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1、基于 AVR 的单片嵌入式系统原理与实践应用 第1章 单片嵌入式系统概述 第1章 单片嵌入式系统概述 在各种不同类型的嵌入式系统中，以单片微控制器(Microcontroller)作为系统的主要 控制核心所构成的单片嵌入式系统（国内通常称为单片机系统）占据着非常重要的地位。本 书将介绍以 AVR 系列单片微控制器为核心的单片嵌入式系统的原理、 硬软件设计、 调试等应 用方法。 单片嵌入式系统的硬件基本构成可分成两大部分： 单片微控制器芯片和外围的接口与控 制电路。其中单片微控制器是构成单片嵌入式系统的核心。 单片微控制器又被称为单片微型计算机(Single-Chip Microcomputre
2、 或 One-Chip Microcomputre)，或者嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller） 。而在国内普遍采用 的名字为“单片机” 。尽管单片机的“机”的含义并不十分恰当，比较模糊，但考虑到多年 来国内习惯了单片机的叫法，为了符合我国的实际情况，本书仍采用单片机的名称。 所谓的单片微控制器即单片机， 它的外表通常只是一片大规模集成电路芯片。 但在芯 片的内部却集成了中央处理器单元(CPU)， 各种存储器(RAM、 ROM、 EPROM、 E2PROM 和 FlashROM 等)，各种输入/输出接口(定时器/计数器、并行 I/O、串行 I/O 以及 A/D 转换
3、接口等)，等 众多的功能部件。因此，一片芯片就构成了一个基本的微型计算机系统。 由于单片机芯片的微小体积， 极低的成本和面向控制的设计， 使的它作为智能控制的核 心器件被广泛地应用于嵌入到工业控制、智能仪器仪表、家用电器、电子通信产品等各个领 域中的电子设备和电子产品中。 可以说， 由单片机为核心构成的单片嵌入式系统已成为现代 电子系统中最重要的组成部分。 1.11.1 嵌入式系统简介 嵌入式系统简介 1.1.11.1.1 嵌入式计算机系统 嵌入式计算机系统 计算机的出现首先是应用于数值计算。随着计算机技术的不断发展，计算机的处理速 度越来越快，存储容量越来越大，外围设备的性能越来越好，满足了
4、高速数值计算和海量数 据处理的需要，形成了高性能的通用计算机系统。 1. 什么是嵌入式系统 以往我们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域，将其分为大型计 算机、中型机、小型机和微型计算机，并以此来组织学科和产业分工，这种分类沿袭了约 40 年。近 20 年来，随着计算机技术的迅速发展，以及计算机技术和产品对其它行业的广泛 渗透，使得以应用为中心的分类方法变得更为切合实际。具体的说，就是按计算机的非嵌入 式应用和嵌入式应用将其分为通用计算机系统和嵌入式计算机系统。 通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现，并 应用在社会的各个方面。现在我们在办公室里、
5、家庭中，最广泛普及使用的 PC 机就是通用 计算机其最典型的代表。 而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中的。在许多 的应用领域中，如工业控制、智能仪器仪表、家用电器、电子通信设备等电子系统和电子产 品中，对计算机的应用有着不同的要求。这些要求的主要特征为： (1) 面对控制对象。面对物理量传感器变换的信号输入；面对人机交互的操作控制；面 对对象的伺服驱动和控制。 华东师范大学 电子科学技术系 马潮 1-1 第 1 章 单片嵌入式系统概述 (2) 嵌入到应用系统。体积小、低功耗、价格低廉，可方便地嵌入到应用系统和电子产 品中。 (3) 能在工业现场环境中可靠运行。 (
