飛卡單片機與嵌入式系統(tǒng)實踐PPT

2015年6月《單片機與嵌入式系統(tǒng)實踐》第一章、單片機與嵌入式系統(tǒng)概述目錄1.1單片機與嵌入式系統(tǒng)

1.1.1單片機的定義與特點

1.1.2嵌入式系統(tǒng)的定義與特點

1.1.3嵌入式技術的發(fā)展與應用

1.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)

1.2.1嵌入式開發(fā)語言

1.2.2嵌入式操作系統(tǒng)

1.2.3嵌入式技術相關術語

1.3單片機中的數制與碼制

1.3.1數制

1.3.2數制間的轉換

1.3.3單片機中的碼制11.1單片機與嵌入式系統(tǒng)1.1.1單片機的定義與特點單片機作為嵌入式硬件系統(tǒng)的核心之一，通常也會被成為微控制器(MCU，MicroControllerUnit)，它是把中央處理器(CPU，CentralProcessorUnit)、存儲器、輸入／輸出接口、擴展功能模塊等部分集成在一小塊硅片上的集成電路(IC，IntegratedCircuit)。單片機片內含有CPU、ROM、RAM、中斷控制、系統(tǒng)時鐘、系統(tǒng)總線和各種外圍模塊，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機硬件系統(tǒng)集成到一個芯片上，它相當于一個微型的計算機系統(tǒng)。21.1單片機與嵌入式系統(tǒng)單片機片上外設資源一般比較豐富，適合于嵌入式控制領域，這也是它被稱為微控制器的原因。一個單片機的典型內部結構通常包括：（1）中央處理器（CPU），包含算數邏輯運算單元（ALU）、控制器和寄存器等（2）存儲器，包含ROM、RAM和FLASH等（3）功能模塊，包括定時計數器、A/D和D/A轉換、通信接口（UART、IIC、SPI）等（4）工作支撐模塊，包含電源、時鐘電路、復位控制、看門狗電路等31.1單片機與嵌入式系統(tǒng)

單片機具有功能多樣、性價比高、體積小、功耗低、系統(tǒng)開發(fā)周期短等特點，可被廣泛應用在工業(yè)控制、消費電子等領域。1、功能多樣單片機利用當今先進的半導體器件制造技術，盡可能多地把各種計算機部件、存儲器和各種類型的輸入/輸出端口都集成在一塊芯片內。2、性價比高

單片機的性能要比同類微型計算機的性能有明顯的優(yōu)勢。3、體積小

由于單片機的集成度高，可以將所有硬件集中在一塊半導體芯片上，因而體積較之于同類微處理器小得多，進而使得系統(tǒng)中的控制部分體積也隨之大大縮小。41.1單片機與嵌入式系統(tǒng)4、低功耗

目前，許多單片機都能在低電壓、低功耗下工作，有的單片機可在3.3V，甚至能在1V下工作，電流也低到微安級，這就使得低功耗的單片機較一般的處理器具備更優(yōu)秀的功耗，符合了當下的節(jié)能發(fā)展趨勢。5、系統(tǒng)設計周期短

用單片機進行產品設計時，由于其功能強，體積小，因而能使硬件設計得到極大的簡化；同時利用各種配套仿真器，使用戶的編程和調試變的非常方便，大大減少了用戶系統(tǒng)的軟件設計和調試的時間，極大的降低了開發(fā)周期和成本。51.1單片機與嵌入式系統(tǒng)1.1.2嵌入式系統(tǒng)的定義與特點

嵌入式系統(tǒng)(embeddedsystem)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，對系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求，可高度定制和裁剪軟硬件資源的專用計算機系統(tǒng)。

這個定義主要包含兩個信息：一是嵌入式系統(tǒng)是專用計算機系統(tǒng)，因此必須要有處理器，具備計算機系統(tǒng)的基本特征。二是嵌入式系統(tǒng)的功能是有嚴格要求并按照指定的應用而設計的。61.1單片機與嵌入式系統(tǒng)以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)應用框圖71.1單片機與嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)以下幾個基本特征：1、具有特定功能，用于特定的任務

