單片機(jī)原理及應(yīng)用 第一章 緒論

單片機(jī)原理及應(yīng)用北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院主講教師：林偉國E-mail:linwg@,cn課程內(nèi)容硬件結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)外部功能擴(kuò)展編程技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)第一章緒論什么是嵌入式系統(tǒng)國內(nèi)外普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展雖然嵌入式系統(tǒng)是近幾年才風(fēng)靡起來，但是這個(gè)概念并不是新進(jìn)才出現(xiàn)。從二十世紀(jì)七十年代單片機(jī)的出現(xiàn)到今天各式各樣的嵌入式微處理器、微控制器的大規(guī)模應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了40年的發(fā)展。作為一個(gè)系統(tǒng)，往往是硬件和軟件交替發(fā)展的，雙螺旋的支撐下逐漸趨于成熟和穩(wěn)定的，嵌入式系統(tǒng)也不例外。1）嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于單片機(jī)（70年代出現(xiàn)）的，此時(shí)的應(yīng)用還只是執(zhí)行一些單線程的程序，還談不上“系統(tǒng)”的概念2）從80年代早期開始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開始用商業(yè)級(jí)的“操作系統(tǒng)”編寫嵌入式應(yīng)用軟件，“嵌入式系統(tǒng)”真正出現(xiàn)了。確切點(diǎn)說，這個(gè)時(shí)候的操作系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)核，這個(gè)實(shí)時(shí)核包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務(wù)管理、任務(wù)間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)存管理等功能。其中比較著名的有ReadySystem公司的VRTX、IntegratedSystemIncorporation(ISI)的PSOS和IMG的VxWorks、QNX公司的QNX等。這些嵌入式操作系統(tǒng)都具有嵌入式的典型特點(diǎn)：它們均采用占先式的調(diào)度，響應(yīng)的時(shí)間很短，任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間可以確定；系統(tǒng)內(nèi)核很小，具有可裁剪，可擴(kuò)充和可移植性，可以移植到各種處理器上；較強(qiáng)的實(shí)時(shí)和可靠性，適合嵌入式應(yīng)用。3）90年代以后，隨著對(duì)實(shí)時(shí)性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實(shí)時(shí)核逐漸發(fā)展為實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS），并作為一種軟件平臺(tái)逐步成為目前國際嵌入式系統(tǒng)的主流。這時(shí)候更多的公司看到了嵌入式系統(tǒng)的廣闊發(fā)展前景，開始大力發(fā)展自己的嵌入式操作系統(tǒng)。除了上面的幾家老牌公司以外，還出現(xiàn)了PalmOS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，Nucleux，以及國內(nèi)的Hopen，DeltaOs等嵌入式操作系統(tǒng)。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展前景日益廣闊，相信會(huì)有更多的嵌入式操作系統(tǒng)軟件出現(xiàn)。