MCS51单片机介绍.doc

单片机在电子电路设计中的应用 第1章 MCS51单片机介绍 · PAGE 18· · PAGE 19· 第1章 MCS51单片机介绍 1.1 数字集成电路的发展历程 从20世纪60年代开始，数字集成电路在集成度方面的发展经历了以下4个阶段：包含几十到几百个逻辑门的小规模集成电路（Small Scale Integration，SSI）；包含几百到几千个逻辑门的中规模集成电路（Medium Scale Integration，MSI）；包含几千到几万个逻辑门的大规模集成电路（Large Scale Integration，LSI）；包含几万个以上逻辑门的超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）。 在工作原理方面，数字集成电路可以划分为标准逻辑器件、微处理器和专用集成电路。 1.1.1 标准逻辑器件 标准逻辑器件在集成度方面属于中小规模集成电路，它包括基于TTL工艺的54/74系列和基于CMOS工艺的4000系列的各种逻辑门、触发器、译码器、多路选择器、计数器等器件。这些器件的工作原理和应用在《数字电路逻辑设计》课程中有详细的介绍。 作为传统数字系统设计中使用的主要器件，标准逻辑器件的产量很大，因此它们的生产成本低廉、价格便宜。由于这些器件的功能确定，芯片设计时主要考虑如何提高器件的性能，因此标准逻辑器件的工作速度快，但是由于集成度较低，采用它们设计的数字系统需要较多的器件，这就使得电路连线复杂，系统的可靠性降低。由于用户无法修改这类器件的功能，修改系统设计必须通过对电路重新设计和组装来实现。 1.1.2 微处理器 微处理器，包括在本书中将要学习的单片机，在集成度方面属于大规模集成电路。它们被应用于数字系统的设计起始于20世纪70年代。这类器件可以通过编写程序来实现系统功能。基于微处理器所设计电路的逻辑功能可由软件配置，这个特点使得设计灵活性得到提高，当修改系统设计时，设计者不需要，或者较少需要修改电路连线。相对于由标准逻辑器件构成的数字系统，基于微处理器设计的系统工作速度较低；其次，微处理器的工作仍需要一些标准逻辑器件或者相关逻辑器件构成的外围电路的支持。 1.1.3 专用集成电路 专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）的出现在一定程度上克服了上述两种逻辑器件的缺点。专用集成电路是为满足一种或几种特定功能而专门设计和制作的集成电路芯片，它的集成度很高，一片专用集成电路芯片甚至可以构成一个完整的数字系统，因此这使得系统的硬件规模进一步降低，可靠性进一步提高。 专用集成电路可以分为全定制（Full-custom）产品、半定制（Semi-custom）产品和可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）。 （1）全定制产品 全定制产品是指专为特定目的设计、制造的集成电路芯片，例如电视机、电话等设备中大量使用的专用集成电路芯片。这类产品的设计是从晶体管的版图尺寸、位置和相互连线开始进行，其目的是达到半导体芯片面积利用率高、工作速度快、功耗低的优良性能。专用集成电路芯片的制作过程包括电路设计、逻辑模拟、版图设计和集成电路的全部生产工序。全定制产品的性能优越，但是它的设计制造成本高、周期长，同时还具有较大的风险，因此该产品仅适用于需要进行特大批量生产的情况。 （2）半定制产品 半定制产品内部包含基本逻辑门、触发器和具有特定功能的逻辑块所构成的标准单元。这些标准单元是由器件生产厂家预先做好，但是标准单元之间的连线有待按用户要求进行连接。应用半定制产品时，用户需要根据设计要求选择合适的产品，再由产品的结构设计出连线版图，最后交给生产厂家完成各个标准单元之间的连线。 （3）可编程逻辑器件 全定制产品和半定制产品的使用都离不开器件生产厂家的支持，这给用户带来了很多麻烦。用户希望自己能设计专用集成电路芯片，并且能立即投入实际应用之中，而且在使用中也能比较方便地对设计进行修改。可编程逻辑器件（PLD）就是为满足这一需求而产生的。可编程逻辑器件内的电路和连线都是事先由器件生产厂家做好，但是其逻辑功能并没有确定。逻辑功能的确定可以由设计者借助于开发工具，通过编写程序的方法来实现。可编程逻辑器件的工作速度与标准逻辑器件的工作速度相当，但目前使用它们实现信号处理比使用微处理器要复杂，而且使用成本高。 1.2 MCS51单片机介绍 1.2.1 概述 单片机的全称是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）。为了使用方便，它把组成计算机的主要功能部件：中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM、EPROM、E2PROM或FLASH）、定时/计数器和各种输入/输出