第一章 单片机基础知识

1.2  MCS-51单片机的分类

    MCS-51系列单片机是20世纪80年代由美国Intel公司推出的一种高性能8位单片机。它的片内集成了并行I/O、串行I/O和16位定时器/计数器，片内的RAM和ROM都比较大，RAM可达256B，新型51单片机的ROM可达64KB。在20世纪90年代后期，美国Intel公司出于公司发展战略的考虑将主要精力集中在了微处理器的研发和生产上，并逐步退出了单片机的市场，但在单片机的发展和应用历史中，MCS-51系列单片机已经得到科技界和工业界用户广泛的认可。虽然许多半导体公司看到了单片机巨大的市场前景并纷纷加入到这一领域的开发研制，并为满足各种不同的需求推出了多个品种的系列机，这些单片机产品还采用了多种创新技术，产品的性能和可靠性都有了极大的改进和提高，但这些单片机产品大都采用8051单片机的核心技术作为其内核。
    MCS-51系列单片机生产工艺有两种，分别为HMOS（高密度短沟道MOS工艺）和CHMOS（互补金属氧化物的HMOS工艺），这两种单片机完全兼容。CHMOS工艺比较先进，不光具有HMOS的高速性，同时还具有CMOS的低功耗性，因此，CHMOS是HMOS和CMOS的结合。为区别起见，CHMOS工艺的单片机名称前冠以字母C，如80C31、80C51和87C51等。不带字母C的为HMOS芯片。此外，CHMOS型单片机中还有一些以80C51为核心，加上一些新的功能部件所组成的增强型单片机，如8XC51FB增加了一个可编程的读数器阵列PCA；8XC51GA增加了片内的A/D转换器；荷兰Philips公司生产的与MCS-51兼容的增强型单片机8XC552，不仅增加了片内A/D转换器、片内看门狗电路和片内PWM输出通道，还提供了一种新型的芯片间通信总线I2C接口，利用数据和时钟两根线就可以实现芯片之间的数据传送；Philips公司还提供了I2C总线进行系统扩展。HMOS型单片机电平与TTL电平兼容，而CHMOS型单片机的电平既与TTL电平兼容，又与CMOS电平兼容。所以，在单片机应用系统中应尽量采用CHMOS工艺的芯片。
    MCS-51系列单片机在片内程序存储器的配置上有3种，即掩膜ROM、EPROM和无片内程序存储器。8031片内无ROM，必须外接EPROM才能应用；8051片内具有4KB的ROM；而8751片内具有4KB的紫外线可擦除电可编程的只读存储器（EPROM）。这3种芯片的引脚兼容。单片机8751最适用于开发样机、小批量生产和需要现场进一步完善的场合，8051单片机适用于低成本、大批量生产的场合，而8031单片机则适用于能方便灵活地在现场进行修改和更新程序存储器的场合。
MCS-51系列单片机在功能上有基本型和增强型两种。通常以芯片型号的末位数字来区别，末位数字为“1”的为基本型，末位数字为“2”的为增强型，如80C51为基本型，80C52为增强型等。
    在众多的MCS-51系列单片机中，最常用的AT89系列单片机是美国Atmel公司的产品。Atmel公司成立于20世纪80年代中期，公司成立后将研发方向定位为新型半导体存储技术，并很快取得成效，在Flash存储器技术领域取得了优势。Flash存储器技术也称闪存，这一名称源于该存储器件只需单步操作即能擦除其中所有内容的能力。这种新型的存储器只能进行整片或一个区域的删除，而不能进行单字节删除，由此也减小了单元的尺寸，利于大规模集成。可以说，Flash存储器是一种可以快速写入和擦除的电可擦写存储器。
    1994年Atmel公司以E2PROM技术和Intel公司80C31单片机核心技术进行交换，从而取得了80C31核心技术的使用权，开始介入单片机市场。Atmel将自身先进的Flash存储器技术与80C31核心技术相结合，推出了AT89系列单片机。之后，Atmel公司在单片机领域继续拓宽，到目前为止，已形成三大系列，分别为C51系列、AT90系列和AT91系列等。AT89系列单片机是C51系列的一个子系列。除了这种AT89Flash型单片机系列外，C51系列还包括OTP型（87系列）、ROM型（83系列）、片内无存储器型（80系列），以及特殊应用型等多个系列。当然，国内AT89系列的用户要远远超过C51系列其他型号的用户。

