單片機--第1章概述.ppt

第1章 概述,1.1 計算機的發(fā)展,從1946第一臺電子計算機的誕生至今，計算機經(jīng)歷了電子管計算機、晶體管計算機、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路共四代的發(fā)展歷程。 電子管計算機時代（從19461956年） 電子計算機的主要特點是使用電子管作為邏輯元件。它的五個基本部分為運算器，控制器，存儲器，輸入器和輸出器。運算器和控制器采用電子管，存儲器采用電子管和延遲線，這一代計算機的一切操作，包括輸入，輸出在內(nèi)，都由中央處理機集中控制。這種計算機主要用于科學(xué)技術(shù)方面的計算。,晶體管計算機時代（從19571964 ） 在20世紀50年代之前，計算機都采用電子管作元件。 電子管元件有許多明顯的缺點。例如，在運行時產(chǎn)生的 熱量太多，可靠性較差，運算速度不快，價格昂貴，體 積龐大，這些都使計算機發(fā)展受到限制。于是，晶體管 開始被用來作計算機的元件。晶體管不僅能實現(xiàn)電子管 的功能，又具有尺寸小，重量輕，壽命長，效率高，發(fā) 熱少，功耗低等優(yōu)點。使用了晶體管以后，電子線路的 結(jié)構(gòu)大大改觀，制造高速電子計算機的設(shè)想也就更容易 實現(xiàn)了。 用晶體管制造的計算機標志著計算機發(fā)展進入 了第二代。,中、小規(guī)模集成電路集成電路計算機時代 （從 19651970年） 集成電路的發(fā)明和應(yīng)用標志著計算機進入了第三代，由于采用集成電路，計算速度提高到幾十萬次，甚至上千萬次，內(nèi)存容量達幾百K，結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了積木化，磁芯存儲器被大規(guī)模集成電路的半導(dǎo)體存儲器取代。因而一臺大型機就成為一個計算中心，中間為中央處理機，左邊為打印機，右邊是內(nèi)存儲器和外存儲器，桌上的終端設(shè)備可對存儲器的信息作檢查或更改，并有控制整個計算機系統(tǒng)的功能。 計算機開始普及到商業(yè)管理領(lǐng)域，自動控制行業(yè)和科學(xué)單位等。,大、超大規(guī)模集成電路（LSI、VLSI） 計算機時代（從1971今） 進入20世紀60年代后，微電子技術(shù)發(fā)展迅猛。在1967年和1977年，分別出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，并立即在電子計算機上得到了應(yīng)用。由大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路組裝成的計算機，就被稱為第四代電子計算機（微型計算機）。,按單片集成電路上包含晶體管數(shù)目 的規(guī)模（集成度）分為：,SSI(小規(guī)模集成電路)：晶體管數(shù)100個以下 MSI (中規(guī)模集成電路)：晶體管數(shù)1003000個 LSI (大規(guī)模集成電路)：晶體管數(shù)300030000個（3千3萬） VLSI (超大規(guī)模集成電路)：晶體管數(shù)100000100000000個（ 10萬1億） ULSI (甚大規(guī)模集成電路)：晶體管數(shù)100000000個以上（1億） 可以預(yù)測：到2010年芯片的集成度將達到10億個晶體管,未來的計算機將以超大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)，向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化的方向發(fā)展。 巨型化 巨型化是指計算機的運算速度更高、存儲容量更大、功能更強。目前正在研制的巨型計算機其運算速度可達每秒千萬億次。 微型化 微型計算機已進入儀器、儀表、家用電器等小型儀器設(shè)備中，同時也作為工業(yè)控制過程的心臟，使儀器設(shè)備實現(xiàn)“智能化”。隨著微電子技術(shù)的進一步發(fā)展，筆記本型、掌上型等微型計算機必將以更優(yōu)的性能價格比受到人們的歡迎。,網(wǎng)絡(luò)化 隨著計算機應(yīng)用的深入，特別是家用計算機越來越普及，一方面希望眾多用戶能共享信息資源，另一方面也希望各計算機之間能互相傳遞信息進行通信。 