单片机 第一章绪论

单片机中级教程-------原理与应用-------北京理工大学张家耀Tel:010_68911722E_mail:[e-mail]第一章绪论本章的主要内容1.1单片机1.2单片机与嵌入式系统1.3本教程的特点和教学安排第一章绪论1.1单片机1.单片机的含义2.单片机的发展3.MCS-51和80C51系列简介4.单片机的应用第一章绪论1．单片机的含义随着大规模集成电路技术的发展，可以将CPU、RAM、ROM，定时器/计数器，以及输入/输出（I/0）接口电路等计算机的主要部件，集成在一块集成电路芯片上。这样所组成的芯片级的微型计算机直译为单片微型计算机(Singlechipmicrocomputer)或单片微机，在我国，我们习惯称其为单片机。第一章绪论单片机虽然只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了微机系统的含义。由于单片机从功能和形态来说都是作为控制领域应用的要求而诞生的，并且发展到新一代80C5l、M68HCO5、M68HC11系列单片机时，在其中着力扩展了各种控制功能，如模数转换(A/D)、脉宽调制（PWM）、计数器捕获/比较逻辑(PCA)、高速I/O口、WDT等，已突破了微型计算机（Microcomputer）的传统内容。所以更准确地反映单片机本质的叫法应是微控制器（Microcontroller，MCU）。第一章绪论根据单片机的结构和微电子设计的特点，应用系统中虽然往往仅以单片机为核心，但是它已完全融入应用系统之中，故而也有将单片机称为嵌入式微控制器(EmbeddedMicrocontroller)的。在我国，单片机的叫法甚为普遍，这里我们把它认为是一个单片形态的微控制器。因而在本教程中还是将其称为单片机。第一章绪论⒉单片机的发展下面列举单片机发展过程中的一些重要事件，对单片机的发展情况作概要说明。1976年Intel公司首先推出能称为单片机的MCS-48系列单片微型计算机，它以体积小，功能全、价格低等特点，赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础。成为单片机发展进程中的一个重要阶段。第一章绪论在MCS-48成功的刺激下，许多半导体公司和计算机公司争相研制和发展自己的单片机系列。到目前为止，世界各地厂商己研制出大约50个系列，30多个品种的单片机产品，其中有Motorola公司的6801、6802,Zilog公司的Z-8系列，Rockwell公司的6501、6502等，此外日本的NEC公司，日立公司及EPSON公司等也都相继推出了各具特色的单片机品种。第一章绪论尽管目前单片机的品种很多，但其中最具典型性的当属Intel公司的MCS-51系列单片机系列。MCS-51是在MCS-48的基础上于80年代初发展起来的，虽然它仍然是8位的单片机，但其功能有很大的增强。此外它还具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。因此应用非常广泛，成为继MCS-48之后最重要的单片机品种。直到现在，MCS-51仍不失为单片机中的主流机型。国内尤以MCS-51系列单片机应用最广。第一章绪论在8位单片机之后，16位单片机也有很大发展，例如1983年Intel公司推出的MCS-96系列单片机就是其中的典型代表。与MCS-51相比，MCS-96不但字长增加一倍，而且还具有4路或8路的lO位A/D转换功能，此外，在其它性能方面也有一定的提高。近年来，随着ARM(主要是多媒体)处理器在全球范围的流行，32位的RISC嵌入式处理器已经开始成为高中端嵌入式应用和设计的主流。这是因为：第一章绪论一方面由于像数码相机、MP3播放机、PDA、游戏机和移动电话手机等手持设备以及各种信息家电等有更高性能要求的多媒体和通信设备的推出。在这些应用中，庞大的多媒体数据必然需要更大的存储空间，目前许多32位微控制器都可以使用SDRAM，因此可极大地降低使用更大容量数据存储器的成本。