常用的嵌入式系統(tǒng)(1)VxWorksVxWorks是WindRiverSystem公司開發(fā)的具有工業(yè)領(lǐng)導(dǎo)地位的高性能實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)功能。VxWorks的開放式結(jié)構(gòu)和對(duì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的支持，使得開發(fā)人員易于設(shè)計(jì)高效的嵌入式系統(tǒng)，并可以以很小的工作量移植到其它不同的處理器上。其主要特點(diǎn)如下：

可裁剪微內(nèi)核結(jié)構(gòu)；高效的任務(wù)管理能力(多任務(wù)-具有256個(gè)優(yōu)先級(jí));具有內(nèi)存共享技術(shù)。微秒級(jí)的中斷處理能力。支持多種物理介質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)和完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。靈活的引導(dǎo)方式(支持從ROM、U盤、本地盤、軟盤、硬盤或網(wǎng)絡(luò)中引導(dǎo))。快速靈活的I/O系統(tǒng)管理能力。支持MS-DOS和RT-11等多種文件系統(tǒng)、支持本地盤、U盤、CD-ROM的使用。VxWorks是一個(gè)商用操作系統(tǒng)，用戶需要購買licence。(2)QNXQNX是由QNX軟件系統(tǒng)有限公司開發(fā)的一套實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它是一個(gè)實(shí)時(shí)的、可擴(kuò)展的操作系統(tǒng)，部分遵循了POSIX相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以提供一個(gè)很小的微核級(jí)及一些可選擇的配合進(jìn)程。其內(nèi)核僅提供四種服務(wù)：進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、底層網(wǎng)絡(luò)通信和中斷處理。其進(jìn)程在獨(dú)立的空間中運(yùn)行，所有其它操作系統(tǒng)服務(wù)都實(shí)現(xiàn)為協(xié)作的用戶進(jìn)程，因此QNX內(nèi)核非常小巧，大約幾千字節(jié)，而且運(yùn)行速度極快。。(3蛛)抬Wi楚nd散ow砍s求CEMi府cr埋os鍛of元t顆Wi漲nd編ow輕s園CE是從掉整體應(yīng)上為革有限年資源拾的平新臺(tái)設(shè)褲計(jì)的偶多線充程、稠完整業(yè)優(yōu)先河權(quán)、禍多任歉務(wù)的謊操作宣系統(tǒng)熱。它昨的模皂塊化究設(shè)計(jì)辦允許襯它對(duì)吧從PD誼A到專躍用的金工業(yè)仿控制直器用詞戶的績電子竭設(shè)備記進(jìn)行蟻定制冠，操械作系么統(tǒng)的扔基本厲內(nèi)核去至少菜需要20古0K鄙B。(4鋸)uC/O分S-飯IIuC/O誓S-致II系統(tǒng)精源碼帥開放予，簡武單易漲學(xué)，耕提供溜了嵌磚入式劑系統(tǒng)轎的基稱本功躺能，羽其核勾心代牽碼短券小精窄悍，塘如果燃針對(duì)召硬件作進(jìn)行頁優(yōu)化耗，還垂可以王獲得巖更高挑的執(zhí)裂行效譜率。擋當(dāng)然鳴，uC/O尤S-雷II相對(duì)煌于商繩用嵌砍入式剃系統(tǒng)轉(zhuǎn)來說垃還是抵過于奴簡單效，而蒙且存少在開屯發(fā)調(diào)活試?yán)П碾y的遙問題鋼。uC/O潛S-克II的主理要特礎(chǔ)點(diǎn)包堅(jiān)括：霧公開箱源代腔碼、燙可移暴植性羅很強(qiáng)(采用AN微SI闊C編寫)、可絹固化板、可傷裁剪里、占扇先式客、多嘉任務(wù)蹲、系母統(tǒng)任香務(wù)、著中斷鑒管理石、穩(wěn)向定性滅和可籃靠性閣都很構(gòu)強(qiáng)。(5涂)虛Li盒nu恢xLi過nu弟x是現(xiàn)端在最增為流從行的呆一款吩開放鈴源代朽碼的冒操作兵系統(tǒng)巷。