第一章單片機(jī)原理及應(yīng)用

單片機(jī)原理及應(yīng)用

2010年平均每人每天要接觸多達(dá)351個(gè)甚至更多個(gè)微控制器。

數(shù)據(jù)來(lái)源：SEMICO單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用遍布國(guó)民經(jīng)濟(jì)與人民生活的各個(gè)領(lǐng)域課程性質(zhì)、目的和任務(wù)MCS-51系列單片機(jī)基本組成和工作原理單片機(jī)小系統(tǒng)的外圍設(shè)計(jì)和軟件編寫能獨(dú)立完成簡(jiǎn)單單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作工科電類專業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用課程之一，工科學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)和電路理論進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用課程。學(xué)習(xí)和掌握涉及內(nèi)容MCS-51的基本硬件結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷系統(tǒng)串行口存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)單片機(jī)的作用單片機(jī)電路理論自動(dòng)控制數(shù)字邏輯電路C語(yǔ)言微機(jī)原理工業(yè)控制、智能儀表、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、智能家電等應(yīng)用對(duì)單片機(jī)學(xué)習(xí)建議

1對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)，學(xué)習(xí)本課程目的在于

應(yīng)用單片機(jī)，學(xué)習(xí)原理主要是了解如何用

2單片機(jī)是一塊需編程的電路IC芯片

學(xué)習(xí)要硬件與軟件兼顧，二者相結(jié)合

3單片機(jī)是實(shí)踐性較強(qiáng)的課程

通過(guò)大量的編程和實(shí)驗(yàn)才能真正單片機(jī)的應(yīng)用第一章單片微型計(jì)算機(jī)概述及預(yù)備知識(shí)

1.1單片機(jī)的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢(shì)

1.2計(jì)算機(jī)的數(shù)制和碼制及其數(shù)制間轉(zhuǎn)換

1.3計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法

1.4計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算

1.5常用的單片機(jī)產(chǎn)品

1.6單片機(jī)的應(yīng)用與選擇電子計(jì)算機(jī)是一種能夠高速而精確地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的機(jī)器。計(jì)算機(jī)的發(fā)展分為四個(gè)時(shí)代：第一代計(jì)算機(jī)是電子管時(shí)代

1946年美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)發(fā)明的ENIAC，用了18800只電子管，150平方米、30t、100kw、運(yùn)算速度為5000次/秒。第二代計(jì)算機(jī)是晶體管時(shí)代

1957年美國(guó)研制了第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)TRANSACS-1000；主存貯器為磁芯存貯器，輔存貯器為磁盤、軟件已開(kāi)始使用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和操作系統(tǒng)。一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況第四代計(jì)算機(jī)是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路時(shí)代

