單片機(jī)原理與嵌入式設(shè)計(jì) 課件 【ch01】概述

單片機(jī)原理與嵌入式設(shè)計(jì)概述第一章電子設(shè)計(jì)系列教材01什么是單片機(jī)什么是單片機(jī)01單片機(jī)，全稱為單片微型計(jì)算機(jī)(Single-ChipMicrocomputer)，它將集成在一片半導(dǎo)體芯片上，使得這塊集成了多種器件的芯片具有微型計(jì)算機(jī)的基本功能。中央處理器（CPU)存儲(chǔ)器（程序存儲(chǔ)器ROM、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器輸入/輸出接口（I/O接口)中斷系統(tǒng)和其他功能部件什么是單片機(jī)01與其他專用芯片相比，單片機(jī)是軟硬件結(jié)合的產(chǎn)物。一般而言，大部分芯片的功能在生產(chǎn)時(shí)被廠商固定，使用者無法進(jìn)行修改，而單片機(jī)作為一塊芯片，使用者可以通過編寫不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能。另外，由于單片機(jī)體積小且處于控制系統(tǒng)的核心地位，在應(yīng)用上一般將其嵌入儀器設(shè)備內(nèi)使用，故單片機(jī)又被稱為嵌入式微控制器（EmbeddedMicroControllerUnit,EMCU)。什么是單片機(jī)01單片機(jī)的發(fā)展過程初級(jí)代表產(chǎn)品：F81特點(diǎn)：8位,集成度低，需要外加芯片組合使用。低性能代表產(chǎn)品：MCS-48、PIC16502特點(diǎn)：8位，集成了CPU、RAM、ROM、中斷源。高性能代表產(chǎn)品：MCS-51、6801、Z-8、TMS70003特點(diǎn)：8位，集成了CPU、RAM、ROM、中斷源。優(yōu)越代表產(chǎn)品：MCS-96、MC68HC16、TMS99004特點(diǎn)：16位（32位單片機(jī)也被推出），工藝與性能更加優(yōu)越。什么是單片機(jī)01單片機(jī)的發(fā)展過程第一階段(1974—1976年):單片機(jī)初級(jí)階段1974年12月，美國仙童（Fairchild)公司推出了世界上第一臺(tái)8位的F8單片機(jī)，其特點(diǎn)是由兩塊集成芯片組成,僅包含8位的CPU、64B的RAM和兩個(gè)并行接口,需要外加帶有ROM存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能的芯片組合使用，F(xiàn)8系列單片機(jī)在當(dāng)時(shí)深受家用電器領(lǐng)域的重視。這一時(shí)期的單片機(jī)因受當(dāng)時(shí)的制造工藝限制，集成度比較低，且功能單一。什么是單片機(jī)01單片機(jī)的發(fā)展過程第二階段（1976-1978年):低性能單片機(jī)階段1976年Intel公司研發(fā)了MCS-48系列單片機(jī)，1977年GI公司研發(fā)了PIC1650單片機(jī)，它們的特點(diǎn)是集成化程度較高，片內(nèi)包含8位的CPU、64B/128B的RAM、1KB/2KB的ROM、并行接口、一個(gè)8位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、兩個(gè)中斷源，且可進(jìn)行片外尋址的范圍為4KB。這一時(shí)期的單片機(jī)集成了CPU、RAM、ROM等多種功能器件，得到了廣泛應(yīng)用，但其性能較低，仍然屬于低性能階段。什么是單片機(jī)01單片機(jī)的發(fā)展過程第三階段（1978-1982年）:高性能單片機(jī)階段這個(gè)時(shí)期典型的單片機(jī)代表產(chǎn)品有Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的6801系列,Zilog公司的Z-8系列、TI公司的TMS7000系列,它們的特點(diǎn)是片內(nèi)包含8位的CPU、128B/256B的RAM、4KB/8KB的ROM、串并行I/O接口、兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、多個(gè)中斷源，且片外尋址范圍可達(dá)64KB。這一時(shí)期的單片機(jī)不僅存儲(chǔ)器容量增加，而且定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及中斷源的個(gè)數(shù)增加，并且集成了串行接口，單片機(jī)性能顯著增強(qiáng)，應(yīng)用范圍更加廣泛。