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2020年2月25日7时28分1单片机原理及应用总学时：40实验学时：12主讲：房德君电气工程系2020年2月25日7时28分2课程说明一、本课程基础：模拟电路数字电路微机原理与接口技术二、学习方法：⑴对照微机原理中的基本理论学习⑵掌握重点：单片机的基本结构单片机的指令系统编程方法系统硬件电路扩展设计⑶多看一些应用系统设计2020年2月25日7时28分3第一章概述一、计算机的发展：计算机技术发展有三个方向：Ⅰ大型、巨型计算机(supercomputer)：特点：运算速度快：◆银河-Ⅱ巨型计算机系统速度：10亿次/秒；1992年由国防科技大学研制成功2020年2月25日7时28分4第一章概述银河-Ⅱ十亿次运算的巨型计算机2020年2月25日7时28分5第一章概述◆90年代由国家并行计算机工程技术中心开发的“神威”巨型计算机系统速度：3000亿次/秒以上，峰值运算速度为3840亿浮点/秒;•当年TOP500.org组织公布的《全球超级计算机五百强》榜单，在世界上投入的500台巨型机中排名第48位◆2000年由1024个CPU组成的银河Ⅳ，峰值性能每秒1.0647万亿次浮点运算；◆中科院计算技术研究所研制的曙光4000A峰值性能每秒10万亿次。在2003年的公布的全球高性能计算机TOP500排行榜中，曙光以每秒80610亿次linpack（基准测试程序包）计算值位列全球第十。2020年2月25日7时28分6第一章概述◆曙光5000A,运算速度每秒230万亿次。2008年11月17日，TOP500.org组织公布第32次《全球超级计算机五百强》榜单，中国研制的百万亿次超级计算机再次杀入了前十位，前十名中的第1-9名全部来自美国，其中有7台属于美国能源部，IBM打造的Roadrunner(走鹃)蝉联冠军，联想集团开发的深腾7000（运算速度每秒106.5万亿次）百万亿次超级计算机位居19位，日本则被挤出超级计算机前20名榜单。2020年2月25日7时28分7第一章概述曙光5000百万亿次超级计算机2020年2月25日7时28分8第一章概述◆2009年10月29日,天河一号,运算速度每秒1206万亿次。中国第一台千万亿次超级计算机。我国首台千万亿次超级计算机系统——“天河”一号，实现了计算能力从百万亿次到千万亿次的跨越，使我国成为继美国之后世界上第二个能够自主研制千万亿次超级计算机系统的国家。★计算速度对比：天河一号计算一天，一台配置Ｉｎｔｅｌ双核ＣＰＵ、主频为２．５ＧＨｚ的微机需要计算１６０年。★天河一号由１０３台机柜组成，每个机柜占地１．４４平方米、高两米、重１．５吨，系统总重量相当于１９个神州飞船。把通风等条件考虑在内，放置“天河一号”需要一个近千平方米的房间。★全系统包含６１４４个通用处理器（ＣＰＵ）和５１２０个加速处理器（ＧＰＵ-图形处理器）。全系统运行情况下，每小时耗电１２８０度。2020年2月25日7时28分9第一章概述中国第一台千万亿次超级计算机——天河一号2020年2月25日7时28分10第一章概述◆曙光公司和中科院共同研制的曙光-星云千万亿次超级计算机,2010年运算速度每秒Ｌｉｎｐａｃｋ值1271万亿次。•2010年5月31日，在德国汉堡举行的2010年国际超级计算大会上，TOP500.org组织公布了第35届全球超级计算机五百强排行榜，中国曙光公司研制的“星云”千万亿次超级计算机，排名世界第二；同时中国“天河一号”排在第七位。这样，中国不但打破了美国对前三甲的长期垄断，也第一次在前十名中占据了两个席位。•目前世界最快的超级计算机，位于美国田纳西州橡树岭国家实验室，名为“美洲虎”，主要用于模拟核试验，去年11月它的峰值速度是每秒1750万亿次。2020年2月25日7时28分11第一章概述曙光星云千万亿次超级计算机2020年2月25日7时28分12第一章概述◆2010年11月15日，经过一年时间全面的系统升级后，“天河一号”在第３６届全球超级计算机五百强排名中夺魁。