單片機(jī)的發(fā)展課件

第1章緒論1單片機(jī)的發(fā)展2單片機(jī)的類別3PIC系列單片機(jī)的種類與特點§1.1單片機(jī)的發(fā)展1.1.1什么是單片機(jī)單片機(jī)是單片微計算機(jī)（Single-ChipMicrocomputer）的簡稱，也稱為微處理（μP：Microprocessor）或微控制器（μC：Micro-controller），通常統(tǒng)稱為微型處理部件（MCU：MicroControllerUnit）。1.1.2單片機(jī)的組成高度集成；構(gòu)成一個最小然而完善的計算機(jī)系統(tǒng)至少包括微處理器(CPU)，隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，只讀程序存儲器(ROM)，輸入輸出電路(I/O口)，可能還包括定時計數(shù)器，串行通信口(SCI)，顯示驅(qū)動電路(LCD或LED驅(qū)動電路)，脈寬調(diào)制電路(PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換器及A/D轉(zhuǎn)換器等電路。1.1.3單片機(jī)的發(fā)展Intel-4004是歷史上第一顆單片機(jī)，由Intel公司1971年生產(chǎn)出來的。自從Intel4004誕生后，CPU遵從摩爾定律在運行速度、數(shù)據(jù)位數(shù)和存儲器等方面迅速發(fā)展。單片機(jī)大致經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。第一階段以MCS-48系列為代表，它將CPU和計算機(jī)外圍電路集成到一個芯片上，構(gòu)成新型工業(yè)微控制器，取得了很大的成功。第二階段以MCS系列中的8031為代表，它將單片機(jī)配置了完善的外部并行總線和具有多機(jī)識別功能的串行通訊接口，規(guī)范了功能單元的特殊功能寄存器(SFR)控制模式及適應(yīng)控制器特點的布爾處理系統(tǒng)和指令系統(tǒng)，為發(fā)展具有較好兼容性的新一代單片機(jī)奠定了良好的基礎(chǔ)。第三階段以80C51系列為代表，它擴(kuò)展了外部接口電路，在總線方面配置了芯片間的串行總線，為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計提供了更加靈活的手段。1.1.3單片機(jī)的發(fā)展(續(xù)1)從當(dāng)前各系列單片機(jī)產(chǎn)品的特性可以看出單片機(jī)正朝著兩個方向發(fā)展一方面，單片機(jī)的性能不斷提高，功能越來越強(qiáng)，如帶有Ａ/Ｄ、ＰＷＭ、ＰＣＡ、ＷＤＴ、或帶有大量高速I/O口、計數(shù)器捕獲/比較邏輯、增強(qiáng)型通訊接口等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)及開發(fā)工具均較為完善、復(fù)雜。該類產(chǎn)品以INTEL公司的MCS-96系列、MOTOROLA公司的MC68HC11系列為代表，它們可以滿足各種復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)的需求。1.1.4單片機(jī)發(fā)展方向另一方面，單片機(jī)朝著超小型、超低功耗、低成本、多品種等方向發(fā)展。它們不搞單純的功能堆積，而是從實際出發(fā)，重視產(chǎn)品的性能價格比，發(fā)展多種型號來滿足各種中小型智能化產(chǎn)品，尤其是消費類電子產(chǎn)品的應(yīng)用，這些產(chǎn)品以美國MICROCHIP公司的PIC系列、ZILOG公司的CCP系列為代表，而PIC系列以推出低價格一次性用戶可編程OTP型單片機(jī)而構(gòu)成了單片機(jī)家族中的后起之秀。近年來，它象旋風(fēng)一樣橫掃全球，將單片機(jī)的應(yīng)用擴(kuò)大到電子產(chǎn)品的幾乎每一個領(lǐng)域。1.1.4單片機(jī)發(fā)展方向(續(xù)1)從技術(shù)的角度看，單片機(jī)的進(jìn)步反映在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功率消耗、外部電壓等級、制造工藝以及高可靠性設(shè)計上。在內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面，單片機(jī)集成了越來越多的部件，這些部件除包括一般常用的電路（例如：定時器，比較器，A/D轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器，串行通信接口，Watchdog電路，LCD控制器等）外，還包括一些專用的部件，如局部網(wǎng)絡(luò)控制模塊CAN和脈寬調(diào)制控制電路。