1.3 了解51单片机

1.3.1 51单片机的由来

其实真的和我上面介绍单片机一样，我们人类是先发明的计算机（更精确的说法应该是先有了计算机的处理器），然后才有了单片机。下面我们就来看看51单片机是怎么发展而来的。

1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，它是第一代微处理器问世的标志，微处理器和微型计算机时代从此开始。微处理器芯片Intel 4004包含2 300个晶体管，尺寸规格为3mm×4mm。

1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统，该系统包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器。MCS-4的计算性能远远超过当年的ENIAC[很多资料称ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分计算机，1946年2月诞生）是第一台电子计算机，因而经常拿它做比较。其实第一台电子计算机应该是ABC（Atanasoff-Berry Computer，阿塔纳索夫-贝瑞计算机），1939年10月完成样机]。

1972年4月，霍夫等人研制出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008主要采用工艺简单、速度较低的P沟道MOS（Metal OXide Semicomductor，金属氧化物半导体）电路，因此仍属于第一代微处理器。

1973年8月，霍夫等人研制出新一代8位微处理器Intel 8080。Intel 8080以N沟道MOS电路取代了P沟道，这标志着第二代微处理器的诞生。

1975年4月，MITS（Micro Instrumentation and Telemetry Systems，微仪系统家用电子公司）发布第一个通用型Altair 8800系统，该系统配备有一个成套工具、一个主板、一个英特尔8080 CPU和256B的RAM，这是世界上第一台微型计算机（个人电脑）。

1976年，Intel公司研制出MCS-48系列单片机。该系列单片机具有以下特点：CPU为4位或8位，ROM有1KB或2KB，RAM有64B或128B，具有并行接口，无串行接口，有1个8位的定时/计数器，有2个中断源。注意，在此之前介绍的只是处理器的研制历史， MCS-48系列才是真正的单片机，它更像是Altair 8800的压缩版（微型版），因而说这是单片机问世的标志。

20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机在集成度、存储容量（片内RAM、ROM）、功能的增强及扩展、运算速度等方面都有显著提高。

20世纪80年代中期以后，Intel以专利转让的形式把8051内核卖给了许多半导体厂家，如AMTEL、PHILIPS、ANANOG DEVICES、DALLAS等。这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。这些单片机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机。

1.3.2 51单片机的特点

只要具有8051指令系统的单片机我们都叫它80C51系列，有时也简称8051单片机或51单片机，那么8051单片机有哪些特点呢？

8051单片机包含中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线三大总线。下面我们分别介绍。

1.中央处理器

中央处理器也叫CPU（Central Processing Unit），主要由控制器和运算器组成，是整个单片机的核心部件。CPU 主要完成取指令、翻译指令、执行指令等工作，同时负责控制、指挥和调度整个单元系统协调工作，完成运算和控制输入/输出功能等操作。8051是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码。

2.数据存储器（RAM）

8051内部有256个8位数据存储单元，分为128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元。其中专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问而不能存放数据，因而用户只有128B（数据存储单元）可以用来存放读/写数据、定义变量、运算的中间结果等。

3.程序存储器（ROM）

8051共有4KB片内ROM（EEPROM或Flash），用于存放用户程序、原始数据或表格。片外可扩展64KB的ROM，由于8051单片机的ROM是采用片内外统一编址的，故其最多只能寻址64KB的ROM空间。

4.定时/计数器

8051有两个16位的可编程定时/计数器（T0、T1），可用于精确定时、计时、延时、计数，检测速度、频率、脉宽，提供定时脉冲信号等。

5.并行输入/输出（I/O）口

8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2和P3共32个I/O口），用于对外部数据的输入、输出操作。

6.全双工串行口

8051内置一个全双工串行通信口，用于与其他设备间的串行数据传输。该串行口共有4种工作模式，既可以用做通用异步接收和发送器，也可以用做同步移位寄存器。

7.中断系统

8051具备较完善的中断功能：有两个外中断（INT0、INT1）、两个定时/计数器中断和一个串行中断（串行收/发中断用一个中断号），可满足多种控制要求，并且具有2级的优先级别选择。

