單片機原理及應(yīng)用第1章 概述ppt課件

1、單片機原理及應(yīng)用單片機原理及應(yīng)用第1章 概 述第第1 1章章 概概 述述1.1 課程簡介課程簡介1.2 單片機的基本概念單片機的基本概念1.3 單片機的發(fā)展概況單片機的發(fā)展概況1.4 單片機的特點及應(yīng)用單片機的特點及應(yīng)用1.5 常用單片機系列介紹常用單片機系列介紹第1章 概 述 1.1 單片機的基本概念單片機的基本概念名詞解釋名詞解釋中央處理器中央處理器CPU） 中央處理器中央處理器Central Processing Unit的縮寫，的縮寫，即即CPU，CPU是電腦中的核心配件，其功能主要是解是電腦中的核心配件，其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。所謂的計釋計算機指令以及處

2、理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。所謂的計算機的可編程性主要是指對算機的可編程性主要是指對CPU的編程的編程 。（強調(diào)：。（強調(diào)：CPU并不是一臺完整的計算機）并不是一臺完整的計算機）單片機單片機 全稱為單片微型計算機全稱為單片微型計算機(Single Chip Microcomputer)或微控制器或微控制器(Microcontroller Unit)或嵌入式控制器或嵌入式控制器(Embedded Controller) 將微處理器將微處理器(CPU)、存儲器、存儲器、I/O接口電路和相應(yīng)實接口電路和相應(yīng)實時控制器件集成在一塊芯片上，稱其為單片微型計算機，時控制器件集成在一塊芯片上，稱其為單片微型計算機

3、，簡稱單片機。簡稱單片機。第1章 概 述單片機與微型計算機的區(qū)別單片機與微型計算機的區(qū)別圖1.1 微機組成結(jié)構(gòu)框圖 第1章 概 述圖1.2 單片機組成框圖 第1章 概 述 (1) 單板機：將微處理器(CPU)、存儲器、I/O接口電路以及簡單的輸入/輸出設(shè)備組裝在一塊印刷電路板上，稱其為單板微型計算機，簡稱單板機。 (2) 單片機：將微處理器(CPU)、存儲器、I/O接口電路和相應(yīng)實時控制器件集成在一塊芯片上，稱其為單片微型計算機，簡稱單片機。 (3) 微型計算機：微處理器(CPU)、存儲器、I/O接口電路由總線有機地連接在一起的整體，稱為微型計算機。 (4) 微型計算機系統(tǒng)：微型計算機與外圍設(shè)

4、備、電源、系統(tǒng)軟件一起構(gòu)成的系統(tǒng)，稱為微型計算機系統(tǒng)。第1章 概 述(1) 微處理器CPU的區(qū)別 通用微機的CPU主要面向數(shù)據(jù)處理，其發(fā)展主要圍繞數(shù)據(jù)處理功能、計算速度和精度的進(jìn)一步提高。例如，現(xiàn)今微機的CPU都支持浮點運算，采用流水線作業(yè)，并行處理、多級高速緩沖(Cache)技術(shù)等。CPU的主頻達(dá)到數(shù)百兆赫茲(MHz)，字長普遍達(dá)到32位。 單片機主要面向控制，控制中的數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)處理相對簡單，所以單片機的數(shù)據(jù)處理功能比通用微機相對要弱一些，計算速度和精度也相對要低一些。例如，現(xiàn)在的單片機產(chǎn)品的CPU大多不支持浮點運算，CPU還采用串行工作方式 。 字長一般為4位、8位。 單片機與通用微機

5、部件區(qū)別第1章 概 述(2) 存儲器區(qū)別 通用微機中存儲器組織結(jié)構(gòu)主要針對增大存儲容量和CPU對數(shù)據(jù)的存取速度?，F(xiàn)今微機的內(nèi)存容量達(dá)到了數(shù)百兆字節(jié)(MB)，存儲體系采用多體、并讀技術(shù)和段、頁等多種管理模式。 單片機中存儲器的組織結(jié)構(gòu)比較簡單，存儲器芯片直接掛接在單片機的總線上，CPU對存儲器的讀寫按直接物理地址來尋址存儲器單元，存儲器的尋址空間一般都為64 KB。第1章 概 述(3) I/O接口 通用微機中I/O接口主要考慮標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)(如CRT、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、鼠標(biāo)、打印機、硬盤、光盤等)。用戶通過標(biāo)準(zhǔn)總線連接外設(shè)，能達(dá)到即插即用。 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的外設(shè)都是非標(biāo)準(zhǔn)的，且千差萬別，種類很多。單片機的I/