Li列nu揚(yáng)x從19火91年問股世到鏈現(xiàn)在真，短放短10年的還時(shí)間材內(nèi)已語發(fā)展想成為雙一個(gè)互功能祥強(qiáng)大芒、設(shè)拳計(jì)完恥善的抵操作忽系統(tǒng)衣，伴鋒隨網(wǎng)舟絡(luò)技穿術(shù)進(jìn)滲步而擔(dān)發(fā)展?jié)O起來壟的Li少nu盾x含OS已成倘為Mi宜cr久os騾of據(jù)t公司搬的DO墻S和Wi銷nd談ow挎s浩95勉/9歐8的強(qiáng)天勁對(duì)螺手。Li危nu出x系統(tǒng)舊不僅姐能夠構(gòu)運(yùn)行圖于PC平臺(tái)像，還兇在嵌簽入式器系統(tǒng)六方面罷大放依光芒滔，在車各種趙嵌入?yún)柺絃i鋒nu貝x壁OS迅速貨發(fā)展館的狀糟況下熄，Li宵nu啄x據(jù)OS逐漸礙形成乏了可透與Wi繭nd毀ow耳s樸CE等EO碧S進(jìn)行慘抗衡墳的局樓面。激目前烘正在席開發(fā)椒的嵌沿入式委系統(tǒng)兵中，49役%的項(xiàng)斗目選貴擇Li咐nu量x作為掘嵌入陳式操福作系黨統(tǒng)。Li次nu藏x現(xiàn)已疏成為頭嵌入楚式操愿作的消理想勾選擇波。常用搜的嵌智入式倚處理撐器嵌入快式處猴理器競種類夏繁多溉，有AR紅M,進(jìn)MI他PS，PP潤C(jī)等多遮種架央構(gòu)1）PO苗WE劍RP專C：Po叫we嘴rP架C是一分種精仗簡指史令集片（RI幫SC）架施構(gòu)的群中央蜜處理注器（CP碧U），轟其基響本的惜設(shè)計(jì)章源自IB巾M的IB俯M俯Po貨we侮rP謊C乞60騰1微處什理器PO噴WE尼R（Pe責(zé)rf仔or職ma幣nc險(xiǎn)e懶Op滴ti榮mi切ze狹d捎Wi傲th寶E畢nh果an饅ce里d尺RI輛SC；《I胳BM漿C禮on惰ne建ct電子羅報(bào)》2敲00群7年8月號(hào)迅譯為球“增鍵強(qiáng)RI寧SC性能測優(yōu)化兄”）驚架構(gòu)猴。二鹽十世尾紀(jì)九沫十年第代，IB豎M、Ap值pl筆e（和Mo糧to率ro旦la公司游開發(fā)Po厚we春rP得C芯片啟成功嚇，并架制造右出基啊于Po除we洪rP聾C的多浪處理迫器計(jì)豬算機(jī)熊。Po甘we坐rP聽C架構(gòu)拘的特怠點(diǎn)是糾可伸狹縮性甘好、志方便噴靈活財(cái)。2）MI法PS：MI和PS技術(shù)寺公司怠則是宰一家溫設(shè)計(jì)謀制造出高性蔽能、散高檔深次及呢嵌入容式32位和64位處歇理器箏的廠佩商。廣在通仰用方吼面，MI挑PS竭R系列做微處蛇理器捧用于兆構(gòu)建SG蠟I的高魄性能慚工作句站、端服務(wù)樸器和撕超級(jí)還計(jì)算浮機(jī)系便統(tǒng)?？v在嵌題入式象方面灑，MI蛇PS岸K系列趣微處撞理器性是目霧前僅筋次于AR想M的用井得最懇多的川處理男器之乖一（19己99年以廚前MI笨PS是世蒸界上趕用得朋最多著的處牛理器然），州其應(yīng)舍用領(lǐng)幅域覆鑰蓋游軌戲機(jī)扶、路擾由器編、激亭光打父印機(jī)亮、掌欲上電峰腦等窗各個(gè)錦方面抗。3）AR爐M捉(A但dv馬an尾ce副d睜RI獻(xiàn)SC僅M灣ac鵝hi嫂ne畏s)應(yīng)用線最為釣廣泛姥的嵌真入式攝處理芳器AR喬M處理吵器概宇述AR災(zāi)M英文碑全稱冤為Ad邁va棵nc首ed館R倒IS闊C垂Ma制ch溪in場e，既氏可以恥認(rèn)為四是一嗓個(gè)公后司的此名字耕，也禮可以魚認(rèn)為植是對(duì)碰一類爛微處遲理器贊的統(tǒng)厚稱，快還可修以認(rèn)武為是猛一種奧技術(shù)測的名圣字。AR粘M體系裕架構(gòu)五的版摘本就賊是它沾所使擾用的勺指令夕集的熱版本淘。AR座M架構(gòu)鑰支持32位的AR案M指令飽集和16位的Th榴um垂b指令私集，需后者斯使得蜓代碼碑的存盤儲(chǔ)空餡間大兇大減盼小。封還提友供了關(guān)一些愛擴(kuò)展貓功能星，比奴如Ja撞va加速閑器、燙用以完提高高安全鄭性能逢的Tr絹us露tZ員on狂e技術(shù)館、智盾能能載源管序理（In飄te爐ll煩ig灣en漂t侵En免er齊gy捷M益an鄙ag虛er）、SI聚MD和NE率ON障TM哪D等技浩術(shù)。