什么是單片機(jī)01單片機(jī)的發(fā)展過程第四階段(（1983年至今):8位單片機(jī)鞏固發(fā)展及16位、32位單片機(jī)推出階段20世紀(jì)90年代,單片機(jī)發(fā)展的黃金時(shí)期,很多公司如Intel、Motorola、TI、三菱、PHILIPS等開發(fā)了大批具有優(yōu)越性能的單片機(jī)，極大地推動(dòng)了單片機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展。典型的代表產(chǎn)品有MCS-96系列(16位，Intel公司)、MC68HC16系列(16位，Motorola公司)、TMS9900系列(16位，TI公司)，這些16位的單片機(jī)不論在工藝上還是在功能上都更加優(yōu)異。它們的特點(diǎn)是包含16位的CPU、256B的RAM、8KB的ROM、串并行IO接口、4個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、8個(gè)中斷源，且具有D/A和AD轉(zhuǎn)換電路、片外尋址范圍為64KB及片內(nèi)集成看門狗(定時(shí)器電路，防止程序出現(xiàn)死循環(huán)）功能。這一時(shí)期，8位單片機(jī)得到了進(jìn)一步發(fā)展，16位與32位單片機(jī)也逐漸出現(xiàn)在市場(chǎng)上。什么是單片機(jī)01單片機(jī)的特點(diǎn)體積小，可靠性高正所謂“麻雀雖小，五臟俱全”，單片機(jī)將眾多功能器件集中在了一塊芯片上，一塊單片機(jī)芯片就相當(dāng)于一臺(tái)小型的微型計(jì)算機(jī)，較小的體積使其容易嵌入設(shè)備內(nèi)，能夠作為控制系統(tǒng)的核心執(zhí)行復(fù)雜的功能。單片機(jī)中的ROM用來存放程序、常數(shù)、表格等系統(tǒng)軟件，數(shù)據(jù)不易受到破壞;內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，信號(hào)通道均在芯片內(nèi)，運(yùn)行起來具有很高的可靠性和抗干擾能力。什么是單片機(jī)01單片機(jī)的特點(diǎn)控制能力強(qiáng)單片機(jī)具有邏輯操作指令、位處理指令、轉(zhuǎn)移指令等，這些豐富的操作指令大大增強(qiáng)了單片機(jī)的控制功能,方便處理復(fù)雜的邏輯運(yùn)算。什么是單片機(jī)01單片機(jī)的特點(diǎn)低功耗單片機(jī)可在3V甚至更低的電壓下運(yùn)行，有些單片機(jī)的工作電流甚至在uA級(jí)，使用一顆紐扣電池即可工作很長(zhǎng)時(shí)間，更低的功耗適應(yīng)了現(xiàn)代社會(huì)綠色發(fā)展的需要。什么是單片機(jī)01單片機(jī)的特點(diǎn)擴(kuò)展能力強(qiáng)單片機(jī)含有很多IO接口，很容易與外部電路進(jìn)行連接，構(gòu)成功能更加完善的系統(tǒng)，技術(shù)人員可根據(jù)需求進(jìn)行擴(kuò)展，易于設(shè)計(jì)與產(chǎn)品化。02單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域02單片機(jī)的誕生標(biāo)志著計(jì)算機(jī)開始形成了通用計(jì)算機(jī)與嵌入式計(jì)算機(jī)兩類。通用計(jì)算機(jī)擁有大容量存儲(chǔ)、高速度運(yùn)算能力，應(yīng)用范圍為圖像處理、網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域。與大體積、高成本的通用計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)可嵌入各種應(yīng)用系統(tǒng)中，以其體積小、價(jià)格低、可靠性高、低功耗,以及可與外圍電路組合進(jìn)行擴(kuò)展使用的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中。單片機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，大到航空、航天、軍工領(lǐng)域，小到我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見的電子產(chǎn)品，均可以見到單片機(jī)的身影，也正是由于單片機(jī)所具有的一些特點(diǎn)，眾多產(chǎn)品都加入了嵌入式單片機(jī)來改善系統(tǒng)性能、提高產(chǎn)品的靈活性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年單片機(jī)的銷量超過50億片，市場(chǎng)上既有幾元錢一片的普通單片機(jī)，主要面向高校學(xué)生與一般的電子設(shè)計(jì)的應(yīng)用，也有幾百元一片的高級(jí)單片機(jī)，主要面向工廠、公司的應(yīng)用，單片機(jī)具有廣闊的市場(chǎng)前景。