和非总线方式。
在总线方式的应用系统中, 单片微机具有完善的外部扩
展总线, 如并行总线 （ AB,DB,CB）, 串行通信总线 （ 如
UART）, 通过这些总线可方便地扩展外围单元, 外设接口等 。
总线方式的单片微机在不使用外部并行总线时, 外部并行总线
引脚可作为 I/O口用 。
非总线方式的应用系统 （ 如 80C51系列中的 83C751、
87C751,83C752,WC752,Motorola 的 MC68HC05系列中的
许多产品 ） 省去了外部并行总线, 可构成各种小封装芯片, 有
限的引脚 可提供更多的用户 I/O口 。
l, 家用电器领域
国内各种家用电器已普遍采用单片微机控制取代传统的控
制电路, 做成单片微机控制系统, 如洗衣机, 电冰箱, 空调机,
微波炉, 电饭堡, 电视机, 录像机及其它视频音像设备的控制
器 。
2,办公自动化领域
比如一台 PC机可能嵌入了 10个单片微机, 如控制键盘,
鼠标, 显示器, CD-ROM,声卡, 打印机, 软 /硬盘驱动器, 调
制解调器等 。
现代办公室中所使用的大量通信, 信息产品, 如绘图仪,
复印机, 电话, 传真机等, 多数都采用了单片微机 。
3,工业自动化领域的在线应用
如工业过程控制, 过程监测, 工业控制器及机电一体化
控制系统等, 许多都是以单片微机为核心的单机或多机网络系
统 。 如工业机器人的控制系统是由中央控制器, 感觉系统, 行
走系统, 擒拿系统等节点构成的多机网络系统 。 而其中每一个
小系统都是由单片微机进行控制的 。
4,智能仪器仪表与集成智能传感器领域
应用单片微机来对传统的仪器仪表行业的产品进行
,更新换代,, 提供了非常理想的的条件 。 目前各种变送器,
电气测量仪表普遍采用单片微机应用系统替代传统的测量系统,
使测量系统具有各种智能化功能, 如存储, 数据处理, 查找,
判断, 联网和语音功能等 。
5,汽车电子与航空航天电子系统
通常在这些电子系统中的集中显示系统, 动力监测控制
系统, 自动驾驭系统, 通信系统以及运行监视器 （ 黑匣子 ） 等,
都要构成冗余的网络系统 。 比如一台 RMW-7系列宝马轿车就用
了 63个单片微机 。
单片微机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计
思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部
分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现了。这
种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微
控制技术。这标志着一种全新概念的建立。
1.4 本教程的教学安排
80C51硬件结构简洁明了、特殊功能寄存器功能规范、
软件指令系统易于掌握，是一种既便于讲授又便于学习、理解
和掌握的单片微机。本书以 80C51系列为典型，来介绍单片微
机硬件结构和软件知识。硬件知识则是指 80C51的硬件资源，
如 I/O口、定时器 /计数器、中断系统等。软件知识是指 80C51
的寻址方式、指令系统以及程序设计等。
在本教材中有较多的例子，叙述比较详细。本教程总的
参考教学时数为 60学时～ 70学时，其中上课时间为 50～ 60学时，
实验上机时间为 12～ 18学时。
表 1–1 Philips公司 80C51系列的部分单片微机
表 1–2 ATMEL公司 89C51系列的部分单片微机
表 1–3 华邦公司 W78C51和 W77C51系列的部分单片微机
原理与接口技术
编著者 高锋
第一章
绪 论
1.1 单片微机的发展
1.1.1单片微机的概念
单片微机是单片微型计算机 SCMC（ Single Chip
Micro Computer） 的译名简称, 在国内也常简称为, 单片微
机, 或, 单片机, 。 它包括中央处理器 CPU,随机存储器