計算機網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代通信技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。計算機網(wǎng)絡(luò)己在現(xiàn)代企業(yè)的管理中發(fā)揮著越來越重要的作用，如銀行系統(tǒng)、商業(yè)系統(tǒng)、交通運輸系統(tǒng)等。 智能化 計算機人工智能的研究是建立在現(xiàn)代科學(xué)基礎(chǔ)之上。智能化是計算機發(fā)展的一個重要方向，新一代計算機，將可以模擬人的感覺行為和思維過程的機理，進行“看”、“聽”、“說”、“想”、“做”，具有邏輯推理、學(xué)習(xí)與證明的能力?，F(xiàn)在，世界已進入了計算機時代。 計算機的發(fā)展趨勢是向“兩極”分化： 一極是微型機向更微型化、網(wǎng)絡(luò)化、高性能、多用途方向發(fā)展。 一極則是巨型機向更巨型化、超高速、并行處理、智能化方向發(fā)展。,單片微機是單片微型計算機SCMC（Single Chip Micro Computer）的譯名簡稱，在國內(nèi)也常簡稱為“ 單片微機” 或“單片機” 。它包括中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器、串行口和I/O等等。 除了工業(yè)控制領(lǐng)域，單片微機在尖端武器、家用電器、電子玩具、通信、高級音響、圖形處理、語言設(shè)備、機器人、計算機等各個領(lǐng)域迅速發(fā)展。 從1976年至今單片機應(yīng)用廣泛、發(fā)展迅猛。,1.2單片微機的應(yīng)用,按照所使用單片微機的類型不同，單片微機應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分成總線方式和非總線方式。 在總線方式的應(yīng)用系統(tǒng)中，單片微機都具有完善的外部擴展總線，如并行總線（AB、DB、CB）、串行通信總線（如 UART），通過這些總線可方便地擴展外圍單元、外設(shè)接口等。采用總線方式的應(yīng)用系統(tǒng)多屬較復(fù)雜的工控系統(tǒng)、智能儀表、監(jiān)測系統(tǒng)，或滿足這些應(yīng)用而構(gòu)成的多機與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？偩€方式的單片微機在不使用外部并行總線時，外部并行總線引腳可作為I/O口用。在掩膜用戶程序時，還可要求將這些 I/O口改造成具有各種驅(qū)動能力的 I/O口。 非總線方式的應(yīng)用系統(tǒng)（如 80C51系列中的 83C751、87C751，83C752、WC752，Motorola 的MC68HC05系列中的許多產(chǎn)品）省去了外部并行總線，可構(gòu)成各種小封裝芯片，有限的引腳 可提供更多的用戶I/O口，以使應(yīng)用系統(tǒng)的芯片數(shù)量最少。,采用非總線方式的應(yīng)用系統(tǒng)多屬小型控制器、測控單元、單元儀表等。 以下大致介紹一些典型的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用特點。 l 家用電器領(lǐng)域 國內(nèi)各種家用電器已普遍采用單片微機控制取代傳統(tǒng)的控制電路，做成單片微機控制系統(tǒng)，如洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、微波爐、電飯堡、電視機、錄像機及其它視頻音像設(shè)備的控制器。 2辦公自動化領(lǐng)域 比如一臺PC機可能嵌入了10個單片微機，如控制鍵盤、鼠標、顯示器、CD-ROM、聲卡、打印機、軟/硬盤驅(qū)動器、調(diào)制解調(diào)器等。,現(xiàn)代辦公室中所使用的大量通信、信息產(chǎn)品，如繪圖儀、復(fù)印機、電話、傳真機等，多數(shù)都采用了單片微機。 3工業(yè)自動化領(lǐng)域的在線應(yīng)用 如工業(yè)過程控制、過程監(jiān)測、工業(yè)控制器及機電一體化控制系統(tǒng)等，許多都是以單片微機為核心的單機或多機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)是由中央控制器、感覺系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、擒拿系統(tǒng)等節(jié)點構(gòu)成的多機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。