單片機(jī)原理及應(yīng)用教學(xué)課件第1章概述

1、單片機(jī)原理及應(yīng)用第1頁，共37頁。第1章 概 述1.1 課程簡介1.2 單片機(jī)的基本概念1.3 單片機(jī)的發(fā)展概況1.4 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用1.5 常用單片機(jī)系列介紹第2頁，共37頁。 1.1 單片機(jī)的基本概念名詞解釋中央處理器（CPU） 中央處理器（Central Processing Unit）的縮寫，即CPU，CPU是電腦中的核心配件，其功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。所謂的計(jì)算機(jī)的可編程性主要是指對CPU的編程 。（強(qiáng)調(diào)：CPU并不是一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)）單片機(jī) 全稱為單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microcomputer)或微控制器(Microcontrol

2、ler Unit)或嵌入式控制器(Embedded Controller) 將微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、I/O接口電路和相應(yīng)實(shí)時(shí)控制器件集成在一塊芯片上，稱其為單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)。第3頁，共37頁。單片機(jī)與微型計(jì)算機(jī)的區(qū)別圖1.1 微機(jī)組成結(jié)構(gòu)框圖 第4頁，共37頁。圖1.2 單片機(jī)組成框圖 第5頁，共37頁。 (1) 單板機(jī)：將微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、I/O接口電路以及簡單的輸入/輸出設(shè)備組裝在一塊印刷電路板上，稱其為單板微型計(jì)算機(jī)，簡稱單板機(jī)。 (2) 單片機(jī)：將微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、I/O接口電路和相應(yīng)實(shí)時(shí)控制器件集成在一塊芯片上，稱其為單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)。

3、(3) 微型計(jì)算機(jī)：微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、I/O接口電路由總線有機(jī)地連接在一起的整體，稱為微型計(jì)算機(jī)。 (4) 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：微型計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備、電源、系統(tǒng)軟件一起構(gòu)成的系統(tǒng)，稱為微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。第6頁，共37頁。(1) 微處理器（CPU）的區(qū)別 通用微機(jī)的CPU主要面向數(shù)據(jù)處理，其發(fā)展主要圍繞數(shù)據(jù)處理功能、計(jì)算速度和精度的進(jìn)一步提高。例如，現(xiàn)今微機(jī)的CPU都支持浮點(diǎn)運(yùn)算，采用流水線作業(yè)，并行處理、多級高速緩沖(Cache)技術(shù)等。CPU的主頻達(dá)到數(shù)百兆赫茲(MHz)，字長普遍達(dá)到32位。 單片機(jī)主要面向控制，控制中的數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)處理相對簡單，所以單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能比通用微機(jī)相對

4、要弱一些，計(jì)算速度和精度也相對要低一些。例如，現(xiàn)在的單片機(jī)產(chǎn)品的CPU大多不支持浮點(diǎn)運(yùn)算，CPU還采用串行工作方式 。 字長一般為4位、8位。 單片機(jī)與通用微機(jī)部件區(qū)別第7頁，共37頁。(2) 存儲(chǔ)器區(qū)別 通用微機(jī)中存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)主要針對增大存儲(chǔ)容量和CPU對數(shù)據(jù)的存取速度。現(xiàn)今微機(jī)的內(nèi)存容量達(dá)到了數(shù)百兆字節(jié)(MB)，存儲(chǔ)體系采用多體、并讀技術(shù)和段、頁等多種管理模式。 單片機(jī)中存儲(chǔ)器的組織結(jié)構(gòu)比較簡單，存儲(chǔ)器芯片直接掛接在單片機(jī)的總線上，CPU對存儲(chǔ)器的讀寫按直接物理地址來尋址存儲(chǔ)器單元，存儲(chǔ)器的尋址空間一般都為64 KB。第8頁，共37頁。(3) I/O接口 通用微機(jī)中I/O接口主要考慮標(biāo)準(zhǔn)

5、外設(shè)(如CRT、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、硬盤、光盤等)。用戶通過標(biāo)準(zhǔn)總線連接外設(shè)，能達(dá)到即插即用。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的外設(shè)都是非標(biāo)準(zhǔn)的，且千差萬別，種類很多。單片機(jī)的I/O接口實(shí)際上是向用戶提供的與外設(shè)連接的物理界面。用戶對外設(shè)的連接要設(shè)計(jì)具體的接口電路，需有熟練的接口電路設(shè)計(jì)技術(shù)。第9頁，共37頁。嵌入式系統(tǒng)定義 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。 單片機(jī)與嵌入式