6、O接口實際上是向用戶提供的與外設(shè)連接的物理界面。用戶對外設(shè)的連接要設(shè)計具體的接口電路，需有熟練的接口電路設(shè)計技術(shù)。第1章 概 述 嵌入式系統(tǒng)定義 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、本錢、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。 單片機與嵌入式系統(tǒng)單片機與嵌入式系統(tǒng)第1章 概 述 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展 第一階段是以單芯片為核心的可編程控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)大部分應(yīng)用于一些專業(yè)性極強的工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般沒有操作系統(tǒng)的支

7、持，通過匯編語言程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行直接控制，結(jié)束后清除內(nèi)存。 主要特點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對單一，處理效率較低，存儲容量較小。由于這類系統(tǒng)操作使用簡便、價格低廉，在國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)控制和新興的信息家電等領(lǐng)域需要。第1章 概 述 第二階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。 主要特點：CPU種類繁多，通用性較弱；系統(tǒng)開銷小，效率高；操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴展性；應(yīng)用軟件較專業(yè)；系統(tǒng)主要用于控制系統(tǒng)負(fù)載以及監(jiān)控應(yīng)用程序運行。第1章 概 述 第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。 主要特點：嵌入式系統(tǒng)能運行于不同類型的微處理器上，兼容性好；

8、操作系統(tǒng)內(nèi)核精小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴展性；具備文件和目錄管理、設(shè)備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面的功能；具備大量應(yīng)用程序接口(API)，開發(fā)應(yīng)用程序簡單；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。第1章 概 述 第四階段是以嵌入式Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個正在迅速發(fā)展的階段。 目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外，但隨著Internet的發(fā)展和Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合日益密切，嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的真正未來。第1章 概 述1.2 單片機的發(fā)展概況單片機的發(fā)展概況 14位單片機階段位單片機階段 自自19

9、75年美國德克薩斯儀器公司首次推出年美國德克薩斯儀器公司首次推出4位單片機位單片機TMS-1000后，各個計算機生產(chǎn)公司競相推出后，各個計算機生產(chǎn)公司競相推出4位單片機。例如美國國位單片機。例如美國國家半導(dǎo)體公司家半導(dǎo)體公司(National Semiconductor)的的COP402系列，日本系列，日本電氣公司電氣公司(NEC)的的PD75XX系列，美國洛克威爾公司系列，美國洛克威爾公司(Rockwell)的的PPS/1系列，日本松下公司的系列，日本松下公司的MN1400系列，富士通公司的系列，富士通公司的MB88系列等。系列等。 4位單片機主要用于家用電器、電子玩具等。位單片機主要用于家

10、用電器、電子玩具等。1.2.1 數(shù)據(jù)總線位數(shù)的發(fā)展數(shù)據(jù)總線位數(shù)的發(fā)展第1章 概 述 28位單片機階段位單片機階段 1976年年9月，美國月，美國Intel公司首先推出了公司首先推出了MCS-48系列系列8位單片位單片機以后，單片機發(fā)展進(jìn)入了一個新的階段，機以后，單片機發(fā)展進(jìn)入了一個新的階段，8位單片機紛紛應(yīng)運位單片機紛紛應(yīng)運而生。例如，莫斯特克而生。例如，莫斯特克(Mostek)和仙童和仙童(Fairchild)公司共同合作公司共同合作生產(chǎn)的生產(chǎn)的3870(F8)系列，摩托羅拉系列，摩托羅拉(Motorola)公司的公司的6801系列等。系列等。 在在1978年以前各廠家生產(chǎn)的年以前各廠家生產(chǎn)

11、的8位單片機，由于受集成度位單片機，由于受集成度(幾千幾千只管只管/片片)的限制，一般沒有串行接口，并且尋址空間的范圍小的限制，一般沒有串行接口，并且尋址空間的范圍小(小小于于8 KB)，從性能上看屬于低檔，從性能上看屬于低檔8位單片機。位單片機。第1章 概 述 隨著集成電路工藝水平的提高，在1978年到1983年期間集成度提高到幾萬只管/片，因而一些高性能的8位單片機相繼問世。例如，1978年摩托羅拉公司的MC6801系列，齊洛格(Zilog)公司的Z8系列，1979年NEC公司的PD78XX系列，1980年Intel公司的MCS-51系列。這類單片機的尋址能力達(dá)64 KB，片內(nèi)ROM容量達(dá)

12、48 KB，片內(nèi)除帶有并行I/O口外，還有串行I/O口，甚至某些還有A/D轉(zhuǎn)換器功能。因此，把這類單片機稱為高檔8位單片機。第1章 概 述 在高檔8位單片機的基礎(chǔ)上，單片機功能進(jìn)一步得到提高，近年來推出了超8位單片機。如Intel公司的8X252、UPI-45283C152，Zilog公司的Super8，Motorola公司的MC68HC等，它們不但進(jìn)一步擴大了片內(nèi)ROM和RAM的容量，同時還增加了通信功能、DMA傳輸功能以及高速I/O功能等。自1985年以來，各種高性能、大存儲容量、多功能的超8位單片機不斷涌現(xiàn)，它們代表了單片機的發(fā)展方向，在單片機應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。 8位單片機由