1971年IBM370

主要存貯器為半導(dǎo)體存貯器第三代計(jì)算機(jī)是中、小規(guī)模集成電路時(shí)代

1964年IBM推出的IBM360電子計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢(shì)微型化─便攜式、低功耗、高性價(jià)比巨型化─尖端科技領(lǐng)域的信息處理，需要超大容量、高速度網(wǎng)絡(luò)化─網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)和信息高速公路多機(jī)系統(tǒng)─大型設(shè)備、生產(chǎn)流水線集中管理(獨(dú)立控制、故障分散、資源共享)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化─多分支發(fā)展系列化，各種計(jì)算機(jī)硬、軟件標(biāo)準(zhǔn)化便于兼容和升級(jí)智能化─模擬人類大腦思維和交流方式，多種處理能力電子計(jì)算機(jī)是模仿人腦部分功能的一種工具，故俗稱“電腦”。設(shè)想一下：人用算盤來(lái)計(jì)算2436+3748-4569的過(guò)程，把算盤記為R，則計(jì)算過(guò)程為：二、計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成5、記錄（R）結(jié)果6、停止計(jì)算1、0R2、2436R4、(R）-4569R3、(R)+3748R若用電子計(jì)算機(jī)模擬上述解題過(guò)程，計(jì)算機(jī)必須具備以下條件：1、機(jī)器內(nèi)必須有相當(dāng)于算盤的運(yùn)算器；2、為了保存和記錄原始數(shù)據(jù)、解題程序和運(yùn)算的中間結(jié)果，機(jī)器內(nèi)必須有容量足夠大的存貯器；3、必須按照解題程序指揮、控制各個(gè)部件協(xié)同工作的控制器；4、必須具備將數(shù)據(jù)和程序送入機(jī)器內(nèi)部的輸入設(shè)備和給出計(jì)算結(jié)果的輸出設(shè)備。運(yùn)算器、控制器、存貯器、輸入/輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)賴以工作的物質(zhì)基礎(chǔ)，稱為硬件。當(dāng)然只有硬件，而沒(méi)有必要的程序，則計(jì)算機(jī)什么也干不了的，計(jì)算機(jī)中的程序稱為軟件。指令——執(zhí)行某種操作的命令。程序——完成某種功能的一組指令。程序設(shè)計(jì)——編制解題程序的過(guò)程。三、單片機(jī)的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢(shì)1、單片機(jī)的發(fā)展歷史第一階段（1974~1976）：?jiǎn)纹瑱C(jī)采用雙片形式，即需另加其它外圍電路才能構(gòu)成完整的微型計(jì)算機(jī)。eg:仙童公司的F8+3851第二階段（1976~1978）：低性能的單片機(jī)階段。單片機(jī)由一片芯片構(gòu)成，性能低。eg:MCS-48(Intel)；8048，8035(I/O少，存貯器容量小)；第三階段（1978~）：高性能單片機(jī)階段。CPU、并行口、串行口、定時(shí)器、RAM、ROM、A/D、多級(jí)中斷處理，RAM、ROM容量大，I/O種類數(shù)量多，尋址范圍大。

eg:MCS-51—8031、Motorona—6801、Zilog—Z8第四階段（1982~）

8位單片機(jī)鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)推出。

eg:MCS-51—8031，MCS-96—8096（8098）19%30%45%6%2001數(shù)據(jù)來(lái)源：ICINSIGHTS貿(mào)易總額96.6億美元23%29%43%6%200293.5億美元27%28%40%5%2003103.9億美元31%27%37%5%2004122.8億美元圖：世界微控制器分類市場(chǎng)的變化32位機(jī)16位機(jī)8位機(jī)4位機(jī)2、單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)（一）CPU功能的增強(qiáng)（二）內(nèi)部資源增多

a、加大存貯容量。a、雙CPU提高處理能力。b、增加數(shù)據(jù)總線寬度。

NECPD—7800系列，內(nèi)部采用16位數(shù)據(jù)總線。c、采用流水線結(jié)構(gòu)。指令以隊(duì)列形式出現(xiàn)在CPU中。d、串行總線。SPI、I2C

用三條數(shù)據(jù)總線代替8位數(shù)據(jù)總線，減少引線，降低成本。b、片內(nèi)EPROM開(kāi)始EEPROM化。鑒于EEPROM中數(shù)據(jù)寫入后就能永久保存，因此，有的單片機(jī)將它作為片內(nèi)RAM使用，有的甚至作片內(nèi)通用寄存器。c、I/O數(shù)量、能力增強(qiáng)（驅(qū)動(dòng)能力，傳輸速度、控制能力）（四）低功耗化（三）外圍電路內(nèi)裝化（五）信息保密性1.5常用的單片機(jī)產(chǎn)品目前生產(chǎn)單片機(jī)的廠商主要有Intel公司、Motorola公司、Philips公司、ATMEL公司、WinBond公司、Microchip公司、AMD公司、Zilog公司等，產(chǎn)品型號(hào)規(guī)格眾多，性能各具特色。型號(hào)ROM/EPROMRAM時(shí)鐘速度(MHz)I/O線定時(shí)器/計(jì)數(shù)器串行口中斷源PCA通道A/D通道保密位省電方式8031AH128B1232215008051AH4KB128B12322150008751BH4KB128B12322150028032AH256B1232316008052AH8KB256B12323160008752BH8KB256B123231600287C514KB128B122432215003√80C32256B12243231600√80C528KB256B122432316001√87C528KB256B122432316003√80C5416KB256B122432316001√87C5416KB256B122432316003√87C5832KB256B122432316003√80C51GB256B12,16483115108√87C51GB8KB256B12,164831151083√單片機(jī)主要生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品公司典型產(chǎn)品系列主要產(chǎn)品Intel公司MCS-48MCS-51MCS-96804880518096Philips

