單片機嵌入式系統(tǒng)概述

1、單片機及其應(yīng)用開發(fā)單片機及其應(yīng)用開發(fā)董滔david_背景：背景：n單片機課程是嵌入式系統(tǒng)專業(yè)方向的重單片機課程是嵌入式系統(tǒng)專業(yè)方向的重要課程，也是嵌入式系統(tǒng)的重要分支；要課程，也是嵌入式系統(tǒng)的重要分支；n單片機技術(shù)主要運用于控制、通信等領(lǐng)單片機技術(shù)主要運用于控制、通信等領(lǐng)域，在生產(chǎn)、生活中應(yīng)用十分廣泛；域，在生產(chǎn)、生活中應(yīng)用十分廣泛；n學(xué)好單片機技術(shù)要求軟件硬件都要熟悉，學(xué)好單片機技術(shù)要求軟件硬件都要熟悉，軟件方面主要涉及到程序設(shè)計軟件方面主要涉及到程序設(shè)計(C語言語言)，硬件則主要是電子技術(shù)，并根據(jù)被控對硬件則主要是電子技術(shù)，并根據(jù)被控對象的不同采用不同的硬件電路。象的不同采用不同的硬件電路

2、。本課程討論的范圍：本課程討論的范圍：n無操作系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)；無操作系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)；n軟件硬件緊密結(jié)合的開發(fā)；軟件硬件緊密結(jié)合的開發(fā)；n采用采用C語言和匯編開發(fā)；語言和匯編開發(fā)；n以以8位單片機位單片機AVR系列單片機中的系列單片機中的Mega16為例；為例；學(xué)習方法學(xué)習方法n1、選擇自己感興趣的領(lǐng)域不斷深入；興、選擇自己感興趣的領(lǐng)域不斷深入；興趣是最好的老師；趣是最好的老師；n2、動手實驗，實踐出真知！、動手實驗，實踐出真知！n3、軟件硬件相結(jié)合，著力夯實嵌入式基、軟件硬件相結(jié)合，著力夯實嵌入式基本功。本功。評價方式：評價方式：1、注重動手實踐、注重課程作品；、注重動手實踐、注重課程作品

3、；2、注重綜合運用技能，淡化死記硬背、注重綜合運用技能，淡化死記硬背的知識；的知識；推薦讀物：推薦讀物：n本課教材通俗易懂，希望能夠認真閱讀！本課教材通俗易懂，希望能夠認真閱讀！n嵌入式硬件設(shè)計，徐君明譯，嵌入式硬件設(shè)計，徐君明譯， 中國中國電力出版社電力出版社n深入淺出深入淺出AVR單片機，江海波單片機，江海波 王卓王卓然然 耿德根編著，中國電力出版社；耿德根編著，中國電力出版社；nAVR單片機數(shù)據(jù)手冊單片機數(shù)據(jù)手冊;n學(xué)習網(wǎng)站：學(xué)習網(wǎng)站：http:/ 1 單片機的概述單片機的概述 1.1 單片機的定義單片機的定義 1.2 單片機的產(chǎn)生單片機的產(chǎn)生 1.3 單片機的發(fā)展歷史單片機的發(fā)展歷史

4、2 單片機的基本結(jié)構(gòu)和特點單片機的基本結(jié)構(gòu)和特點 2.1 微型計算機的基本結(jié)構(gòu)微型計算機的基本結(jié)構(gòu) 2.2 單片機的基本結(jié)構(gòu)單片機的基本結(jié)構(gòu) 2.3 單片機的特點單片機的特點 3 單片機的應(yīng)用單片機的應(yīng)用1 單片機的概述單片機的概述v1.1 單片機的定義單片機的定義什么叫單片機？什么叫單片機？ 單片機是早期單片機是早期單片微型計算機單片微型計算機(single chip microcomputer)的直譯。的直譯。 隨著單片機體系結(jié)構(gòu)的不斷完善和控制功能隨著單片機體系結(jié)構(gòu)的不斷完善和控制功能的不斷擴展，國際上逐漸采用的不斷擴展，國際上逐漸采用微控制器微控制器MCU (MicroControll

5、er Unit)來代替，并成為公認來代替，并成為公認的、統(tǒng)一的名稱。的、統(tǒng)一的名稱。 在單片機誕生之初，這是一個準確的稱謂。在單片機誕生之初，這是一個準確的稱謂。 由于國內(nèi)一直使用由于國內(nèi)一直使用“單片機單片機”的稱呼，已約的稱呼，已約定俗成，所以目前仍采用定俗成，所以目前仍采用“單片機單片機” 這一名詞。這一名詞。 單片機單片機是利用半導(dǎo)體集成技術(shù)將微型計算是利用半導(dǎo)體集成技術(shù)將微型計算機的微處理器機的微處理器(CPU)、存儲器、存儲器(ROM/RAM)、輸入輸出接口輸入輸出接口(I/O)和定時器和定時器/計數(shù)器、中斷計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、通訊接口等電路集成在系統(tǒng)、通訊接口等電路集成在一塊芯片一

