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第1章单片机基础知识概述

内容概述：

本章主要介绍单片机的定义、发展历史，单片机分类方法、应用领域及发展趋势，单片机中

数的表示和运算方法，基本逻辑门电路，以及与单片机系统仿真工具Proteus相关的内容。

教学目标：

了解单片机的概念及特点；

掌握单片机中数的表示和运算方法及基本逻辑门电路；

初步了解Proteus软件的功能。

1.1单片机概述

1.1.1单片机及其发展概况

1．什么是单片机

单片机是在一块半导体硅片上集成了计算机基本功能部件的微型计算机。随着大规模集成电

路技术的发展，可以将中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、定时/

计数器及输入/输出（I/O）接口电路等主要计算机部件，集成在一块电路芯片上。虽然只是一个

芯片，但从组成和功能上，单片机都已具有了微机系统的基本含义。

单片机自从问世以来，性能都在不断提高和完善，它不仅能够满足很多应用场合的需要，而

且具有集成度高、功能强、速度快、体积小、使用方便、性能可靠、价格低廉等特点。因此，在

工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信、智能接口、商业营销等领域得到广泛应用，

并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。

2．单片机的发展

单片机诞生于1971年，大体经历了SCM、MCU和SoC三大阶段。

SCM（SingleChipMicrocomputer）即单片微型计算机阶段，其主要的技术发展方向是：寻求

最佳单片形态的嵌入式系统体系结构。在开创嵌入式系统的发展道路上，Intel公司功不可没，奠

定了SCM与通用微机完全不同的发展道路。这一阶段最有代表性的产品是Intel公司的8位

MCS-51系列单片机。

MCU（MicroControllerUnit）即微控制器阶段，其主要的技术发展方向是：不断推进在嵌入

式系统中集成各种外围电路与接口电路的能力，以满足智能化控制的需求。在此阶段中，Philips

公司以其在嵌入式应用方面的强大实力，推出了基于MCS-51内核的微控制器系列产品，使单片

机进入MCU阶段。

SoC（SystemonChip）即片上系统（或系统级芯片）阶段，其主要的技术发展方向是：寻求

应用系统在芯片上的最大化解决方案。作为产品，SoC是一个有专用目标的集成电路，包含完整

系统并有嵌入软件的全部内容。作为技术，SoC是用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，

并完成设计的整个过程。

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随着单片机从早期的4位发展到8位、16位直至32位，单片机的功能在不断增强，嵌入式

应用能力也在不断提高。然而，由于复杂系统的功能大都可以通过简单嵌入式系统组合实现，而

8位单片机以其价格低廉性能适中的特点，已可满足简单嵌入式系统的要求。这表明，嵌入式应

用领域中大量需要的仍是8位单片机，在当前及以后的相当一段时间内8位单片机仍将占据单片

机应用的主导地位。

1.1.2单片机的特点和应用

一块单片机芯片就是一台具有一定规模的微型计算机，如有必要再加上一些外围器件，就可

以构成一个完整的计算机硬件系统。单片机的应用正在使传统的控制技术发生巨大的变化，它是

对传统控制技术的一场革命。

1．单片机的特点

①集成度高，体积小，抗干扰能力强，可靠性高。单片机把各功能部件集成在一块芯片内且

内部采用总线结构，从而减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。

②开发性能好，开发周期短，控制功能强。在开发过程中利用汇编或C语言进行编程，缩

短了开发周期，同时，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微型计算机，满足工

业控制的要求。

③低功耗、低电压，具有掉电保护功能，广泛应用于各类智能仪器仪表中。

④通用性和灵活性好。系统扩展和配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。

⑤具有良好的性价比。

2．单片机的应用领域

单片机是一种集成度很高的微