第一章 單片機(jī)原理

第一章單片機(jī)原理第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三一、單片機(jī)&發(fā)展第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三什么是單片機(jī)“singlechipMicrocomputer”computer1946.6匈牙利馮.諾依曼提出的電子計(jì)算機(jī)概念程序控制存儲(chǔ)程序馮.諾依曼提出的電子計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)運(yùn)算器（ALU）控制器（Controller)存儲(chǔ)設(shè)備(Memory)輸入設(shè)備(Input)輸出設(shè)備(Output)運(yùn)算器控制器CPU存儲(chǔ)器輸入接口電路輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出接口電路硬件系統(tǒng)第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三硬件——構(gòu)成微機(jī)的實(shí)體和裝置軟件——微機(jī)系統(tǒng)所使用的各種程序的總稱軟件與硬件共同構(gòu)成實(shí)用的微機(jī)系統(tǒng)，兩者是相輔相成、缺一不可的。

軟件系統(tǒng)+運(yùn)算器控制器CPU存儲(chǔ)器輸入接口電路輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出接口電路硬件系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三

單片微型計(jì)算機(jī)是指集成在一個(gè)芯片上的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)——從外部看就是一個(gè)芯片。軟件系統(tǒng)+微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算器控制器CPU存儲(chǔ)器輸入接口電路輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出接口電路硬件系統(tǒng)第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三技術(shù)發(fā)展歷史瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)1785電子管/晶體管/集成電路1904/47/58電子計(jì)算機(jī)/網(wǎng)絡(luò)1946/73電機(jī)/電燈/電信發(fā)明1867/79蒸汽時(shí)代電氣時(shí)代

電子時(shí)代IT時(shí)代技術(shù)進(jìn)步呈加速發(fā)展態(tài)勢(shì)第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三

科技的發(fā)展從根本上來說是由生產(chǎn)的需要推動(dòng)的，同時(shí)又反過來推動(dòng)生產(chǎn)力前進(jìn)。技術(shù)發(fā)展歷史回顧的啟示1第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三例1瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)是時(shí)代的需要瓦特（1736—1819）：英國(guó)格拉斯特大學(xué)的儀器修理工第一次工業(yè)革命的需要：英國(guó)紡織機(jī)，礦井排水；技術(shù)：1690，法國(guó)人巴本蒸汽機(jī)模型；1712，鈕可門蒸汽機(jī)；1756：布萊爾提出比熱概念，并發(fā)現(xiàn)“潛熱”，瓦特為布萊爾制儀器，發(fā)現(xiàn)鈕可門蒸汽機(jī)的弊病，并由布萊爾的“潛熱”加以解釋。1785：瓦特發(fā)明實(shí)用蒸汽機(jī)

熱學(xué)科學(xué)理論開始萌芽。(瓦特的蒸汽機(jī)領(lǐng)先熱力學(xué)理論半個(gè)世紀(jì))第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三例1瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)是時(shí)代的需要啟示1：科技的發(fā)展從根本上來說是由生產(chǎn)的需要推動(dòng)的，同時(shí)又反過來推動(dòng)生產(chǎn)力前進(jìn)。瓦特的偉大天才表現(xiàn)在1784年4月他所取得的專利的說明書中，他沒有把蒸汽機(jī)說成是一種用于特殊目的的發(fā)明，而把他說成是大工業(yè)普遍應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)。——馬克思《馬克思恩格斯全集》第23卷415頁第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三集成電路（IntegratedCircuit,通常簡(jiǎn)稱IC)是指將很多微電子器件集成在芯片上的一種高級(jí)微電子器件。集成電路的概念的最早描述，應(yīng)該說是由英國(guó)皇家信號(hào)和雷達(dá)機(jī)構(gòu)(RoyalSignal&RadarEstablishment)的G.W.A.Dummer于1952年5月在電子元器件會(huì)議上提出的，但是在英國(guó)沒有能予以實(shí)現(xiàn)。例2集成電路的發(fā)明第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三

1958年，Kilby(美)發(fā)明第一塊集成電路，其中包括一個(gè)雙極性晶體管，三個(gè)電阻和一個(gè)電容器。2000年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三例2集成電路發(fā)明的啟示集成電路早在1952年英國(guó)Dummer已經(jīng)提出其概念，為什么它的發(fā)明不在英國(guó)而在美國(guó)呢？