升级后的“天河一号”实测运算速度可达每秒２５７０万亿次。存储容量大：◆企业研制的“深腾”（联想）是1.0270万亿次（526个超强cpu，内存272G，总硬盘6TB），2002年全球高性能计算机TOP500排行榜，世界排行24位，日本85.1万亿次排第一，前23位全为美国和日本。2020年2月25日7时28分13第一章概述•应用：•主要用于复杂的科学计算，工程设计，科学数据处理•领域：•卫星照片的图像处理，石油和地质勘探，中长期天气预报，航空飞行器的设计，空气动力模拟，等离子模拟，电力系统分析，生产和市场预测等。在国防领域可用于模拟核试验、监听对方通讯系统、反导弹武器系统等.。2020年2月25日7时28分14第一章概述•例如1：•现在天气预报都采用数值预报方法，“神威”巨型计算机在其中立下了汗马功劳，它使天气预报越来越准确。1999年9月30日，正值我国50周年国庆大典前夕，北京城阴雨绵绵，次日国庆大典时天气如何？能否保证阅兵的顺利进行？为此国家气象局使用“神威”计算机进行数值运算，准确地预报了国庆节的天气，保证了大典的顺利进行。2020年2月25日7时28分15第一章概述•例如2：•澳门回归等重大活动的气象预报计算，采用的神威计算机计算。•例如3：•国家气象中心将“银河”超级计算机用于中期数值天气预报系统，每年的春节、五一、长假前夕，中央气象台对7天长假期间的天气变化做出预报。我国成为世界上少数几个能发布５至７天中期数值天气预报的国家之一。2020年2月25日7时28分16第一章概述•例如4：•中科院用神威计算机对13年油藏开发数据处理，仅用了4小时37分钟。•做一个全球模式的7天的预报，必须求解3亿个以上的方程组，没有巨型计算机是根本无法计算的。（小型计算机采用撕裂法可以计算，但时间长）发展方向：速度和存储容量巨型计算机是面向科学家的2020年2月25日7时28分17第一章概述ⅡPC机：特点：较高的运行速度和较大的内存，功能强大，小而全，丰富的应用软件。应用：•办公自动化：管理系统，图书的借阅管理（图书查询，借阅时间等）、学校的人事管理（个人的资料查询、人员类型统计等）、财务管理，学生档案管理；•计算机网络：信息交换，网络化管理系统（例如企业的局域网：通过网络领导层可以查阅企业的营业状况，财务情况，生产情况等）2020年2月25日7时28分18第一章概述•工业控制网络：生产过程的全部实现计算机化全程网络化管理：例如煤矿生产监控系统，可以实现：环境监控（瓦斯，风速，OC），设备监控（皮带，提升机、风机，井上和井下配电系统，状态监控）、人员监控（定位，瓦检员管理，井下人员的考勤，井上人员的考勤，干部的下井纪录查询），多种报警形式：现场声光报警，远程电话，短信息，以及通过内部的局域网的管理层的报警和INTERNET网络的监管部门的报警，信息共享：生产环境的设备的运行状况的信息的共享，•煤矿的井下的每一个点的瓦斯浓度在矿长和省或者国家安全监管部分的计算机上可以实时查到（有时经常出现矿长质问监控中心出现的异常问题）。2020年2月25日7时28分19第一章概述发展方向：速度：时钟频率：3GHZ内存：1G字长：4位，8位，16位，32位，64位功能：多媒体处理（视频处理），网络化工程设计（不同地域的设计人员，同时设计一个汽车的不同部件，通过网络组合就可以了）★PC机是面向全体民众的,各阶层，各领域。2020年2月25日7时28分20第一章概述Ⅲ单片机：单片机也是一个计算机，我们也称单片微型计算机，即在一块硅片上集成了CPU、RAM、ROM、I/O口和中断系统，具备了计算机的基本特征。•特点：集成度高，运算速度快，体积小，运行可靠，价格低。•应用：过程控制，数据采集系统，智能化仪器仪表，信息家电以及网络技术。•由于单片机是一个微小的计算机，具有运算、控制功能，因而可用于任何一个领域，可嵌入任何一个设备或者仪器中，使其具有智能化，应用领域广泛。2020年2月25日7时28分21第一章概述•单片机应用可归纳为三个方面：•a.