這個特點是嵌入式系統(tǒng)和通用計算機系統(tǒng)最本質的區(qū)別。當今，嵌入式系統(tǒng)的智能化程度越來越高，功能越來越強大，但是始終要以完成特定功能為重點。2、注重成本控制與功耗要求

對于很多嵌入式系統(tǒng)而言，由于功能比較單一、固定，資源比較有限，因而在規(guī)劃嵌入式系統(tǒng)的結構設計時，對軟硬件資源的設計通常是做到夠用即可，只要能夠滿足嵌入式系統(tǒng)設計要求的特定應用，就不會隨意增加資源，往往還要對系統(tǒng)進行優(yōu)化和精簡，從而達到控制成本的目的。

嵌入式系統(tǒng)的應用環(huán)境往往比較特殊，因而嵌入式系統(tǒng)更為關注功耗的要求，各種低功耗技術經常會出現在系統(tǒng)軟硬件設計中。81.1單片機與嵌入式系統(tǒng)3、具有實時性的要求

對于一些對實時性要求非常嚴格的嵌入式系統(tǒng)而言，系統(tǒng)能夠在規(guī)定時間內對外部事件作出反應是非常關鍵的。當然所謂的實時性也是相對而言，針對不同的應用自然有不同的標準。4、軟硬件可靠性要求更高

由于嵌入式系統(tǒng)應用在各行各業(yè)，應用環(huán)境也復雜多變，在某些環(huán)境下一個很小的錯誤可能會導致災難性的后果，因此無論是軟硬件都具有很高的可靠性要求，尤其是在特殊的應用場合。5、具有較長的生命周期由于嵌入式系統(tǒng)是面向具體的應用的，它的升級換代也是和具體的應用同步進行，各個行業(yè)的應用系統(tǒng)和產品很少發(fā)生突然性的跳躍，因此嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展也體現出相對的穩(wěn)定性，嵌入式系統(tǒng)的相關產品的生命周期因此也要長的多。91.1單片機與嵌入式系統(tǒng)1.1.3嵌入式技術的發(fā)展與應用

嵌入式系統(tǒng)目前主要有SoC和MCU兩種形態(tài)。

SoC即片上系統(tǒng)，是將電子系統(tǒng)的幾乎全部功能集成在一塊芯片上，從而使整機成本、體積都大大降低，順應了現代通信、計算機、消費產品向高性能、低成本方向發(fā)展的趨勢。SoC追求系統(tǒng)的最大包容性，是集成電路向超大規(guī)模集成電路發(fā)展而產生的，主要用于大批量特定產品的設計。

MCU組成的則是最經典的嵌入系統(tǒng)，其特點是使用MCU作為嵌入式系統(tǒng)中使用的最主要核心部件，通常用于中低端的應用系統(tǒng)中。101.1單片機與嵌入式系統(tǒng)1)1971年11月Intel公司首次宣布4004的4位微處理器，1974年12月Fairchild(仙童)公司即推出了8位MCUF8，開創(chuàng)了MCU的初級階段。2)1978年，Zilog公司推出Z8MCU。1980年，Intel公司在MCS-48的基礎上，推出了MCS-51，它使MCU的應用躍上了一個新臺階。

Motorola公司于1974年開始推出MC6800微處理器，在1979年開始生產MCUMC6801，在1983年前后發(fā)展成為較高性能的M68HC05系列。3)

二十世紀九十年代是MCU制造業(yè)大發(fā)展時期，這個時期的Motorola、Intel、ATMEL、德州儀器、三菱、日立、飛利浦、韓國LG等一批企業(yè)開發(fā)一批性能優(yōu)越的MCU，極大地推動了MCU的應用。