客觀需求對(duì)小型化和可靠性的要求，特別是軍事上應(yīng)用提出的迫切需求，促進(jìn)了集成電路的發(fā)明?；谕焕碛?，軍隊(duì)需求成為集成電路的最早用戶，促進(jìn)了集成電路的研究和工業(yè)生產(chǎn)。第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三

社會(huì)一旦有技術(shù)上的需要，這種需要就會(huì)比十所大學(xué)更能把科學(xué)推向前進(jìn)。

——恩格斯第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三如:蒸汽機(jī)技術(shù)帶動(dòng)熱學(xué)研究電磁理論推動(dòng)電報(bào),電話,無線電技術(shù)科技研究要適應(yīng)社會(huì)需要技術(shù)發(fā)展歷史回顧的啟示2：

生產(chǎn)力、技術(shù)、科學(xué)的發(fā)展互相促進(jìn)第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三1、團(tuán)隊(duì)協(xié)作2、激勵(lì)機(jī)制例1:電燈的發(fā)明：1809，戴維電弧燈，1879斯萬研究燈30多年，提出用碳作材料，愛迪生借助研究所機(jī)制和專利作后盾，在讀過斯萬論文的基礎(chǔ)上繼續(xù)試驗(yàn)，1881獲得巴黎博覽會(huì)榮譽(yù)獎(jiǎng)。例2：電話的發(fā)明：

1820奧斯特電流對(duì)磁針作用，1831法拉第定律，1861：德國(guó)人累斯電話（實(shí)驗(yàn)室玩具），1876：貝爾在美國(guó)政府幫助下架設(shè)40里路電話成功,獲得專利。技術(shù)發(fā)展歷史回顧的啟示3：

科技創(chuàng)新體制的重要第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三集成電路發(fā)明的啟示提出集成電路概念的英國(guó)人Dummer特意強(qiáng)調(diào)，美國(guó)公司所以具有創(chuàng)新的精神，還有下列一些條件：電子工程師往往用自己的資金或用風(fēng)險(xiǎn)基金創(chuàng)業(yè)，因而工作勤奮。2.政府支持（政府給予合同）往往幫助他們起步。3.國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求是一個(gè)成功的重要因素。4.在美國(guó)，鼓勵(lì)員工在公司中持股，給予員工一個(gè)激勵(lì)的機(jī)制。Dummer認(rèn)為，一個(gè)企業(yè)的成功總是有賴于一些人的創(chuàng)新和獻(xiàn)身精神。第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三天才是百分之一的靈感加上百分之九十九的汗水。

——愛迪生技術(shù)發(fā)展歷史回顧的啟示4：

技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)長(zhǎng)期的艱難過程，既需要人們學(xué)習(xí)和總結(jié)前人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，還需要人們長(zhǎng)年的艱苦工作。第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三3.1技術(shù)發(fā)展的歷史啟示1、生產(chǎn)需要的推動(dòng)和對(duì)生產(chǎn)的促進(jìn)。2、生產(chǎn)力,技術(shù),科學(xué)的互相促進(jìn)3、科技創(chuàng)新體制的重要4、艱苦學(xué)習(xí)和工作對(duì)大學(xué)教育的啟示1.和生產(chǎn)實(shí)踐的關(guān)系2.與世界先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的關(guān)系3.與勤奮工作的關(guān)系4.創(chuàng)新機(jī)制，教育機(jī)制第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三微電子，計(jì)算機(jī)時(shí)代發(fā)展三大技術(shù)標(biāo)志信息時(shí)代開始集成電路：1958年，標(biāo)志微電子時(shí)代開始計(jì)算機(jī)：1946年，計(jì)算機(jī)時(shí)代開始網(wǎng)絡(luò)：1973年，網(wǎng)絡(luò)時(shí)代開始第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三集成電路技術(shù)的發(fā)展一直遵循著名的摩爾定律，即：每18個(gè)月芯片集成度大體增長(zhǎng)一倍。第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三集成電路規(guī)模SSIMSILSIVLSIULSI元件數(shù)<102102~103103~105105~107107~108線寬μm>1010~55~33~1<1