1.1.4單片機(jī)發(fā)展方向(續(xù)2)在功耗、封裝及電源電壓等方面，自80年代中期以來NMOS工藝單片機(jī)逐漸被CMOS工藝代替，功耗得以大幅度下降。全靜態(tài)設(shè)計使時鐘頻率從直流到數(shù)十兆任選，也使功耗不斷下降。新單片機(jī)的功耗越來越小，特別是很多單片機(jī)都設(shè)置了多種工作方式，這些工作方式包括等待、暫停、睡眠、空閑、節(jié)電等工作方式。在工藝方面，現(xiàn)在的單片機(jī)基本上采用CMOS技術(shù)，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)由3μm工藝發(fā)展到1.5μm、1.2μm、0.8μm、0.5μm、0.35μm，甚至實現(xiàn)了0.2μm光刻工藝，有個別的公司，如Motorola公司則已采用0.35μm甚至是0.25μm技術(shù)。這些技術(shù)的進(jìn)步大大地提高了單片機(jī)的內(nèi)部密度和可靠性，也進(jìn)一步降低單片機(jī)的功耗。1.1.4單片機(jī)發(fā)展方向(續(xù)3)在可靠性方面，生產(chǎn)廠家在單片機(jī)設(shè)計上采用了多種提高可靠性的新技術(shù)，目的是為提高單片機(jī)系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。這些新技術(shù)包括：EFT(ElectricalFastTransient)技術(shù)、低噪聲布線技術(shù)與驅(qū)動技術(shù)以及低頻時鐘技術(shù)。EFT技術(shù)是一種抗干擾技術(shù)，它是指在振蕩電路的正弦信號受到外界干擾時，其波形上會迭加各種毛刺信號，如果使用施密特電路對其整形，則毛刺會成為觸發(fā)信號干擾正常的時鐘。采用交替使用施密特電路和RC濾波電路方法，可以消除這些毛刺而令其作用失效，從而保證系統(tǒng)的時鐘信號正常工作。這樣，就提高了單片機(jī)工作的可靠性。Motorola公司的MC68HC08系列單片機(jī)就采用了這種技術(shù)。1.1.4單片機(jī)發(fā)展方向(續(xù)4)在傳統(tǒng)的單片機(jī)中，電源及地線是在集成電路外殼的對稱引腳上，一般是在左上、右下或右上、左下的兩對對稱點上。這樣，就使電源噪聲穿過整塊芯片，對單片機(jī)的內(nèi)部電路造成干擾?，F(xiàn)在，很多單片機(jī)都把地和電源引腳安排在兩條相鄰的引腳上。這樣，不僅降低了穿過整個芯片的電流，另外還在印制電路板上容易布置去耦電容，從而降低系統(tǒng)的噪聲。現(xiàn)在為了適應(yīng)各種應(yīng)用的需要，很多單片機(jī)的輸出能力都有了很大提高，這些電流較大的驅(qū)動電路集成到芯片內(nèi)部在工作時帶來了各種噪聲，為了減少這種影響，現(xiàn)在單片機(jī)采用多個小管子并聯(lián)等效一個大管子的方法，并在每個小管子的輸出端串上不同等效阻值的電阻，以降低電流變化率，這也就是所謂“跳變沿軟化技術(shù)”，從而消除大電流瞬變時產(chǎn)生的噪聲。1.1.4單片機(jī)發(fā)展方向(續(xù)5)高頻外時鐘是噪聲源之一，不僅能對單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，還會對外界電路產(chǎn)生干擾，令電磁兼容性不能滿足要求。對于要求可靠性較高的系統(tǒng)，低頻外時鐘有利于降低系統(tǒng)的噪聲，使用較低的時鐘而不犧牲運算速度是單片機(jī)技術(shù)發(fā)展之追求。在一些單片機(jī)中采用內(nèi)部鎖相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)，使在外部時鐘較低時，也能產(chǎn)生較高的內(nèi)部總線速度，從而保證了速度又降低了噪聲。Motorola公司的MC68HC08系列及其16/32位單片機(jī)就采用了這種技術(shù)以提高可靠性。1.1.4單片機(jī)發(fā)展方向(續(xù)6)綜觀單片機(jī)的發(fā)展過程，單片機(jī)目前的發(fā)展表現(xiàn)出幾大趨勢：①網(wǎng)絡(luò)化，單片機(jī)作為工業(yè)控制器的主力軍，直接和互聯(lián)網(wǎng)連接已是一個必然的發(fā)展方向；②集成化，集成越來越多的功能模塊，如語音處理功能，圖象處理功能，網(wǎng)絡(luò)管理功能等，使得單片機(jī)的功能越來越強(qiáng)大；③低功耗和寬電壓，追求低功耗是每一個電子產(chǎn)品的發(fā)展方向之一；④數(shù)字-模擬化，將數(shù)字技術(shù)和模擬技術(shù)融為一體，形成功能獨特的單片機(jī)。