第一章绪论此外，除了处理应用控制功能之外，需支持互联网接入的应用，在MCU运行TCP／IP或其它通信协议的情况下，要求系统建立在RTOS上就必然成为一种现实需求。另外，有越来越多的像电视机、汽车音响及电子玩具等传统应用也与时俱进地提出数字化和“硬件软化”的要求，它们对计算性能的要求及存储器容量的需求都超出绝大多数8位或16位微控制器能提供的范围。第一章绪论另一方面由于IT技术发展的推动，32位ARM体系结构已经成为一种事实上的标准，8位机除MCS-51外，其它的8位机和16位机都没有一种能成为标准或准标准产品的。第一章绪论随着高端32位CPU价格的不断下降和开发环境的成熟，促使32位嵌入式处理器日益挤压原先由8位微控制器主导的应用空间。有更多、更复杂特点和功能需求的便携式电子设备正促使嵌入式系统工程师考虑用32位MCU取代8／16位MCU。另外，越来越多的设计师认识到，转用32位架构不仅能提升性能，还能降低相同成本下的系统功耗和节约总成本以及缩短产品上市时间。这个转变为设计师提供了可随着产品的性能和需求不断扩展而升级的方案。第一章绪论尽管由于市场对多功能产品需求的增加和IT技术的推动，使32位MCU产品日益成为市场的热点；但目前8位MCU仍然是技术市场的主流，并且还有相当广阔的应用空间和旺盛的生命力，16位MCU也占有一定的市场份额。各种MCU根据自己在市场上的定位，也都有了很大发展。综观近三十年单片机的发展历程，它正朝多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容方向发展。预计其今后的发展趋势不外乎在以下几个方面：第一章绪论(1)微控制器多功能化微控制器(MCU)已可集成越来越多的内置部件，成为名副其实的单片机。常用的部件有:存储器类，包括程序存储器MROM／OTPROM／EPROM／EEPROM／FlashROM和数据存储器SRAM／SDRAM／SSRAM；第一章绪论有串行接口类，包括UART、SPI、I2C、CAN、IR、Ethernet、HDLC；有并行接口类，包括Centronics、PCI、IDE、GPIO等；有定时和时钟类，包括，定时器／计数器、实时时钟(RTC)、Watchdog、Clockout；有专用和外围接口类，包括Comparer(比较器)、ADC、DAC、LCD控制器、DMA、PWM、PLL、MAC、温度传感器等。第一章绪论甚至有的MCU，例如NS公司的MCU，已把语音、图像部件也集成到单片机中，目的就是在单个器件中集成所有所需要用到的部件，构成片上系统(SoC)。Cygnal公司推出的C8051F系列的MCU在一个芯片中集成了构成数据采集系统或控制系统所需要的几乎所有的数字和模拟外围接口和功能部件，这种混合信号芯片实质上已构成了片上系统(SoC)。第一章绪论(2)多核结构处理器随着嵌入式应用的深入，特别是在数字通信和网络中的应用，对处理器提出了更高的要求。为适应这种情况，现在已出现多核结构的处理器。Freesaale公司研发的MPC8260PowerQUiCCⅡ就是一种先进的为电信和网络市场而设计的集成通信微处理器。它融合了两个CPU——嵌入式PowerPC内核和通信处理模块(CPM)。由于CPM分担了嵌入式PowerPC核的外围工作任务，这种双处理器体系结构功耗反而要低于传统体系结构的处理器。第一章绪论Infineon公司推出的TCl0GP和增强型TCll30都是三核(TriCore)结构的微处理器。它同时具备RISC、CISC和DSP功能，是一种建立在SoC概念上的结构。这种单片机由三个核组成：微控制器和DSP核、数据和程序存储器核、外围专用集成电路(ASIC)。这种单片机的最大特点是把DSP和MCU(微控制器)融合成一个单内核，大大提高了微控制器的功能。具有类似结构的还有Hitachi公司的SH7410、SH7612等；它们用于既需要MCU又需要DSP功能的场合，比使用单独MCU和DSP的组合提供了更优越的性能。第一章绪论(3)更低功耗现在新推出的MCU的功耗越来越低，很多MCU都有多种工作方式，包括等待、暂停、休眠、空闲、节电等工作方式。