03單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)03如今，單片機(jī)的功能及性能已經(jīng)能夠滿足人們生產(chǎn)生活的需要，但社會(huì)在不斷發(fā)展、科技在不斷進(jìn)步，人們對(duì)單片機(jī)的需求也朝著多元化、高性能方向發(fā)展。單片機(jī)的發(fā)展具體體現(xiàn)在信號(hào)實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、通信、中斷處理、指令操作系統(tǒng)、功率消耗等方面，以應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口、電氣接口等不斷增長(zhǎng)與改進(jìn)的需要，適應(yīng)更精準(zhǔn)的自動(dòng)檢測(cè)與控制的要求。單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)如圖所示。04STC系列單片機(jī)介紹STC系列單片機(jī)介紹04國外MCS-51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介在介紹STC單片機(jī)之前，我們先介紹前面提到的Intel公司的MCS-51系列單片機(jī)。它以8051為核心,是Intel公司早期最典型的單片機(jī)產(chǎn)品,按照內(nèi)部存儲(chǔ)資源可分為基本型與增強(qiáng)型,其內(nèi)部存儲(chǔ)配置如表1-2所示。后來Intel公司將8051的核心技術(shù)授權(quán)給了其他公司進(jìn)行開發(fā),以8051為核心的單片機(jī)成為最早進(jìn)入我國并且應(yīng)用十分廣泛的芯片。STC系列單片機(jī)介紹04國外MCS-51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介注意：18031和8032單片機(jī)內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器，使用時(shí)需要外加程序存儲(chǔ)器。2EPROM為紫外線可擦除可編程ROM。此外，常見的還有EEPROM，它為電可擦除可編程ROM;FlashROM為單電壓芯片，也是一種非易失性的ROM,屬于EEPROM的改進(jìn)產(chǎn)品。3RAM與ROM的區(qū)別:RAM為隨機(jī)存儲(chǔ)器，用以存放單片機(jī)執(zhí)行功能過程中產(chǎn)生的臨時(shí)數(shù)據(jù)，斷電數(shù)據(jù)丟失;ROM為程序存儲(chǔ)器，用來存儲(chǔ)程序數(shù)據(jù)及常量數(shù)據(jù)或變量數(shù)據(jù)，斷電數(shù)據(jù)不丟失。4本書主要介紹STC51系列單片機(jī)，請(qǐng)注意，凡是以8051為核心的單片機(jī)，我們均稱之為51單片機(jī)，只是型號(hào)不同，但只要學(xué)會(huì)了一種型號(hào)的51單片機(jī)，其他型號(hào)就可以很快上手。STC系列單片機(jī)介紹04國內(nèi)MCS-51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介前面提到了眾多的國外單片機(jī)系列，那么有沒有國產(chǎn)的呢?答案當(dāng)然是有，那就是宏晶公司的STC系列單片機(jī)，擁有全部中國獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，宏晶現(xiàn)已成為全球最大的8051單片機(jī)設(shè)計(jì)公司。產(chǎn)品包括89C51、89C52、89C516、15等眾多型號(hào)，這些型號(hào)的單片機(jī)均以8051為核心，均可稱為51單片機(jī)。下面以STC89C51為例,介紹該芯片的標(biāo)號(hào)信息，讓讀者深入了解此名稱中數(shù)字、字母的含義，其封裝實(shí)物圖如圖所示。STC系列單片機(jī)介紹04國內(nèi)MCS-51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介圖片中單片機(jī)的標(biāo)號(hào)為STC89C51RC、40I-PDIP40、1812HPU939.X90C，解釋如下。STC:表示芯片的生產(chǎn)公司,STC是我國的宏晶公司。