單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)概述

PAGEPAGE4第一章單片機(jī)(和嵌入式系統(tǒng))概述1.1單片機(jī)（和嵌入式系統(tǒng)）的發(fā)展1.1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展的三個(gè)浪潮１第一個(gè)浪潮（1946～1975）,大型機(jī)硬件導(dǎo)向：計(jì)算機(jī)只能由專家操作，把處理后的信息交用戶使用，信息處理與使用分離。─集中處理時(shí)代２第二個(gè)浪潮（1976～1993）臺(tái)式計(jì)算機(jī)導(dǎo)向：ＰＣ機(jī)普及，信息由處理者個(gè)人享有不能互發(fā)信息，難以共享。信息處理與使用者結(jié)合。─分散處理時(shí)代３第三個(gè)浪潮（1994～?）,網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)向：計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)互連進(jìn)行全球通信，引入網(wǎng)絡(luò)就是計(jì)算機(jī)的新概念。軟件可以象數(shù)據(jù)一樣駐留在網(wǎng)絡(luò)上，軟件程序可以實(shí)時(shí)執(zhí)行，用戶可隨時(shí)到達(dá)存放所需程序的地址，而不受計(jì)算機(jī)類型和操作系統(tǒng)的限制。信息收集、處理、分析和存儲(chǔ)都商業(yè)化。─網(wǎng)絡(luò)處理時(shí)代1.1.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡史第一代到第四代計(jì)算機(jī)都是以電子器件的發(fā)展更新來劃分的，而第五代以后的計(jì)算機(jī)則是以設(shè)計(jì)思想的更新來劃分。１第一代電子管計(jì)算機(jī)（1946～1958）（１）硬件邏輯器件：電子管和繼電器內(nèi)存：汞延遲線，靜電存儲(chǔ)管，５３年出現(xiàn)磁芯（統(tǒng)治２０年）外存：磁帶機(jī)、穿孔紙帶機(jī)和卡片機(jī)，５６年ＩＢＭ生產(chǎn)磁盤機(jī)（２）軟件：５４年以前幾乎沒有軟件，主要用機(jī)器語言--二進(jìn)制代碼指令后期發(fā)展了匯編語言（３）性能運(yùn)算速度：幾千次到幾萬次平均穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間：幾小時(shí)（４）特點(diǎn)體積大、功耗大、價(jià)格大，速度慢、容量小、可靠性差（５）典型機(jī)器1942年美籍保加利亞人，愛荷華州立學(xué)院數(shù)學(xué)系文森特.阿培納索夫（VincentAtanasoff）與其助手克里夫德.貝利（CliffordBerry）研制成功世界上第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)ABC。采用300個(gè)電子管，用電容器做存儲(chǔ)器，穿孔卡片作為輔助存儲(chǔ)器，運(yùn)算速度為1次/s。用于解線性代數(shù)方程。1973年美國法院把發(fā)明權(quán)歸屬于阿培納索夫。由美國賓夕法尼亞大學(xué)的工程師埃克特（J.PresperEckert）和物理學(xué)家毛希利（John.W.Mauchly）于1945年12月研制成功，于1946年2月正式公開表演數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer）。1947年運(yùn)到馬里蘭州陸軍阿伯丁試炮場的彈道研究實(shí)驗(yàn)室正式使用。用了１８８００只電子管、１２bit字長、內(nèi)存１７kB，300次乘法/s,5000次加法/s，占地165m2，重量３０T，耗電１５０k１９５３年４月ＩＢＭ－７０１１９５４年１１月ＩＢＭ－６５０１９５８年１０３（ＤＪＳ－１）１０４（ＤＪＳ－２）２第二代晶體管計(jì)算機(jī)（1958～1964）（１）硬件邏輯器件：晶體管內(nèi)存：磁芯外存：磁盤和磁帶機(jī)（２）軟件匯編語言、高級(jí)語言FORTRAN、COBOL(59年開發(fā)，61年完成)、ALGOL（1960年）的編譯系統(tǒng)，管理/監(jiān)控程序（３）性能運(yùn)算速度：幾萬到幾十萬次／秒平均穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間：數(shù)十小時(shí)（４）典型機(jī)器１９５９年１１月ＩＢＭ７０９０１９６２年９月ＩＢＭ７０９４４４１Ｂ１０８－乙（ＤＪＳ－６）１０９Ｘ－２３第三代集成電路計(jì)算機(jī)（1964～1971）（１）硬件邏輯器件：中小規(guī)模集成電路內(nèi)存：磁芯存儲(chǔ)器和磁膜存儲(chǔ)器６９年ＩＢＭ３６０／８５部分采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器７０年ＩＢＭ３７０／１４５全部采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器外存：磁盤（機(jī)）（２）軟件６5年出現(xiàn)高級(jí)語言ＢＡＳＩＣ，６０年代末發(fā)明高級(jí)語言PASCAL(67年開發(fā)，71年完成)，并出現(xiàn)多道、分時(shí)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件（３）性能運(yùn)算速度：幾十萬到幾百萬次／秒平均穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間：幾百小時(shí)（４）典型機(jī)器１９６４年ＩＢＭ３６０ＤＪＳ－２００１９７１年ＩＢＭ３７０７０９（ＴＱ－１６）82年Intel:16位MCS-96系列809688年準(zhǔn)16位8098于98年停產(chǎn)90年Motorola:68HC05→68HC11→68HC12→68HC16→683××90年代后，微控制器的發(fā)展百花齊放、五彩繽紛，老公司不斷推陳出新，新的公司鼎故革新，推出了很多各具個(gè)性的微控制器。1.Intel:71727476808285884040→8008→8080→8085→8048→8051→8096→80196→8098→Philips80C51(I2C→AtmelAT89C51(Flash)→AVRAT90S××××（高速）→AVRAT91系列（ARMCore）→CygnalC8051F(高速，SoC)2.TI：MSP430系列（低功耗）3.SCENIX：SX系列（極高速）4.Microchip:PIC系列（高性能價(jià)格比）1.1.51.