⑤多種數(shù)據(jù)總線單片機(jī)共同發(fā)展，單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線是多種并存，有4位、8位、16位和32位等，它們適應(yīng)不同領(lǐng)域的需求。1.1.4單片機(jī)發(fā)展方向(續(xù)7)§1.2單片機(jī)的類別從用途上可分成通用型單片機(jī)和專用型單片機(jī)兩大類。專用型單片機(jī)是指用途比較專一，出廠時程序已經(jīng)一次性固化好，不能再修改的單片機(jī)。通用型單片機(jī)的用途很廣泛，使用不同的接口電路及編制不同的應(yīng)用程序就可完成不同的功能。通常所說的都是通用型單片機(jī)。通用型單片機(jī)是把所有資源（如ROM、I/O等）全部提供給用戶使用。§1.2單片機(jī)的類別(續(xù)1)按照CPU和存儲器的構(gòu)成，把單片機(jī)分成兩種架構(gòu)：馮.諾曼架構(gòu)(VonNeumann)和哈佛架構(gòu)(Harvard)。馮.諾曼架構(gòu)把指令(程序)和數(shù)據(jù)存儲在共同的存儲區(qū)，統(tǒng)一尋址，共用數(shù)據(jù)總線。馮.諾曼架構(gòu)也稱普林斯頓架構(gòu)(Princeton)。在哈佛架構(gòu)中，數(shù)據(jù)和指令存儲在不同的存儲區(qū)，采用不同的尋址和不同的總線。§1.2單片機(jī)的類別(續(xù)2)按指令和它們的執(zhí)行過程，把單片機(jī)也分為兩種架構(gòu)：復(fù)雜指令集架構(gòu)(CISC)和精簡指令集架構(gòu)(RISC)。復(fù)雜指令集架構(gòu)的特色是復(fù)雜任務(wù)的指令多樣性和指令的變長度；在CISC中，每一條指令都是一個復(fù)雜的作業(yè)。精簡指令集架構(gòu)的特色是指令少而簡單，指令的長度都一樣，以便實現(xiàn)流水線指令操作。RISC架構(gòu)帶來的是少數(shù)簡單指令的集合，通過流水線交迭在一起，同時實現(xiàn)多種操作?！?.2單片機(jī)的類別(續(xù)3)按數(shù)據(jù)總線的寬度，單片機(jī)分4位、8位、16位甚至32位機(jī)。4位單片機(jī)的應(yīng)用范圍還是比較有限，8位、16位、32位單片機(jī)共同發(fā)展。8位單片機(jī)仍以它的價格低廉、品種齊全、應(yīng)用軟件豐富、支持環(huán)境充分、開發(fā)方便等特點而占著主導(dǎo)地位。32位單片機(jī)主要應(yīng)用于移動通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品。表1.1單片機(jī)廠家與單片機(jī)類型§1.3PIC系列單片機(jī)的種類與特點PIC系列單片機(jī)成本低、功耗低、性能高、全靜態(tài)設(shè)計、具有精簡指令集RISC結(jié)構(gòu)，指令少，大部分為單周期指令，編程簡潔，哈佛結(jié)構(gòu)使得在代碼壓縮與執(zhí)行速度方面具有較大的優(yōu)勢。雙向I/O口，每一個I/O引腳高電平輸出電路可驅(qū)動20mA電流，低電平可吸收25mA電流。定時/計數(shù)器及其預(yù)分頻器，可十分方便地產(chǎn)生任何頻率的時基，PIC的睡眠方式可節(jié)省功耗。另外具有片內(nèi)RC振蕩的WDT可使系統(tǒng)工作可靠。Microchip可提供幾款（8位）RISC結(jié)構(gòu)PIC單片機(jī)系列，按指令的位數(shù)，可分為三個種類：基本級產(chǎn)品、中級產(chǎn)品和高級產(chǎn)品。1、基本級產(chǎn)品──PIC16C5X/PIC12C5XX：12位指令系列2、中級產(chǎn)品──PIC12C6XX/PIC16C/FXXX：14位指令字系列3、高級產(chǎn)品──PIC17CXXH和PIC18CXXX：16位指令字系列PIC單片機(jī)種類PIC系列單片機(jī)所有型號都有商用級(0℃～+70℃)、工業(yè)級(-40℃～+85℃)和汽車工業(yè)級(－40℃～＋125℃)芯片，可以適應(yīng)各種環(huán)境溫度。綜上所述，PIC系列單片機(jī)以其獨特的結(jié)構(gòu)，為產(chǎn)品的設(shè)計提供了廣闊的選擇余地，以其高度的性能價格比極大限度地降低了產(chǎn)品開發(fā)的成本。另外PIC的低價一次性用戶可編程OTP型芯片避免了為掩膜而冒風(fēng)險，或委屈地使用帶片外EPROM和RAM的單片機(jī)設(shè)計應(yīng)用產(chǎn)品，鋪設(shè)了一條從產(chǎn)品小批量試產(chǎn)到大批量生產(chǎn)的成功之路。PIC系列單片機(jī)是當(dāng)前控制型應(yīng)用領(lǐng)域的最優(yōu)選擇。表1.2列出了PIC單片機(jī)類型。PIC單片機(jī)種類(續(xù)1)表1.2列出了PIC單片機(jī)類型。END1、Geniusonlymeanshard-workingallone'slife.(Mendeleyer,RussianChemist)