6、塊芯片上形上形成的成的芯片級微型計算機芯片級微型計算機。單片機是一塊芯片。單片機是一塊芯片。各種各樣的單片機各種各樣的單片機單片機如何產(chǎn)生？單片機如何產(chǎn)生？v1.2 單片機的產(chǎn)生單片機的產(chǎn)生從計算機說起從計算機說起 1946 1946年，世界第一臺電子計算機年，世界第一臺電子計算機ENIACENIAC（Electronic Numerical Integrator And Electronic Numerical Integrator And calculatorcalculator）由美國賓夕法尼亞大學(xué)研制，運）由美國賓夕法尼亞大學(xué)研制，運算速度算速度 5000 5000次次/ /秒，功耗秒

7、，功耗150kw/h150kw/h，占地，占地170m170m2 2 , ,造價造價100100萬美元。萬美元。開始了計算機迅速發(fā)展的時代開始了計算機迅速發(fā)展的時代世界第一臺電子計算機世界第一臺電子計算機ENIAC 19461958年，第一代計算機：年，第一代計算機：電子管計算機電子管計算機。邏輯元件采用的是電子管；主存儲器采用磁鼓、磁芯；邏輯元件采用的是電子管；主存儲器采用磁鼓、磁芯；外存儲器采用磁帶外存儲器采用磁帶 。電子管計算機電子管計算機 19581964年，第二代計算機：年，第二代計算機：晶體管計算機晶體管計算機。邏輯元件為晶體管；主存儲器仍用磁芯；外存儲器已開邏輯元件為晶體管；主存

8、儲器仍用磁芯；外存儲器已開始使用磁盤始使用磁盤 。(1959年年)晶體管計算機晶體管計算機IBM7090 19641971年，第三代計算機：年，第三代計算機：集成電路計算機集成電路計算機。邏輯元件已開始采用小規(guī)模和中規(guī)模的集成電路，主存邏輯元件已開始采用小規(guī)模和中規(guī)模的集成電路，主存儲器仍以磁芯為主。儲器仍以磁芯為主。 (1964年年)第一臺采用集成電路的計算機第一臺采用集成電路的計算機IBM360 1971年以后，出現(xiàn)第四代計算機，邏輯元件采用年以后，出現(xiàn)第四代計算機，邏輯元件采用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為主要部件。內(nèi)存儲器邏輯大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為主要部件。內(nèi)存儲器邏輯元件開始采用半導(dǎo)

9、體存儲器，外存儲器采用磁盤和光盤。元件開始采用半導(dǎo)體存儲器，外存儲器采用磁盤和光盤。 (1971年年) 采用大規(guī)模集成電路的計算機采用大規(guī)模集成電路的計算機IBM370-145 20世紀世紀70年代初，年代初，微處理器微處理器問世問世 20世紀世紀70年代中期，為了滿足廣泛應(yīng)用的需要，微年代中期，為了滿足廣泛應(yīng)用的需要，微型計算機向著型計算機向著兩個不同的方向發(fā)展兩個不同的方向發(fā)展： 誕生了以微處理器為核心部件所構(gòu)成的誕生了以微處理器為核心部件所構(gòu)成的微型計算機微型計算機。(1)高速度、大容量、高性能的高速度、大容量、高性能的高檔微型計算高檔微型計算機方向機方向。這一分支形成日后大家熟知的。這

10、一分支形成日后大家熟知的PC機機和一些用于科學(xué)研究、超高速計算的巨型計算和一些用于科學(xué)研究、超高速計算的巨型計算機。機。PCIBM巨型計算機巨型計算機(2)功能完善、穩(wěn)定可靠、體積小、價格低廉、功能完善、穩(wěn)定可靠、體積小、價格低廉、面向控制的面向控制的單片機方向單片機方向。 在工業(yè)控制領(lǐng)域，人們對計算機提出了許多與傳在工業(yè)控制領(lǐng)域，人們對計算機提出了許多與傳統(tǒng)海量高速數(shù)值計算統(tǒng)海量高速數(shù)值計算完全不同的控制要求完全不同的控制要求，如能面向，如能面向控制對象，便于控制變量的的輸入控制對象，便于控制變量的的輸入/輸出，能夠適應(yīng)輸出，能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場較為惡劣的工作環(huán)境，體積小巧，能嵌入控工業(yè)現(xiàn)場較為