13、于功能強，被廣泛用于工業(yè)控制、智能接口、儀器儀表等各個領(lǐng)域。第1章 概 述 316位單片機階段位單片機階段 1983年以后，集成電路的集成度可達(dá)十幾萬只管年以后，集成電路的集成度可達(dá)十幾萬只管/片，片，16位單位單片機逐漸問世。這一階段的代表產(chǎn)品有片機逐漸問世。這一階段的代表產(chǎn)品有1983 年年Intel公司推出的公司推出的MCS-96系列，系列，1987年年Intel公司又推出的公司又推出的80C96，美國國家半導(dǎo)體，美國國家半導(dǎo)體公司推出的公司推出的HPC16040和和NEC公司推出的公司推出的783XX系列等。系列等。 16位單片機把單片機的功能又推向了一個新的階段。如位單片機把單片機的

14、功能又推向了一個新的階段。如MCS-96系列的集成度為系列的集成度為12萬只管萬只管/片，片內(nèi)含片，片內(nèi)含16位位CPU、8 KB ROM、232字節(jié)字節(jié)RAM、5個個8位并行位并行I/O口、口、4個全雙工串行口、個全雙工串行口、4個個16位定位定時器時器/計數(shù)器、計數(shù)器、8級中斷處理系統(tǒng)。級中斷處理系統(tǒng)。MCS-96系列還具有多種系列還具有多種I/O功能，功能，如高速輸入如高速輸入/輸出輸出(HSIO)、脈沖寬度調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出、特殊用途的輸出、特殊用途的監(jiān)視定時器監(jiān)視定時器(Watchdog)等等。等等。 16位單片機可用于高速復(fù)雜的控制系統(tǒng)。位單片機可用于高速復(fù)雜的控制系

15、統(tǒng)。第1章 概 述 432位單片機位單片機 近年來，各個計算機生產(chǎn)廠家已進(jìn)入更高性能的近年來，各個計算機生產(chǎn)廠家已進(jìn)入更高性能的32位單片機位單片機研制、生產(chǎn)階段。由于控制領(lǐng)域?qū)ρ兄?、生產(chǎn)階段。由于控制領(lǐng)域?qū)?2位單片機需求并不十分迫位單片機需求并不十分迫切，所以切，所以32位單片機的應(yīng)用并不很多。位單片機的應(yīng)用并不很多。 需要提及的是，單片機的發(fā)展雖然按先后順序經(jīng)歷了需要提及的是，單片機的發(fā)展雖然按先后順序經(jīng)歷了4位、位、8位、位、16位的階段，但從實際使用情況看，并沒有出現(xiàn)推陳出新、位的階段，但從實際使用情況看，并沒有出現(xiàn)推陳出新、以新代舊的局面。以新代舊的局面。4位、位、8位、位、16位

16、單片機仍各有應(yīng)用領(lǐng)域，如位單片機仍各有應(yīng)用領(lǐng)域，如4位單片機在一些簡單家用電器、高檔玩具中仍有應(yīng)用，位單片機在一些簡單家用電器、高檔玩具中仍有應(yīng)用，8位單片位單片機在中、小規(guī)模應(yīng)用場合仍占主流地位，機在中、小規(guī)模應(yīng)用場合仍占主流地位，16位單片機在比較復(fù)位單片機在比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中才有應(yīng)用。雜的控制系統(tǒng)中才有應(yīng)用。第1章 概 述 體系結(jié)構(gòu)的變化 （1SCMSingle Chip Microcomputer） （2MCUMicro Controller Unit） （3SOC （System On Chip） 單片機速度越來越快 低電壓與低功耗 36V2.7V 2.2V 1.8V 0.9V C

17、HMOS(互補金屬氧化物MOS)工藝 低噪聲與高可靠性技術(shù) WDT看門狗1.2.2 單片機技術(shù)的發(fā)展單片機技術(shù)的發(fā)展第1章 概 述 OTP向MTP轉(zhuǎn)變 在線編程技術(shù) ISPIn System Programming） IAPIn Application Programming） 在線仿真技術(shù) JTAGJoint Test Action Group接口 、SPI串行接口 顯著減少引腳數(shù)，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1章 概 述1.3 單片機的特點及應(yīng)用單片機的特點及應(yīng)用1.3.1 單片機的特點單片機的特點 (1) 單片機的存儲器ROM和RAM是嚴(yán)格區(qū)分的。ROM稱為程序存儲器，只存放程序、固定常數(shù)及數(shù)據(jù)表格。