而其中每一個小系統(tǒng)都是由單片微機進行控制的。 4. 智能儀器儀表與集成智能傳感器領(lǐng)域 應(yīng)用單片微機來對傳統(tǒng)的儀器儀表行業(yè)的產(chǎn)品進行“ 更新?lián)Q代” ，提供了非常理想的的條件。目前各種變送器、電氣測量儀表普遍采用單片微機應(yīng)用系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)，使測量系統(tǒng)具有各種智能化功能，如存儲、數(shù)據(jù)處理、查找、判斷、聯(lián)網(wǎng)和語音功能等。,5汽車電子與航空航天電子系統(tǒng) 通常在這些電子系統(tǒng)中的集中顯示系統(tǒng)、動力監(jiān)測控制系統(tǒng)、自動駕馭系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及運行監(jiān)視器（黑匣子）等，都要構(gòu)成冗余的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。比如一臺RMW-7系列寶馬轎車就用了63個單片微機，大部分還是16位單片微機。 單片微機的應(yīng)用正從根本上改變著傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分控制功能，現(xiàn)在已能使用單片微機通過軟件方法實現(xiàn)了。這種以軟件取代硬件，并能提高系統(tǒng)性能的控制技術(shù)，稱之為微控制技術(shù)。這標志著一種全新概念的建立。,1.3 單片機概述,1.3.1 單片機的發(fā)展歷史 第一階段：單片機的探索階段 初級8位機階段，典型的如MCS-48系列單片機 第二階段：單片機的完善階段 高級8位機階段，典型的如MCS-51系列單片機 第三階段：向微控制器發(fā)展的階段 這一階段主要是為滿足測控系統(tǒng)要求的各種外圍電路及接口電路，突出其智能能力，出現(xiàn)了16位單片機，如MCS-96系列單片機，采用了CHMOS技術(shù)的80C51系列單片機 第四階段：單片機的全面發(fā)展階段 出現(xiàn)了高速低功耗、大尋址范圍、強運算能力的8位、16位、32位通用型單片機,1.3.2 單片機的組成及特點,單片機是微型機的一個主要分支，單片機是一個 大規(guī)模集成電路芯片，其上集成有CPU、存儲器、 I/O口(串行口、并行口)、其它輔助電路(如中斷系統(tǒng)， 定時/計數(shù)器，振蕩電路及時鐘電路等)。 也可以說單片機在結(jié)構(gòu)上的最大特點是把中央處理 器CPU、存儲器、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行口 和輸入/輸出接口電路集成在一塊超大規(guī)模的集成電路 芯片上。就其組成和基本工作原理而言，一塊單片機芯 片就是一臺計算機。,CPU,存儲器 I/O口,DB,AB,CB,微機的結(jié)構(gòu)框圖,運算器,最終結(jié)果 數(shù) 中間結(jié)果/ 據(jù) 最后結(jié)果 原始數(shù)據(jù) 與程序 最后 結(jié)果 程 序 計算機系統(tǒng)的硬件組成框圖,存儲器,控制器,輸出設(shè)備,輸入設(shè)備,MCS - 51系列單片機的基本結(jié)構(gòu)圖,CPU,RAM,ROM,中斷系統(tǒng),串行口,并行口,定時計數(shù)器,振蕩電路,X1 X2 P0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1,T0 T1,1. 單片機的組成,MCS - 51系列單片機的基本結(jié)構(gòu)圖,CPU,RAM,ROM,中斷系統(tǒng),串行口,并行口,定時計數(shù)器,振蕩電路,X1 X2 P0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1,T0 T1,計算機,微機,2. 單片機的特點,控制功能強 抗干擾能力強，可靠性高 性能價格比高 擴張了多種串行口 系統(tǒng)擴展容易,1.3.3 單片機的發(fā)展趨勢,今后的發(fā)展趨勢不外乎在以下幾個方面： （1） 低功耗管理 全盤CMOS化趨勢 單片微機采用二種半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)，HMOS工藝即高密度短溝道MOS工藝，具有高速度和高密度；CHMOS工藝即互補金屬氧化物的HMOS工藝，除具有HMOS的優(yōu)點外，還具有CMOS工藝的低功耗特點。