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单片机原理及应用河北科技大学电气信息学院自动化系王雷前言1.本课的重要意义(1)单片机(MCU)是嵌入式系统的入门级芯片：①嵌入式系统小范围概念：ARM等含嵌入式操作系统的32位系统。②嵌入式系统中范围概念：MCU、DSP、ARM③嵌入式系统大范围概念：MCU、DSP、ARM、IPC④嵌入式系统现常指：MCU、DSP、ARM、CPLD/FPGAMCU芯片示例MCU系统示例DSP芯片示例DSP系统示例ARM芯片示例ARM系统示例IPC(工控机)机箱与主板IPC控制系统示例(2)单片机是进行电子制作和毕业设计的最重要的工具之一。(3)熟练进行单片机系统的设计是成为一位合格电子工程师的必由之路。2.基础要求《电路》、《模拟电子》、《数字电子》、《微机原理》等。3.如何学好本课理论与实践相结合。4.本课常用软件KeiluVision,Proteus,Protel。KeiluVision2ProteusISISProtel99SCHProtel99PCBProtel99PCB3D第1章单片机概述1.1什么是单片机单片机就是在一块硅片上集成了微处理器(CPU)，存储器(RAM，ROM，EPROM)和各种输入、输出接口(定时器/计数器，并行I/O口，串行口，A/D转换器，脉冲调制器PWM等)，这样一块芯片具有一台计算机的属性，称为单片微型计算机，简称单片机。主要应用于测控领域，一般称为微控制器MCU(MicroControlUnit)，我国习惯使用“单片机”。单片机自20世纪70年代问世以来，以极高的性价比受到人们的重视和关注，应用很广，发展很快。其主要优点是：体积小，重量轻，价格低廉，易于产品化；可靠性高，抗干扰能力强，对环境要求不高，适应温度范围宽；易扩展，灵活性好，易于构成各种规模的应用系统，开发较为容易；实时性好，控制功能强。广泛地应用在工业自动化、智能仪器仪表、消费类电子产品(家用电器)、通讯、武器装备、计算机终端及外设、多机分布式系统等各个方面。单片机按其用途可分为通用型与专用型两大类。通用型具有比较丰富的内部资源，性能全面且适应性强，能覆盖多种应用需求。专用型设计时对系统结构的最简化、软硬件资源利用的最优化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了通盘的考虑和设计，具有十分明显的综合优势。第一阶段：1974~1976，单片机初级阶段。因工艺限制，采用双片形式，且功能比较简单，如Fairchild的F8单片机，8位CPU、64个字节RAM、2个并行口，需加一块3851(1KROM、定时器/计数器、2个并行口)才能构成一台完整的计算机。第二阶段：1976~1978，低性能单片机阶段。Intel的MCS-48,8位CPU、并行I/O口、8位定时器/计数器、RAM、ROM等。无串口，中断处理比较简单，RAM和ROM的容量小，寻址范围不大于4KB。1.2单片机的历史与发展概况第三阶段：1978~现在，高性能单片机时代。普遍带有串口、多级中断系统、16位定时器/计数器、片内RAM和ROM容量加大、寻址范围可达64KB、有的还有A/D转换器。Intel的MCS-51系列，Motorola的6801，Zilog的Z80。性价比高，是目前应用数量较多的单片机。第四阶段：1982~现在，8位单片机巩固发展，16位、32位单片机推出阶段。Intel的MCS-96系列，集成度高，频率高，片内RAM和ROM加大，8级中断，A/D转换，高速I/O(HIS/HSO)。美国Intel：MCS-51系列及其增强型系列；美国Atmel：89C51系列；荷兰Philips：8xC552系列；美国Microchip：PIC系列；美国Motorola：6801系列、6805系列；美国Zilog：Z8系列、SUPER8；美国Fairchild：F8系列、3870系列；美国Rockwell：6500/1系列；美国TI：TMS7000系列。1.38位单片机的主要生产厂家和机型1.CPU的改进(1)采用双CPU结构，以提高处理能力。(2)增加数据总线宽度，内部采用16位数据总线。(3)采用流水线结构，指令以队列形式出现在CPU中，具有很快的运算速度。如TI的TMS320系列DSP。(4)串行总线结构。IIC总线，用3条数据线代替8位数据总线，大大减少了单片机的引线，降低了单片机的成本。1.4单片机的发展趋势2.存储器的发展(1)加大存储容量。(2)片内EPROM采用EEPROM或FLASH。(3)程序保密化。3.片内I/O的改进(1)增加并行口的驱动能力，减少外部驱动芯片。(2)增加I/O的逻辑控制功能，能进行位寻址及位操作，加强I/O口线控制的灵活性。(3)增加特殊串口功能，为构成网络化系统提供方便条件。4.外围电路内装化(增加片内外设)必有：ROM、RAM、定时器/计数器、中断系统、SCI。集成：A/D、D/A、PWM、QEP、DMA控制器、中断控制器、锁相环、频率合成器、字符发生器、声音发生器、CRT控制器、LCD控制器、译码驱动器等。5.低耗化CMOS化，多种待机方式。1.5MCS-51系列单片机Atmel：AT89系列；Cygnal：C8051F系列子系列片内ROM形式片内ROM容量片内RAM容量寻址范围I/O特性中断源无ROMEPROM计数器并行口串行口51子系列8031805187514KB128B2×64KB2×164×81580C3180C5187C514KB128B2×64KB2×164×81552子系列8032805287528KB256B2×64KB3×164×81680C3280C5287C528KB256B2×64KB3×164×816