RAM,只读存储器 ROM,中断系统, 定时器 /计数器, 串行
口和 I/O等等 。
除了工业控制领域, 单片微机在家用电器, 电子玩具,
通信, 高级音响, 图形处理, 语言设备, 机器人, 计算机等
各个领域迅速发展 。 目前单片微机的世界年产量已达 100亿片,
而在中国大陆地区单片微机的年应用量已达 6亿片左右, 截止
2001年 4月, 由中国大陆地区自行设计和生产的单片微机也已
达到 2000万片 。
1970年微型计算机研制成功之后, 随着大规模集成电路的发
展又出现了单片微机, 并且按照不同的发展要求, 形成了二个独立
发展的分支 。 美国 Intel公司 1971年生产的 4位单片微机 4004和 1972
年生产的 8位单片微机 8008,特别是 1976年 MCS-48单片微机问世以
来, 在短短的二十几年间, 经历了四次更新换代, 其发展速度大约
每二三年要更新一代, 集成度增加一倍, 功能翻一番 。 发展速度之
快, 应用范围之广, 已达到了惊人的地步 。 它已渗透到生产和生活
的诸领域, 可谓, 无孔不入, 。
1976年 Intel公司首先推出 MCS－ 48系列单片微型计算机 。 它
包括计算机的三个基本单元, 已成为真正意义的单片微机, 为单片
微机的发展奠定了基础, 成为单片微机发展进程中的一个重要阶段 。
许多半导体公司和计算机公司争相研制和发展自己的单片
微机系列，有 Motorola公司的 6801,6802,Zilog公司的 Z－ 8系
列,Rockwell公司的 6501,6502等，此外，日本的 NEC公司、
日立公司及 EPSON公司等，也都相继推出了各具特色的单片微
机品种。
最具典型性的属 Intel公司的 MCS－ 51系列单片微机, 它
具有品种全, 兼容性强, 软硬件资料丰富等特点 。 直到现在
MCS－ 51仍不失为单片微机中的主流机型 。 由于 8位单片微机的
高性能价格比, 估计近十年内, 8位单片微机将仍是单片微机中
的主流机型 。
在 8位单片微机之后, 16位单片微机也有很大发展 。
1983年 Intel公司推出的 MCS－ 96系列单片微机 。 与 MCS－ 51相
比, MCS－ 96不但字长增加一倍, 而且还具有 4路或 8路的 10位
A/D 转换功能, 此外, 在其它性能方面也有一定的提高 。
飞利浦公司推出了与 80C51在源码级兼容性的 16位单片微机,
即 80C51XA(每一条 80C51指令可以 1∶ 1地被翻译成一条 XA指
令, 仅 XCHD指令除外 ),用户不需投入很大的软件开销和人员
就能较大的提高产品性能 。 80C51XA具有的高性能包括：执行
速度快, 支持高级语言 (比如 C语言 ), 支持实时多任务执行,
易于形成派生系列产品, 地址宽度可变 (用户可以方便地将外部
地址线宽度选定为 12位, 16位, 20位, 24位等等 。 在工业控制
产品, 高档智能仪表, 彩色复印机, 录像机等应用领域,
单片微机正朝多功能, 多选择, 高速度, 低功耗, 低价格, 扩大
存储容量和加强 I/O功能及结构兼容方向发展 。
⑴ 多功能
在单片微机中尽可能多的把应用系统中所需要的存储器,
各种功能的 I/O口都集成在一块芯片内, 即外围器件内装化, 如
把 LED,LCD或 VFD显示驱动器集成在 8位单片微机中, 如把
A/D,D/A,乃至多路模拟开关和采样 /保持器也集成在单片微机
芯片中, 从而成为名副其实的单片微机 。
⑵ 高性能
为了提高速度和执行效率, 在单片微机中开始使用 RISC
体系结构, 并行流水线操作和 DSP等的设计技术, 使单片微机的
指令运行速度得到大大提高, 其电磁兼容等性能明显地优于同类
型的微处理器 。
⑶ 全盘 CMOS化趋势
单片微机采用二种半导体工艺生产, HMOS工艺即高密
度短沟道 MOS工艺, 具有高速度和高密度； CHMOS工艺即互
补金属氧化物的 HMOS工艺, 除具有 HMOS的优点外, 还具有
