單片機原理與應用PrinciplesandApplicationofMicrocontroller

1、單片機原理與應用單片機原理與應用Principles and Application of Microcontroller講授：韓民講授：韓民課程的重要性課程的重要性：n課程實踐性強，可課程實踐性強，可提高工程素養(yǎng)提高工程素養(yǎng)n是重要的硬件基礎課程是重要的硬件基礎課程n有利于就業(yè)、保研有利于就業(yè)、保研課程安排課程安排n講課學時：實驗學時講課學時：實驗學時=2：1n自主學習、創(chuàng)新實驗自主學習、創(chuàng)新實驗學習要求：學習要求：n認真聽課認真聽課n獨立完成編程實驗獨立完成編程實驗學習方法：動手實踐學習方法：動手實踐Practice is a best way to learning.考核考核n 筆試成績

2、占筆試成績占70%n 平時成績占平時成績占30%第一章 單片機簡介1.1 什么是單片機1.2 單片機的歷史發(fā)展1.3 單片機的發(fā)展趨勢1.4 單片機的應用1.5 單片機的主要廠商及產(chǎn)品系列1.6 學習單片機的方法微處理器、微機、單片機微處理器、微機、單片機馮馮. .諾依曼結構諾依曼結構: : 計算機無論如何發(fā)展，其原理均采用存儲計算機無論如何發(fā)展，其原理均采用存儲程序的概念，稱為程序的概念，稱為馮馮. .諾依曼結構諾依曼結構。它將計算機。它將計算機分成五個在功能上相互獨立的部分。分成五個在功能上相互獨立的部分。 主機輸入設備輸出設備主存儲器CPU運算器控制器I/O設備 這些部件在規(guī)模、速度、大

3、小方面的不同這些部件在規(guī)模、速度、大小方面的不同就構成了不同的計算機系統(tǒng)。就構成了不同的計算機系統(tǒng)。微處理器微處理器（CPU、P） 把運算器運算器、控制器控制器集成在一個集成電路芯片上就成為中央處理單元，也稱為CPU、微處理器、P。它本身不是計算機，是小型計算機或微型計算機的控制和處理部分。微型計算機微型計算機（Microcomputer,Microcomputer,簡稱微機簡稱微機PCPC）是具有完整運算及控制功能的計算機。是具有完整運算及控制功能的計算機。包括包括微處理器微處理器(CPU)(CPU)存儲器存儲器輸入輸入/ /輸出（輸出（I/OI/O）設備。）設備。接口適配器（輸入輸出接口電

4、路）接口適配器（輸入輸出接口電路）微型計算機組成結構微型計算機組成結構微型計算機系統(tǒng)硬件微型計算機（主機）微處理器微處理器 (CPU)軟件外圍設備運算器控制器存儲器存儲器 (內(nèi)存)RAMROM外部設備輔助設備 輸入設備(鍵盤、掃描儀、語音識別儀) 輸出設備(顯示器、打印機、繪圖儀、) 輔助存儲器(磁帶、磁盤、光盤)輸入輸入/ /輸出接口輸出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC) (I/O接口接口) 總線 (AB、DB、CB)系統(tǒng)軟件(操作系統(tǒng)，編輯、編譯程序，故障診斷,監(jiān)控程序)應用軟件(科學計算，工業(yè)控制，數(shù)據(jù)處理)程序設計語言(機器語言、匯編語言、高級語言)電源電路時鐘電路1.1

5、什么是單片機單片機單片機：亦稱單片微型計算機 （Single-Chip Microcomputer）。 是將微處理器（微處理器（CPUCPU）、存儲器）、存儲器（只讀存儲器ROM和隨機存儲器RAM）、總線總線、定定時器時器/ /計數(shù)器計數(shù)器、輸入輸入/ /輸出接口（輸出接口（I/OI/O）和其他多種功能器件集成在一塊芯片上構成的微型計算機。單片機的主要特點 ：（1 1）集成度高、體積小。）集成度高、體積小。 單片機將CPU、存儲器、I/O接口等各種功能部件集成在一塊晶體芯片上，體積小，節(jié)省空間。能靈活，方便地應用于各種智能化的控制設備和儀器，實現(xiàn)機電一體化。（2 2）可靠性高，抗干擾性強。）可

6、靠性高，抗干擾性強。 單片機把各種功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結構，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。（3 3）控制功能強。）控制功能強。 其CPU可以對I/O端口直接進行操作，可以進行位操作、分支轉移操作， 還能方便地實現(xiàn)多機控制，使整個系統(tǒng)的控制效率大為提高，適用于專門的控制領域。（4 4）低功耗。）低功耗。 許多單片機的工作電壓只有24伏特，電流幾百微安，功耗很低，適用于便攜式系統(tǒng)。單片機的主要特點單片機的主要特點 ：（5 5）可擴展性好。）可擴展性好。 單片機具有靈活方便的外部擴