11、惡劣的工作環(huán)境，體積小巧，能嵌入控制系統(tǒng)內(nèi)部等制系統(tǒng)內(nèi)部等 。 單片機單片機由芯片內(nèi)僅有由芯片內(nèi)僅有CPU的微處理器發(fā)展而來。的微處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成到復(fù)雜一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成到復(fù)雜的而對體積要求嚴格的控制設(shè)備當中。從此以后，單的而對體積要求嚴格的控制設(shè)備當中。從此以后，單片機和微處理器的發(fā)展便分道揚鑣。片機和微處理器的發(fā)展便分道揚鑣。單片機經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展？單片機經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展？v1.3 單片機的發(fā)展歷史單片機的發(fā)展歷史 第一階段第一階段(197

12、11974)： 1971年年11月美國月美國Intel公司首先設(shè)計出集成度為公司首先設(shè)計出集成度為2000只晶體管的只晶體管的4位微處理器位微處理器Intel 4004，并且配，并且配有隨機存取存儲器有隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器、只讀存儲器ROM和移位寄和移位寄存器等芯片，構(gòu)成第一臺存器等芯片，構(gòu)成第一臺MCS-4微型計算機。微型計算機。1974年年,美國美國Fairchild(仙童仙童)公司研制出世界第一臺公司研制出世界第一臺8位單片微型計算機位單片微型計算機F8，深受家用電器和儀表儀器領(lǐng)，深受家用電器和儀表儀器領(lǐng)域的歡迎和重視，從此拉開了研制單片機的序幕。域的歡迎和重視，從此拉開了研

13、制單片機的序幕。 1972年年4月月, Intel公司又研制成功了處理能力較公司又研制成功了處理能力較強的強的8位微處理器位微處理器Intel 8008 。Intel 4004Fairchild F8Intel 8008第二階段第二階段(19741978)： 單片機初級階段。以單片機初級階段。以Intel公司的公司的MCS-48為代表。為代表。這個系列單片機內(nèi)集成有這個系列單片機內(nèi)集成有8位位CPU、并行、并行I/O接口、接口、8位定時器位定時器/計數(shù)器，尋址范圍不大于計數(shù)器，尋址范圍不大于4K。 Intel 8048第三階段第三階段(19781983): 單片機的完善階段。在這一階段推出的單

14、片機普遍單片機的完善階段。在這一階段推出的單片機普遍帶有串行口，中斷處理系統(tǒng)、定時器帶有串行口，中斷處理系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器。片內(nèi)計數(shù)器。片內(nèi)RAM、ROM容量加大，且尋址范圍可達容量加大，且尋址范圍可達64KB，有的，有的片內(nèi)還帶有片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換器接口。這類單片機有轉(zhuǎn)換器接口。這類單片機有Intel公司公司的的MCS-51、Motorola公司的公司的6801和和Zilog公司的公司的Z8等。這類單片機的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，其中等。這類單片機的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，其中MCS-51系列產(chǎn)品，以其優(yōu)良的性能價格比，成為我國廣大科系列產(chǎn)品，以其優(yōu)良的性能價格比，成為我國廣大科技人員的首選。技人員

15、的首選。 Intel MCS-51系列被奉為系列被奉為“工業(yè)控制單片機標準工業(yè)控制單片機標準”，奠定了典型的單片機體系結(jié)構(gòu)奠定了典型的單片機體系結(jié)構(gòu)Intel 8051Motorola 6801Zilog Z8第四階段第四階段(19831990): 單片機的鞏固和發(fā)展階段。此階段主要特征是一單片機的鞏固和發(fā)展階段。此階段主要特征是一方面發(fā)展方面發(fā)展16位單片機，如位單片機，如Intel MCS-96 ；另一方；另一方面不斷完善高檔面不斷完善高檔8位單片機，以滿足不同用戶需要，位單片機，以滿足不同用戶需要，如如Intel 80C51。單片機開始體現(xiàn)出微控制器的特征，。單片機開始體現(xiàn)出微控制器的特