CMOS工艺的低功耗特点 。 如 8051的功耗为 630mw,而 80C51
的功耗仅 120mw。
从第三代单片微机起开始淘汰非 CMOS工艺 。
⑷ 推行串行扩展总线
推行串行扩展总线可以显著减少引脚数量, 简化系统结
构 。 随着外围器件串行接口的发展, 单片微机的串行接口的普
遍化, 高速化, 使得并行扩展接口技术日渐衰退 。
推出了删去了并行总线的非总线单片微机, 需要外扩器
件 (存储器, I/O等 ) 时, 采用串行扩展总线, 甚至用软件虚拟
串行总线来实现 。
由于集成度的进一步提高, 有的单片微机的寻址能力已
突破 64KB的限制, 8位, 16位的单片微机有的寻址能力已达到
1MB和 16 MB。 片内 ROM的容量可达 62 KB,RAM的容量可
达 2KB。
1.2 80C51系列单片微机
8051是美 INTEL公司在 1980年推出的 MCS-51系列的第一
个成员,MCS是 INTEL公司的注册商标。其它公司生产的以
8051为核心单元的其它派生单片微机却不能称为 MCS-51系列，
只能称为 8051系列。 8051系列泛指所有公司（也包括 INTEL公司）
生产的以 8051为核心单元的所有单片微机。
80C51系列包括 Intel公司的 MCS-51，又包括了以 8051为核
心单元的世界许多公司生产的单片微机，比如 PHILIPS(飞利浦
公司 ) 的 83C552及 51LPC系列等,SIEMENS(西门子公司 ) 的
SAB80512等,AMD(先进微器件公司 ) 的 8053等,OKI(日本冲电
气公司 ) 的 MSM80C154等,ATMEL公司的 Flash单片微机 89C51
等,DALLAS公司的 DS5000/DS5001等、华邦公司的 W78C51及
W77C51等。
从 MCS－ 48单片微机发展到如今的新一代单片微机, 大
致经历了三代 。 如以 Intel 8位单片微机为例,
第一代：以 MCS－ 48系列单片微机为代表 。 属于低性能
单片微机阶段 。
第二代：以 MCS－ 5l系列的 8051,8052单片微机为代表。
主要的技术特征是为单片微机配置了完善的外部并行总
线（ AB,DB,CB） 和具有多机识别功能的串行通信接口
（ UART）,规范了功能单元的特殊功能寄存器（ SFR） 控制
模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统，为发展具
有良好兼容性的新一代单片微机奠定了良好的基础。
第三代：以 80C51系列单片微机为代表 。
它包括了 Intel公司发展 MCS－ 51系列的新一代产品, 如
8XC152,80C51FA/FB,80C5lGA/GB石 XC451,8XC452,还
包括了 Phlips,Siemens,ADM,Fujutsu,OKI,ATMEL等
公司以 80C51为核心推出的大量各具特色, 与 MCS－ 51兼容的
单片微机 。
部分厂家所生产的 80C51系列或与之相兼容的单片微机
的特点列于 表 1－ l,表 1一 2及 表 1一 3中 。
80C51系列单片微机保留了 MCS－ 51的所有特性, 内部
组成基本相同 。 80C51系列增设了两种可以用软件进行选择的
低功耗工作方式：空闲方式和掉电方式 。
87C51是 80C51含 EPROM的产品, 89C51是 80C51含
EEPROM的产品 。 新一代的 80C51系列除了上述的结构特性外,
还向外部电路扩展, 有的公司型号配备了串行扩展线, 比如芯
片间的总线 (飞利浦公司的 I2C总线 ), 设备间网络系统总线
(CAN总线 ) 等, 为外部提供了完善的总线结构 。 采用总线 方
式的应用系统多属较复杂的工控系统, 智能仪表, 监测系统,
或满足这些应用而构成的多机与网络系统 。 总线方式的单片微
机在不使用外部并行总线时, 外部并行总线引脚可作为 I/O口
用 。 在掩膜用户程序时, 还可要求将这些 I/O口改造成具有各