目前盟應(yīng)用無比較吧廣泛詞的AR竄M系列承處理套器有AR飾M7暑,A張RM衣9等。其三凳大特爆點(diǎn)：品耗電王少功悶?zāi)軓?qiáng)議，16銳/3蛋2位雙限指令獻(xiàn)集，風(fēng)眾多屋合作晌伙伴應(yīng)用跟最廣娃泛嵌入寧式系駝統(tǒng)開掩發(fā)1.嵌入它式交氣叉編譯譯環(huán)劇境搭胞建和Qt編程采用燈宿主嚼機(jī)——目標(biāo)兼機(jī)開穴發(fā)模此式宿主蜓機(jī)：粥普通PC機(jī)，閥安裝UB獵UN夫TU貞8.同10目標(biāo)易機(jī)：AR辭M9開發(fā)升板（1）搭辭建AR粒M—往Li怠nu以x交叉羽編譯奮環(huán)境富是在LI睬NU膠X系統(tǒng)崖下開怪發(fā)AR責(zé)M體系處結(jié)構(gòu)析運(yùn)行捉代碼豎的前昌提使用cr規(guī)os擊st池oo遺l編譯ar岡m-li盈nu釣x交叉遷編譯窮工具掙鏈裝載Qt庫和深觸摸陪屏庫（2）NF度S網(wǎng)絡(luò)儀文件蒸系統(tǒng)用于爽在線剩調(diào)試莫程序器，需睬要安誕裝NF們S服務(wù)滴，連纖上網(wǎng)堅(jiān)線（3）Qt是一誼個(gè)C+蓄+的圖打形庫圖形基界面答友好良好參的跨瓶平臺(tái)則性2.在AR貪M板上號(hào)安裝LI招NU蜜X系統(tǒng)（1）移糾植Bo折ot櫻lo狀ad復(fù)er系統(tǒng)墻上電牛開始祖執(zhí)行佩，初盤始化行硬件答設(shè)備掛，準(zhǔn)夏備好怖軟件今環(huán)境涼，最令后調(diào)登用系霸統(tǒng)內(nèi)姻核，攝相當(dāng)女于WI丑ND走OW竿S啟動(dòng)達(dá)時(shí)的BI償OS(2皂)移植li戴nu習(xí)x內(nèi)核完成保進(jìn)程辮管理析，設(shè)血備驅(qū)扯動(dòng)程油序，純中斷膽管理縣，內(nèi)打存管識(shí)理，永進(jìn)程淺間通眾信，游網(wǎng)絡(luò)生管理光和系鍬統(tǒng)啟舟動(dòng)等速操作鳳系統(tǒng)仗功能歇的實(shí)別現(xiàn)（3）燒擁寫文扣件系緞統(tǒng)目錄蔥結(jié)構(gòu)勾遵循FH滑S（Fi織le們sy輸st顫emHi掙er趁ac武hySt稀an含da法rd）標(biāo)傻準(zhǔn)配置濾編譯賴內(nèi)核流時(shí)需纖要配輩置US何B驅(qū)動(dòng)Li覆nu揭x系統(tǒng)互對(duì)硬鐘件設(shè)垮備的龍操作顏需要多通過命設(shè)備驅(qū)動(dòng)撕程序一、殿什么逝是單煮片機(jī)利用桑大規(guī)水模集臟成電節(jié)路技保術(shù)將吉計(jì)算再機(jī)的恰主要種部件晌，如毛：CP眼U、存腥儲(chǔ)器鴿、定志時(shí)/計(jì)數(shù)滿器、I/塔O接口濾等，失集成險(xiǎn)在一通塊芯斗片上轟，構(gòu)厲成芯彈片級(jí)朗的微飼型計(jì)剝算機(jī)擋，稱癥單片炸微型繁計(jì)算消機(jī)。二、劣特點(diǎn)1)功能榴全2)體積跑小，傭成本稠低3)可靠光性高4)面向浮實(shí)時(shí)惜控制適應(yīng)悼溫度咸范圍受寬：工業(yè)犯級(jí)：-4測0~親+8醒5OC軍事閃級(jí)：-6妥5~村+1算25OC三、驚應(yīng)用工業(yè)仿方面柜：電腸機(jī)控提制、貼工業(yè)疼機(jī)器貨人、股過程壺控制儀器桐儀表闊：智奏能儀淘表民用籠方面觸：家忽用電嘴器、淺掌上綢電腦萍、IC卡軍事愿裝置講：導(dǎo)朝彈控基制、折智能次武器撲裝置通訊皮技術(shù)四、MC秩S-秒51系列怠單片金微機(jī)生產(chǎn)額廠家咽：In竟te吵l主要罩產(chǎn)品押：80猴51、80旁C5林1、87四51、80運(yùn)31、80琴52、80延32等特點(diǎn)授：八饒位單巖片微立機(jī)，弟引腳慘及指余令系企統(tǒng)兼把容支持惑廠商洋：AT稼me拉l，Ph友il怨ip財(cái),東芝螞，三逢星，秩華邦棕等五、屆當(dāng)今弱世界蝕著名釀單片伍機(jī)簡沈介C8紡05求1F系列8位單瓦片機(jī)SI啊LI菠CO植N蹦LA出B公司牙出品主要傾特點(diǎn)咽：高速8位CI件P-課51內(nèi)核竹，最欄高可括達(dá)10振0M救Hz集成錘多種夏模擬用數(shù)字片內(nèi)鏟外設(shè)，如DA感C、AD輝C、比擱較器脫、CA繼N控制障器、US火B(yǎng)控制怠器等代表您型號(hào)?。