目前MCU正向①大容量、高性能化；②小容量、低價格化；③外圍電路內裝化等幾個方向快速發(fā)展，應用領域也不斷地擴大。

111.1單片機與嵌入式系統(tǒng)51系列

51系列單片機是Intel公司在20世紀80年代初研制出來的，主要應用在教學、工業(yè)控制、儀器儀表和信息通信中PIC系列Microchip單片機是市場份額增長最快的單片機。強調節(jié)約成本的最優(yōu)化設計，是使用量大、檔次低、價格敏感的產品。

AVR系列AVR單片機是ATMEL公司于1997年研發(fā)并推出的增強型內置Flash程序存儲器的精簡指令集CPU(ReducedInstructionSetCPU，RISC)的新型高速8位單片機單片機HC（S）08系列

Motorola公司研制的單片機,特點之是：在同樣的速度下所用的時鐘較Intel類單片機低得多，因而使得高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合用于工控領域以及惡劣環(huán)境。

常用的單片機類型121.1單片機與嵌入式系統(tǒng)131.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)1.2.1嵌入式開發(fā)語言

任何系統(tǒng)在開發(fā)時都要使用到開發(fā)工具，其中一個重要的內容就是開發(fā)語言。由于嵌入式系統(tǒng)緊湊的系統(tǒng)資源，故在一些簡單的嵌入式系統(tǒng)中常采用匯編語言來編程，但隨著嵌入式系統(tǒng)復雜性的增加，僅用匯編語言編程已很難勝任，并且高級語言與匯編語言相比，更具有通用性強、編程方便、易于移植及可維護等優(yōu)點，如今在嵌入系統(tǒng)中已廣泛采用高級語言進行開發(fā)。

常用的高級嵌入式開發(fā)語言有C/C++等141.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)1.2.2嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統(tǒng)內核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。151.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)常見的嵌入式操作系統(tǒng)分類如下。（1）實時系統(tǒng)：

實時操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)目前最重要的組成部分。實時操作系統(tǒng)把實時性作為第一要求，調度一切可利用的資源，以完成實時控制任務，其次才是提高整個嵌入式系統(tǒng)的使用效率。常見的實時操作系統(tǒng)有：μC/OS-IIμClinuxVxWorksRTXC等161.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)（2）分時系統(tǒng)：

