第一章 绪论-单片机

主讲：盛朝强Tel:13908312157嵌入式技术及应用主要参考书单片机原理及应用黄勤李楠编著清华大学出版社第1章概论主要内容★计算机的分类★嵌入式系统★单片机♦单片机的结构特点♦单片机的应用♦单片机的发展趋势♦MCS-51系列单片机类型♦单片机应用系统的开发1.1计算机的分类■长期以来人们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域，将其分为大型计算机、中型机、小型机和微型计算机。■随着计算机技术的迅速发展，计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透，人们以应用为中心、按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用进行新的分类,将其分为嵌入式计算机和通用计算机。■通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现，并应用在社会的各个方面，其典型产品为PC机；嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、针对具体应用系统、对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了5-10个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、Modem、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、家电产品等方面无不是嵌入式计算机的应用领域。1.2嵌入式系统1.2.1嵌入式系统的种类嵌入式系统的核心部件有以下三类：（1）嵌入式微处理器（EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU）：功能同标准的CPU，但在工作温度、电磁干扰、可靠性等方面做了各种增强。（2）嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit,MCU又称单片机）。（3）嵌入式DSP处理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP）：DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。1.2.2嵌入式系统的特点(1)产品稳定性不象PC机那样更新换代很快，51单片机问世20多年，至今方兴未艾。(2)不可垄断性PC机垄断全世界，Windows垄断全世界,而单片机没有一个能垄断全世界，各种单片机各有自己的市场。(3)产品的多样性、分散性、创新性(4)软件特性：不是以磁盘的形式存储，而是固化在芯片中(5)嵌入式系统的开发需要开发工具嵌入式系统自身无开发能力，需借助开发工具，如编程器、仿真器。全称单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)又称微控制器MCU(MicroControllerUnit)，是将计算机的基本部分微型化，使之集成在一块芯片上的微机。片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/0、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等，它本身就是一个嵌入式系统，同时它也可作更大的嵌入式系统的核心。单片机的特点是小而全，即体积小、功能全、功耗低、、性能价格比高。1.3单片机1.3.1单片机的结构特点◆控制性能和可靠性高实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外，由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式（如在系统编程ISP和在应用编程IAP）等方面都有了进一步的增强。◆体积小、价格低、易于产品化单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择；同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少。从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。由于单片机小而全，易于推广应用等显著优点，在自动化装置，智能化仪器仪表和家用电器等领域得到日益广泛的应用。下面仅列举一些典型的应用领域。（1）工业控制数控机床，电机控制，工业机器人，自动控制等（2）仪器仪表智能仪器，医疗器械，数字示波器等。（3）电信技术调制解调器，声像处理，数字滤波，通信设备等。（4）办公自动化和计算机外部设备传真机，复印机，打印机，绘图仪，扫描仪等1.3.2单片机的应用（5）汽车与节能点火控制，变速控制，防滑车控制，排气控制，计费器，交通控制等。（6）导弹导弹控制，鱼雷制导，智能武器装置，航天导弹系统等。（7）商用产品电子收款机，电子秤，银行统计机等。（8）家用电器微波炉，电视机，录像机，音响设备，游戏机等以上可见它无处不有、无时不在，像个万能的螺丝钉。（1）单片机的字长由4位、8位、16位发展到32位。这几种字长的MCU目前同时存在于市场，由于单片机主要用于控制，目前8位的MCU仍然占主流地位，只有在精度要求特别高的场合如图像处理等，才采用16位的MCU,用户可以根据产品的需要进行选择。（2）运行速度不断提高。单片机的使用最高频率由6MHz、12MHz、24MHz、33MHz、发展到40MHz。（3）单片机内的存储容量越来越大。由1KB、2KB、4KB、8KB、16KB、32KB、发展到64KB等。1.3.3单片机的发展趋势（4）ROM存储器的编程也越来越方便有ROM型（掩模型）、OTP型（一次性编程）、EPROM（紫外线擦除编程）、EEPROM（电擦除编程）及FLASH（闪速编程）。