例如Philips的P87LPC762，空闲状态下的电流为1.5mA，而在节电方式下电流只有0.5mA。很多MCU还允许在低振荡频率下以极低的功耗工作。例如，P87LPC764在32.768kHz低频下，正常工作电流仅为Idd=16μA(Vdd=3.6V)，空闲模式下Idd=7μA(Vdd=3.6V)。第一章绪论(4)更宽工作电压范围扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是现在新推出的MCU的一个特点。目前一般MCU都可以在3.3～5.5V的范围内工作，有些产品则可以在2.2～6V的范围内工作。例如，Fujitsu的MB8919X、MB8912X和MB89130系列以及F2MC-8L系列MCU，绝大多数工作电压范围都为2.2～6V；而TI的MSP430X11X系列的工作电压可以低达2.2V。Motoro1a针对长时间处在待机模式的装置所设计的超省电HCS08系列MCU，已经把可工作的最低电压降到了1.8V。第一章绪论(5)更先进的工艺和更小的封装现在MCU的封装水平已大大提高，有越来越多的MCU采用了各种贴片封装形式，以满足便携式手持设备的需要。Microchip公司推出了目前世界上体积最小的6引脚PICl0F2XX系列MCU。为了适应各种应用的需要，减少驱动电路，很多MCU的输出能力都有了很大提高，MotorolaMCU的I/O口灌电流可达8mA以上，而Microchip的MCU可达20～25mA，其它如AMD、Fujitsu、NEC、Infineon、Hitachi、Atmel、Toshiba等都在8～20mA之间。第一章绪论(6)低噪声布线技术在过去一般MCU中，电源与地引脚是安排在芯片封装的对角上，即左上、右下或右上、左下位置上。这种安排会使电源噪声对MCU的内部电路造成的干扰相对较大。现在很多MCU都把电源和地引脚安排在两个相邻的引脚上。这样既降低了干扰，还便于在印制电路板上对去耦电容器进行布线，降低系统的噪声。第一章绪论⒊MCS-51和80C51系列简介从最初的单片机发展到如今的新一代单片机，大致经历了三个年代。如以Intel8位单片机为例，这三个年代划分大致是:第一代:以1976年推出的MCS-48系列为代表，其主要的技术特征是将CPU和计算机外围电路集成到了一个芯片上，作为与通用CPU分道扬镳的标志，为单片机的进一步发展开辟了成功之路。第一章绪论第二代:以MCS-51的8051、8052为代表。最主要技术特点是向外部接口电路扩展，以实现微控制器（Microcontroller）化，。MCS-51系列8位高档单片机是在总结MCS-48系列单片机的基础上，于80年代初推出的新产品。其主要的技术特征是：第一章绪论扩大了片内存储容量、外部寻址空间：程序存储器和外部数据存储器的寻址都增加为64K。4K×8ROM作为内部程序存储器，用来存放系统程序、用户的专用程序和固定常数。在MCS-51系列单片机中，8031、8751与8051的内部结构基本相同，其区别仅在于8031内部不含有程序存储器，必须由外部扩展。8751内部程序存储器为可编程、可改写的只读存储器EPROM，其内部程序由用户自行写入。第一章绪论在片内数据存储器方面，采用8位地址，寻址范围为256字节，其中OOH～7FH为128字节的内部RAM，用来存放用户的随机数；在80H～FFH范围内,离散地分布着21个特殊功能寄存器，其中11个特殊功能寄存器具有位寻址能力。在内部RAM中，OOH～1FH可分为4个寄存器工作区。寄存器工作区由选择指令进行切换，从而有效地提高了CPU的现场保护能力和实时响应速度。2OH～2FH单元可进行位寻址。第一章绪论增强了并行口、增设了全双工串行口I/O：4个8位并行I/O接口可用于地址和数据的传送，也可与8243、8155等联接，进行外部I/O接口的扩展。串行I/O接口是一个全双工串行通信口，可用于数据的串行接收和发送，这为构成串行通信网络提供了方便。两个定时器/计数