7、展總線接口，使得當片內(nèi)資源不夠使用時可以非常方便地進行片外擴展。另外，現(xiàn)在單片機具有越來越豐富的通信接口：如異步串行口SCI、同步串行口SPI、I2C、CAN總線、甚至有的單片機還集成了USB接口或以太網(wǎng)接口，這些豐富的通信接口使得單片機系統(tǒng)與外部計算機系統(tǒng)的通信變得非常容易。（6 6）性價比高。）性價比高。 單片機應用廣泛，生產(chǎn)批量大，產(chǎn)品供應商的商業(yè)競爭使得單片機產(chǎn)品的性能越來越強而價格低廉，有優(yōu)異的性能價格比。單片機的主要特點單片機的主要特點 ：1.2 1.2 單片機的歷史發(fā)展單片機的歷史發(fā)展（1 1）第一階段（）第一階段（1976-19781976-1978）：）：單片機發(fā)展的初級階段

8、。 這個階段的單片機受集成電路技術的限制，制造工藝落后（使用NMOS工藝），速度低，功耗大，集成度低，片內(nèi)資源較少。 典型的代表產(chǎn)品有Intel公司的MCS-48系列。其特點是：片內(nèi)集成有8位的CPU（有的還是4位的CPU），只有并行接口，無串行接口，有1個8位的定時器/計數(shù)器，最多只有2個中斷源，1KB或2KB的ROM，64B或128B的RAM，尋址范圍不大于4KB。 （2 2）第二階段（）第二階段（1978-19821978-1982）：）：單片機發(fā)展和完善階段。 采用CMOS 工藝，并逐漸被高速低功耗的HMOS工藝代替。代表產(chǎn)品有Intel公司的MCS-51系列，Motorola公司的M

9、C6805系列，TI公司的TMS7000系列等。這個階段的單片機在以下幾個方面奠定了典型的單片機通用體系結構。 完善的外部總線。MCS-51設置了經(jīng)典的8位單片機的總線結構，包括8位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線、控制總線及具有很多機通信功能的串行通信接口。 CPU外圍功能單元的集中管理模式。 體現(xiàn)工控特性的位地址空間及位操作方式。 指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。1.2 1.2 單片機的歷史發(fā)展單片機的歷史發(fā)展（3 3）第三階段（）第三階段（1982-19901982-1990）：）：8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機推出階段，也是單片機向微控制器（Micro Contro

10、l UnitMCU）發(fā)展的階段。 Intel公司推出的MCS96系列單片機，將一些用于測控系統(tǒng)的模數(shù)轉換器、程序運行監(jiān)視器、脈寬調(diào)制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機的微控制器特征。1.2 1.2 單片機的歷史發(fā)展單片機的歷史發(fā)展（4 4）第四階段（）第四階段（19901990）：）：微控制器的全面發(fā)展階段。 不但16位單片機和8位高性能單片機并行發(fā)展，還出現(xiàn)了32位和更高位的單片機。隨著單片機在各個領域全面深入地發(fā)展和應用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強運算能力的通用型單片機，以及小型廉價的專用型單片機。單片機的性能不斷完善提高，種類和型號大量增加，正朝著面向多用戶、多層次和多規(guī)格方向發(fā)展。1.2 1.

11、2 單片機的歷史發(fā)展單片機的歷史發(fā)展（1 1）高性能化）高性能化 高性能化，主要是指進一步改進CPU的性能，提高指令運算速度，增加字長，采用RISC（Reduced Instruction Set Computer-精簡指令集）結構和流水線技術，可以大幅度提高運行速度。現(xiàn)在CPU的處理速度最高者已達100MIPS（Million Instruction Per Seconds-兆條指令每秒），進一步增強了位處理功能、中斷和定時控制功能。1.3 1.3 單片機的發(fā)展趨勢單片機的發(fā)展趨勢（2 2）大容量化）大容量化 以往單片機內(nèi)的ROM為1KB4KB，RAM為64128B。為了適應復雜控制的場合，

12、一些單片機開始采用大容量片內(nèi)存儲器。目前，單片機內(nèi)ROM最大可達64KB，RAM最大為2KB以上。有的單片機內(nèi)部還配備了大容量Flash存儲器作為程序存儲器使用。 程序存儲空間的擴大，還使得單片機可以嵌入實時操作系統(tǒng)如RTOS（Real-Time Operating System-實時操作系統(tǒng)）等，提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率和處理能力，簡化了復雜系統(tǒng)的開發(fā)難度。 1.3 1.3 單片機的發(fā)展趨勢單片機的發(fā)展趨勢（3 3）多功能化）多功能化 新型單片機中不僅增加了各種總線接口，如I2C總線、USB總線、 SPI總線以及支持TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)接口，而且有的新型單片機還集成了A/D轉換器，PWM (