智能仪器：•压力表、流量表、温度表、水位等；家庭中：智能电度表（卡式，网络式，抄表器），水表，煤气表，热力表，空调等；目前正在推广的煤气检测仪---要求每户都应加装；2020年2月25日7时28分22第一章概述•b.控制系统、装置：•汽车电子控制系统（电子打火、到车雷达—山东省科学院在研制）;•城市道路交通管理系统（信号灯控制，图像处理，流量预测）;•机器人（机器人足球，机器人跳舞，机器人清理墙面，机器人管道检测等）•油田提油机（磕头机）监控系统（提油机工作状态监控，节能控制，电力检测，防盗报警，远程无线通信）;•油罐装系统（灌装控制，数量统计，远程通信）农村蔬菜大棚•煤矿安全监控系统自动化生产线•通信电缆检测系统锅炉自动温控系统•防盗报警系统大楼安全监控系统•自动车床医院呼叫系统•以上系统都是计算机网络系统，传感器、控制单元全部为单片机系统，上位机为pc机。2020年2月25日7时28分23第一章概述C．家用电器：自动太阳能热水器，吸尘器，冰箱，录放机，空调，手机，电视机（机顶盒），玩具;总结：哪里需要自动化、智能化哪里就可以用单片机实现。特点：1.pc机是不可代替：由于单片机体积小，功能齐全，适合于各种测量环境，或嵌入设备、仪器中，而起到核心作用，pc机是无法代替的。2.应用领域广泛，市场份额大可以想象，只要实现自动化控制或者测量就可以用单片机。目前我市电子类的厂与单片机系统密切相关，涉及：工业、农业、商业、国防、通信、交通运输、科学技术，直到文化娱乐，教育（多媒体教室）、医疗及家庭。3.易形成产品，建立企业2020年2月25日7时28分24第一章概述名词解释：（典型的）微型计算机包括四个基本组成部分：运算器，控制器、存储器，输入输出接口如果将运算器和控制器封装在一个芯片上，则称该芯片为微处理器（MPU—MicroProcessingUnit）或称中央处理器（CPU—CentralProcessingUnit）。如果将存储器，输入输出接口也集成在同一个芯片上，就构成了微型计算机。一个芯片上集成了微型计算机的四个基本部分。单片微型计算机（single-chipmicrocomputer）：2020年2月25日7时28分25第一章概述单片微型计算机的简称;单片机（single-chipmicrocomputer）：以单片机为核心构成的硬件电路，称单片机系统;单片机系统：微控制器(MCU—microControllerUnit)：最典型的是philips公司，为了满足嵌入式应用，将各种接口电路再放到单片机内部，例如：a/d、d/a、比较器、各种网络功能的串行通信电路------这种芯片不仅包含了一个微型计算机系统，还包含了控制用的各种接口电路，-----即称谓微控制器。-----philips公司为单片机的发展发挥了巨大的作用。2020年2月25日7时28分26第一章概述嵌入式计算机系统：这种把嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化的控制计算机称为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。2020年2月25日7时28分27第一章概述二、单片机发展：◇1974年，INTEL生产出了8080微处理器（CPU）。-----虽然不是单片机，但是已用在了单片机领域，用于仪器仪表和工业控制。◇1976年，ZILOG公司生产Z80微处理器(兼容8080，以低价格接管了市场，主要用于嵌入系统和军事)，构成了所谓的单板机，得到了广泛的应用，---主要应用于仪器仪表，设备自动化，（在这期间，美国封锁中国10年，主要是从香港进口）；◇同年1976年，INTEL推出了MCS-48，首次称为单片机，性能优于Z-80，但应用的较少，而Z-80却获得了广泛的应用。2020年2月25日7时28分28第一章概述◇1978年，INTEL公司研制了8086的16位微处理器，由于价格较贵，intel于1979推出了简化版的8088准16位处理器，号称用16的微处理