集成電路設(shè)計(jì)和生產(chǎn)原始的手工設(shè)計(jì)（初級(jí)小規(guī)模芯片）電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（asic,soc）可編程器件（RAM，EPROM，GAL，MCU，CPLD，F(xiàn)PGA，PAC，DSP，SOPC）第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三計(jì)算機(jī)發(fā)展第一代4位和低檔

8位機(jī)1971-1973第二代中高檔

8位機(jī)

-1978第三代16位機(jī)-1981第四代32位機(jī)-1992第五代64位機(jī)1993-硬件機(jī)器語言

匯編語言高級(jí)語言操作系統(tǒng)

圖形界面操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)軟件嵌入式計(jì)算機(jī)：“嵌入式應(yīng)用”通用計(jì)算機(jī)應(yīng)用單片機(jī)涵蓋第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三單片機(jī)的歷史發(fā)展探索階段（70年代中期）：

Intel/Motorola/Zilog代表：Mcs48singlechipMicrocomputer完善階段（70年代后期）：

Mcs51系列：Bus、外圍SFR集中管理、位地址、突出控制功能的指令Microcontrollers（80年代）：

ADC//DAC//WDT//PWM//高速I／O微控制器的全面發(fā)展階段（90年代后）嵌入式系統(tǒng)

EmbeddedSystems

software第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三1.專業(yè)IC制造公司Foundry,需要專業(yè)人員,會(huì)專門技術(shù)。公司投資特大。2.專業(yè)IC設(shè)計(jì)公司Fabless,需要IC設(shè)計(jì)人員:

電子技術(shù)應(yīng)用，系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)，IC器件及材料。公司投資大,周期長(zhǎng)。3.一般電信開發(fā)公司：民用，檢測(cè)，控制，通信：產(chǎn)品:MSI,MCU(單片機(jī)),PLD,DSP,SOPC;PLC.電子技術(shù)應(yīng)用，系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)人員__兼懂軟硬件。軟件開發(fā)人員:數(shù)據(jù)庫,信號(hào)處理,游戲,網(wǎng)絡(luò),組態(tài)軟件,虛擬儀器等。社會(huì)需求分析第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三3.3社會(huì)需求分析把計(jì)算機(jī)\網(wǎng)絡(luò)\信息\IC結(jié)合在一起soc技術(shù)(SystemonChip),EDA方法第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三單片機(jī)原理第1章緒論一、單片機(jī)及發(fā)展二、單片機(jī)的開發(fā)三、單片機(jī)課程教學(xué)第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三二、單片機(jī)的開發(fā)1、開發(fā)方案比較2、單片機(jī)的開發(fā)過程3、單片機(jī)的開發(fā)工具第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三(1)數(shù)字鐘1、項(xiàng)目：數(shù)字鐘2、要求：基本：數(shù)字顯示的時(shí)鐘，顯示到秒，誤差<5s/day。擴(kuò)展：時(shí)間擴(kuò)展：日歷，年歷，農(nóng)歷，毫秒計(jì)預(yù)置控制擴(kuò)展：記事，定時(shí)，打鈴，控制精度要求提高，掉電保護(hù)，自動(dòng)校時(shí)擴(kuò)展，通信擴(kuò)展3、方案：MSI,PLD,DSP,SOPC，PLC，ASIC，MCU(單片機(jī))。1、開發(fā)方案比較（1）第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)字鐘設(shè)計(jì)方案1：MSI4060+7400/4*6+D+計(jì)數(shù)器*6+譯碼*6+LED*6元器件約30元硬件多，連接調(diào)試繁擴(kuò)展不易第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)字鐘設(shè)計(jì)方案2：PLD（FPGA/CPLD）1K10：約70元，（下載芯片：100元），LED等：10元擴(kuò)展稍容易，可在計(jì)算機(jī)上預(yù)調(diào)試需要計(jì)算機(jī)及下載裝置第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)字鐘設(shè)計(jì)方案3：MCU單片機(jī)：約10元，LED等：10元擴(kuò)展非常容易，可在計(jì)算機(jī)上預(yù)調(diào)試需要計(jì)算機(jī)及仿真器，編程器單片機(jī)芯片+鍵盤+顯示第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)字鐘設(shè)計(jì)方案4：DSP數(shù)字鐘設(shè)計(jì)方案5：ARM芯片：約100元，LED等：10元擴(kuò)展較容易，可在計(jì)算機(jī)上預(yù)調(diào)試需要計(jì)算機(jī)及仿真器，編程器芯片+鍵盤+顯示第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)字鐘設(shè)計(jì)方案6：PLCPLC：約1000元，LED等：10元編程簡(jiǎn)單，可靠性高擴(kuò)展較容易，可在計(jì)算機(jī)上預(yù)調(diào)試需要計(jì)算機(jī)及仿真器，編程器PLC+鍵盤+顯示第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)字鐘設(shè)計(jì)方案7：ASIC約20元，免開發(fā)，可靠性高，擴(kuò)展/改版需要大量資金和時(shí)間第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)字鐘設(shè)計(jì)方案比較

