《單片機(jī)原理及其C語言程序設(shè)計(jì)》課件-第1章

第1章概述1.1嵌入式系統(tǒng)概述1.2嵌入式系統(tǒng)的組成1.3單片機(jī)的特點(diǎn)1.4單片機(jī)的應(yīng)用1.5單片機(jī)的發(fā)展歷史1.6單片機(jī)的使用環(huán)境和產(chǎn)品等級1.7單片機(jī)的發(fā)展趨勢本章小結(jié)

1.1嵌入式系統(tǒng)概述

縱觀嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了四個(gè)階段：

第一階段：以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)具有與監(jiān)測、伺服設(shè)備相配合的功能，大部分應(yīng)用于一些專業(yè)性強(qiáng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般沒有操作系統(tǒng)的支持，通過匯編語言編程對系統(tǒng)進(jìn)行直接控制。其主要特征是：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，幾乎沒有用戶接口。

第二階段：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)。其主要特點(diǎn)是：CPU種類繁多；系統(tǒng)內(nèi)核小，效率高；操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴(kuò)展性；應(yīng)用軟件較專業(yè)。但這類系統(tǒng)通用性比較弱，用戶界面不夠友好。

第三階段：以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是：嵌入式操作系統(tǒng)能運(yùn)行在各種不同類型的微處理器上，兼容性好；系統(tǒng)內(nèi)核小、效率很高，具備文件和目錄管理、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；有大量的應(yīng)用程序接口API，開發(fā)應(yīng)用程序較簡單；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。

第四階段：以互聯(lián)網(wǎng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。目前很多嵌入式系統(tǒng)仍然孤立于互聯(lián)網(wǎng)之外，但隨著互聯(lián)互通時(shí)代的來臨，工業(yè)控制技術(shù)和信息家電與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合是未來嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前，很多公司致力于M2M(機(jī)器對機(jī)器)通信技術(shù)，IBM還推出了“智慧星球”計(jì)劃，這些都標(biāo)志著嵌入式技術(shù)已進(jìn)入到新的層次。

1.2嵌入式系統(tǒng)的組成典型的嵌入式系統(tǒng)一般包括嵌入式處理器、存儲器、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和輸入/輸出設(shè)備等幾大部分，如圖1-1所示。圖1-1典型的嵌入式系統(tǒng)組成框圖

從圖1-1中可以看出，嵌入式系統(tǒng)的組成可以簡單地分為嵌入式處理器和存儲器。實(shí)際上，由于超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，很多單片的嵌入式處理器中都含有豐富的硬件資源。目前，在一片嵌入式處理器上添加電源電路、時(shí)鐘電路和存儲器電路，就構(gòu)成了一個(gè)嵌入式核心控制模塊。軟件中的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以存放在存儲器中。

單片機(jī)是典型的嵌入式系統(tǒng)，從體系結(jié)構(gòu)到指令系統(tǒng)都是按照嵌入式應(yīng)用特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)的，能最好地滿足面向控制對象、應(yīng)用系統(tǒng)的嵌入、現(xiàn)場的可靠運(yùn)行以及對控制品質(zhì)的要求等條件，因此單片機(jī)系統(tǒng)是發(fā)展最快、品種最多、數(shù)量最大的嵌入式系統(tǒng)。

1.3單片機(jī)的特點(diǎn)由于單片機(jī)本身就是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，因此只要在它的外部適當(dāng)增加一些必要的外圍擴(kuò)展電路，就可以靈活地構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)，如工業(yè)自動(dòng)檢測監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能儀器儀表等。

單片機(jī)應(yīng)用如此廣泛，是因?yàn)槠渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：

(1)功能齊全，應(yīng)用可靠，抗干擾能力強(qiáng)。

(2)簡單方便，易于普及。單片機(jī)技術(shù)是易掌握的技術(shù)。應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試已經(jīng)是一件很容易的事情，工程技術(shù)人員通過學(xué)習(xí)可以很快掌握其應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)。

(3)發(fā)展迅速，前景廣闊。短短幾十年，單片機(jī)經(jīng)過4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)等幾大發(fā)展階段。集成度高、功能日臻完善的單片機(jī)不斷問世，使單片機(jī)在工業(yè)控制及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域獲得長足發(fā)展和大量應(yīng)用。