6、系統(tǒng)第10頁，共37頁。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展 第一階段是以單芯片為核心的可編程控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)大部分應(yīng)用于一些專業(yè)性極強(qiáng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般沒有操作系統(tǒng)的支持，通過匯編語言程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行直接控制，結(jié)束后清除內(nèi)存。 主要特點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對單一，處理效率較低，存儲(chǔ)容量較小。由于這類系統(tǒng)操作使用簡便、價(jià)格低廉，在國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)控制和新興的信息家電等領(lǐng)域需要。第11頁，共37頁。 第二階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。 主要特點(diǎn)：CPU種類繁多，通用性較弱；系統(tǒng)開銷小，效率高；操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴(kuò)展性；應(yīng)用軟件較專業(yè)；系統(tǒng)主要

7、用于控制系統(tǒng)負(fù)載以及監(jiān)控應(yīng)用程序運(yùn)行。第12頁，共37頁。 第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。 主要特點(diǎn)：嵌入式系統(tǒng)能運(yùn)行于不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核精小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴(kuò)展性；具備文件和目錄管理、設(shè)備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面的功能；具備大量應(yīng)用程序接口(API)，開發(fā)應(yīng)用程序簡單；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。第13頁，共37頁。 第四階段是以嵌入式Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段。 目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外，但隨著Internet的發(fā)展和Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)

8、等結(jié)合日益密切，嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的真正未來。第14頁，共37頁。1.2 單片機(jī)的發(fā)展概況 14位單片機(jī)階段 自1975年美國德克薩斯儀器公司首次推出4位單片機(jī)TMS-1000后，各個(gè)計(jì)算機(jī)生產(chǎn)公司競相推出4位單片機(jī)。例如美國國家半導(dǎo)體公司(National Semiconductor)的COP402系列，日本電氣公司(NEC)的PD75XX系列，美國洛克威爾公司(Rockwell)的PPS/1系列，日本松下公司的MN1400系列，富士通公司的MB88系列等。 4位單片機(jī)主要用于家用電器、電子玩具等。1.2.1 數(shù)據(jù)總線位數(shù)的發(fā)展第15頁，共37頁。 28位單

9、片機(jī)階段 1976年9月，美國Intel公司首先推出了MCS-48系列8位單片機(jī)以后，單片機(jī)發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段，8位單片機(jī)紛紛應(yīng)運(yùn)而生。例如，莫斯特克(Mostek)和仙童(Fairchild)公司共同合作生產(chǎn)的3870(F8)系列，摩托羅拉(Motorola)公司的6801系列等。 在1978年以前各廠家生產(chǎn)的8位單片機(jī)，由于受集成度(幾千只管/片)的限制，一般沒有串行接口，并且尋址空間的范圍小(小于8 KB)，從性能上看屬于低檔8位單片機(jī)。第16頁，共37頁。 隨著集成電路工藝水平的提高，在1978年到1983年期間集成度提高到幾萬只管/片，因而一些高性能的8位單片機(jī)相繼問世。例如，1

10、978年摩托羅拉公司的MC6801系列，齊洛格(Zilog)公司的Z8系列，1979年NEC公司的PD78XX系列，1980年Intel公司的MCS-51系列。這類單片機(jī)的尋址能力達(dá)64 KB，片內(nèi)ROM容量達(dá)48 KB，片內(nèi)除帶有并行I/O口外，還有串行I/O口，甚至某些還有A/D轉(zhuǎn)換器功能。因此，把這類單片機(jī)稱為高檔8位單片機(jī)。第17頁，共37頁。 在高檔8位單片機(jī)的基礎(chǔ)上，單片機(jī)功能進(jìn)一步得到提高，近年來推出了超8位單片機(jī)。如Intel公司的8X252、UPI-45283C152，Zilog公司的Super8，Motorola公司的MC68HC等，它們不但進(jìn)一步擴(kuò)大了片內(nèi)ROM和RAM的

