單片機原理及應用課件-第1章概述

單片機原理及應用

PrinciplesandApplicationofMicrocontroller郇戰(zhàn)

課程安排理論課：講述基本原理結(jié)構(gòu)和方法實驗課：根據(jù)實驗指導書在實驗老師的指導下完成教材

單片機原理與應用趙德安機械工業(yè)出版社參考書:單片微型機原理應用與實驗張友德復旦大學出版社單片機原理及應用徐安北京希望電子出版社單片機原理及應用胡漢才清華大學出版社MCS-51單片機應用設計張毅剛等編課程要求本課程是實踐性較強的課程。通過課程的學習，掌握軟件編程和硬件電路設計的方法，能夠進行單片機應用系統(tǒng)的設計和調(diào)試等工作?？荚囋u分標準卷面成績：70％平時成績：30％平時成績依據(jù)：上課提問占15％和紀律情況占15％涉及內(nèi)容概述單片機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理（以MCS-51為例）MCS-51指令系統(tǒng)單片機的其他片內(nèi)功能部件匯編語言程序設計單片機系統(tǒng)擴展技術(shù)單片機系統(tǒng)的串行擴展單片機的人機接口MCS-51單片機系統(tǒng)的開發(fā)應用第一章概述主要內(nèi)容微處理器、微機和單片機的概念單片機的主要特點單片機的發(fā)展歷史單片機的應用特點主要的單片機廠商和產(chǎn)品單片機與自動化技術(shù)、控制技術(shù)微處理器、微機和單片機馮.諾依曼結(jié)構(gòu)：

計算機無論如何發(fā)展，其原理均采用存儲程序的概念，稱為馮.諾依曼結(jié)構(gòu)。它將計算機分成五個在功能上相互獨立的部分。主機輸入設備輸出設備主存儲器CPU運算器控制器I/O設備第一章概述

這些部件在規(guī)模、速度和大小方面的不同就構(gòu)成了不同的計算機系統(tǒng)。微處理器（CPU、μP）

把運算器和控制器集成在一個集成電路芯片上就成為中央處理單元，也稱為CPU、微處理器或μP。它本身不是計算機，是小型計算機或微型計算機的控制和處理部分。第一章概述微型計算機（puter，簡稱微機、PC）是具有完整運算及控制功能的計算機。包括 微處理器（CPU）存儲器（內(nèi)存和外存）輸入/輸出（I/O）設備（鼠標、鍵盤）接口適配器（輸入輸出接口電路，主板）第一章概述微型計算機系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)硬件微型計算機（主機）微處理器

(CPU)軟件外圍設備運算器控制器存儲器

(內(nèi)存)RAMROM外部設備輔助設備輸入設備(鍵盤、掃描儀、語音識別儀…)

輸出設備(顯示器、打印機、繪圖儀…)

輔助存儲器(磁帶、磁盤、光盤…)輸入/輸出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC…)(I/O接口)總線(AB、DB、CB)應用軟件(科學計算、工業(yè)控制、數(shù)據(jù)處理…)程序設計語言(機器語言、匯編語言、高級語言…)系統(tǒng)軟件(操作系統(tǒng)，編輯、編譯程序，故障診斷，監(jiān)控程序…)電源電路時鐘電路第一章概述單片機：亦稱單片微型計算機(Single-Chipputer,Microcontroller)是將微處理器（CPU）、存儲器（ROM和RAM）、總線、定時器/計數(shù)器、輸入/輸出接口（I/O）和其他多種功能器件集成在一塊芯片上構(gòu)成的微型計算機。第一章概述百度百科的單片機定義單片機是一種集成在電路芯片上，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。

第一章概述

MCS-51單片機是Intel在早期生產(chǎn)的典型的單片機。其外部引腳有兩種封裝形式，一種是40引腳的PDIP（PlasticDual-In-Line，塑封雙列直插式封裝），另一種是44引腳的PLCC（PlasticLeadedChipCarrier，帶引線的塑封芯片載體）。單片機的主要特點（1）集成度高、體積小

單片機將CPU、存儲器和I/O接口等各種功能部件集成在一塊晶體芯片上，體積小，節(jié)省空間，能靈活方便地應用于各種智能化的控制設備和儀器，實現(xiàn)機電一體化。（2）可靠性高、抗干擾性強