篊8襯05儀1F梢02覽0印C8辭05隱1F喝35布0等。五、地當(dāng)今山世界悠著名背單片沫機(jī)簡褲介AV株R8鎮(zhèn)bi柜t系列8位單讓片機(jī)AT吉ME澡L公司昏出品主要儲(chǔ)特點(diǎn)秒：內(nèi)置割低溫俊漂時(shí)趴鐘電享路，番可配楊置熔宏絲位惠進(jìn)行芬時(shí)鐘渠設(shè)置陳。內(nèi)僑置I2衫C、SP蘿I總線炮、10位AD斤C新型保號(hào)內(nèi)守置CA虜N控制筍器。代表暴型號(hào)去：AT隊(duì)ME門GA叉12中8禮A諒TT倍IN扭Y1速3AT乳90板CA訊N1直28等。五、屋當(dāng)今匆世界斑著名區(qū)單片丑機(jī)簡議介MS守P4鑄30系列16位超尋低功親耗單涼片機(jī)Te巖xa宏s擋In蓬st冶ru緩me拆nt公司虧出品主要窄特點(diǎn)死：超低延功耗褲，可迅以用但在多諒種對(duì)具功耗居要求陷苛刻策的場篩合，愚內(nèi)部拴集成AD繼C、DA岔C、SP濫I、I2齊C、DM瓦A、比螺較器葵等片內(nèi)啞外設(shè)。全躁系列衫工業(yè)脈級(jí)要憂求封鉤裝。代表絹型號(hào)峰：MS摸P4興30天F1肆49桃MS尚P4破30蚊F1西69MS螺P4朽30茂F5應(yīng)43臂8等。五、英當(dāng)今醉世界塔著名司單片裁機(jī)簡搭介ds忽PI鑄C系列16位數(shù)搞字處獎(jiǎng)理單冒片機(jī)Mi演cr嶼oc肆hi毛p公司繩出品主要兼特點(diǎn)占：結(jié)合阿了DS禽P的強(qiáng)云大數(shù)孫字處眉理、兔浮點(diǎn)姿運(yùn)算初能力歲和MC點(diǎn)U的強(qiáng)姜大控導(dǎo)制能遞力，請組成梅了全沙新的DS憤C（數(shù)新字處墓理控端制器賽），棉適合倚于對(duì)矩運(yùn)算卻和控辰制要詠求均揭很嚴(yán)震格的旦應(yīng)用渾場合銀。代表牧型號(hào)約：ds耳PI案C3傳0F奶50歷13等。五、暫當(dāng)今沫世界片著名拘單片戀機(jī)簡雜介LP魚C2遍xx真x3炭2位單拍片機(jī)NX速P公司娛出品主要漿特點(diǎn)紡：AR舟M7癥TD雀MI內(nèi)核唱，封吵裝形榨式多示樣，曲有多臣種不委同型饑號(hào)供被高中迎低端栗應(yīng)用解選擇貪，集晃成多寫種片珠內(nèi)外猶設(shè)，模可以燈跑較鋸小的μC-O劫S、μC尿li膊nu渣x等操誘作系悔統(tǒng)，產(chǎn)目前玻應(yīng)用烤較為挖廣泛幅。代表吧型號(hào)幕：LP壟C2愈10矩3云LP靠C2醉14恰8等。五、背當(dāng)今鈴世界神著名虜單片俱機(jī)簡肥介ST殘M3星2系列32位單求片機(jī)ST公司夸出品主要胞特點(diǎn)助：最新AR商Mv窯7架構(gòu)AR吊M桐Co井rt牽ex法-M珍3內(nèi)核澇，集略成12位AD姐C、DA嘆C、多慢路UA李RT、SP存I、I2工C、US野B、CA殺N控制態(tài)器等嫩。性堪價(jià)比匯很高也，全蓄系列嫌工業(yè)姿級(jí)要吳求封刺裝。代表吸型號(hào)項(xiàng)：ST鉆M3但2F性10趙3C蛋8T家6ST擦M3震2F齡10設(shè)3Z甩ET溜6等。應(yīng)用衰舉例磁記吩憶檢諸測原蛋始電詢路在原循始電乓路基勤礎(chǔ)上反改進(jìn)墳而成宣的第谷二版調(diào)電路基于CP產(chǎn)LD的多促路并巨行采揚(yáng)樣電適路第三勻版電欠路基于CP較LD和單左片機(jī)恐的磁鴿記憶撒檢測第三敲版電勤路（飲反面吸）基于AR死M處理乏器的單觸摸羊屏磁記誤憶檢極測系舊統(tǒng)實(shí)物讀展示系統(tǒng)你組成熊結(jié)構(gòu)潤滑迷油油應(yīng)品監(jiān)勝測系剩統(tǒng)現(xiàn)場獻(xiàn)儀表潤滑溉油油騙品監(jiān)劫測系酷統(tǒng)監(jiān)測物系統(tǒng)基于MS窮P4凡30少F1財(cái)49單片吐機(jī)的渡數(shù)據(jù)凡采集明通信薦模塊系統(tǒng)櫻應(yīng)用GPS信號(hào)RTUGPS天線