1.1 计算机及单片机简介

本节在计算机硬件经典结构的基础上，介绍了计算机和单片机的基本概念及常用单片机系列类型。

1.1.1 计算机到单片机的发展过程

1．冯·诺依曼计算机

1945年6月发表的关于EDVAC的报告草案中，提出了以“二进制存储信息”和“存储程序（自动执行程序）”为基础的计算机结构思想，即冯·诺依曼结构。按照冯·诺依曼结构思想，进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成的经典结构，如图1-1所示。

在计算机中，二进制数是计算机硬件能直接识别并进行处理的唯一形式。计算机所做的任何工作都必须以二进制数据所表示的指令形式送入计算机内存中存储，一条条有序指令的集合称为程序。

根据冯·诺依曼的设计，计算机应能自动执行程序，而执行程序又归结为逐条执行指令。计算机对任何问题的处理都是对数据的处理，计算机所做的任何操作都是执行程序的结果。很好地认识和理解计算机的结构思想，有助于理解数据、程序与计算机硬件之间的关系，这对于学习和掌握计算机基本原理是十分重要的。

2．从计算机到单片机

1976年，随着人们对控制系统及智能仪器的强劲需求，Intel公司推出了MCS-48系列8位单片计算机，1981年8月，IBM公司推出以8088为CPU的世界上第一台16位微型计算机（IBM 5150 Personal Computer），即著名的IMB PC个人计算机，使计算机的应用日益广泛和深入。

Intel公司最早推出8051/31类单片机，但是由于公司将重点放在与PC兼容的高档芯片开发上，所以将MCS-51系列单片机中的8051内核使用权以专利互换或出让给世界许多著名IC制造厂商，如Philips、NEC、ATMEL、AMD、Dallas、Siemens、Fujutsu、OKI、华邦、LG等。

随着CPU技术的飞速发展，这些厂商在保持与8051单片机兼容时基础上先后改善了8051的许多特点，扩展了满足不同测控对象要求的外围电路，如模拟量输入的A-D、伺服驱动的PWM、高速输入/输出控制的HSL/HSO、串行扩展总线I²C、保证程序可靠运行的WDT及引入使用方便且价廉的Flash ROM等。使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大，应用也最广泛，成为8位单片机的主流，成了事实上的标准MCU芯片。

通常所说的51系列单片机（以下简称51单片机）是对以Intel公司MCS-51系列单片机中8051为基核推出的各种型号兼容性单片机的统称。

51单片机是学习单片机应用基础的首选单片机，同时也是应用最广泛的一种单片机。51单片机其代表型号有Intel公司的80C51和ATMEL公司的AT89系列，但51单片机一般不具备自编程能力。

当前在应用系统盛行的STC单片机系列，完全兼容51单片机，其抗干扰性强、加密性强、超低功耗、可以远程升级、价格低廉、使用方便等特点，使得STC系列单片机的应用日趋广泛。

ATMEL公司的AT89系列单片机是目前世界上一种独具特色而性能卓越的单片机，在结构性能和功能等方面都有明显的优势，它在计算机外部设备、通信设备、自动化工业控制、宇航设备仪器仪表及各种消费类产品中都有着广泛的应用前景。

ATMEL公司生产的AT90系列是增强型RISC（精简指令集）内载Flash单片机，通常称为AVR系列（Advance RISC）。芯片上的Flash存储器附在用户的产品中，可随时编程，方便用户进行产品设计。其增强的RISC结构，使其具有高速处理能力，在一个时钟周期内可执行复杂的指令。AVR单片机工作电压为2.7～6.0V，可以实现耗电最优化。

ARM单片机采用了新型的32位ARM核处理器，使其在指令系统、总线结构、调试技术、功耗及性价比等方面都超过了传统的51单片机，同时ARM单片机在芯片内部集成了大量的片内外设，所以功能和可靠性都大大提高。

事实已经证明，尽管微控制器技术发展迅速，品类繁多，但51单片机以其通用性强、价格低廉、设计灵活等特点，仍然有着广泛的应用领域和稳定增长的市场。

常用51单片机厂商及型号如下。

Intel的：80C31、80C51、87C51、80C32、80C52、87C52等。

ATMEL的：89C51、89C52、89C2051、89S51（RC）、89S52（RC）等。

Philips、华邦、Dallas、Siemens等公司的许多产品。

STC单片机：89C51、89C52、89C516、90C516等众多系列。

1.1.2 微型计算机、个人计算机、单板机、单片机

随着大规模集成电路技术的迅速发展，把运算器、控制器和通用寄存器集成在一块半导体芯片上，称其为微处理器（机），也称CPU。以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM）、输入/输出接口电路及系统总线等所组成的计算机，称为微型计算机。

随着微型计算机技术的发展和强劲的市场需求，可以从不同角度对微型计算机进行分类。例如，按微处理器的制造工艺、微处理器的字长、微型计算机的构成形式、应用范围等进行分类。按微处理器字长来分，微型计算机一般分为8位、16位、32位和64位机。按微型计算机的构成形式分类，可分为单片机、单板机和个人计算机（PC）。

（1）单片机

单片机又称单片微控制器。它是将微处理器、存储器（RAM、ROM）、定时器及输入/输出接口等部件通过内部总线集成在一块芯片上，可嵌入各种工业、民用设备及仪器仪表内芯片型计算机。一块单片机芯片就是具有一定规模的微型计算机，再加上必要的外围器件，就可构成完整的计算机硬件系统。

单片机特殊的结构形式和特点，使其在智能化仪器仪表、家用电器、机电一体化产品、工业控制等各个领域内的应用都得到迅猛发展。尤其是随着微控制技术的不断完善及自动化程度的日益提高，单片机的应用是对传统控制技术的一场革命。

常用单片机主要包括51系列及其兼容机，以及嵌入式ARM系列等。常用单片机芯片外形如图1-2所示。

（2）单板机

这里说的单板机是指简易的单片机实验及开发系统，或称开发板。它将单片机系统的各个部分都组装在一块印制电路板上，包括微处理器、输入/输出接口及配备简单的LED、LCD、小键盘、下载器及插座等。单板机是学习及开发单片机应用的必备工具，其主要功能如下。

1）可以直接在单板机上进行单片机学习实验。

2）单片机应用系统开发。

3）直接用于控制系统。

单板机外形如图1-3所示。

（3）PC

PC（Personal Computer）又称个人计算机（微机），可以实现各种计算、数据处理及信息管理等。PC又可分为台式个人微机和便携式个人微机。台式机需要放置在桌面上，它的主机、键盘和显示器都是相互独立的，通过电缆和插头连接在一起。便携式个人微机又称笔记本电脑，它把主机、硬盘驱动器、键盘和显示器等部件组装在一起，可以用可充电电池供电，便于随身携带。

当PC运行单片机等微处理器开发环境软件时，可以通过PC方便地实现对单片机等微处理器芯片的编程、编译、代码下载及调试，这时的PC通常称为上位机。PC作为上位机与单片机开发板通信如图1-4所示。