8.时钟电路

8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。

1.3.3 51单片机的代表AT89C51

在20世纪80年代中期Intel把8051内核以专利转让的形式卖出后，就有很多厂家生产51系列单片机。在众多的51系列单片机中，要数ATMEL公司的AT89C51、AT89S51更实用，因为它不但和8051指令、引脚完全兼容，而且其片内的4KB程序存储器是Flash工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMEL AT89xx做的编程器均带有这些功能。

AT89C51现已停产，但我们后面要用的仿真工具里有AT89C51而没有AT89S51，因此这里还是选择AT89C51作为实验对象。而且其代码可以直接在AT89S51上运行，不需要做任何修改。

1.AT89C51的主要特点

➢ 与MCS-51产品指令系统完全兼容；

➢ 4KB可编程Flash存储器；

➢ 寿命：1 000写/擦循环；

➢ 数据保留时间：10年；

➢ 全静态工作：0～24MHz；

➢ 三级程序存储器锁定；

➢ 256B片内RAM（128B用户RAM，128B SFR）；

➢ 32个可编程I/O口；

➢ 两个16位定时/计数器；

➢ 5个中断源（也有6个中断源的说法，串口收/发中断看做两个）；

➢ 全双工可编程串行通道；

➢ 低功耗的空闲模式和掉电模式；

➢ 片内振荡器和时钟电路。

2.AT89C51的外观

观察图1-17中左侧的外形图，了解芯片告诉我们的信息。芯片的左上角有一个小圆坑，旁边有白色的三角符号。该标志告诉我们这里是芯片的第1引脚，沿逆时针方向数下去，即第1至第40引脚，如图1-17中右图所示。该标志非常重要，我们在调试电路板，用三用表、示波器测量时找其对应引脚就要用到该标志。

芯片上的标识：ATMEL是芯片公司的名称，后面的字符串AT89C51 24PI 0538代表的意思就更丰富了。

AT——是ATMEL的缩写，如AT89C51、AT89S51、ATMega8等；

8——表示该芯片是8051内核的芯片；

9——表示内部含Flash EEPROM存储器；

C——表示该芯片为CMOS产品，AT89S51中的S表示该芯片具有ISP功能；

5——固定不变；

1——表示内部程序存储空间的大小，1表示4KB、2表示8KB、3表示12KB等；

24——表示最高工作频率是24MHz；

P——表示封装形式是PDIP封装，同类符号还有A表示TQFP封装、J表示PLCC封装；

I——表示是工业级产品，使用温度为-40℃～85℃，同类符号还有C表示商业用产品、A表示汽车用产品、M表示军用产品等；

0538——表示生产批次，2005年第38周生产；

最后就是引脚数是40。

这就是一块芯片告诉我们的信息，我们可以利用这些信息去网上、生产厂家获取更多的信息。

3.AT89C51的引脚定义

VCC：电源引脚。

GND：接地。

P0口：P0口为一组8位漏级开路双向I/O口，每个引脚可吸收8个TTL门电流，可作为高阻抗输入端使用。

P1口：P1口为一组内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器可接收、输出4个TTL门电流。

P2口：P2口为一组内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收、输出4个TTL门电流。

P3口：P3口为一组内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P3口缓冲器可接收、输出4个TTL门电流。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。

RST：复位输入。当振荡器工作时，保持RST引脚两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许（ALE）的输出脉冲用于锁存地址的低8位。在Flash编程期间，该引脚用于输入编程脉冲（PROG）。平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

PSEN：外部程序存储器的读选通信号。

EA/VPP：当该引脚保持低电平时，CPU将直接访问外部程序存储器（地址为0000H～FFFFH），不管是否有内部程序存储器。在Flash编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：振荡器反向放大器及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：振荡器反向放大器的输出端。

4.AT89C51与AT89S51的区别

AT89C51现已停产，AT89S51是ATMEL公司推出的对应升级产品。

AT89S51多了ISP（在线编程）功能。

AT89S51还有一个很好用的内部看门狗。看门狗是直译的说法，即一个不断自己计数的定时器，需要不断地“喂”它（不断地复位它，表示程序自己没有死机），否则过一段时间它就会计数溢出，MCU就复位，这样可以避免程序卡死后没人管。

AT89C51可以使用的最高晶振频率是24MHz，AT89S51可以使用的最高晶振频率可达33MHz。