天才只意味著終身不懈的努力。20.8.58.5.202011:0311:03:10Aug-2011:032、Ourdestinyoffersnotonlythecupofdespair,butthechaliceofopportunity.(RichardNixon,AmericanPresident)命運給予我們的不是失望之酒，而是機(jī)會之杯。二〇二〇年八月五日2020年8月5日星期三3、Patienceisbitter,butitsfruitissweet.(JeanJacquesRousseau,Frenchthinker)忍耐是痛苦的，但它的果實是甜蜜的。11:038.5.202011:038.5.202011:0311:03:108.5.202011:038.5.20204、Allthatyoudo,dowithyourmight;thingsdonebyhalvesareneverdoneright.----R.H.Stoddard,Americanpoet做一切事都應(yīng)盡力而為，半途而廢永遠(yuǎn)不行8.5.20208.5.202011:0311:0311:03:1011:03:105、Youhavetobelieveinyourself.That'sthesecretofsuccess.----CharlesChaplin人必須相信自己，這是成功的秘訣。-Wednesday,August5,2020August20Wednesday,August5,20208/5/20206、Almostanysituation---goodorbad---isaffectedbytheattitudewebringto.----LuciusAnnausSeneca差不多任何一種處境---無論是好是壞---都受到我們對待處境態(tài)度的影響。11時3分11時3分5-Aug-208.5.20207、Althoughtheworldisfullofsuffering,itisfullalsooftheovercomingofit.----HellenKeller,Americanwriter雖然世界多苦難，但是苦難總是能戰(zhàn)勝的。20.8.520.8.520.8.5。2020年8月5日星期三二〇二〇年八月五日8、Formanismanandmasterofhisfate.----Tennyson人就是人，是自己命運的主人11:0311:03:108.5.2020Wednesday,August5,20209、Whensuccesscomesinthedoor,itseems,loveoftengoesoutthewindow.-----JoyceBrothers成功來到門前時，愛情往往就走出了窗外。11:038.5.202011:038.5.202011:0311:03:108.5.202011:038.5.202010、Lifeismeasuredbythoughtandaction,notbytime.——Lubbock衡量生命的尺度是思想和行為，而不是時間。8.5.20208.5.202011:0311:0311:03:1011:03:1011、Tomakealastingmarriagewehavetoovercomeself-centeredness.要使婚姻長久，就需克服自我中心意識。Wednesday,August5,2020August20Wednesday,August5,20208/5/202012、Treatotherpeopleasyouhopetheywilltreatyou.你希望別人如何對待你，你就如何對待別人。11時3分11時3分5-Aug-208.5.202013、Todowhateverneedstobedoneto

preservethislastandgreatestbastionof

freedom.(RonaldReagan,AmericanPresident)為了保住這最后的、最偉大的自由堡壘，我們必須盡我們所能。20.8.520.8.5Wednesday,August5,202014、Wherethereisawill,thereisaway.(ThomasEdison,Americaninventor)有志者，事竟成。11:01:1911:01:1911:018/5/202011:01:19AM15、

Everymanisthemasterofhisownfortune.----RichardSteele每個人都主宰自己的命運。20.8.511:01:1911:01Aug-205-Aug-2016、Asselfishnessandcomplaintcloudthemind,solovewithitsjoyclearsandsharpensthevision.----HelenKeller自私和抱怨是