11、容量，同時(shí)還增加了通信功能、DMA傳輸功能以及高速I/O功能等。自1985年以來，各種高性能、大存儲(chǔ)容量、多功能的超8位單片機(jī)不斷涌現(xiàn)，它們代表了單片機(jī)的發(fā)展方向，在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。 8位單片機(jī)由于功能強(qiáng)，被廣泛用于工業(yè)控制、智能接口、儀器儀表等各個(gè)領(lǐng)域。第18頁，共37頁。 316位單片機(jī)階段 1983年以后，集成電路的集成度可達(dá)十幾萬只管/片，16位單片機(jī)逐漸問世。這一階段的代表產(chǎn)品有1983 年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司又推出的80C96，美國國家半導(dǎo)體公司推出的HPC16040和NEC公司推出的783XX系列等。 16位單片機(jī)把單

12、片機(jī)的功能又推向了一個(gè)新的階段。如MCS-96系列的集成度為12萬只管/片，片內(nèi)含16位CPU、8 KB ROM、232字節(jié)RAM、5個(gè)8位并行I/O口、4個(gè)全雙工串行口、4個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、8級中斷處理系統(tǒng)。MCS-96系列還具有多種I/O功能，如高速輸入/輸出(HSIO)、脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出、特殊用途的監(jiān)視定時(shí)器(Watchdog)等等。 16位單片機(jī)可用于高速復(fù)雜的控制系統(tǒng)。第19頁，共37頁。 432位單片機(jī) 近年來，各個(gè)計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠家已進(jìn)入更高性能的32位單片機(jī)研制、生產(chǎn)階段。由于控制領(lǐng)域?qū)?2位單片機(jī)需求并不十分迫切，所以32位單片機(jī)的應(yīng)用并不很多。 需要提及的是，單

13、片機(jī)的發(fā)展雖然按先后順序經(jīng)歷了4位、8位、16位的階段，但從實(shí)際使用情況看，并沒有出現(xiàn)推陳出新、以新代舊的局面。4位、8位、16位單片機(jī)仍各有應(yīng)用領(lǐng)域，如4位單片機(jī)在一些簡單家用電器、高檔玩具中仍有應(yīng)用，8位單片機(jī)在中、小規(guī)模應(yīng)用場合仍占主流地位，16位單片機(jī)在比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中才有應(yīng)用。第20頁，共37頁。體系結(jié)構(gòu)的變化 （1）SCM（Single Chip Microcomputer） （2）MCU（Micro Controller Unit） （3）SOC （System On Chip）單片機(jī)速度越來越快低電壓與低功耗 36V2.7V 2.2V 1.8V 0.9V CHMOS(互補(bǔ)金

14、屬氧化物MOS)工藝低噪聲與高可靠性技術(shù) WDT看門狗1.2.2 單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展第21頁，共37頁。OTP向MTP轉(zhuǎn)變在線編程技術(shù) ISP（In System Programming） IAP（In Application Programming）在線仿真技術(shù) JTAG（Joint Test Action Group）接口 、SPI串行接口 顯著減少引腳數(shù)，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第22頁，共37頁。1.3 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用1.3.1 單片機(jī)的特點(diǎn) (1) 單片機(jī)的存儲(chǔ)器ROM和RAM是嚴(yán)格區(qū)分的。ROM稱為程序存儲(chǔ)器，只存放程序、固定常數(shù)及數(shù)據(jù)表格。RAM則為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用作工作區(qū)及存放用戶數(shù)據(jù)。這

15、樣的結(jié)構(gòu)主要是考慮到單片機(jī)用于控制系統(tǒng)中，有較大的程序存儲(chǔ)器空間，把開發(fā)成功的程序固化在ROM中，而把少量的隨機(jī)數(shù)據(jù)存放在RAM中。這樣，小容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器能以高速RAM形式集成在單片機(jī)內(nèi)，以加速單片機(jī)的執(zhí)行速度。但單片機(jī)內(nèi)的RAM是作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用，而不是當(dāng)作高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)使用。第23頁，共37頁。 (2) 采用面向控制的指令系統(tǒng)。為滿足控制的需要，單片機(jī)有更強(qiáng)的邏輯控制能力，特別是具有很強(qiáng)的位處理能力。 (3) 單片機(jī)的I/O引腳通常是多功能的。由于單片機(jī)芯片上引腳數(shù)目有限，為了解決實(shí)際引腳數(shù)和需要的信號線的矛盾，采用了引腳功能復(fù)用的方法。引腳處于何種功能，可由指令來設(shè)置或由