(4)嵌入容易、用途廣泛、體積小、性能價(jià)格比高、應(yīng)用靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)在嵌入式微控制系統(tǒng)中具有十分重要的地位。

單片機(jī)出現(xiàn)前，制作一套測控系統(tǒng)，需要大量的模擬電路、數(shù)字電路、分立元件，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算、判斷和控制功能。系統(tǒng)的體積龐大，線路復(fù)雜，連接點(diǎn)多，易出現(xiàn)故障。

單片機(jī)出現(xiàn)后，測控功能的絕大部分由單片機(jī)的軟件程序?qū)崿F(xiàn)，其他電子線路則由片內(nèi)的外圍功能部件來替代。

1.4單片機(jī)的應(yīng)用

1．工業(yè)檢測與控制在工業(yè)過程控制、智能控制、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集和傳輸、測試、測量、監(jiān)控等工業(yè)自動(dòng)化的領(lǐng)域中，機(jī)電一體化技術(shù)將發(fā)揮愈來愈重要的作用，在這種集機(jī)械、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的綜合技術(shù)(如機(jī)器人技術(shù))中，單片機(jī)發(fā)揮著非常重要的作用。

2．儀器儀表

目前，市場對儀器儀表的自動(dòng)化和智能化要求越來越高。單片機(jī)的使用有助于提高儀器儀表的精度和準(zhǔn)確度，簡化結(jié)構(gòu)，減小體積而易于攜帶和使用，加速儀器儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化方向發(fā)展。

3．消費(fèi)類電子產(chǎn)品

在日常的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，例如，白色家電、電風(fēng)扇、微波爐、消毒柜等，嵌入了單片機(jī)后，大大提高了產(chǎn)品的功能和性能，給人類的生活帶來了便利。。

4．通信

在調(diào)制解調(diào)器、各類手機(jī)、傳真機(jī)、程控電話交換機(jī)、信息網(wǎng)絡(luò)及各種通信設(shè)備中，單片機(jī)也已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

5．各種終端及計(jì)算機(jī)外部設(shè)備

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端(如銀行終端)以及計(jì)算機(jī)外部設(shè)備(如打印機(jī)、硬盤驅(qū)動(dòng)器、繪圖機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等)中都使用了單片機(jī)作為控制器。

6．汽車電子設(shè)備

單片機(jī)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種汽車電子設(shè)備中，如汽車安全系統(tǒng)、汽車信息系統(tǒng)、智能自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車緊急請求服務(wù)系統(tǒng)、汽車防撞監(jiān)控系統(tǒng)、汽車自動(dòng)診斷系統(tǒng)以及汽車黑匣子等。

從工業(yè)自動(dòng)化、自動(dòng)控制、智能儀器儀表、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等方面，直到國防尖端技術(shù)領(lǐng)域，單片機(jī)都發(fā)揮著十分重要的作用。

1.5單片機(jī)的發(fā)展歷史單片機(jī)按其處理的二進(jìn)制位數(shù)主要分為：4位單片機(jī)、8位單片機(jī)、16位單片機(jī)和32位單片機(jī)，其發(fā)展大致分為四個(gè)階段：第一階段(1974年～1976年)：單片機(jī)初級階段。第二階段(1976年～1978年)：低性能單片機(jī)階段。第三階段(1978年～1983年)：高性能單片機(jī)階段。第四階段(1983年～現(xiàn)在)：8位單片機(jī)鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)、32位單片機(jī)推出階段。

20世紀(jì)90年代是單片機(jī)制造業(yè)大發(fā)展時(shí)期，Mortorola、Intel、ATMEL、德州儀器(TI)、三菱、日立、飛利浦、LG等公司開發(fā)了一大批性能優(yōu)越的單片機(jī)，極大地推動(dòng)了單片機(jī)的應(yīng)用。近年來，又有不少新型的高集成度的單片機(jī)產(chǎn)品涌現(xiàn)出來，出現(xiàn)了產(chǎn)品豐富多彩的局面。目前，除8位單片機(jī)得到廣泛應(yīng)用外，16位單片機(jī)、32位單片機(jī)也得到了廣大用戶的青睞。