18、RAM則為數(shù)據(jù)存儲器，用作工作區(qū)及存放用戶數(shù)據(jù)。這樣的結(jié)構(gòu)主要是考慮到單片機用于控制系統(tǒng)中，有較大的程序存儲器空間，把開發(fā)成功的程序固化在ROM中，而把少量的隨機數(shù)據(jù)存放在RAM中。這樣，小容量的數(shù)據(jù)存儲器能以高速RAM形式集成在單片機內(nèi)，以加速單片機的執(zhí)行速度。但單片機內(nèi)的RAM是作為數(shù)據(jù)存儲器用，而不是當(dāng)作高速緩沖存儲器(Cache)運用。第1章 概 述 (2) 采用面向控制的指令系統(tǒng)。為滿足控制的需要，單片機有更強的邏輯控制能力，特別是具有很強的位處理能力。 (3) 單片機的I/O引腳通常是多功能的。由于單片機芯片上引腳數(shù)目有限，為了解決實際引腳數(shù)和需要的信號線的矛盾，采用了引腳功能復(fù)用

19、的方法。引腳處于何種功能，可由指令來設(shè)置或由機器狀態(tài)來區(qū)分。 (4) 單片機的外部擴展能力強。在內(nèi)部的各種功能部分不能滿足應(yīng)用需求時，均可在外部進(jìn)行擴展(如擴展ROM、RAM，I/O接口，定時器/計數(shù)器，中斷系統(tǒng)等)，與許多通用的微機接口芯片兼容，給應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計帶來極大的方便和靈活性。第1章 概 述1.3.2 單片機的優(yōu)點及應(yīng)用單片機的優(yōu)點及應(yīng)用 (1) 體積小，成本低，運用靈活，易于產(chǎn)品化，它能方便地組成各種智能化的控制設(shè)備和儀器，做到機電一體化。 (2) 面向控制，能針對性地解決從簡單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，因而能獲得最佳的性能價格比。 (3) 抗干擾能力強，適用溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境

20、下都能可靠地工作，這是其它類型計算機無法比擬的。 (4) 可以方便地實現(xiàn)多機和分布式控制，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。第1章 概 述 單片機的應(yīng)用范圍十分廣泛，主要的應(yīng)用領(lǐng)域有： (1) 工業(yè)控制。單片機可以構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。如數(shù)控機床、自動生產(chǎn)線控制、電機控制、溫度控制等。 (2) 儀器儀表。如智能儀器、醫(yī)療器械、數(shù)字示波器等。 (3) 計算機外部設(shè)備與智能接口。如圖形終端機、傳真機、復(fù)印機、打印機、繪圖儀、磁盤/磁帶機、智能終端機等。 (4) 商用產(chǎn)品。如自動售貨機、電子收款機、電子秤等。 (5) 家用電器。如微波爐、電視機、空調(diào)、洗衣機、錄像機、音響設(shè)備等。

21、第1章 概 述 按單片機數(shù)據(jù)總線的位數(shù)劃分 4位單片機、8位單片機、16位單片機、32位單片機 按編程方式劃分 OTPROM型、Flash型、ISP型、IAP型、JTAG接口型 按功耗劃分 普通型、低功耗型 按性價劃分 普通型、經(jīng)濟(jì)型1.4 常用單片機系列介紹常用單片機系列介紹1.4.1 單片機的類型單片機的類型第1章 概 述 MCS-51系列及其兼容機 MCS 是INTEL 公司的注冊商標(biāo)。 8051 單片機是INTEL 公司1980 年推出的MCS 一51 系列單片機的第一個成員。 以后，凡是INTEL 公司生產(chǎn)的以8051 為核心單元的其它派生單片機都稱為MCS 一51 系列，簡稱為51

22、 系列。8位單片機位單片機第1章 概 述 其它公司生產(chǎn)的以8051 為核心單元的其它派生單片機不能稱為MCS一51 系列，只能稱為8051 系列。8051 系列泛指所有公司也包括INTEL 公司生產(chǎn)的以8051 為核心單元的所有單片機。比如： PHILIPS （飛利浦公司）: 83C552 及51LPC 系列 SIEMENS （西門子公司）: SAB80512 ATMEL : Flash 單片機89C51 SST：SST89系列 “51系列單片機包含MCS-51和其它公司的8051。第1章 概 述 非MCS-51系列單片機 Motorola公司的68HC05/08系列 MICROCHIP公司的PIC單片機 ATMEL公司的AVR單片機第1章 概 述 MCS-51系列單片機已有十多種產(chǎn)品，可分為兩大系列：51子系列和52子系列。 51子系列主要有8031、8051、8751三種機型。它們的指令系統(tǒng)與芯片引腳完全兼容。從表1.1中可以看出，它們的差別僅在于片內(nèi)有無ROM或EPROM。