“分時”的含義是指多個用戶分享使用同一臺計算機，分時隙獲取操作控制權，多個程序分時共享硬件和軟件資源。分時系統(tǒng)追求系統(tǒng)資源總體利用率最高，其特點在于多任務的管理。分時系統(tǒng)是一個多用戶交互式操作系統(tǒng)，現在PC機的操作系統(tǒng)絕大部分采用的是分時系統(tǒng)，而很少采用實時系統(tǒng)。171.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)嵌入式系統(tǒng)常用術語（1）總線在嵌入式系統(tǒng)中，常包含以下3種總線：地址總線、數據總線和控制總線。地址總線(AddressBus，簡稱AB)：單向，用于傳送地址信息。數據總線(DataBus，簡稱DB)：一般為雙向，用于CPU與存儲器、CPU與外設，或外設與外設之間傳送數據信息?？刂瓶偩€(ControlBus，簡稱CB)：是計算機系統(tǒng)中所有控制信號線的總稱，在控制總線中傳送的信息是控制信息。181.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)嵌入式系統(tǒng)常用術語（2）時鐘周期、機器周期及指令周期時鐘周期：通常單片機在時鐘信號的作用下都以節(jié)拍方式進行工作，因此，必須有一個時鐘生發(fā)器電路，因而所以輸入到MCU的時鐘信號的周期就稱為時鐘周期。機器周期：機器完成一個動作所需的時間稱為機器周期，一般由一個或一個以上的時鐘周期組成。指令周期：執(zhí)行一條指令所需時間稱為指令周期，它由一個到數個機器周期組成。191.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)嵌入式系統(tǒng)常用術語（3）中斷與中斷服務程序中斷：是指CPU正在處理某件事情的時候，外部發(fā)生了某一事件，請求CPU迅速去處理，CPU暫時中斷當前的工作，轉入處理所發(fā)生的事件，處理完后，再回到原來中斷的地方，繼續(xù)原來的工作的過程。中斷服務程序則是響應特定中斷而運行的一段程序，其內容為該中斷需要處理的具體操作，201.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)嵌入式系統(tǒng)常用術語（4）存儲器動態(tài)可讀寫隨機存儲器(DRAM，DynamicRandomAccessMemory)：靜態(tài)可讀寫隨機存儲器(SRAM，StaticRandomAccessMemory)：只讀存儲器(ROM，ReadOnlyMemory)：ROM有固定ROM、可編程ROM(PROM)和可擦除ROM(EPROM)三種。閃速存儲器(FlashMemory)：是一種快速的E2PROM。211.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)嵌入式系統(tǒng)常用術語（5）模擬信號、數字信號模擬信號是時間連續(xù)、數值也連續(xù)的物理量，如溫度、壓力、流量、速度、聲音等。在工程技術上，為了便于分析，常用傳感器、變換器將模擬量轉換為電流、電壓或電阻等電學量。數字信號是一種二值信號，用兩個電平（高電平和低電平）分別來表示兩個邏輯值（邏輯1和邏輯0）。221.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)嵌入式系統(tǒng)常用術語（6）并行通信和串行通信并行通信是指將數據的各位同時在多根并行傳輸線上進行傳輸。數據的各位同時由源到達目的地，適合近距離、高速通信。常用有4位、8位、16位、32位等同時傳輸。串行通信是指數據在單線上按時間先后一位一位地傳送，其優(yōu)點是節(jié)省傳輸線，但是數據傳送速度較慢。在嵌入式系統(tǒng)中，串行通信一詞一般特指用串行通信接口(serialcommunicationinterface，SCI)進行RS232/485通信方式。231.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)嵌入式系統(tǒng)常用術語（7）看門狗看門狗(watchdog)是為了防止程序跑飛而設計的一種自動定時器，它可以產生一個脈沖，讓單片機復位。當單片機的程序正常運行的時候，每隔一定的時間給看門狗電路發(fā)一個脈沖，使看門狗電路重新計時。當程序因為某種原因不正常運行時（死機），就不會發(fā)這個脈沖，看門狗電路計時時間到，就會復位單片機使其重新啟動。241.3單片機中的數制與碼制十進制和二進制（1）Humanbeingusebase10system(Decimal)0,1,2,3,4,5,6,7,8,9零，一，二，三，四，五，六，七，八，九Zero,One,two,three,four,five,six,seven,eight,nineI,II,III,IV,V,VI,VII,VIII,IX,X（2）Computersusebase2system(Binary)0,1YesNoTrueFalseHighLowOnOff每個二進制數字稱為一個“位”或“比特”251.3單片機中的數制與碼制16進制和8進制（1）Hexadecimalisbase16system（Hex）0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F（2）Octalisbase8system(Octal)0,1,2,3,4,5,6,716進制比二進制更易用易記

0xABCDvs.0b10101011110011018進制使用較少.261.3單片機中的數制與碼制十進制->二進制將待轉換數除以2記錄余數，并將結果繼續(xù)除以2持續(xù)上述過程，直到余數為0或1將每次的結果逆序記錄得到轉換的二進制數271.3單片機中的數制與碼制二進制->十進制每個二進制的位對應一定的數值（權重）將每個二進制位對應的權重相加，即得到十進制數值

23 22 21 20(weight)

1 0 1 1

=1?(23) +0?(22)+1?(21)+1?(20)

=1?(8) +0?(4)+1?(2)+1?(1)

=8 +0+2+1

=11DecimalBinarybit76543210Weightnumber27262524232221201286432168421281.3單片機中的數制與碼制二進制<->16進制Nibble–每4個二進制位合并成一個nibble每個nibble對應一個16進制數二進制到16進制從最低位（LSB）開始，將二進制數列劃分成若干個nibble，將每個nibble用對應的16進制數替換

Binary1100010110110110 Hex=C5B