16、征，并逐漸向并逐漸向微控制器微控制器發(fā)展。發(fā)展。 1984年年intel出售了出售了8051的核心技術(shù)：的核心技術(shù)： Philips、Atmel、Adi發(fā)展至今形成一個有近千種型號的龐大的發(fā)展至今形成一個有近千種型號的龐大的51單片機單片機家族。家族。 Intel 80C51Intel 8096第五階段第五階段(1990以后以后): 微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機在各個領(lǐng)域微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機在各個領(lǐng)域全面、深入地發(fā)展和應(yīng)用，許多半導(dǎo)體和電氣廠商都全面、深入地發(fā)展和應(yīng)用，許多半導(dǎo)體和電氣廠商都參與到單片機的研制和生產(chǎn)當中，推出了適合不同領(lǐng)參與到單片機的研制和生產(chǎn)當中，推出了適

17、合不同領(lǐng)域的單片機，如各種高速、低功耗、大存儲容量、強域的單片機，如各種高速、低功耗、大存儲容量、強運算能力的運算能力的8位位/16位位/32位單片機。眾多單片機廠商位單片機。眾多單片機廠商在競爭中發(fā)展，取長補短，使得單片機不斷發(fā)展完善。在競爭中發(fā)展，取長補短，使得單片機不斷發(fā)展完善。目前主要單片機廠商：目前主要單片機廠商：Motorola、Philips、Atmel、Siemens、 NS、LG、Winbond、Microchip、Epson、Nec、Cypress、Dallas、Oki、Fairchild 、Fujitsu、Hitachi、SAMSUNG、臺灣凌陽、臺灣凌陽目前國內(nèi)常見的單

18、片機：目前國內(nèi)常見的單片機：AT89SXX系列單片機系列單片機LPC系列單片機系列單片機PIC系列單片機系列單片機MSP430系列單片機系列單片機SPMC65系列單片機系列單片機AVR系列單片機系列單片機單片機里面有什么？單片機里面有什么？2 單片機的基本結(jié)構(gòu)和特點單片機的基本結(jié)構(gòu)和特點 單片機屬于微型計算機的一種，它集成單片機屬于微型計算機的一種，它集成了微型計算機中大部分功能部件，兩者的了微型計算機中大部分功能部件，兩者的基本結(jié)構(gòu)一樣基本結(jié)構(gòu)一樣v2.1 微型計算機的基本結(jié)構(gòu)微型計算機的基本結(jié)構(gòu)以微處理器以微處理器CPU為核心，以總線為信息傳輸中樞，配為核心，以總線為信息傳輸中樞，配上存儲

19、器和輸入輸出接口電路組成的計算機稱為上存儲器和輸入輸出接口電路組成的計算機稱為微型微型計算機計算機。v2.2 單片機的基本結(jié)構(gòu)單片機的基本結(jié)構(gòu)單片機是芯片級的微型計算機單片機是芯片級的微型計算機 將將微型計算機微型計算機的基本組成部分的基本組成部分(CPU、ROM/RAM、I/O)和定時器和定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)集成到計數(shù)器、中斷系統(tǒng)集成到一塊芯片一塊芯片上。上。這樣的單片機有什么好？這樣的單片機有什么好？v2.3 單片機的特點單片機的特點l集成度高、體積小、功能強、速度快集成度高、體積小、功能強、速度快 與微型計算機相比，單片機由于其獨特的結(jié)構(gòu)決與微型計算機相比，單片機由于其獨特的結(jié)構(gòu)決定

20、了它具有以下特點：定了它具有以下特點：如如AVRAVR單片機單片機MEGA64MEGA64：內(nèi)部集成了：內(nèi)部集成了CPUCPU、Flash(64KB)Flash(64KB)、EEPROM(2K)EEPROM(2K)、SRAM(4K)SRAM(4K)、ADCADC、T/CT/C、UARTUART體積只有：體積只有：1616 1.2(mm)運行速度可達運行速度可達16MIPSl價格低價格低 單片機生產(chǎn)廠商眾多單片機生產(chǎn)廠商眾多,生產(chǎn)批量大生產(chǎn)批量大,成本低成本低,價格低價格低.一般的單片機在一般的單片機在10元以內(nèi)元以內(nèi).l功耗低功耗低 如如MSP430F4794，其正常運行其正常運行(1MHz,

21、2.2V)時僅消耗時僅消耗280uA的電流的電流l抗干擾能力強抗干擾能力強 單片機單片機CPU訪問存儲器、訪問存儲器、I/O接口的總線在芯片接口的總線在芯片內(nèi)部，因而不易受外界干擾；另一方面由于體積小，內(nèi)部，因而不易受外界干擾；另一方面由于體積小，在應(yīng)用環(huán)境比較差的情況下，容易采取對系統(tǒng)進行在應(yīng)用環(huán)境比較差的情況下，容易采取對系統(tǒng)進行電磁屏蔽等措施電磁屏蔽等措施l使用方便使用方便 單片機內(nèi)部功能強，系統(tǒng)擴展方便，因此應(yīng)用單片機內(nèi)部功能強，系統(tǒng)擴展方便，因此應(yīng)用系統(tǒng)的外圍硬件設(shè)計非常簡單，而且國內(nèi)外提供系統(tǒng)的外圍硬件設(shè)計非常簡單，而且國內(nèi)外提供很多單片機開發(fā)工具，它們具有很強的軟硬件調(diào)很多單片機