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1．AT89系列单片机的特点

    1）内部含有Flash存储器。在系统的开发过程中可以十分容易地进行程序的修改，这就大大缩短了系统的开发周期。同时在系统的工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏，也不影响信息保存。
    2）与80C51引脚兼容。AT89系列单片机的引脚和80C51是一样的，所以，当用AT89系列单片机取代80C51时，可直接进行替换。
    3）静态时钟方式。AT89系列单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能，对于降低便携式产品的功耗十分有用。
    4）可反复进行系统试验。用AT89系列单片机设计系统，可以反复进行系统试验；每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优。而且随着用户的需要和发展，还可以进行修改，使系统能不断追随用户的最新要求。

2．AT89系列单片机的分类

    AT89系列单片机可分为低档型、标准型和高档型3类。
    （1）低档型单片机
    低档型单片机是指在标准型的结构基础上，为了适应一些简单控制系统的需要而适当地减少一些功能部件，形成一种体积更加小巧，功能简化或单一、价格更加低廉的单片机。低档型单片机有AT89C1051和AT89C2051（见图1-7）两种型号，见表1-2。它们都有20个引脚，除并行I/O端口数较少之外，其他部件结构基本和AT89C51相同。

     （2）标准型单片机
    标准型单片机与MCS-51系列单片机兼容，有优良的特性及较高的性价比，因此，它是AT89多种系列单片机的主流机型，见表1-2。其主要型号为AT89C51、AT89S51、AT89LV51、AT89C52、AT89S52和AT89LV52等，如图1-8所示。在这6种型号中，AT89C51是一种基本型号。AT89S51相对于AT89C51增加了以下新功能：
    1）新增了很多功能，性能有了较大提升，价格却基本不变，甚至比89C51更低。
    2）ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。
    3）工作频率为33MHz，89C51的极限工作频率只有24MHz，而S51具有更高的工作频率，从而具有了更快的计算速度。
    4）具有双工UART串行通道。
    5）内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。

   6）全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效地保护知识产权不被侵犯。
7）兼容性方面：向下完全兼容51全部系列产品，如8051、89C51等早期MCS-51兼容产品。也就是说，所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051，还是89C51、MCS-51等）在89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。
（3）高档型单片机
高档型单片机是指在标准型单片机结构的基础上，增加一部分功能部件，使之具备比标准型单片机更高、更优良的性能。高档型单片机有AT89C51RC、AT89S8252和AT89S53等型号，见表1-2。

3．AT89系列单片机的型号编码说明

    AT89系列单片机的型号编码由3个部分组成，它们是前缀、型号和后缀。AT89系列单片机的型号编码见表1-3所示。

    下面分别对这3个部分进行说明，并且对其中有关参数的表示和意义作相应的解释。
    1）前缀：由字母“AT”组成，表示该器件是Atmel公司的产品。
    2）型号：89中的9是表示内部含 Flash存储器，C表示CHMOS产品。LV表示低压产品。S表示含有串行下载 Flash存储器。在这个部分最后的“XXXX”表示器件型号数，如51、1051和8252等。 

    3）后缀：由“XXXX”4个参数组成，每个参数的表示和意义不同。在型号与后缀部分由“----”号隔开。
    后缀有4个参数，每个参数又有不同的参数值代表不同的意义，见表1-4。

 

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    例如，有一个单片机型号为“AT89C51-12PI”，则表示意义为该单片机是 Atmel公司的Flash单片机，内部是CHMOS结构，振荡频率最高为12 MHz，封装为塑封DIP，是工业用产品，按标准处理工艺生产。
    表1-4中需要说明的是第3位中由于欧美要求使用无铅IC，所以Atmel公司将推出带“U”的单片机取代原来带“I”的单片机。

4．AT89系列单片机的封装

    AT89系列单片机的主要封装形式说明如下：
    1）塑封双列直插式封装（Plastic Dual Inline Package，PDIP），可直接插入标准插座或焊在印制电路板上，如图1-6、图1-7所示的单片机即为PDIP封装。
    2）塑封方形贴片式封装（Plastic Quad Flat Package，PQFP），可直接将引脚敷贴在印制电路板上，如图1-9所示。
    3）塑封超薄方形贴片式封装（Thin Plastic Gull Quad Flat Package，TQFP），芯片厚度约为1.0mm，可直接将引脚敷贴在印制电路板上，如图1-10所示。
    4）塑封方形引脚插入式封装（Plastic J-Leaded Chip Carrie，PLCC），可将引脚直接插入到对应的标准插座内，如图1-11所示。

    5）双列贴片式封装（Small Out-line Integrated Circuit，SOIC），可将引脚敷贴在印制电路板上，如图1-12所示。