《片機(jī)概要》課件

片機(jī)概要本課件將介紹片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，并深入淺出地講解8位、16位和32位片機(jī)的架構(gòu)、功能和應(yīng)用。什么是片機(jī)？單片機(jī)（MicrocontrollerUnit，MCU）是一種集成了微處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口和其他功能模塊的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通常被稱為“片上系統(tǒng)”（SystemonaChip，SoC）。它體積小、成本低、功耗低，并且可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行定制，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、消費(fèi)電子、汽車電子等領(lǐng)域。片機(jī)的組成部分微處理器（MicroprocessorUnit，MPU）存儲(chǔ)器（Memory）輸入/輸出接口（Input/OutputInterface）微處理器微處理器是片機(jī)的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令、控制數(shù)據(jù)流、處理數(shù)據(jù)運(yùn)算。它通常包含算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU）、控制單元（CU）和寄存器組等。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)片機(jī)運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。片機(jī)通常包含兩種類型的存儲(chǔ)器：ROM（ReadOnlyMemory，只讀存儲(chǔ)器）：存儲(chǔ)程序代碼，在片機(jī)運(yùn)行過程中不可修改RAM（RandomAccessMemory，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）：用于存儲(chǔ)程序運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)，可讀可寫輸入/輸出接口輸入/輸出接口是片機(jī)與外部世界的橋梁，用于接收外部信號(hào)、控制外部設(shè)備、傳輸數(shù)據(jù)。它通常包含多種類型的接口，如通用輸入/輸出端口（GPIO）、串行通信接口（UART）、并行通信接口（SPI）、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）等。數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線片機(jī)內(nèi)部使用三條主要總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制：數(shù)據(jù)總線：用于傳輸數(shù)據(jù)，例如CPU與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換地址總線：用于指定要訪問的存儲(chǔ)器單元或外設(shè)的地址控制總線：用于控制數(shù)據(jù)傳輸方向、存儲(chǔ)器訪問方式等片機(jī)的特點(diǎn)1體積小巧2成本低廉3功耗低4可靠性高5可定制性強(qiáng)片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括：工業(yè)控制：自動(dòng)化生產(chǎn)線、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等消費(fèi)電子：智能手機(jī)、平板電腦、智能家居等汽車電子：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制、安全氣囊控制、導(dǎo)航系統(tǒng)等醫(yī)療設(shè)備：心電儀、血壓計(jì)、血糖儀等航空航天：飛行控制系統(tǒng)、衛(wèi)星控制系統(tǒng)等嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展1嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程21970s第一代嵌入式系統(tǒng)，基于專用芯片31980s第二代嵌入式系統(tǒng)，基于8位片機(jī)41990s第三代嵌入式系統(tǒng)，基于16位和32位片機(jī)52000s第四代嵌入式系統(tǒng)，基于ARM架構(gòu)處理器8位片機(jī)簡(jiǎn)介8位片機(jī)是片機(jī)家族中最早出現(xiàn)的一類，其字長為8位，通常用于一些簡(jiǎn)單的控制和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。它們特點(diǎn)是成本低、體積小、功耗低，但性能較弱，難以處理復(fù)雜的運(yùn)算。8051系列片機(jī)8051是英特爾公司于1980年推出的一款8位單片機(jī)，因其指令集簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、應(yīng)用廣泛而成為8位片機(jī)中的經(jīng)典之作。它衍生了大量的兼容型號(hào)，形成了一個(gè)龐大的家族。8051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)8051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口和中斷系統(tǒng)等主要部分。CPU是8051的核心，它負(fù)責(zé)執(zhí)行指令、控制數(shù)據(jù)流和處理數(shù)據(jù)運(yùn)算。8051的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)8051的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)包括：程序存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)程序代碼，通常為ROM或Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)程序運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)，通常為RAM特殊功能寄存器（SFR）：用于控制片機(jī)工作模式、中斷、定時(shí)器等8051的寄存器8051包含多種類型的寄存器，包括累加器（A）、B寄存器、數(shù)據(jù)指針（DPTR）、堆棧指針（SP）、工作寄存器（R0-R7）等。