開發(fā)難度制作調(diào)試硬件成本可靠性擴(kuò)展MSI較易繁低不高不易PLD較易較易較低較高較易MCU容易較易很低較高容易DSP一般較易一般較高容易ARM一般較易一般較高容易PLC容易容易高高較易ASIC周期長(zhǎng)

投資大很容易很低很高很難第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三1、開發(fā)方案比較（2）爐溫控制系統(tǒng)1、項(xiàng)目：爐溫控制系統(tǒng)2、要求：基本：可以設(shè)定溫度時(shí)間折線,控制爐溫按照設(shè)定的折線進(jìn)行，誤差小(超調(diào)小,跟蹤時(shí)間短)。擴(kuò)展：溫度時(shí)間顯示,查詢,報(bào)警等3、方案：控制方法：位式控制(1位開關(guān))，模擬量算法控制控制硬件：MSI,PLD,PLC，ASIC，MCU(單片機(jī)),第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三爐溫控制方案比較

開發(fā)難度控制精度硬件成本可靠性擴(kuò)展MSI容易不精確低高不易MCU容易算法控制低高容易PLC容易算法控制很高很高較易第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三適宜范圍MSI十分簡(jiǎn)單的項(xiàng)目（放大，運(yùn)算，振蕩分頻，移位等）PLD速度高的，較復(fù)雜的數(shù)字電路，保密性很好，造價(jià)高M(jìn)CU智能交互強(qiáng)的，較復(fù)雜的各種電路，保密性較好，造價(jià)低DSP速度高智能交互強(qiáng)，較復(fù)雜的電路，保密性較好，造價(jià)高ARM速度高智能交互強(qiáng)，很復(fù)雜的電路，保密性較好，造價(jià)高PLC智能交互強(qiáng)的，較復(fù)雜的各種電路，可靠性很高，造價(jià)很高ASIC大量適用的芯片，允許開發(fā)周期長(zhǎng)1、開發(fā)方案比較（3）各技術(shù)適宜范圍比較第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三2、單片機(jī)的開發(fā)過程1應(yīng)用問題的提出：爐溫自動(dòng)控制要求T-t水平保溫升溫降溫2初步分析水平保溫不用CPU多段控制選用單片機(jī)3總體設(shè)計(jì)(初步框圖)預(yù)置值輸入、保存、采樣運(yùn)算、顯示、控制4分各部分進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)具體軟硬件5總體制作調(diào)試6文件資料整理第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三3、單片機(jī)的開發(fā)工具資料軟件仿真1)機(jī)器語言、匯編語言和高級(jí)語言2)源程序、目標(biāo)程序和程序匯編硬件仿真（仿真器）編程器第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三單片機(jī)原理第1章緒論一、單片機(jī)及發(fā)展二、單片機(jī)的開發(fā)三、單片機(jī)課程教學(xué)第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三五、單片機(jī)課程教學(xué)1、課程的地位理論與實(shí)踐聯(lián)系的交匯點(diǎn)IC設(shè)計(jì)技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的入門第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三2、基本要求：

明確基本結(jié)構(gòu)讀懂程序懂簡(jiǎn)單接口會(huì)編寫簡(jiǎn)單程序會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)3、一般要求：能夠根據(jù)網(wǎng)上的芯片資料進(jìn)行接口設(shè)計(jì)能夠