微型计算机基础_1

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1、,1,单片机原理及应用,华中科技大学 电气与电子工程学院 徐 雁,单片机是什么？ 将微处理器、一定容量的存储器、I/O接口电路以及定时 /计数器等功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。,为什么要学习单片机？ 学些什么？,教学大纲目的,1以高性价比的51单片机为对象，了解微控制器和微处理器的基本原理和设计思想; 培养逻辑思维能力;构建和完善知识结构，为解决复杂的实际工程问题奠定基础。 2. 通过学习初步具备设计单片机应用系统的能力；将知识点与生活实际相联系(如计时器、智能电表、智能手机等），培养学习兴趣和动手实践能力，为后续的实验课和课程设计打好基础。 3. 根据工程管理方法和原则，讲解

2、复杂工程问题的典型案例, 培养学生使用现代工具解决工程实际问题的创新意识和能力。 4. 注重基础知识和主动学习并重，在学习现有计算机知识的同时，跟踪计算机技术的最新发展，培养发现问题和分析问题以及综合应用知识的能力，逐步树立自主学习和终身学习的观念。,课程目标,掌握： 151单片机系统的基本原理； 2. 汇编语言程序设计方法； 3. 基本的接口技术； 4. 微机整体概念和初步设计方法。 了解： 嵌入式系统的概念；典型实际应用。 培养： 严格的逻辑思维能力； 自觉运用计算机技术解决问题的意识。,本课程内容,主要教材： 单片机原理及应用技术 华中科技大学出版社 汪建 主编 单片机原理及应用 清华大

3、学出版社 黄勤 主编 MCS51系列单片机原理及应用实验指导书 西三楼 209 购买 40学时课堂教学+24学时实验+2周课程设计,课堂教学内容,1. 微型计算机基础 2. 51单片机基本结构和工作原理 3. 51单片机指令系统 4. 汇编语言程序设计 5. 51单片机存储器扩展技术 6. 输入/输出与中断系统 7. 51单片机硬件资源的应用 8. 51单片机I/O接口技术 9. 单片机应用系统设计,实验课,5次实验： 结合课堂教学，每次4学时； 验证性和自行编程两种实验。 1次考试： 按要求限时完成设计功能； 汇编程序设计和实际操作。,课程设计,设计实现一个具有实用功能的小系统 可选做，可自

4、定 自行设计，一人一组 网上报名,有关本课程学习的几点建议,4.听课、复习、作业、实验和设计环环都重要 用科学的方法学习,2.是一门实践性、应用性很强的课程 仅听懂不够,重在培养动手能力,3.硬件/软件同样重要、不可偏废 硬件是骨架，软件是灵魂,1.前期基础课程：数字电路与微机原理 这方面知识需温习,第一章 微型计算机基础,2,1.1 计算机的发展概述,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问世.,12,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 。,美籍匈牙利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，

5、他又提出了“程序存储”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。,1.1 计算机的发展概述,13,1.1 计算机的发展概述,冯诺依曼结构 哈佛结构？,1.1 计算机的发展概述,5,电子计算机技术的发展，相继经历了五个时代：,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。,1.1 计算机的发展概述,15,1.1 计算机的发展概述,16,1.1.2 微型计算机的组成及其应用形态 一、微型计算机的组成,1971年，IN

6、TEL公司的与日本商业通讯公司合作研制台式计算器时，将原始方案的十几个芯片压缩成3个集成电路芯片。其中的2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）。,4004微处理器,1.1 计算机的发展概述,17,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。 三种总线的作用?,1.1 计算机的发展概述,18,二、微型计算机的应用形态 从应用形态上，微机可以分成三种：,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在一块主机板（即微机主板）。各种适

7、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。,1.1 计算机的发展概述,19,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,1.1 计算机的发展概述,20,单板机的I/O设备简单，软件资源少。主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统。,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

8、种应用形态的比较 ：,单板机,单片机,系统机（多板机）,1.1 计算机的发展概述,21,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等广泛领域。,单片机（嵌入式）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，其嵌入式应用形态具有独特的优势。,1.1 计算机的发展概述,22,1.2 单片机概述,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： 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R

9、AM、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。,23,性能完善提高 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，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种 。,1.2 单片机概述,24,特点是：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。 “微控制器”的

10、称谓更能反应单片机的本质。,1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。 芯片内集成：16位CPU; 8K字节ROM; 232字节RAM; 5个8位并口; 1个全双工串行口; 2个16位定时/计数器; 8路10位ADC; 1路PWM输出 等,1.2 单片机概述,25,1.2.2 单片机产品近况,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）

11、系列； Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机。, 8051系列单片机产品繁多，主流地位已经形成，近年来推出的与8051兼容的主要产品有：,1.2 单片机概述,26,非8051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 ，主要产品有：,Microchip公司 RISC单片机 ； PIC系列单片机（8位机） TI公司低功耗单片机； MSP430F系列单片机（16位机）； * TI公司数字信号处理器（单片） DSP（32位）； * ARM公司 高集成单片机系列,1.2 单片机概述,27,1.3 单片机的特点及应用领域,51系列单片机的特点,近期推出的单片机产品，内部集成有高

12、速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式等方面都有了进一步的增强。,控制性能好、可靠性高 实时控制性能强：其CPU可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。 可靠性高：由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响。,28,体积小、价格低、易于产品化 单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对专用场合，可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少。 从而使应用系统的PC

13、B板减小、接插件减少、安装简单方便。,1.3 单片机的特点及应用领域,29,单片机的应用领域,智能仪器仪表,单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如智能电气测量仪表、智能传感器等。,1.3 单片机的特点及应用领域,30,机电一体化产品,机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如（足球）机器人、数控机床、自动包装机、验钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。,1.

14、3 单片机的特点及应用领域,31,工业实时控制,单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。如电流、电压、温度、液位、流量等。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等 。,1.3 单片机的特点及应用领域,32,分布式系统的前端模块,在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列优点。,1.3 单片机的特点及应用领域,33,家用电器

15、,家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。,另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等 。,1.3 单片机的特点及应用领域,34,1.4 单片机应用系统开发简介,单片机应用系统的开发 硬件设计和软件功能设计是一个实用的单片机应用系统两项任务。完成这一任务的过程称为单片机应用系统的开发。,单片机作为一片集成了微型计算机基本部件的集成电路芯片，与通用微机相比，它自身没有开发功能，必须借助开发机（一种特殊的计算机系统）来完成如下任务： 排除应用系统的硬件故障和软件错误； 程序固化到内部或外部程序存储器芯片中。,35,单片机应用系统传统开发方式 有三种方式：仿真器、串行下载、串行调试。 利用仿真器开发（仿真器）,USB,1.4 单片机应用系统开发简介,36,SST公司推出的SuperFLASH存储器，利用这种存储器可以进行高速读写的特点，能够实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）功能。 首先在PC机上完成应用程序的编辑、汇编（或编译）、模拟运行，然后实现目标程序的串行下载。,1.4 单片机应用系统开发简介,37,串行下载,