6、4) 优良的控制功能。 对外部的各种模拟和数字信号能及时地捕捉， 对多种不同的控制 对象能灵活地进行实时控制。 可以看出，满足上述要求的计算机系统与通用计算机系统是不同的。换句话讲，能够 满足和适合以上这些应用的计算机系统与通用计算机系统在应用目标上有巨大的差异。 我们将具备高速计算能力和海量存储，用于高速数值计算和海量数据处理的计算机称 为通用计算机系统。而将面对工控领域对象，嵌入到各种控制应用系统、各类电子系统和电 子产品中，实现嵌入式应用的计算机系统称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统 (Embedded System)。 特定的环境、特定的功能，要求计算机系统与所嵌入的应用环境成为一
7、个统一的整体， 并且往往要满足紧凑、高可靠性、实时性好、低功耗等技术要求。对于这样一种面向具体专 用应用目标的计算机系统的应用， 以及系统的设计方法和开发技术， 构成了今天嵌入式系统 的重要内涵，也是嵌入式系统发展成为一个相对独立的计算机研究和学习领域的原因。 2. 嵌入式系统的特点与应用 因此，嵌入式系统就是指用于实现独立功能的专用计算机系统。它由包括微处理器、 微控制器、定时器、传感器等一系列微电子芯片与器件，以及嵌入在存储器中的微型操作系 统或控制系统软件组成，完成诸如实时控制、监测管理、移动计算、数据处理等各种自动化 处理任务。 嵌入式系统是以应用为核心、以计算机技术为基础、软件硬件可
8、裁剪、适应应用系统 对功能、可靠性、安全性、成本、体积、重量、功耗、环境等方面有严格要求的专用计算机 系统。 嵌入式系统将应用程序和操作系统与计算机硬件集成在一起， 简单讲就是系统的应用 软件与系统的硬件一体化。这种系统具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点，特 别适应与面向对象的要求实时的和多任务的应用。 嵌入式计算机系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机系统，一台通用计算机系 统，如 PC 机的外部设备中就包含了 5-10 个嵌入式系统：键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、 显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB 集线器等均是由嵌入式处 理器控制的。在制造工业
9、、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事 装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 通用计算机系统和嵌入式计算机系统形成了计算机技术的两大分支。与通用计算机系 统相比， 嵌入式系统最显著的特性是面对工控领域的测控对象。 工控领域的测量对象都是一 些物理量，如压力、温度、速度、位移等；控制对象则包括马达、电磁开关等。嵌入式计算 机系统对这些参量的采集、处理、控制速度是有限的，而对控制方式和能力的要求则是多种 多样的。显然，这一特性形成并决定了嵌入式计算机系统和通用计算机系统在系统结构、技 术、学习、开发和应用等诸方面的差别，也使得嵌入式系统成为计算机技术发展中的一个重
10、 要分支。 嵌入式计算机系统以其独特的结构和性能，越来越多地应用的国民经济的各个领域。 1.1.21.1.2 单片嵌入式系统 单片嵌入式系统 嵌入式计算机系统的构成，根据其核心控制部分的不同可分为几种不同的类型： a. 各种类型的工控机 华东师范大学 电子科学技术系 马潮 1-2 基于 AVR 的单片嵌入式系统原理与实践应用 b. 可编程逻辑控制器 PLC c. 以通用微处理器或数字信号处理器构成的嵌入式系统 d. 单片嵌入式系统 采用上述不同类型的核心控制部件所构成的系统都实现了嵌入式系统的应用， 成为嵌入 式系统应用的庞大家族。 以单片机作为控制核心的单片嵌入式系统大部分应用于专业性极强的
11、工业控制系统中。 其主要特点是：结构和功能相对单一、存储容量较小、计算能力和效率比较低，简单的用户 接口。由于这种嵌入式系统功能专一可靠、价格便宜，因此在工业控制、电子智能仪器设备 等领域有着广泛的应用。 作为单片嵌入式系统的核心控制部件单片机，它从体系结构到指令系统都是按照嵌入 式系统的应用特点专门设计的，它能最好地满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可 靠运行和优良的控制功能要求。因此，单片嵌入式应用是发展最快、品种最多、数量最大的 嵌入式系统， 也有着广泛的应用前景。 由于单片机具有嵌入式系统应用的专用体系结构和指 令系统，因此在其基本体系结构上，可衍生出能满足各种不同应用系统要求的