如8051的功耗為630mw，而80C51的功耗僅120mw。 從第三代單片微機起開始淘汰非CMOS工藝。目前，數(shù)字邏輯電路和外圍器件等都已普遍CMOS化。 （2） 更寬的工作電壓范圍 一般范圍是3.35.5 V，有的到2.26 V，有的甚至降到1.8 V。,（3） 高性能 為了提高速度和執(zhí)行效率，在單片微機中開始使用RISC（精簡指令）體系結(jié)構(gòu)、并行流水線操作和DSP（數(shù)字信號處理）等的設(shè)計技術(shù)，使單片微機的指令運行速度得到大大提高，其電磁兼容等性能明顯地優(yōu)于同類型的微處理器，現(xiàn)指令速度已達到100MIPS（百萬條指令/秒）。還有加強了位處理功能、中斷和定時控制功能。 （4）混合信號集成化 在單片微機中盡可能多的把應(yīng)用系統(tǒng)中所需要的存儲器、各種功能的I/O口都集成在一塊芯片內(nèi)，即外圍器件內(nèi)裝化，如把LED、LCD或VFD顯示驅(qū)動器集成在8位單片微機中，如把A/D、D/A、乃至多路模擬開關(guān)和采樣/保持器也集成在單片微機芯片中，從而成為名副其實的單片微機。以實現(xiàn)混合信號集成化 、功能多樣化,（5） 推行串行擴展總線 推行串行擴展總線可以顯著減少引腳數(shù)量，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。隨著I2C、SPI等串行總線接口的接入，單片微機的串行接口將普遍化、高速化，使得并行擴展接口技術(shù)日漸衰退，使得單片機的引腳可以設(shè)計得更節(jié)約，使單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡化和規(guī)范化。,（6） 小體積、低價格,（7） ISP及基于ISP的開發(fā)環(huán)境,1.3.4 單片機與嵌入式系統(tǒng),1.嵌入式系統(tǒng)的定義與分類 把嵌入到對象系統(tǒng)中以實現(xiàn)對象系統(tǒng)智能化控制的計算機，稱為嵌入式計算機系統(tǒng)。因此，嵌入式系統(tǒng)是將一個計算機嵌入到對象系統(tǒng)中去，這個計算機就成為系統(tǒng)的一部分。 “嵌入性”、“專用性”、與“計算機系統(tǒng)”是嵌入式計算機系統(tǒng)的3個基本要素。只要具備其三要素的計算機系統(tǒng)，都可稱為.嵌入式系統(tǒng)。 單片機最能滿足嵌入式應(yīng)用的要求，因為它有專門為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。 2.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 嵌入式系統(tǒng)目前在應(yīng)用數(shù)量上遠遠超過了一般的通用計算機。單片機已經(jīng)成為人類社會進入全面智能化時代不可或缺的工具。,1.4 80C51系列單片機,1.4.1 80C51系列單片機的發(fā)展,80C51系列單片機包括了 Intel公司發(fā)展MCS51系 列的新一代產(chǎn)品，如 8XC152、80C51FA/FB、80C5lGA/GB 石XC451、8XC452，還包括了 Phlips、Siemens、ADM、 OKI、ATMEL等公司以80C51為核心推出的大量各具特色、 與MCS51兼容（指令兼容、總線兼容和引腳兼容）的單片微機。 80C51系列單片微機是在MCS51的HMOS基礎(chǔ)上發(fā) 展起來的，它們具有CHMOS結(jié)構(gòu)。 80C51系列單片微機保留了MCS51單片微機的所有特性，內(nèi)部組成基本相同。80C51系列單片微機增設(shè)了兩種可以用軟件進行選擇的低功耗工作方式：空閑方式和掉電方式。,80C51系列單片機經(jīng)歷的三次技術(shù)飛躍： （1）從MCS-51到MCU的第一次飛躍 發(fā)展80C51的控制功能及外圍電路的功能，突出單片機 的微控制特征。 （2）引入快擦寫存儲器的第二次飛躍 使系統(tǒng)在開發(fā)過程中修改程序十分容易，大大縮減了單 片機系統(tǒng)的開發(fā)周期。 （3）向SOC（片上系統(tǒng)）轉(zhuǎn)化的第三次飛躍 其指令運行速度比一般的80