單片機把各種功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。另外，對于強磁場環(huán)境，小體積易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。第一章概述（3）控制功能強

其CPU可以對I/O端口直接進行位操作和分支轉(zhuǎn)移操作，還能方便地實現(xiàn)多機控制，使整個系統(tǒng)的控制效率大為提高，適用于專門的控制領(lǐng)域。（4）低功耗

許多單片機的工作電壓只有2～4伏特，電流幾百微安，功耗很低，適用于便攜式系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)。（5）性價比高

單片機應用廣泛、生產(chǎn)批量大，產(chǎn)品供應商的商業(yè)競爭使得單片機產(chǎn)品的性能越來越強而價格更加低廉，有優(yōu)異的性能價格比。第一章概述（6）可擴展性好

單片機具有靈活方便的外部擴展總線接口，使得當片內(nèi)資源不夠使用時可以非常方便地進行片外擴展。同時，現(xiàn)在單片機具有越來越豐富的通信接口：如異步串行口SCI、同步串行口SPI、I2C、CAN總線、甚至有的單片機還集成了USB接口或以太網(wǎng)接口，這些豐富的通信接口使得單片機系統(tǒng)與外部計算機系統(tǒng)的通信變得非常容易。第一章概述第一章概述單片機的發(fā)展歷史低性能階段（1976~1978）INTELMCS-48高性能階段（1978~1982）MCS-51、MCS-96更高性能階段（1983~）多種機型并行發(fā)展第一章概述單片機的應用特點量大面廣機電一體化：電腦縫紉機智能儀表：測量儀實時控制：汽車網(wǎng)絡通信：通信協(xié)議集成，如RFID（RadioFrequencyIdentification，電子標簽、無線射頻識別）計算機外設：鍵盤、打印機家電：MOTOROLA保健產(chǎn)品：按摩器由于單片機具有顯著的優(yōu)點，它已成為自動化領(lǐng)域的有力工具、人類生活的得力助手。它的應用遍及各個領(lǐng)域：（1）在機電一體化中的應用

機電一體化是機械工業(yè)發(fā)展的方向。機電一體化產(chǎn)品是指集成機械技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)于一體，具有智能化特征的機電產(chǎn)品，例如微機控制的車床和鉆床等。單片機作為產(chǎn)品中的控制器，能充分發(fā)揮它的體積小、可靠性高和功能強等優(yōu)點，可大大提高機器的自動化和智能化程度。第一章概述（2）在智能儀表中的應用

單片機廣泛用于各種儀器儀表，可提高測量的自動化程度和精度，簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，使其智能化，提高其性能價格比。（3）在實時控制中的應用

單片機作為控制器廣泛用于工業(yè)測控、航空航天、尖端武器和機器人等各種實時控制系統(tǒng)。其實時數(shù)據(jù)處理能力和控制功能，可使系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

第一章概述（4）在分布式多機系統(tǒng)中的應用

在比較復雜的系統(tǒng)中，常采用分布式多機系統(tǒng)。多機系統(tǒng)一般由若干臺功能各異的單片機組成，各自完成特定的任務。它們通過串行通信相互聯(lián)系、協(xié)調(diào)工作。單片機在這種系統(tǒng)中往往作為一個終端機（前端機），安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點上，對現(xiàn)場信息進行實時的測量和控制。單片機的高可靠性和強抗干擾能力，使它可以置于惡劣環(huán)境的前端工作。第一章概述（5）在人類生活中的應用

自從單片機誕生以后，它就步入了人類生活，如洗衣機、電冰箱、電子玩具和收錄機等家用電器配上單片機后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人們喜愛。單片機將使人類生活更加方便、舒適、豐富多彩。第一章概述主要單片機廠商和產(chǎn)品單片機自從誕生以來，經(jīng)過長足的發(fā)展，目前世界上單片機市場形成了很多生產(chǎn)廠商，如:Intel、ATMEL、Motorola、Microchip、Zilog、Winbond、TI、Philips、Siemens、Epson和NEC等公司，其主流產(chǎn)品有幾十個系列，幾百個型號。盡管其各具特色、名稱各異，但作為集CPU、RAM、ROM（或EPROM）、I/O接口、定時器/計數(shù)器和中斷系統(tǒng)為一體的單片機，其原理大同小異。第一章概述第一章概述器件廠家美國：Intel、ATMEL、Motorola和Microchip荷蘭:Philips德國：Siemens日本：Nec和ToshibaIntelMCS-51每種型號的存儲器的類型無ROM型：8031ROM型：8051EPROM型：8751EEPROM型：8951（1）Intel（英特爾）