12、系统和产品。 用户可根据应用系统的各种不同要求和功能，选择最佳型号的单片机。 作为一个典型的嵌入式系统单片嵌入式系统，在我国大规模应用已有几十年的历 史。它不但是在中、小型工控领域、智能仪器仪表、家用电器、电子通信设备和电子系统中 最重要的工具和最普遍的应用手段，同时正是由于单片嵌入式系统的广泛应用和不断发展， 也大大推动了嵌入式系统技术的快速发展。因此对于电子、通信、工业控制、智能仪器仪表 等相关专业的学生来讲， 深入学习和掌握单片嵌入式系统的原理与应用， 不仅能对自己所学 的基础知识进行检验， 而且能够培养和锻炼自己的问题分析、 综合应用、 和动手实践的能力， 掌握真正的专业技能和应用技术
13、。同时，深入学习和掌握单片嵌入式系统的原理与应用，也 为更好的掌握其它嵌入式系统的打下重要的基础，这个特点尤其表现在硬件设计方面。 1.1.31.1.3 单片机的发展历史 单片机的发展历史 1970 年微型计算机研制成功后，随后就出现了单片机。美国 Inter 公司在 1971 年推 出了 4 位单片机 4004；1972 年推出了雏形 8 位单片机 8008。特别是在 1976 年推出 MCS-48 单片机以后的三十年中， 单片机的发展和其相关的技术经历了数次的更新换代。 其发展速度 大约每三四年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。 尽管单片机出现的历史并不长，但以 8 位单片机的推出为
14、起点，那么，单片机的发展 大致可分为四个阶段。 第一阶段（1976 年-1978 年） ：初级单片机阶段。以 Inter 公司 MCS-48 为代表。这个 系列的单片机内集成有 8 位 CPU、I/O 接口、8 位定时器/计数器，寻址范围不大于 4K 字节， 简单的中断功能，无串行接口。 第二阶段（1978 年-1982 年） ：单片机完善阶段。在这一阶段推出的单片机其功能有较 大的加强，能够应用于更多的场合。这个阶段的单片机普遍带有串行 I/O 口、有多级中断处 理系统、16 位定时器/计数器，片内集成的 RAM、ROM 容量加大，寻址范围可达 64K 字节。 一些单片机片内还集成了 A/D
15、 转换接口。这类单片机的典型代表有 Inter 公司的 MCS-51、 Motorola 公司的 6801 和 Zilog 公司的 Z8 等。 第三阶段（1982 年-1992 年） ：8 位单片机巩固发展及 16 位高级单片机发展阶段。在 此阶段， 尽管 8 位单片机的应用已广泛普及， 但为了更好满足测控系统的嵌入式应用的要求， 单片机集成的外围接口电路有了更大的扩充。这个阶段单片机的代表为 8051 系列。许多半 导体公司和生产厂以 MCS-51 的 8051 为内核， 推出了满足各种嵌入式应用的多种类型和型号华东师范大学 电子科学技术系 马潮 1-3 第 1 章 单片嵌入式系统概述 的单
16、片机。其主要技术发展有： （1） 外围功能集成。满足模拟量直接输入的 ADC 接口；满足伺服驱动输出的 PWM；保证 程序可靠运行的程序监控定时器 WDT（俗称看门狗电路） 。 （2） 出现了为满足串行外围扩展要求的串行扩展总线和接口，如 SPI、I2C Bus、单总线（1-Wire）等。 （3） 出现了为满足分布式系统，突出控制功能的现场总线接口，如 CAN Bus 等。 （4） 在程序存储器方面广泛使用了片内程序存储器技术，出现了片内集成 EPROM、 EEPROM、FlashROM 以及 MaskROM、OTPROM 等各种类型的单片机，以满足不同产品的开发和 生产的需要，也为最终取消外部程序存储器扩展奠定了良好的基础。 与此同时，一些公司面向更高层次的应用，发展推出了 16 位的单片机，典型代表有 Inter 公司的 MCS-96 系列的单片机。 第四阶段 （1993 年-现在） ： 百花齐放阶段。 现阶段单片机发展的显著特点是百花齐放、 技术创新，以满足日益增
