第章单片机技术概述及单
片机芯片 ATC
第 2 章单片机技术概述及单片机芯片 AT89C51
单片机技术概述
单片机简介
单片机是壹种集成电路芯片，采集超大规模集成电路技术把具有数据处理能
力（如算数运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微型处理器,随机存取数
据存储器（RAM）、只读程序存储器（ROM）、输入/输出电路（I/O）,可能仍包
括定时/计数器、串行通信口（SCI）、显示驱动电路（LCD或 LED驱动电路）、
脉宽调制电路（PWM）、模拟多路转化器及 A/D转化器等电路集成到壹片芯片上，
构成壹个最小而又完善的计算机系统。这些电路能于软件的控制下准确、迅速、
高效的完成程序设计者事先规定的任务。
由此见来，单片机有着微处理器所不具备的功能，它能够单独地完成现代工
业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。
然而单片机又不同于单板机，芯片于没有开发前，它只是具备功能极强的超
大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是壹个最小的完整的微型计算机
控制系统，它和单板机或个人电脑（PC）有着本质的区别。单片机的应用属于芯
片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统，以及其它集成电路应用
技术和系统设计所需的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该
芯片具备特定的功能。
不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相
同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解
该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包
括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中
得到。软件特性是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片
机的寻址方式、数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。
开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件（包括可支持开发应用程
序的软件资料）及硬件资料。要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其
结构特性和技术特性是必需的。
单片机的应用极为广泛，它涉及智能仪器仪表、工业控制、计算机网络和通
信以及医用设备等领域。它以无和伦比的高性能、低价位赢得了广大电子开发者
的喜爱。
单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的
是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想，是控制技术的壹次革命，是
壹个重要的里程碑。
单片机发展简介
单片机诞生于 20世纪 70年代。所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中
央处理单元（CenterProcessingUnit,CPU）和数据存储器、程序存储器及其 I/O
通信口集成于壹块芯片上，构成壹个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上
了中断单元、定时单元及 A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能
越来越强大，应用更广泛。
20世纪 70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时
期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处于初级的发展阶段，元件集成规模
仍比较小，功能比较简单，壹般均把 CPU、RAM，有的仍包括了壹些简单的 I/O口
集成到芯片上，像 Farichild公司就属于这壹类型，它仍需配上外围的其他处理
电路才构成完整的计算系统。类似的单片机仍有 Zilog公司的 Z80处理器。
1976年 Inter公司推出了 MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的 8
位单片微型计算机，且推向市场。它以体积小、功能全、价格低赢得了广泛的应
用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。于 MCS-48
的带领下，其后，各半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，像 Zilog公司
的 Z8系列。到了 20世纪 80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，像 Inter
公司的 MCS-51系列，Motorola公司的 6801和 6802系列，Rockwell公司的 6501
及 6502系列等，此外，日本的著名电气公司 NEC和 HITACHI均相继开发了具有
自己特色的专用单片机。
20世纪 80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多，功能强的单片机，约
有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、
RAM、ROM、数目繁多的 I/O接口、多种中断系统，甚至仍有壹些带 A/D转换器的
单片机。
单片机的分类
目前，单片机技术已经十分成熟，单片机产品也种类繁多，性能各异。通常
可按照指令集、制造工艺、片内存储器和所能处理的数据宽度等几个方面的差异
来对单片机进行分类。
1、按指令集分类
单片机中的中央处理器是依靠指令来计算和控制整个系统的，中央处理器于
设计时就规定了壹系列和其硬件电路相配合的指令系统。指令集，顾名思义就是
中央处理器于指令的集合。单片机从指令集的角度可分为 CISC(复杂指令集)单片
机和 RISC(精简指令集)单片机俩大类。
CISC单片机内部结构是传统的冯.诺依曼（vonNeumannarchitecture）型结
构，该结构中数据和指令共同使用同壹条总线进行传输。CISC单片机的指令丰富，