13、Pulse Width Modulation-脈沖寬度調(diào)制)生成器，使得利用這些單片機所設計出來的控制系統(tǒng)集成度更高，性價比更好。（4 4）在線調(diào)試）在線調(diào)試 現(xiàn)在有些新型單片機已經(jīng)具備使用JTAG (Joint Test Action Group-聯(lián)合測試行動小組)接口的在線調(diào)試功能，開發(fā)工具更加智能化，方便了用戶的開發(fā)。1.3 1.3 單片機的發(fā)展趨勢單片機的發(fā)展趨勢5 5）低功耗化）低功耗化 現(xiàn)在的各個單片機制造商基本都采用了CMOS(互補金屬氧化物半導體)工藝。隨著技術和工藝水平的提高，又出現(xiàn)了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工藝。目前生產(chǎn)的CHMOS電路已達到LSTTL

14、(Low-power Schottky TTL-低功耗肖特基TTL Transistor-Transistor Logic 晶體管-晶體管邏輯電路)的速度，傳輸延遲時間小于2ns。在單片機領域CMOS正在逐漸取代TTL電路。 目前，單片機的靜態(tài)功耗電流已降至mA級，甚至uA級；使用電壓一般在3-6V之間，低電壓供電的單片機電壓下限已可達1-2V，甚至0.8V供電的單片機也已經(jīng)問世。這種低功耗，低電壓使得單片機系統(tǒng)完全適應于采用電池供電，便于產(chǎn)品的便攜化。 1.3 1.3 單片機的發(fā)展趨勢單片機的發(fā)展趨勢1.4 1.4 單片機的應用單片機的應用 由于單片機具有顯著的優(yōu)點，它已成為自動化領域的有力

15、工具，人類生活的得力助手。它的應用遍及各個領域，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （1 1）單片機在智能儀表中的應用）單片機在智能儀表中的應用 單片機廣泛地用于各種儀器儀表，使儀器儀表智能化，并可以提高測量的自動化程度和精度，簡化儀器儀表的硬件結構，提高其性能價格比。 （2 2）單片機在機電一體化中的應用）單片機在機電一體化中的應用 機電一體化是機械工業(yè)發(fā)展的方向。機電一體化產(chǎn)品是指集成機械技術、微電子技術、計算機技術于一體，具有智能化特征的機電產(chǎn)品，例如微機控制的車床、鉆床等。單片機作為產(chǎn)品中的控制器，能充分發(fā)揮它的體積小、可靠性高、功能強等優(yōu)點，可大大提高機器的自動化、智能化程度。 1.4 1.4

16、 單片機的應用單片機的應用（3 3）單片機在實時控制中的應用）單片機在實時控制中的應用 單片機廣泛地用于各種實時控制系統(tǒng)中。例如，在工業(yè)測控、航空航天、尖端武器、機器人等各種實時控制系統(tǒng)中，都可以用單片機作為控制器。單片機的實時數(shù)據(jù)處理能力和控制功能，可使系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 1.4 1.4 單片機的應用單片機的應用（4 4）單片機在分布式多機系統(tǒng)中的應用）單片機在分布式多機系統(tǒng)中的應用 在比較復雜的系統(tǒng)中，常采用分布式多機系統(tǒng)。多機系統(tǒng)一般由若干臺功能各異的單片機組成，各自完成特定的任務，它們通過串行通信相互聯(lián)系、協(xié)調(diào)工作。單片機在這種系統(tǒng)中往往作為一個終端

17、機，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點上，對現(xiàn)場信息進行實時的測量和控制。單片機的高可靠性和強抗干擾能力，使它可以置于惡劣環(huán)境的前端工作。 1.4 1.4 單片機的應用單片機的應用（5 5）單片機在人類生活中的應用）單片機在人類生活中的應用 自從單片機誕生以后，它就步入了人類生活，如洗衣機、電冰箱、電子玩具、收錄機等家用電器配上單片機后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人們喜愛。單片機將使人類生活更加方便、舒適、豐富多彩。 1.4 1.4 單片機的應用單片機的應用1.5 1.5 單片機的主要廠商及產(chǎn)品系列單片機的主要廠商及產(chǎn)品系列 單片機自從誕生以來，經(jīng)過長足的發(fā)展，目前世界上單片機市場形成了很多生產(chǎn)廠商

