2024年4月28日发(作者：赧巧香)
第2章 单片机技术概述及单片机芯片AT89C51
2.1 单片机技术概述
2.1.1 单片机简介
单片机是一种集成电路芯片，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）,可能还包
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一片芯片上，
构成一个最小而又完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、
高效的完成程序设计者事先规定的任务。
由此看来，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可以单独地完成现代工
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，芯片在没有开发前，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，它便是一个最小的完整的微型计算机
控制系统，它与单板机或个人电脑（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与技术，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。它以无与伦比的高性能、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，是控制技术的一次革命，是
一个重要的里程碑。
2.1.2 单片机发展概况
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（Center Processing Unit, CPU）和数据存储器、程序存储器及其I/
O通信口集成在一块芯片上，构成一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，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模
还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM，有的还包括了一些简单的I/
O口集成到芯片上，像Farichild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处
理电路才构成完整的计算系统。类似的单片机还有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，并推向市场。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。在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650
1及6502系列等，此外，日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了
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，甚至还有一些带A/
D转换器的单片机。
2.1.3 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、片内存储器与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，中央处理器在
设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令集，顾名思义就是
中央处理器在指令的集合。单片机从指令集的角度可分为CISC(复杂指令集)单
片机与RISC(精简指令集)单片机两大类。
CISC单片机内部结构是传统的冯.诺依曼（von Neumann architecture）型结
构，该结构中数据与指令共同使用同一条总线进行传输。CISC单片机的指令丰
富，功能较强。但这类单片机中，指令与数据的传输操作不能同时进行，工作速
度将受到一定的限制，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，指令总线与数据总线分离，使得指令与数据的传输可以
同时进行，从而提高了单片机的运行速度。
一般在控制关系比较简单的小型电路中可使用RISC单片机，而在控制关系
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工艺两大类。
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，
还具有低功耗的特点。
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，这种指令程序存储在程序存储器
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
2024年4月28日发(作者：赧巧香)
第2章 单片机技术概述及单片机芯片AT89C51
2.1 单片机技术概述
2.1.1 单片机简介
单片机是一种集成电路芯片，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）,可能还包
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一片芯片上，
构成一个最小而又完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、
高效的完成程序设计者事先规定的任务。
由此看来，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可以单独地完成现代工
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，芯片在没有开发前，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，它便是一个最小的完整的微型计算机
控制系统，它与单板机或个人电脑（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与技术，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。它以无与伦比的高性能、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，是控制技术的一次革命，是
一个重要的里程碑。
2.1.2 单片机发展概况
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（Center Processing Unit, CPU）和数据存储器、程序存储器及其I/
O通信口集成在一块芯片上，构成一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，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模
还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM，有的还包括了一些简单的I/
O口集成到芯片上，像Farichild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处
理电路才构成完整的计算系统。类似的单片机还有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，并推向市场。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。在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650
1及6502系列等，此外，日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了
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，甚至还有一些带A/
D转换器的单片机。
2.1.3 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、片内存储器与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，中央处理器在
设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令集，顾名思义就是
中央处理器在指令的集合。单片机从指令集的角度可分为CISC(复杂指令集)单
片机与RISC(精简指令集)单片机两大类。
CISC单片机内部结构是传统的冯.诺依曼（von Neumann architecture）型结
构，该结构中数据与指令共同使用同一条总线进行传输。CISC单片机的指令丰
富，功能较强。但这类单片机中，指令与数据的传输操作不能同时进行，工作速
度将受到一定的限制，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，指令总线与数据总线分离，使得指令与数据的传输可以
同时进行，从而提高了单片机的运行速度。
一般在控制关系比较简单的小型电路中可使用RISC单片机，而在控制关系
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工艺两大类。
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，
还具有低功耗的特点。
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，这种指令程序存储在程序存储器
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