16、機(jī)器狀態(tài)來區(qū)分。 (4) 單片機(jī)的外部擴(kuò)展能力強(qiáng)。在內(nèi)部的各種功能部分不能滿足應(yīng)用需求時(shí)，均可在外部進(jìn)行擴(kuò)展(如擴(kuò)展ROM、RAM，I/O接口，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，中斷系統(tǒng)等)，與許多通用的微機(jī)接口芯片兼容，給應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來極大的方便和靈活性。第24頁，共37頁。1.3.2 單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用 (1) 體積小，成本低，運(yùn)用靈活，易于產(chǎn)品化，它能方便地組成各種智能化的控制設(shè)備和儀器，做到機(jī)電一體化。 (2) 面向控制，能針對性地解決從簡單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，因而能獲得最佳的性能價(jià)格比。 (3) 抗干擾能力強(qiáng)，適用溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠地工作，這是其它類型計(jì)算機(jī)無法比擬的。 (4)

17、 可以方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，使整個(gè)控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。第25頁，共37頁。 單片機(jī)的應(yīng)用范圍十分廣泛，主要的應(yīng)用領(lǐng)域有： (1) 工業(yè)控制。單片機(jī)可以構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線控制、電機(jī)控制、溫度控制等。 (2) 儀器儀表。如智能儀器、醫(yī)療器械、數(shù)字示波器等。 (3) 計(jì)算機(jī)外部設(shè)備與智能接口。如圖形終端機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、繪圖儀、磁盤/磁帶機(jī)、智能終端機(jī)等。 (4) 商用產(chǎn)品。如自動(dòng)售貨機(jī)、電子收款機(jī)、電子秤等。 (5) 家用電器。如微波爐、電視機(jī)、空調(diào)、洗衣機(jī)、錄像機(jī)、音響設(shè)備等。第26頁，共37頁。按單片機(jī)數(shù)據(jù)總線的位數(shù)劃分 4

18、位單片機(jī)、8位單片機(jī)、16位單片機(jī)、32位單片機(jī)按編程方式劃分 OTPROM型、Flash型、ISP型、IAP型、JTAG接口型按功耗劃分 普通型、低功耗型按性價(jià)劃分 普通型、經(jīng)濟(jì)型1.4 常用單片機(jī)系列介紹1.4.1 單片機(jī)的類型第27頁，共37頁。MCS-51系列及其兼容機(jī) MCS 是INTEL 公司的注冊商標(biāo)。 8051 單片機(jī)是INTEL 公司1980 年推出的MCS 一51 系列單片機(jī)的第一個(gè)成員。 以后，凡是INTEL 公司生產(chǎn)的以8051 為核心單元的其它派生單片機(jī)都稱為MCS 一51 系列，簡稱為51 系列。8位單片機(jī)第28頁，共37頁。 其它公司生產(chǎn)的以8051 為核心單元的

19、其它派生單片機(jī)不能稱為MCS一51 系列，只能稱為8051 系列。8051 系列泛指所有公司（也包括INTEL 公司）生產(chǎn)的以8051 為核心單元的所有單片機(jī)。比如： PHILIPS （飛利浦公司）: 83C552 及51LPC 系列 SIEMENS （西門子公司）: SAB80512 ATMEL : Flash 單片機(jī)89C51 SST：SST89系列 “51系列單片機(jī)”包含MCS-51和其它公司的8051。第29頁，共37頁。非MCS-51系列單片機(jī) Motorola公司的68HC05/08系列 MICROCHIP公司的PIC單片機(jī) ATMEL公司的AVR單片機(jī)第30頁，共37頁。 MCS-51系列單片機(jī)已有十多種產(chǎn)品，可分為兩大系列：51子系列和52子系列。 51子系列主要有8031、8051、8751三種機(jī)型。它們的指令系統(tǒng)與芯片引腳完全兼容。從表1.1中可以看出，它們的差別僅在于片內(nèi)有無ROM或EPROM。 52子系列主要有8032、8052、8752三種機(jī)型。從表1.1中可以看出，52子系列與51子系列的不同之處在于：片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器增至256字節(jié)；片內(nèi)程序存儲(chǔ)器增至8 KB (8032無)；有3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，6個(gè)中斷源。