每個(gè)寄存器都有特定的功能，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、地址或控制信息。8051的中斷系統(tǒng)8051的中斷系統(tǒng)允許片機(jī)響應(yīng)外部事件或內(nèi)部事件，提高程序的實(shí)時(shí)性和效率。它包含多個(gè)中斷源，每個(gè)中斷源對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷向量，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，CPU會(huì)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的向量地址執(zhí)行中斷服務(wù)程序。8051的定時(shí)/計(jì)數(shù)器8051有兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，它們可以用于計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、產(chǎn)生波形等。每個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器都有獨(dú)立的控制寄存器，可以設(shè)置計(jì)時(shí)方式、計(jì)數(shù)模式、中斷標(biāo)志等參數(shù)。8051的串行通信8051有一個(gè)串行通信接口（UART），它可以用于片機(jī)與其他設(shè)備進(jìn)行異步串行通信。串行通信通常使用RS232或RS485標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。8051的輸入/輸出接口8051擁有多個(gè)通用輸入/輸出端口（GPIO），每個(gè)端口包含8個(gè)可獨(dú)立控制的I/O線。通過設(shè)置GPIO的模式，可以將它們用作輸入端口、輸出端口或其他功能。8051的工作模式8051可以工作在不同的模式，包括程序存儲(chǔ)器模式、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模式、中斷模式等。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，可以設(shè)置片機(jī)的工作模式，以優(yōu)化性能和資源利用率。8051的指令系統(tǒng)8051的指令系統(tǒng)包含111條指令，這些指令可以分為數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令、控制轉(zhuǎn)移指令、其他指令等。8051匯編語言程序設(shè)計(jì)8051匯編語言程序設(shè)計(jì)是使用匯編語言編寫程序，并通過匯編器將其轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼，從而控制片機(jī)進(jìn)行工作。匯編語言程序設(shè)計(jì)能夠直接操作硬件資源，提高效率，但開發(fā)難度也較高。8051芯片選型選擇合適的8051芯片需要考慮應(yīng)用需求、資源需求、成本等因素。不同的8051芯片擁有不同的存儲(chǔ)器容量、I/O端口數(shù)量、定時(shí)器個(gè)數(shù)、中斷源數(shù)量等，用戶需要根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的芯片。8051開發(fā)工具介紹8051開發(fā)工具包括硬件開發(fā)板、軟件開發(fā)環(huán)境和調(diào)試工具等。常用的開發(fā)板如KeilC51、IARfor8051等，它們提供了豐富的開發(fā)工具和調(diào)試功能，方便用戶進(jìn)行程序開發(fā)和調(diào)試。16位片機(jī)簡(jiǎn)介16位片機(jī)是片機(jī)家族中的一種重要的類型，其字長為16位，相比8位片機(jī)擁有更大的數(shù)據(jù)處理能力和更快的運(yùn)行速度。16位片機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車電子、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。51系列16位片機(jī)51系列16位片機(jī)是英特爾公司在8051的基礎(chǔ)上推出的16位單片機(jī)，它保留了8051的指令集兼容性，并擴(kuò)展了數(shù)據(jù)處理能力和外設(shè)功能，同時(shí)保持了較低的成本。51系列16位片機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。51系列16位片機(jī)的特點(diǎn)1更高的數(shù)據(jù)處理能力2更快的運(yùn)行速度3豐富的外設(shè)功能4與8051指令集兼容5成本相對(duì)較低51系列16位片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)51系列16位片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與8051類似，但其CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口等部分都進(jìn)行了升級(jí)，例如采用更快的運(yùn)算單元和更大的存儲(chǔ)器容量。同時(shí)，它們還增加了新的外設(shè)模塊，如CAN總線接口、USB接口等。51系列16位片機(jī)的存儲(chǔ)器51系列16位片機(jī)擁有更大的存儲(chǔ)器容量，通常包含更多程序存儲(chǔ)器（ROM或Flash）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。它們也可能包含其他類型的存儲(chǔ)器，如EEPROM，用于存儲(chǔ)片機(jī)配置參數(shù)或其他重要數(shù)據(jù)。51系列16位片的中斷系統(tǒng)51系列16位片機(jī)的中斷系統(tǒng)更加完善，擁有更多的中斷源，可以響應(yīng)更復(fù)雜和更豐富的事件。