功能较强。但这类单片机中，指令和数据的传输操作不能同时进行，工作速度将
受到壹定的限制，而且价格也相对较高。
RISC单片机的内部结构是新型的哈佛（Harvard）型结构，即双总线型结构。
这种结构的单片机内部，指令总线和数据总线分离，使得指令和数据的传输能够
同时进行，从而提高了单片机的运行速度。
壹般于控制关系比较简单的小型电路中可使用 RISC单片机，而于控制关系
复杂的环境中应采用 CISC单片机。
2、按制造工艺分类
按芯片的制造工艺，可将单片机分为 HMOS工艺和 CHOMS工艺俩大类。HMOS
工艺是指高密度短沟道的 MOS（金属氧化物半导体）工艺，采用这种工艺制造出
的芯片具有高速度和高密度的特点；CHMOS工艺是指互补金属氧化物的 HMOS工艺，
采用这种工艺制造出的芯片除了具有 HMOS型芯片的特点外，仍具有低功耗的特
点。
通常型号中带有“C”字样的单片机为 CHMOS型，其余则为 HMOS型。例如 8051
单片机就是 HMOS型，而 80C51则是 CHMOS型。
3、按片内程序存储器分类
单片机是通过指令程序来控制各种电路的，这种指令程序存储于程序存储器
中。单片机内部的程序存储器称为片内程序存储器，按照片内存储器的结构，可
将单片机分为：片内无 ROM型、片内带掩膜 ROM型、片内 EPROM型、片内壹次可
编程型、片内带 Flash型等。下面对该分类中所出现的技术名词进行解释。
ROM是只读存储器的缩写，这种存储器中的内容通过特殊方法写入后就不
能随意更新，但能够随时读取，而且断电后 ROM中的内容仍然会被保留。
掩膜是壹种半导体制造工艺，壹般 ROM中的内容是能够通过特殊方法来改
变的，而掩膜 ROM中的内容则于出厂前写好后就无法改变。
EPROM是可擦写、可编程的只读存储器（ErasableProgrammableRead_OnlyM
emory）的缩写，它是壹种能够重复利用的 ROM。
壹次可编程（OneTimeProgram，OTP），是指仅允许用户完成壹次写入操
作。
Flash是闪速存储器，简称闪存，是壹种可擦写、可编程的 ROM。Flash
内部包含 IOS（壹种为国际互联服务的操作系统）及微代码。和 EPROM相
比，Flash的存储速度更快。
4、按所能处理的数据宽度分类
按照 CPU壹次可处理的数据宽度（数据的二进制位数），单片机可分为 4位
机、8位机、16 位机、32位机和 64位机。目前应用最广，需求量最大的机型是 4
位机和 8位机。
常用单片机简介
目前，市场上常见的单片机主要有以下几个系列。
如图 2-1所示是各类芯片
图 2-1各类芯片
1、51系列单片机
MCS_51系列单片机由 Intel公司生产，其中 8051 是壹系列的典型代表。8051
单片机推出后，很多公司均购买了它的内核，使得以 8051为内核的微控制器系
列单片机于全世界的产量最大，应用也最为广泛。有人推测 8051可能最终形成
世界上的标准 MCU芯片。
2、AVR系列单片机
1997年，ATMEL公司为了充分发挥其 Flash的技术优势，推出了全新配置的
精简指令集单片机，简称 AVR。该系列单片机壹进入市场，就以其卓越的性能大
受欢迎。
3、Motorola单片机
Motorola是世界上最大的单片机厂商。和 Intel单片机相比，Motorola单
片机的高频噪声低，抗干扰能力强，更适合工作于恶劣的环境。
4、PIC系列单片机
PIC系列单片机 Microchip公司的产品，其突出的特点是体积小，功耗低，
精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好。于壹
些小型的应用中，比传统的 51单片机更加灵活，因而也得到了广泛的应用。
5、MDT20XX系列单片机
MDT20XX系列是由 Micon公司生产的工业级 OTP（壹次性可编程）单片机，
该系列单片机和 PIC系列的管脚壹致。我国海尔集团的电冰箱控制器、TCL的通
信产品就采用这种单片机。
6、SX系列单片机
SX系列单片机是 8位 RISC结构的单片机，由 Scenix公司推出。SX系列单
片机和 Intel公司的 PentiumⅡ等壹起被《ElectronicIndustryYearbook1998》
（电子工业年鉴 1998）评选为 1998年世界十大处理器。SX系列单片机采用双时
钟设置，其指令运行速度可达 50/75/100MIPS(MIPS指每秒执行百万条指令)。
7、SMC系列单片机
EPSON公司生产的 SMC系列单片机以低电压、低功耗和内置 LCD（液晶显示
器）驱动器特点而受到市场的欢迎，其广泛应用于工业控制、医疗设备、家用电
器、仪器仪表、通信设备和手持式消费类产品等领域。
8、Z8系列单片机
Z8系列单片机是 Zilog公司的产品，该系列单片机的开发工具价廉物美，价
格便宜，主要面向低端应用。
通过之上单片机的简介，8051单片机的于应用领域已经很运用的的很广泛，
其 8051单片机的微控制器比其它的单片机功能强大。其中也包括 AT89C51系列
的单片机，它能够适用于很多领域的应用。
单片机的应用领域
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，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，计算机的网络通讯和数据传
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，以及程控玩
具、电子宠物等等，这些均离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智
能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发和应用将造就壹批计算机应用
和智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用
设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个
范畴：
1、于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、元素、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，且功能比起
采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分
析仪）。
2、于工业控制中的应用
用单片机能够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，和计算机联网构成二级控制系统
等。
3、于家用电器中的应用