1.6單片機(jī)的使用環(huán)境和產(chǎn)品等級

作為電子產(chǎn)品而言，其可靠性主要取決于半導(dǎo)體芯片的產(chǎn)品等級。根據(jù)運(yùn)行溫度范圍，產(chǎn)品等級大致劃分為三級，下面分別予以介紹。

1．軍用級運(yùn)行溫度范圍為?-50℃～+125℃，適用于軍用產(chǎn)品要求苛刻的應(yīng)用環(huán)境，芯片的價(jià)格比較昂貴。

2．商業(yè)級

運(yùn)行溫度范圍為0℃～＋70℃，主要限于機(jī)房、辦公及住宅環(huán)境，適用于民用產(chǎn)品，例如家電、玩具等。商業(yè)級產(chǎn)品價(jià)格低廉，品種齊全，應(yīng)用最為廣泛。

3．工業(yè)級

早期的單片機(jī)產(chǎn)品大多為工業(yè)級，運(yùn)行溫度范圍為－45℃～＋85℃，介于商業(yè)級和軍用級之間，適宜在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下使用，其特點(diǎn)是可靠性遠(yuǎn)高于商業(yè)級，但價(jià)格遠(yuǎn)低于軍用級。MCS-51系列單片機(jī)的普通產(chǎn)品均屬于工業(yè)級。

1.7單片機(jī)的發(fā)展趨勢

單片機(jī)將向大容量、高性能化、外圍電路內(nèi)裝化等方面發(fā)展。為滿足不同用戶的要求，各公司競相推出能滿足不同需要的產(chǎn)品。

1．CPU的改進(jìn)(1)采用雙CPU結(jié)構(gòu)，提高處理能力。(2)增加數(shù)據(jù)總線寬度，內(nèi)部采用16位數(shù)據(jù)總線。(3)使用串行總線結(jié)構(gòu)。

2．存儲器的發(fā)展

隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，MCU的Flash版本逐漸替代了原有的OTP版本。與多次可編程的窗口式EPROM相比，F(xiàn)lashMCU具有以下優(yōu)點(diǎn)：FlashMCU的成本要低得多；在系統(tǒng)編程能力以及產(chǎn)品生產(chǎn)方面提供了靈活性，因?yàn)镕lashMCU可在編程后再次以新代碼重新編程，可減少已編程器件的報(bào)廢和庫存；有助于生產(chǎn)廠商縮短設(shè)計(jì)周期，使終端用戶產(chǎn)品更具競爭力。

3．片內(nèi)I/O的改進(jìn)

(1)增加了并行口驅(qū)動(dòng)能力，以減少外部的驅(qū)動(dòng)芯片。有的可以直接輸出大電流和高電壓，以便能直接驅(qū)動(dòng)LED。

(2)有些設(shè)置了一些特殊的串行I/O功能，為構(gòu)成分布式、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)提供了方便條件。

4．外圍電路內(nèi)裝化

眾多外圍電路全部裝入片內(nèi)，即系統(tǒng)的單片化是目前發(fā)展趨勢之一。例如，美國Cygnal公司的CMCS-51F0208位單片機(jī)，內(nèi)部采用流水線結(jié)構(gòu)，大部分指令的完成時(shí)間為1或2個(gè)時(shí)鐘周期，峰值處理能力為25MIPS。片上集成有8通道A/D、兩路D/A、兩路電壓比較器、溫度傳感器、定時(shí)器、可編程數(shù)字交叉開關(guān)和64個(gè)通用I/O口、電源監(jiān)測、看門狗、多種類型的串行接口(兩個(gè)UART、SPI)等。一片芯片就是一個(gè)“測控”系統(tǒng)。

5．低功耗化

單片機(jī)日益CMOS化，其功耗小，配置有等待狀態(tài)、睡眠狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)等工作方式，消耗電流僅在μA或nA量級，適于電池供電的便攜式、手持式的儀器儀表以及其他消費(fèi)類電子產(chǎn)品。

總之，單片機(jī)正在向多功能、高性能、高速度(時(shí)鐘達(dá)40?MHz)、低電壓(2.7?V即可工作)、低功