种驱动能力的 I/O口 。 根据应用的需要, 部分产品对总线结构
作了重大改进, 推出了非总线型单片微机, 其对外部不存在并
行三总线 (AB,DB,CB), 必要时可以通过串行总线进行扩展 。
1.3单片微机的应用
按照所使用单片微机的类型不同，单片微机应用系统结
构可分成总线方式和非总线方式。
在总线方式的应用系统中, 单片微机具有完善的外部扩
展总线, 如并行总线 （ AB,DB,CB）, 串行通信总线 （ 如
UART）, 通过这些总线可方便地扩展外围单元, 外设接口等 。
总线方式的单片微机在不使用外部并行总线时, 外部并行总线
引脚可作为 I/O口用 。
非总线方式的应用系统 （ 如 80C51系列中的 83C751、
87C751,83C752,WC752,Motorola 的 MC68HC05系列中的
许多产品 ） 省去了外部并行总线, 可构成各种小封装芯片, 有
限的引脚 可提供更多的用户 I/O口 。
l, 家用电器领域
国内各种家用电器已普遍采用单片微机控制取代传统的控
制电路, 做成单片微机控制系统, 如洗衣机, 电冰箱, 空调机,
微波炉, 电饭堡, 电视机, 录像机及其它视频音像设备的控制
器 。
2,办公自动化领域
比如一台 PC机可能嵌入了 10个单片微机, 如控制键盘,
鼠标, 显示器, CD-ROM,声卡, 打印机, 软 /硬盘驱动器, 调
制解调器等 。
现代办公室中所使用的大量通信, 信息产品, 如绘图仪,
复印机, 电话, 传真机等, 多数都采用了单片微机 。
3,工业自动化领域的在线应用
如工业过程控制, 过程监测, 工业控制器及机电一体化
控制系统等, 许多都是以单片微机为核心的单机或多机网络系
统 。 如工业机器人的控制系统是由中央控制器, 感觉系统, 行
走系统, 擒拿系统等节点构成的多机网络系统 。 而其中每一个
小系统都是由单片微机进行控制的 。
4,智能仪器仪表与集成智能传感器领域
应用单片微机来对传统的仪器仪表行业的产品进行
,更新换代,, 提供了非常理想的的条件 。 目前各种变送器,
电气测量仪表普遍采用单片微机应用系统替代传统的测量系统,
使测量系统具有各种智能化功能, 如存储, 数据处理, 查找,
判断, 联网和语音功能等 。
5,汽车电子与航空航天电子系统
通常在这些电子系统中的集中显示系统, 动力监测控制
系统, 自动驾驭系统, 通信系统以及运行监视器 （ 黑匣子 ） 等,
都要构成冗余的网络系统 。 比如一台 RMW-7系列宝马轿车就用
了 63个单片微机 。
单片微机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计
思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部
分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现了。这
种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微
控制技术。这标志着一种全新概念的建立。
1.4 本教程的教学安排
80C51硬件结构简洁明了、特殊功能寄存器功能规范、
软件指令系统易于掌握，是一种既便于讲授又便于学习、理解
和掌握的单片微机。本书以 80C51系列为典型，来介绍单片微
机硬件结构和软件知识。硬件知识则是指 80C51的硬件资源，
如 I/O口、定时器 /计数器、中断系统等。软件知识是指 80C51
的寻址方式、指令系统以及程序设计等。
在本教材中有较多的例子，叙述比较详细。本教程总的
参考教学时数为 60学时～ 70学时，其中上课时间为 50～ 60学时，
实验上机时间为 12～ 18学时。
表 1–1 Philips公司 80C51系列的部分单片微机
表 1–2 ATMEL公司 89C51系列的部分单片微机
表 1–3 华邦公司 W78C51和 W77C51系列的部分单片微机