编程（烧录）方式也越来越方便，目前有脱机编程、在系统编程（ISP）、在应用编程（IAP）。各类产品并存，可供用户选择。（5）I/O端口多功能化单片机内除集成有并行接口、串行接口外，还集成有A/D、D/A、LED/LCD显示驱动、DMA控制、PWM（脉宽调制输出）、PLC（锁相环控制）、PCA(逻辑阵列）WDT（看门狗）等。（6）功耗越来越低采用CHMOS制作工艺使单片机集HMOS的高速、高集成度和CMOS的低功耗技术为一体，使单片机的功耗进一步降低，适应的电压范围更宽（2.6~6V）。（7）结合专用集成电路ASIC、精简指令集和RISC技术，使单片机发展成为嵌入式的处理器，深入到数字信号处理、图象处理、人工智能、机器人等领域。☆单片机的主要品种及系列51系列﹡ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列；﹡Philips公司的80C51、80C552系列；﹡华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列；﹡ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列；﹡LG公司的GMS90/97低压高速系列；﹡Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；﹡Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机。非51系列﹡Intel的MCS-96系列16位单片机；﹡Microchip的PIC和dsPIC系列RISC单片机；﹡TI的MSP430F系列16位低功耗单片机和32位TMS320系列DSP。﹡Freescale的MCS68系列8位单片机和MC9S12系列16位单片机。﹡ARM的ARM架构32位单片机，包括Samsung、TI、Philips、Intel等。☆MCS-51系列单片机优点各厂家单片机的指令系统各不相同，功能各有所长，其中市场占有最高的是MCS-51系列，因为世界上很多知名的IC生产厂家都生产51兼容的芯片。目前为止，MCS-51单片机已有数百个品种，还在不断推出功能更强的新产品。近年来PHILIPS公司又推出了指令和MCS-51兼容的16位单片机，这样保证了MCS-51单片机的先进性，同时，很多专用芯片以它作为控制核心，可以预言，几十年内不会淘汰。因此，MCS-51单片机成为教学的首选机型。1.3.4MCS-51系列单片机类型MCS-51系列单片机品种很多，如果按照存储器ROM配置状态,可划分为：片内无EPROM型，如80(C)3X;片内EPROM,如87(C)5X；片内FLASHEEPROM型，如89C5X;片内EEPROMISP型(可在系统编程）如89S5X。如果按照其功能，则可划分以下一些类型:(1)基本型基本型有8031、8051、8751、89C51/S51等。基本型的代表产品是8051，其基本特性如下：①一个8位CPU和指令系统。②128字节的片内RAM。③21个特殊功能寄存器。④32线并行I/O口。⑤2个16位定时/计数器。⑥一个全双工串行口。⑦5个中断源、2个中断优先级的中断结构。⑧4KB片内ROM。⑨一个片内时钟振荡器和时钟电路.⑩片外可扩展64KBROM和64KBRAM.由此可见，它本身就是一个功能相当强的8位微型机。(2)增强型有8052AH、8032AH、8752BH,此类型单片机的内ROM和RAM容量比基本型的增大一倍,同时把16位计数增为3个.87C54内部ROM增加到16KB,87C58增加到32KB.(3)低功耗型有80C5XBH、80C31XBH、87C5X.这类型号带有“C”字的单片机采用CHMOS工艺,其特点是功耗低，另外,87C51还有两级程序存储器保密系统,可防止非法拷贝程序.此外还有内含DMA、PCA(可编程计数阵列)、A/D、多并行口、及内含BASIC高级语言型等多类产品。1.3.5单片机应用系统的开发◆程序的输入与编译将符号指令转换成计算机所能执行的机器码，这种转换称为汇编。常用的汇编方法有三种：﹡手工汇编；﹡利用开发机的驻留汇编程序进行汇编；﹡交叉汇编。现在人们还可以常常采用高级语言（如C51）进行单片机应用程序的设计。这种方法具有周期短、移植和修改方便的优点，适合于较为复杂系统的开发。将高级语言语句转换成计算机所能执行的机器码，这种转换称为编译。◆程序的下载与执行利用独立型仿真器开发RS-232C目标系统仿真头仿真器利用非独立型仿真器开发RS-232C目标系统仿真头仿真器SST公司推出的SST89C54和SST89C58芯片分别有20KB和30KB的SuperFLASH存储器，利用这种存储器可以进行高速读写的特点，能够实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）功能。首先在PC机上完成应用程序的编辑、汇编（或编译）、模拟运行，然后实现目标程序的串行下载。单片机开发方式的发展串口/并口目标系统仿真/编程接口串口/USB目标系统调试器仿真/编程接口Microchip公司推出的RISC结构单片机PIC16F87X中内置有在线调试器ICD（In-CircuitDebug）功能；该公司还配置了具有ICSP（In-CircuitSerialProgramming）功能的简单仿真器和烧写器。通过PC机串行电缆就可以完成对目标系统的仿真调试。Freescale公司推出的BDM（backgrounddebugmode）调试器，可实现程序下载、实时跟踪和实时调试。主要用于ARM芯片的JTAG(JointTestActionGroup)调试器，JTAG主要应用于：电路的边界扫描测试和可编程芯片的在线系统编程。PIC16F877PIC16F72ATMEGA8LPIC18F452dsPIC30F4011-DSPSTC89LE516ADST62T32BMC9S12DG128BLPC2132FBD64-ARM7MSP430F2001TMS320F2812PGFA-DSP