它們通常支持多個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷，方便用戶根據(jù)中斷的緊急程度進(jìn)行處理。51系列16位片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器51系列16位片機(jī)通常擁有更多的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，并且它們擁有更高的精度和更豐富的功能，可以用于更精確的計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和波形產(chǎn)生等應(yīng)用。51系列16位片機(jī)的串行通信51系列16位片機(jī)通常包含多個(gè)串行通信接口，它們支持更高的通信速率，并可能支持更多的通信協(xié)議，如SPI、I2C、CAN等，方便用戶進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸。51系列16位片機(jī)的輸入/輸出接口51系列16位片機(jī)擁有更多的通用輸入/輸出端口（GPIO），并可能包含其他類型的I/O接口，如模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）等，方便用戶控制更復(fù)雜的外設(shè)。51系列16位片機(jī)的工作模式51系列16位片機(jī)的工作模式與8051類似，但它們通常支持更多工作模式，例如擴(kuò)展的存儲(chǔ)器空間、高級(jí)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器功能等，以滿足更復(fù)雜的應(yīng)用需求。51系列16位片機(jī)的指令系統(tǒng)51系列16位片機(jī)擴(kuò)展了8051的指令系統(tǒng)，增加了新的指令，如16位數(shù)據(jù)操作指令、乘除法指令、特殊功能指令等，提高了數(shù)據(jù)處理能力和效率。51系列16位片機(jī)匯編語言程序設(shè)計(jì)51系列16位片機(jī)匯編語言程序設(shè)計(jì)與8051類似，但需要使用針對(duì)16位片機(jī)的匯編語言和開發(fā)工具，并考慮到16位片機(jī)特有的指令和功能，例如擴(kuò)展的地址空間、更豐富的I/O接口等。32位片機(jī)簡(jiǎn)介32位片機(jī)是片機(jī)家族中性能最強(qiáng)的類型，其字長為32位，能夠處理更復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算，擁有更快的運(yùn)行速度，并支持更豐富的功能，應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人控制、通信網(wǎng)絡(luò)等。ARM架構(gòu)的片機(jī)ARM（AdvancedRISCMachine）架構(gòu)是目前應(yīng)用最廣泛的處理器架構(gòu)之一，許多32位片機(jī)都基于ARM架構(gòu)。ARM架構(gòu)的特點(diǎn)是指令集精簡(jiǎn)，執(zhí)行效率高，功耗低，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中。ARM片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)ARM片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含CPU核心、存儲(chǔ)器系統(tǒng)、輸入/輸出接口、中斷系統(tǒng)等。ARM的CPU核心通常是ARM指令集處理器，它擁有多種工作模式，可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行選擇，并支持多種內(nèi)存訪問方式和數(shù)據(jù)處理指令。ARM片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)ARM片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)包含程序存儲(chǔ)器（ROM或Flash）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、外設(shè)存儲(chǔ)器、緩存等。ARM架構(gòu)支持多種存儲(chǔ)器訪問方式，例如哈佛架構(gòu)、馮·諾依曼架構(gòu)、混合架構(gòu)等，以優(yōu)化存儲(chǔ)器性能和效率。ARM片機(jī)的中斷系統(tǒng)ARM片機(jī)的中斷系統(tǒng)通常包含多個(gè)中斷源，例如外部中斷、內(nèi)部中斷、異常等。它支持多種中斷處理方式，例如中斷優(yōu)先級(jí)管理、中斷向量表、中斷嵌套等，方便用戶根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行中斷處理。ARM片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器ARM片機(jī)通常擁有多個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，它們可以用于計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、產(chǎn)生波形、中斷等。ARM的定時(shí)器功能強(qiáng)大，支持多種工作模式和計(jì)時(shí)方式，可以滿足各種應(yīng)用需求。ARM片機(jī)的串行通信ARM片機(jī)通常包含多種類型的串行通信接口，例如UART、SPI、I2C、CAN、USB等，可以支持異步串行通信、同步串行通信等多種通信方式，并可以與各種設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ARM片機(jī)的輸入/輸出接口ARM片機(jī)擁有多個(gè)通用輸入/輸出端口（GPIO），并可能包含其他類型的I/O接口，如模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）、外部存儲(chǔ)器接口等，方便用戶控制更復(fù)雜的外設(shè)。ARM片機(jī)的工作模式ARM片機(jī)的工作模式通常包括多種狀態(tài)，例如用戶模式、特權(quán)模式、系統(tǒng)模式、調(diào)試模式等，根據(jù)不同的應(yīng)