1976年Intel公司推出MCS-48系列單片機，然后于20世紀80年代推出高檔8位單片機MCS-51系列，該系列是世界上使用量最大、應用最廣泛的幾種單片機之一。

51子系列主要有8031、8051和8751等機型。它們的指令系統(tǒng)與芯片引腳完全兼容，差別僅在于片內(nèi)有無ROM或EPROM。52子系列主要有8032、8052和8752等機型。52子系列與51子系列的主要不同在于：片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（RAM）增至256字節(jié)；片內(nèi)程序存儲器（ROM）增至8KB(8032無片內(nèi)程序)；有3個16位定時/計數(shù)器，6個中斷源。其它性能均與51子系列相同。第一章概述80C51：在單片機家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司將其MCS-51系列中的80C51內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售形式轉(zhuǎn)讓給全世界許多著名IC制造廠商，如ATEML、華邦、Philips、NEC和AMD等，這些公司都在保持與80C51單片機兼容的基礎(chǔ)上改善了80C51的許多特性。這樣，80C51就變成有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出上百品種的大家族，現(xiàn)統(tǒng)稱為80C51系列。80C51單片機已成為單片機發(fā)展的主流，且已經(jīng)成為事實上的標準MCU芯片。MCS-51系列單片機的型號及配置如下表所示：第一章概述第一章概述（2）ATMEL（愛特梅爾）

ATMEL公司是世界上高級半導體產(chǎn)品設計、制造和行銷的領(lǐng)先者，產(chǎn)品包括了微處理器、可編程邏輯器件、非易失性存儲器、安全芯片、混合信號和RF射頻集成電路。ATMEL生產(chǎn)的CMOS型51系列單片機具有MCS-51內(nèi)核（兼容），如AT8951系列中的AT89C51和AT89S51，目前在市場上仍然十分流行。ATMEL還生產(chǎn)與MCS-51不兼容的AVR系列RISC（ReducedInstructionSetComputer，精簡指令集計算機）結(jié)構(gòu)單片機。AVR單片機是一種高速、低功耗的單片機產(chǎn)品，端口有較強的驅(qū)動負載能力。第一章概述（3）Motorola（摩托羅拉）

Motorola是世界上最大的單片機生產(chǎn)廠家之一，品種全、選擇余地大、新產(chǎn)品多。其主要特點是在同樣的速度下所用的時鐘較Intel單片機低得多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強，比較適合于工控領(lǐng)域及惡劣環(huán)境。在8位機方面的典型產(chǎn)品有68HC05和升級產(chǎn)品68HC08，其中68HC05有30多個系列200多個品種，產(chǎn)量超過20億片。32位單片機方面有683XX系列。第一章概述（4）Microchip（微芯科技）

Microchip公司是全球領(lǐng)先的單片機和模擬半導體供應商，為全球數(shù)以千計的消費類產(chǎn)品提供低風險的產(chǎn)品開發(fā)、更低的系統(tǒng)總成本和更快的上市時間。近年來，其生產(chǎn)的單片機的市場份額增長較快。主要產(chǎn)品是PIC系列8位單片機，指令系統(tǒng)采用RISC指令，運行速度快、價格低，適于用量大、檔次低和價格敏感的產(chǎn)品。第一章概述（5）Zilog

Zilog公司1974年成立于美國加州，曾經(jīng)是單片機領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，但是在無限風光之后，由于各種原因以及公司策略的改變，Zilog公司在商業(yè)市場遭受了很大挫折，逐漸退出單片機市場。在長達10多年的沉寂之后，2000年，Zilog終于決定重新回到８位單片機市場。公司以其老一代的Z8系列單片機為基礎(chǔ)，陸續(xù)推出了兩個全新的內(nèi)核：eZ8和