22、開發(fā)工具，它們具有很強的軟硬件調(diào)試功能和輔助設(shè)計手段，這使單片機的應(yīng)用極為試功能和輔助設(shè)計手段，這使單片機的應(yīng)用極為方便，大大縮短了系統(tǒng)研制的周期。方便，大大縮短了系統(tǒng)研制的周期。單片機編程器單片機編程器單片機仿真器單片機仿真器單片機芯片能用在什么地方？單片機芯片能用在什么地方？3 單片機的應(yīng)用單片機的應(yīng)用 由于單片機的優(yōu)越控制性能和性價由于單片機的優(yōu)越控制性能和性價比，易于開發(fā)成電子產(chǎn)品，因而獲得了比，易于開發(fā)成電子產(chǎn)品，因而獲得了極其廣泛的應(yīng)用，主要概括為以下幾個極其廣泛的應(yīng)用，主要概括為以下幾個方面：方面：1.智能儀器儀表智能儀器儀表 單片機用于各種儀器儀表，一方面增強了儀器儀表的性能，

23、單片機用于各種儀器儀表，一方面增強了儀器儀表的性能，提高了精度，同時還簡化了儀器儀表的結(jié)構(gòu)；另一方面，用單提高了精度，同時還簡化了儀器儀表的結(jié)構(gòu)；另一方面，用單片機可方便地改造原有的儀器儀表，使其向數(shù)字化、智能化、片機可方便地改造原有的儀器儀表，使其向數(shù)字化、智能化、多功能化發(fā)展，完成儀器儀表產(chǎn)品的升級換代。如各種智能電多功能化發(fā)展，完成儀器儀表產(chǎn)品的升級換代。如各種智能電氣測量儀表、數(shù)字示波器等。氣測量儀表、數(shù)字示波器等。壓力表壓力表萬用表萬用表轉(zhuǎn)速表轉(zhuǎn)速表示波器示波器電子稱電子稱2.測控系統(tǒng)測控系統(tǒng) 單片機可應(yīng)用于各種工業(yè)實時控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、調(diào)單片機可應(yīng)用于各種工業(yè)實時控制系統(tǒng)、數(shù)

24、據(jù)采集系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等。例如：溫度控制系統(tǒng)，生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)，水閘速系統(tǒng)等。例如：溫度控制系統(tǒng)，生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)，水閘自動控制系統(tǒng)，電動機控制系統(tǒng)等。自動控制系統(tǒng)，電動機控制系統(tǒng)等。啤酒自動生產(chǎn)線啤酒自動生產(chǎn)線電機控制電機控制溫度控制溫度控制3.機電一體化產(chǎn)品機電一體化產(chǎn)品 機電一體化產(chǎn)品是集機械技術(shù)、自動化技術(shù)、微電子技術(shù)和機電一體化產(chǎn)品是集機械技術(shù)、自動化技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)為一體，具有智能化特征的機電產(chǎn)品。單片機與傳計算機技術(shù)為一體，具有智能化特征的機電產(chǎn)品。單片機與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品結(jié)合，是傳統(tǒng)機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化，控制智能化，統(tǒng)的機械產(chǎn)品結(jié)合，是傳統(tǒng)機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化，控制智能化，

25、構(gòu)成新一代機電一體化產(chǎn)品更新?lián)Q代，例如：機器人，數(shù)控機構(gòu)成新一代機電一體化產(chǎn)品更新?lián)Q代，例如：機器人，數(shù)控機床，點鈔機，傳真機，復(fù)印機，打印機等。床，點鈔機，傳真機，復(fù)印機，打印機等。數(shù)控機床數(shù)控機床4.家用電器家用電器 家用電器是單片機的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域，前景十分廣闊。單家用電器是單片機的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域，前景十分廣闊。單片機的使用，提高了家電的功能，使操作方便，故障率低，成片機的使用，提高了家電的功能，使操作方便，故障率低，成本低。如電視機、空調(diào)器、電冰箱、洗衣機、電飯煲、微波爐、本低。如電視機、空調(diào)器、電冰箱、洗衣機、電飯煲、微波爐、高檔玩具等。高檔玩具等。5.網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)和通信 現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為計算機