與MCS-51兼容：P87P8980C55283C552MotoralaMC68系列MC68HC05ATMEL與MCS-51兼容AT89XX89C5189C52MicroChipPIC165X系列PIC16C55/16C56ZilogZ8系列Z86C06/C21LGGMS97CXXGMS97C65最常用的8051單片機(jī)單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)常用單片機(jī)燒錄器單片機(jī)系統(tǒng)圖例PhilipsP89C511.6單片機(jī)的應(yīng)用與選擇一、單片機(jī)的特點(diǎn)

（1）小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化，能方便地組成各種智能化控制設(shè)備和儀器，做到機(jī)電一體化。（2）可靠性高、適用的溫度范圍寬（3）易擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)（4）指令系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，較易掌握（5）抗干擾能力強(qiáng)（6）可以方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，使整個(gè)控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。面向控制，能針對(duì)性地解決從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，因而能獲得最佳的性能價(jià)格比。工業(yè)控制。單片機(jī)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(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線控制、電機(jī)控制、溫度控制等。儀器儀表。如智能儀器、醫(yī)療器械、數(shù)字示波器等。計(jì)算機(jī)外部設(shè)備與智能接口。如圖形終端機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、繪圖儀、磁盤/磁帶機(jī)、智能終端機(jī)等。二、單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域(4)商用產(chǎn)品。如自動(dòng)售貨機(jī)、電子收款機(jī)、電子秤等。(5)家用電器。如微波爐、電視機(jī)、空調(diào)、洗衣機(jī)、錄像機(jī)、音響設(shè)備等。(6)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信產(chǎn)品：交換機(jī)、HUB。(7)其它方面：汽車電子、航空航天電子等，特別適合于嵌入式微型機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。三、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1、基本系統(tǒng)2、擴(kuò)展系統(tǒng)復(fù)位時(shí)鐘單片機(jī)輸入輸出設(shè)備單片機(jī)+輸入/輸出設(shè)備無(wú)擴(kuò)展的ROM，RAM，I/O等。

單片機(jī)內(nèi)部資源有限，要求較高的單片機(jī)系統(tǒng)需外擴(kuò)展ROM、RAM、I/O，甚至A/D、D/A等。復(fù)位時(shí)鐘電源單片機(jī)ROMRAMA/D串行接口并行接口D/ABUS微型計(jì)算機(jī)：微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、I/O接口電路由總線有機(jī)地連接在一起的整體，稱為微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)：將微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、I/O接口電路和相應(yīng)實(shí)時(shí)控制器件集成在一塊芯片上，稱其為單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。微機(jī)與單片機(jī)的區(qū)別：微機(jī)組成結(jié)構(gòu)框圖單片機(jī)組成框圖嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積及功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計(jì)完成復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。術(shù)語(yǔ)“嵌入式”反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個(gè)完整的部分，稱為嵌入的系統(tǒng)。嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個(gè)嵌入式系統(tǒng)。

單片機(jī)一般又稱為微控制器MicrocontrollerUnit，（區(qū)別于微處理器MicroprocessorUnit）,單片機(jī)因?yàn)閹缀醵紤?yīng)用于專用的嵌入式系統(tǒng)，所以又被稱為嵌入式微控制器。而微處理器則有我們熟知用于PC機(jī)的IntelPentium等，也有用于嵌入式系統(tǒng)的MIPS、PowerPC等。新概念介紹：1、軟件方面這應(yīng)該是最大的區(qū)別了。引入了操作系統(tǒng)。為什么引入操作系統(tǒng)？有什么好處嘛？1）方便。主要體現(xiàn)在后期開(kāi)發(fā)，即在操作系統(tǒng)上直接開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。不像單片機(jī)一樣一切都要重新寫。前期的操作系統(tǒng)移植工作，還是要專業(yè)人士來(lái)做。2）安全。這是LINUX的特點(diǎn)。LINUX的內(nèi)核與用戶空間