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1、1,微机控制原理及技术（基础理论部分）,主讲教师：罗震,天津大学材料学院,2,单片机简介,3,1.科技的进步需要技术不断的提升。一块大而复杂的模拟电路花费了您巨大的精力，繁多的元器件增加了您的成本。而现在，只需要一块几厘米见方的单片机，写入简单的程序，就可以使您以前的电路简单很多。相信您在使用并掌握了单片机技术后，不管在您今后开发或是工作上，一定会带来意想不到的惊喜。 如果说五十年代起，无线电世界造就了几代精英，那么当今的单片机世界将会造就出新一代电子精英。2.单片机带你进入智能化电子领域若将经典电子系统当作一个僵死的电子系统，那么智能化的现代电子系统则是一个具有“生命”的电子系统。单片机应用
2、系统的硬件结构给予电子系统“身躯”，单片机应用系统的应用程序赋予其“生命”。例如，在设计智能化仪器显示器的显示功能时，可在开机时显示系统自检结果，未进入工作时显示各种待机状态，仪器运行时显示运行过程，工作结束后可显示当前结果、自检结果、原始数据、各种处理报表等。在无人值守时，可给定各种自动运行功能。,4,电子系统的智能化为无止境境界，常常不需硬件资源的增添就能实现各种翻新功能。这也是当前许多家用电器功能大量增设的因素之一。 我国开始使用单片机是在1982 年，短短五年时间里发展极为迅速。1986 年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，有的地区还成立了单片微型计算机应用协会，那是全国形成
3、的第一次高潮。 截止今日，单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一个“单片机”的搜索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的。与它相应的专业杂志现在也有很多，比如由单片机界的权威何立民主编的单片机与嵌入式系统应用杂志现以风靡电子界， 在2003年7月，（91 猎头网）在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居第一。一块小小的片子，为何有这样的魔力？,5,我们首先从它的构成说起：单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块
4、集成电路芯片上的微型计算机。计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。微计算机（单片机）在这种情况下诞生了，它为我们改变了什么？纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC 卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。,6,3.原有电气设备比较，市场广阔： 以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西
5、变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。 据统计，我国的单片机年容量已达13 亿片，且每年以大约16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。特别是沿海地区的电气设备厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的。,7,第1章 绪 论,本章主要介绍微型计算机应用形态、单片机的特点及应用领域、单片机应用系统开发方式。 1.1 电子计算机的发展概述 1.2 单片
6、机的发展过程及产品近况 1.3 单片机的特点及应用领域 1.4 单片机应用系统开发简介,8,1.1 电子计算机发展概述,1.1.1 电子计算机的问世及其经典结构,1946年2月15日，第一台电子数字计算机ENIAC问世，这标志着计算机时代的到来。 （CALCULATOR）,9,ENIAC是电子管计算机，时钟频率仅有100 KHz，但能在1秒钟的时间内完成5000次加法运算。 与现代的计算机相比，有许多不足，但它的问世开创了计算机科学技术的新纪元，对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响 。(光源),10,匈牙利籍数学家冯诺依曼在方案的设计上做出了重要的贡献。1946年6月，他又提出了“程序存储”
7、和“二进制运算”的思想，进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成这一计算机的经典结构。 （EDVAC-ELECTRONIC DISCRETE VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER）,11,电子计算机技术的发展，相继经历了五个时代（随元器件的变化） 电子管计算机； 晶体管计算机； 集成电路计算机； 大规模集成电路计算机； 超大规模集成电路计算机。 计算机的结构仍然没有突破冯诺依曼提出的计算机的经典结构框架。,12,1.1.2 微型计算机的组成及其应用形态 一、微型计算机的历史,1971年1月，INTEL公司的特德霍夫在与日本商业通讯公司合作研制台式计算
8、器时，将原始方案的十几个芯片压缩成三个集成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存储程序和数据，另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，称为微处理器（即Intel 4004）。,13,单片机的产生经过,在日本由于IC化的计算器竞赛激化，应用范围从事务用到科学计算用变得非常宽广起来。可是，那个时候是每开发用途的计算器不得不开发不同的IC的状况。 在那样的状况中，bijikon公司考虑种种的用途的计算器共通能使用的IC的开发。为了实现那个设想，嶋 正利等技术人员被派遣到美国英特尔公司开始了开发。(1969年6月) 那时bijikon的计算器，使用ROM那里容纳宏命令用途不相同的计算器对应着，这个当时是
9、有划时代的意义的。 英特尔的特德hofu作为所谓软件的概念置换让硬件减少了，而且实现了计算器以外也能使用的有通用性的IC。4001:ROM 4002:RAM 4003:输入输出 4004:CPU的4个IC构成全体，以后归结这项作为微电脑系统发表了。(1971年4月的事)此后，英特尔公司作为MCS4的名字的4比特微处理器销售。,14,1971年intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”
10、之一。 1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器 ）其中4004（下图）包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。,15,1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。,1973年intel公司研制出8位的微处理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。
11、,16,主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS（Million Instructions Per Second ）,1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。,17,1976年intel公司研制出MCS-48系列8位的单片机，这也是单片机的问世。 Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。,18,
12、20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高。,19,80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有： ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列； Philips公司的80C51、80C552系列； 华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列； ADI公司的ADC8xx高精度ADC系列； LG公司的GMS90/97低压高速系列； Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；
13、Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机。,20,非80C51结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间，近年来推出的非80C51系列的主要产品有： Intel的MCS-96系列16位单片机； Microchip的PIC系列RISC单片机； TI的MSP430F系列16位低功耗单片机 。,21,微处理器、存储器加上I/O接口电路组成微型计算机。各部分通过地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）相连。,微型计算机的组成,22,二、微型计算机的应用形态 从应用形态上，微型计算机可以分成三种： （1）多板机（系统机） 将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装
14、在一块主机板（即微机主板）上，再通过系统总线和其它多块外设适配板卡连接键盘、显示器、打印机、软/硬盘驱动器及光驱等设备。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。 工业PC机 也属于多板机。,23,（2） 单板机 将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。,单板机图片,24,单板机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学
15、及简单的测控系统，现在已很少使用。,25,（3）单片机 在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。 三种应用形态的比较 ：,单板机,单片机,系统机（多板机）,26,系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要应用于数据处理、办公自动化及辅助设计。 单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。 单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。,27,硬件系统构成微机的实体和装置,软件系统与硬件系统共同构成实用的微机系统，两者是相
16、辅相成、缺一不可的。,微型计算机系统,28,单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，简称单片机 单片机实质上就是一个芯片,单片微型计算机,29,常用的概念,微处理器 单片机 （通用计算机、专用计算机） 单片机系统（单片机+外围电路） 单片机应用系统（单片机+外围电路+应用系统） 单片机及开发系统,30,1.2 单片机的发展过程及产品近况,1.2.1 单片机的发展过程 单片机技术发展过程可分为三个主要阶段： （1）单芯片微机形成阶段 1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机 。 8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。 特点是：存储器容量较小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。,31,（2）性能完善提高阶段 1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机： 8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。 特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面