能够这样说，当下的家用电器基本上均采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣
机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，
无所不于。
4、于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，能够很方便地和计算机进行数据通信，为
于计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，当下的通信设备基本
上均实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信
呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，
无线电对讲机等。
5、单片机于医用设备领域中的应用
单片机于医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监
护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
6、于各种大型电器中的模块化应用
某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而于各种电路中进行模块化应用，
而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，见似简单的功能，微缩
于纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。
如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于 ROM），由微控制器读出，转化
为模拟音乐电信号（类似于声卡）。于大型电路中，这种模块化应用极大地缩小
了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。
7、单片机于汽车设备领域中的应用
单片机于汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于 CAN
总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，ABS防抱死系统，制动系统
等等。
此外，单片机于工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域均有着十分
广泛的用途。
单片机的组成结构
单片机的引脚结构
常见的 8051单片机芯片壹般为 PDID封装（壹种芯片封装模式），这种芯片
上共有 40个引脚，各个引脚的名称如图 2-2所示。
图 2-28051单片机的引脚结构
单片机的内部结构
8051单片机的内部结构包含中央处理器、程序存储器、数据存储器、定时/
计数器、且行接口、串行接口和中断系统等几大模块，同时仍包含数据总线、地
址总线和控制总线等三大总线，如图 2-3所示。
图 2-38051单片机的内部结构
1、中央处理器
中央处理器是整个 8051单片机的核心部件，它是 8位数据宽度的处理器，
即能够壹次处理 8位（以下均指二进制位）的数据或代码。中央处理器负责控制、
指挥和调度整个单片机系统，使各部分器件协调工作，且完成壹些运算功能。
于中央处理器内部含有很多寄存器，这些寄存器拥有非常高的读写速度，这
些寄存器用于缓存壹些状态变量或计算机的中间变量，于寄存器之间的数据传送
速度非常快。
2、数据存储器
8051单片机的内部仍有壹个容量为 256字节的片内数据存储器。其中有 128
个字节作为特殊功能寄存器，这些寄存器和单片机的各部件直接关联：其余 128
个字节的空间可用于存放用户数据，或壹些计算时的中间变量。
当 8051单片机的片内数据存储器的容量无法满足开发要求时，仍可通过引
脚外接容量为 64KB的片内数据存储器。
3、程序存储器(ROM)
8051单片机的芯片内部设置了 4KB的片内程序存储器，用于存放指令程序及
壹些原始数据。和数据存储器相同，8051单片机也能够通过引脚外接片外程序存
储器。
4、定时/计数器
8051单机中有俩个 16位的可编程定时/计数器，它们可用来实现定时或计数
功能。
5、且行输入输出（I/O）口
8位且行传输是指利用 8条线路同时传送每个字节信号的 8个二进制位（壹
个字节等于 8个二进制位）。8051单片机中，共有 4个 8位且行 I/O接口，分别
是 P0口（引脚 —）、P1口（引脚 —）、P2口（引脚 —
）、P3口（引脚 —）。这些 I/O接口用于单片机和外部电路的数
据传送。
6、全双工串行口
串行输出是指用壹条线路逐位的传送每个字节信号的各个二进制位，全双工
串行传输是指用俩条串行线路来实现同时双向地传输数据，即 A向 B发送信息的
同时，B也能够向 A发送信息。8051单片机内置壹个全双工串行通讯口，用于和
其他设备间的串行数据传送。
7、时钟电路
8051内置了壹个时钟电路，其最高频率可达 12MHz。时钟电路用于产生单片
机运行所需的脉冲时序。8051单片机的时钟电路正常工作，需要通过引脚外接振
荡电容。8051单片机也能够通过引脚直接外接时钟电路。
的结构和性能
AT89C51是美国 ATMEL公司生产的低电压、高性能 CMOS8位单片机，片内含 4KB
的可反复擦写的程序存储器和 128B的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用 Atme
l公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51指令系统，片内配置
通用 8位中央处理器（CPU）和 Flash存储单元，功能强大的 AT89C51单片机可
灵活应用于各种控制领域。
主要性能参数
和 MCS-51产品指令系统完全兼容
4KB可反复擦写 Flash闪速存储器
1000次擦写周期
时钟频率范围：0Hz—24MHz
3级加密程序存储器
128*8B内部 RAM
32个可编程 I/O接口线
2个 16位定时/计数器
6个中断源
可编程串行 UART通道
低功耗空闲和掉电模式
功能特性概述
AT89C51提供以下标准功能：4KB的 Flash闪速存储器，128B内部 RAM,32
个 I/O接口线，俩个 16位定时/计数器，壹个 5向量俩级中断结构，壹个全双工
串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至 0Hz的静态逻辑操
作，且支持俩种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU的工作，但允许
RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM中的内
容，但振荡器停止工作且禁止其他所有部件工作直到下壹个硬件复位。
引脚功能
如图 2-4所示 AT89C51芯片引脚图
VCC：供电电压。
GND：接地。
P0口：P0口为壹个 8位漏级开路双向 I/O口，每脚可吸收 8TTL门电流。当
P1口的管脚第壹次写 1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储
器，它能够被定义为数据/地址的第八位。于 FIASH编程时，P0口作为原码输入
口，当 FIASH进行校验时，P0输出原码，此时 P0外部必须被拉高。
P1口：P1口是壹个内部提供上拉电阻的 8位双向 I/O口，P1口缓冲器能接
收输出 4TTL门电流。P1口管脚写入 1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口
被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。于 FLASH编程
和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为壹个内部上拉电阻的 8位双向 I/O口，P2口缓冲器可接收，
输出 4个 TTL门电流，当 P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作
为输入。且因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内
部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或 16位地址外部数据存储器进行存
取时，P2口输出地址的高八位。于给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当
对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2
口于 FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是 8个带内部上拉电阻的双向 I/O口，可接收输出 4个 TTL
门电流。当 P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，且用作输入。作为输
入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为 AT89C51的壹些特殊功能口，如下表所示：
（串行输入口）
（串行输出口）
0）
1）
（记时器 0外部输入）
（记时器 1外部输入）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收壹些控制信号。
图 2-4AT89C51芯片引脚图
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST脚俩个机器周期的高电
平时间。
ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的
地位字节。于 FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。于平时，ALE端以不
变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外
部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，
将跳过壹个 ALE脉冲。如想禁止 ALE的输出可于 SFR8EH地址上置 0。此时，ALE
只有于执行 MOVX，MOVC指令是 ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果
微处理器于外部执行状态 ALE禁止，置位无效。
/PSEN：外部程序存储器的选通信号。于由外部程序存储器取指期间，每个
机器周期俩次/PSEN有效。但于访问外部数据存储器时，这俩次有效的/PSEN信
号将不出现。
/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则于此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），
不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1时，/EA将内部锁定为 RESET；当/EA
端保持高电平时，此间内部程序存储器。于 FLASH编程期间，此引脚也用于施加
12V编程电源（VPP）。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：来自反向振荡器的输出。
极限参数
工作温度：-55℃—+125℃
储藏温度：-65℃—+15℃
任壹引脚对地电压：—+
最高工作电压：
直流输出电流：
8255芯片简介
8255可编程且行接口芯片有三个输出端口，及 A口、B口和 C口，对应于引脚 PA7~PA0、PB7~PB0
和 PC7~PC0。其内部仍有壹个控制寄存器，及控制口。通常 A口、B口作为输入输出的数据
端口。C口作为控制或状态信息的端口，它于方式字的控制下，能够分成 4位的端口，每个
端口包含壹个 4位锁存器。它们分别和端口 A/B配合使用，能够用作控制信号输出或作为状
态信号输入。
8255可编程且行接口芯片方式制字格式说明：
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
D7：设定工作方式标志，1有效。
D6、D5：A口方式选择
00----方式 0
01-----方式 1
1-----方式 2
D4：A口功能（1=输入，0=输出）
D3：C口高 4位功能（1=输入，0=输出）
D2：B口方式选择（0=方式 0，1=方式 1）
D1：B口功能（1=输入，0=输出）
D0：C口低 4位功能（1=输入，0=输出）
8255可编程且行接口芯片工作方式说明：
方式 0：基本输入/输出方式。适用于三个端口中的任何壹个。每壹个端口均能够用作输
入或输出。输出可被锁存，输入不能锁存。
方式 1：选通输入/输出方式。这时 A口或 B口的 8位外设线用作输入或输出，C口的 4条线
中三条用作数据传输的联络信号和中断请求信号。
方式 2：双向总线方式。只有 A口具备双向总线方式，8位外设线用作输入或输出，此时 C
口的 5条线用作通讯联络信号和中断请求信号。