其他常見的還有，AT表示Atmel公司，如AT89C51、AT89C52、AT89S51等;W表示W(wǎng)inbond公司,如W77C51、圖1-7STC89C51-DIP封裝實(shí)物圖W78C51、W78E52等;P表示PHILIPS公司,如P80C51、P80C52、P89C51等。8:表示芯片為8051內(nèi)核芯片。STC系列單片機(jī)介紹04國內(nèi)MCS-51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介圖片中單片機(jī)的標(biāo)號(hào)為STC89C51RC、40I-PDIP40、1812HPU939.X90C，解釋如下。9:表示芯片內(nèi)部為FlashEEPROM存儲(chǔ)器。其他常見的還有7，表示芯片內(nèi)部為EPROM,即紫外線可擦除ROM,如87C51芯片;0表示芯片內(nèi)部為MaskROM,即掩模ROM,如80C51芯片。C:表示該器件為CMOS產(chǎn)品，即集成電路設(shè)計(jì)中的低耗芯片。其他常見的還有，S表示該芯片有ISP在線編程功能，如89S52;LE、LV、LS表示工作電壓為3.3V的低電壓產(chǎn)品，如89LE52、89LV52、89LS52。STC系列單片機(jī)介紹04國內(nèi)MCS-51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介圖片中單片機(jī)的標(biāo)號(hào)為STC89C51RC、40I-PDIP40、1812HPU939.X90C，解釋如下。5:表示固定不變。1:表示芯片內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間（ROM)大小為4KB。其他常見的還有，2表示程序存儲(chǔ)空間大小為8KB;3表示程序存儲(chǔ)空間大小為12KB,以此類推。存儲(chǔ)空間越大，所裝納的程序代碼越多，若是將超過4KB的代碼下載到80C51中，則會(huì)失敗，因?yàn)槌隽怂某休d量。但是芯片存儲(chǔ)空間越大，價(jià)格越高，所以在選擇芯片時(shí)不能僅追求大容量，還要考慮實(shí)現(xiàn)功能所需的空間大小,能夠執(zhí)行即可。STC系列單片機(jī)介紹04國內(nèi)MCS-51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介圖片中單片機(jī)的標(biāo)號(hào)為STC89C51RC、40I-PDIP40、1812HPU939.X90C，解釋如下。RC:表示內(nèi)部隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）為512B,RD+表示內(nèi)部RAM為1280B。40:表示芯片外部晶振最高可接入40MHz。其他如AT系列單片機(jī)中的24表示芯片外部晶振最高可接入24MHz。I:表示產(chǎn)品級(jí)別,I為工業(yè)級(jí)，表示芯片使用范圍為-40~85℃;其他常見的如C為商業(yè)級(jí)，表示芯片使用范圍為0～70℃。STC系列單片機(jī)介紹04國內(nèi)MCS-51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介圖片中單片機(jī)的標(biāo)號(hào)為STC89C51RC、40I-PDIP40、1812HPU939.X90C，解釋如下。PDIP:表示產(chǎn)品封裝型號(hào)，PDP為雙列直插式。其他常見的如LQFP表示薄型塑料方型扁平式;PLCC表示帶引線的塑料芯片封裝。40:表示引腳個(gè)數(shù)為40個(gè)。1812:表示此批芯片的生產(chǎn)日期為2018年第12周。HPU939.X90C:不詳,可能為制造工藝。05感受單片機(jī)第一個(gè)實(shí)例感受單片機(jī)第一個(gè)實(shí)例05本節(jié)我們通過第一個(gè)實(shí)例:點(diǎn)亮一個(gè)發(fā)光二極管，來了解單片機(jī)的功能是如何實(shí)現(xiàn)的。下面給出點(diǎn)亮LD的電路圖，如圖所示，VCC為電源+5V，LED為發(fā)光二極管，R為限流電阻。感受單片機(jī)第一個(gè)實(shí)例05LED工作時(shí)，應(yīng)該串接一個(gè)限流電阻，該電阻的阻值大小應(yīng)根據(jù)不同的使用電壓和LED所需工作電流來選擇。LED的壓降一般為1.5~3.0V（紅色和黃色一般為2V，其他顏色一般為3V)，工作電流一般取1~20mA為宜。其限流電阻的計(jì)算公式為R=(U-UL)I，U為電源電壓，U為L(zhǎng)ED正常發(fā)光時(shí)的端電壓,I為L(zhǎng)ED的電流。假設(shè)此處為紅色LED，