低中端嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用面向控制的應(yīng)用都采用微控制器（單片機(jī)）實(shí)現(xiàn)，過去都是采用匯編語言編程，用仿真器調(diào)試。沒有開發(fā)平臺(tái)，只能通過軟硬兼施，從設(shè)計(jì)硬件電路原理圖開始，印制板設(shè)計(jì)、加工、安裝、焊接、編程、調(diào)試、測試都要熟悉。既難又繁，容易出錯(cuò)，需要慢慢積累經(jīng)驗(yàn)才能得心應(yīng)手。采用C-51高級(jí)語言編程，利用C編譯器編譯成機(jī)器碼再下載執(zhí)行，大大提高了開發(fā)效率.2.中高端嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用面向數(shù)字信號(hào)處理、通信、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等復(fù)雜的應(yīng)用，由于涉及到TCP/IP等協(xié)議和用戶圖形界面（GUI）的復(fù)雜性，一般都需要借助于嵌入式操作系統(tǒng)EOS平臺(tái)，采用高級(jí)語言C/C++/Java進(jìn)行開發(fā)。1.2嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)特征1.專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(非PC機(jī)形態(tài))：看不到計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)=1\*GB2⑴以應(yīng)用為中心，量體裁衣定制。=2\*GB2⑵以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，硬件與軟件緊密結(jié)合。=3\*GB2⑶適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求。2.知識(shí)集成系統(tǒng)=1\*GB2⑴技術(shù)密集、資金密集。=2\*GB2⑵高度分散、不可壟斷。=3\*GB2⑶面向應(yīng)用、不斷創(chuàng)新。1.3嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，其應(yīng)用領(lǐng)域可以包括：1．工業(yè)控制基于嵌入式芯片的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備具有很大的發(fā)展空間，目前已經(jīng)有大量的8、16、32位嵌入式微控制器應(yīng)用在工業(yè)過程控制、數(shù)控機(jī)床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)等領(lǐng)域。就傳統(tǒng)的工業(yè)控制產(chǎn)品而言，低端型往往采用的是8位單片機(jī)，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，32位、64位的微處理器逐漸成為工業(yè)控制設(shè)備的核心，在未來幾年內(nèi)必將獲得更大的發(fā)展。2．交通管理控制在車輛導(dǎo)航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車服務(wù)方面，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，內(nèi)嵌GPS模塊、GSM模塊的移動(dòng)定位終端已經(jīng)在各種運(yùn)輸行業(yè)獲得了成功的使用。目前GPS設(shè)備已經(jīng)從尖端產(chǎn)品進(jìn)入了普通百姓的家庭，只需要幾千元，就可以隨時(shí)隨地找到你的位置。圖1-11即是GPS手持機(jī)。圖1-1GPS手持機(jī)3．信息家電這將成為嵌入式系統(tǒng)最大的應(yīng)用領(lǐng)域，冰箱、空調(diào)等的網(wǎng)絡(luò)化、智能化將引領(lǐng)人們的生活步入一個(gè)嶄新的空間。即使不在家里，也可以通過電話線、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在這些設(shè)備中，嵌入式系統(tǒng)將大有用武之地。圖1-2是信息家電的一種——家庭網(wǎng)絡(luò)視頻電話。圖1-2信息家電:家庭網(wǎng)絡(luò)視頻電話4．家庭智能管理系統(tǒng)水、電、煤氣表的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，其中嵌入的專用控制芯片將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢查，并實(shí)現(xiàn)更高、更準(zhǔn)確和更安全的性能。目前在服務(wù)領(lǐng)域中，一些手持設(shè)備已經(jīng)體現(xiàn)出了嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。5．POS網(wǎng)絡(luò)公共交通無接觸智能卡（CSC-ContactlessSmartCard）發(fā)行系統(tǒng)、公共電話卡發(fā)行系統(tǒng)、自動(dòng)售貨機(jī)（如圖1-3所示）、各種智能ATM終端將全面走入人們的生活，到時(shí)手持一卡就可以行遍天下。圖1-3智能售貨機(jī)6．環(huán)境監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測包括水文資料實(shí)時(shí)監(jiān)測、防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測、堤壩安全、地震監(jiān)測網(wǎng)、實(shí)時(shí)氣象信息網(wǎng)、水源和空氣污染監(jiān)測。在很多環(huán)境惡劣、地況復(fù)雜的地區(qū)，嵌入式系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)無人監(jiān)測。7．機(jī)器人嵌入式芯片的發(fā)展將使機(jī)器人在微型化、高智能方面優(yōu)勢(shì)更加明顯，同時(shí)會(huì)大幅度降低機(jī)器人的價(jià)格，使其在工業(yè)領(lǐng)域和服務(wù)領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。除了以上這些