18、, 如: Intel、 Motorola、Microchip、Philips、 Siemens、ATMEL、Epson、NEC、Zilog等公司, 其主流產(chǎn)品有幾十個系列, 幾百個型號。盡管其各具特色, 名稱各異, 但作為集CPU、 RAM、 ROM（或EPROM）、 I/O接口、 定時器/計數(shù)器、 中斷系統(tǒng)為一體的單片機, 其原理大同小異。 （1 1） IntelIntel（英特爾）（英特爾） 1976年Intel公司推出MCS48系列單片機，后來于20世紀80年代推出高檔8位單片機MCS-51系列，該系列是世界上使用量最大、應用最廣泛的幾種單片機之一。MCS-51系列單片機又可分為：基本型

19、的51子系列和增強型的52子系列兩大類。 51子系列主要有8031、8051、8751等機型。它們的指令系統(tǒng)與芯片引腳完全兼容，差別僅在于片內(nèi)有無ROM或EPROM。 52子系列主要有8032、8052、8752等機型。52子系列與51子系列的主要不同之處在于：片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器增至256字節(jié)；片內(nèi)程序存儲器增至8 KB (8032無片內(nèi)程序)；有3個16位定時/計數(shù)器，6個中斷源。其它性能均與51子系列相同。1.5 1.5 單片機的主要廠商及產(chǎn)品系列單片機的主要廠商及產(chǎn)品系列 在單片機家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司將其MCS 51系列中的80C51內(nèi)核使用權以專利互換或

20、出售形式轉讓給全世界許多著名IC制造廠商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、華邦等，這些公司都在保持與80C51單片機兼容的基礎上改善了80C51的許多特性。這樣，80C51就變成有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出上百品種的大家族，現(xiàn)統(tǒng)稱為80C51系列。80C51單片機已成為單片機發(fā)展的主流。事實上，80C51已經(jīng)成為事實上的標準MCU芯片。MCS-51系列單片機的型號及配置如下表1.1所示： 1.5 1.5 單片機的主要廠商及產(chǎn)品系列單片機的主要廠商及產(chǎn)品系列1.5 1.5 單片機的主要廠商及產(chǎn)品系列單片機的主要廠商及產(chǎn)品系列（2 2） ATMELATMEL（愛特梅爾）（愛特梅爾）

21、ATMEL公司是世界上高級半導體產(chǎn)品設計、制造和行銷的領先者，產(chǎn)品包括了微處理器、可編程邏輯器件、非易失性存儲器、安全芯片、混合信號及RF射頻集成電路。其生產(chǎn)的CMOS型51單片機具有MCS-51內(nèi)核，ATMAL生產(chǎn)的51系列單片機如AT89C51、AT89S51等單片機目前在市場上仍然十分流行。ATMEL生產(chǎn)的單片機除了有與MCS-51兼容的AT8951系列，還有與MCS-51不兼容的AVR系列RISC結構單片機，AVR單片機是一種高速、低功耗的單片機產(chǎn)品，端口有較強的驅動負載能力。1.5 1.5 單片機的主要廠商及產(chǎn)品系列單片機的主要廠商及產(chǎn)品系列（3 3）MotorolaMotorola

22、（摩托羅拉（摩托羅拉） Motorola是世界上最大的單片機生產(chǎn)廠家之一，品種全、選擇余地大、新產(chǎn)品多。其主要特點是在同樣的速度下所用的時鐘較Intel 類單片機低的多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強，比較適合于工控領域及惡劣的環(huán)境。在8位機方面的典型產(chǎn)品有68HC05和升級產(chǎn)品68HC08，其中68HC05有30多個系列200多個品種，產(chǎn)量超過20億片。32位單片機方面有683XX系列。Motorola單片機特點之一是使得其噪聲低，抗干擾能力強，更適合用于工控領域以及惡劣環(huán)境。1.5 1.5 單片機的主要廠商及產(chǎn)品系列單片機的主要廠商及產(chǎn)品系列（4 4）MicroshipMicroship（微

23、芯科技）（微芯科技） Microship公司是全球領先的單片機和模擬半導體供應商，為全球數(shù)以千計的消費類產(chǎn)品提供低風險的產(chǎn)品開發(fā)、更低的系統(tǒng)總成本和更快的上市時間。Microship公司單片機是市場份額增長較快的單片機。它的主要產(chǎn)品是PIC系列8位單片機，指令系統(tǒng)采用RISC指令，運行速度快，價格低，適于用量大、檔次低、價格敏感的產(chǎn)品。1.5 1.5 單片機的主要廠商及產(chǎn)品系列單片機的主要廠商及產(chǎn)品系列（5 5）ZilogZilog Zilog公司1974年成立于美國加州，曾經(jīng)是單片機領域的領軍人物，但是在無限風光之后，由于各種原因以及公司策略的改變，Zilog公司在商業(yè)市場遭受了很大挫折，逐漸退出單片機市場，直到長達10多年的沉寂之后的2000年，Zilog終于決定重新回到位單片機市場。公司以其老一代的Z8系列單片機為基礎，陸續(xù)推出了兩個全新的