单片机幻灯片第0章--计算机的基础知识

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1、单片机原理、接口及应用,嵌入式系统技术基础(第2版),高等学校教材计算机应用,肖看 李群芳 编著,清华大学出版社,第0章 计算机的基础知识,单片机原理、接口及应用,内 容 提 要,绪论 微型计算机的基本结构和工作原理 计算机中的数制与码制 小结,0.1 绪 论, 计算机的新分类 嵌入式系统 单片机 单片机的应用 单片机的发展趋势 MCS-51系列单片机类型,一、计算机的新分类, 长期以来人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。 随着计算机技术的迅速发展，计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透，人们以应用为中心、按计算机的嵌入式应用

2、和非嵌入式应用进行新的分类,将其分为 嵌入式计算机 和 通用计算机。 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，其典型产品为PC机； 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。,什么是嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、针对具体应用系统、对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了5-10个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、Modem、声卡、打印机、扫描仪

3、、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、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、家电产品等方面无不是嵌入式计算机的应用领域。,二、嵌入式系统,1.嵌入式系统的种类 嵌入式系统的核心部件有以下三类： （1）嵌入式微处理器（Embedded Microprocessor Unit, EMPU）： 功能同标准的CPU，但在工作温度、 电磁干扰、可靠性等方面做了各种增强。 （2）嵌入式微控制器（Microcontroller Unit, MCU又称单片机）。 （3）嵌入式DSP处理器（Embedded Digital Signal Processor, E

4、DSP）：DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。,2.嵌入式系统的特点 1。分散、创新、不可垄断性 通用计算机行业的技术是垄断的， 其体系结构、操作系统（如Windows）几乎垄断全世界。而嵌入式系统是一个分散的工业，充满竞争、机遇和创新，没有哪一个系列的处理器和操作系统 能垄断全世界，各自有各自的应用领域市场。 2。产品稳定性多样化 通用计算机淘汰很快，几年一个更新换代，而嵌入式系统新产品虽层出不穷，但它的核心处理器不变，指令系统兼容，51单片机问世20多年，至今方兴未艾。4位机、8位机、 16位机、32位机并存于市场，各有自

5、己的用武之地、因为嵌入式产品追求性价比，生产厂家绝不会杀鸡用牛刀。 3。软件特性：编程的语言可以是C语言、也可以是汇编语言，程序不是以磁盘的形式存储，而是固化在单片机芯片或存储器芯片中。 4。嵌入式系统的开发需要开发工具 嵌入式系统自身无开发能力，需借助开发工具，如编程器、仿真器。单片机、DSP、ARM各自都有自己的开发工具。,嵌入式操作系统负责嵌入式系统全部的软、硬件资源 分配、调度工作，它除了具备一般操作系统的具备功能外，还 具有以下等特点： 1.体系结构具有可装卸性、开放性和可伸缩性。 2.强实时性。 3.提供各种设备驱动接口。 4.操作方便、简单、提供友好界面。 5.提供强大网络功能。

6、 常用的嵌入式操作系统有Linux等,嵌入式操作系统,全称单片微型计算机(Single ChipMicrocomputer) 又称微控制器MCU(Micro Controller Unit),是将计算机的基本部分微型化,使之集成在一块芯片上的微机。片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/0、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等，它本身就是一个嵌入式系统，同时它也可作更大的嵌入式系统的核心。 单片机的特点是小而全，即体积小、功能全、功耗低、性能价格比高。,三、单片机,1.单片机的应用 由于单片机小而全，易于推广应用等显著优点，在自动化装置，智能化仪器仪表和家用电器等领域得到

7、日益广泛的应用。下面仅列举一些典型的应用领域。 （1）工业控制 数控机床，电机控制，工业机器人，自动控制等 （2）仪器仪表 智能仪器，医疗器械，数字示波器等。 （3）电信技术 调制解调器，声像处理，数字滤波，通信设备等。 （4）办公自动化和计算机外部设备 传真机，复印机，打印机，绘图仪，扫描仪等,（5）汽车与节能 点火控制，变速控制，防滑车控制，排气控制，计费器，交通控制等。 （6）导弹 导弹控制，鱼雷制导，智能武器装置，航天导弹系统等。 （7）商用产品 电子收款机，电子秤，银行统计机等。 （8）家用电器 微波炉，电视机，录像机，音响设备，游戏机等 以上可见它无处不有、无时不在，像个万能的螺丝

8、钉。,2.单片机的发展趋势 （1）单片机的字长由4位、8位、16 位发展到32位。 这几种字长的MCU目前同时存在于市场，由于单片机主要用于控制，目前8位的MCU 仍然占主流地位，只有在精度要求特别高的场合如图像处理等，才采用16位的MCU, 用户可以根据产品的需要进行选择。 （2）运行速度不断提高。 单片机的使用最高频率由6MHz、12MHz 、24MHz、 33MHz、发展到 40MHz。 （3）单片机内的存储容量越来越大。 由1KB、 2KB、 4KB、 8KB、 16KB、 32KB、发展到 64KB 等。,（4）ROM存储器的编程也越来越方便 有 ROM型（掩模型）、OTP型（一次性

9、编程）、EPROM（紫外线擦除编程）、EEPROM（电擦除编程）及FLASH（闪速编程）。编程（烧录）方式也越来越方便，目前有脱机编程、在系统编程（ISP）、在应用编程（IAP）。各类产品并存，可供用户选择。 （5）I/O端口多功能化 单片机内除集成有并行接口、串行接口外，还集成有A/D、D/A、LED/LCD显示驱动、DMA控制、PWM（脉宽调制输出）、 PLC（锁相环控制）、 PCA(逻辑阵列） WDT（看门狗）等。,（6）功耗越来越低 采用CHMOS制作工艺使单片机集HMOS的高速、高集成度和CMOS的低功耗技术为一体，使单片机的功耗进一步降低，适应的电压范围更宽（2.66V）。 （7）

10、结合专用集成电路ASIC、精简指令集和RISC技术，使单片机发展成为嵌入式的处理器，深入到数字信号处理、图象处理、人工智能、机器人等领域。 为适应不同的应用需求，一个系列的单片机都有多种衍生产品，其处理器核心一样，只是存储器、接口配置不一样，使功能与应用匹配，以减少功耗和成本。,以上单片机各种发展系列并非一代淘汰一代，用户根据产品要求、性价比等情况选择。 目前市面上较有影响的单片机厂家有： INTEL：MCS-51、MCS-96系列。 MOTOROLA：68HCXX系列。 MICROCHIP：16C5X/6X/7X/8X系列。 ZILOG：Z86EXXXPSC系列 TEXAS：MSP430FX

11、X系列 多个公司生产32位ARM系列,各厂家单片机的指令系统各不相同，功能各有所长，其中市场占有最高的是MCS-51系列，因为世界上很多知名的IC生产厂家都生产51兼容的芯片。目前为止，MCS-51单片机已有数百个品种，还在不断推出功能更强的新产品。近年来PHILIPS公司又推出了指令和MCS-51兼容的16位单片机，这样保证了MCS-51单片机的先进性，同时，很多专用芯片以它作为控制核心，可以预言，几十年内不会淘汰。因此，MCS-51单片机成为教学的首选机型。,3.MCS-51系列单片机类型 MCS-51系列单片机品种很多，如果按照存储器ROM配置状态,可划分为： 片内无EPROM型，如80

12、(C)3X; 片内EPROM,如87(C)5X； 片内FLASH EEPROM型，如89C5X; 片内EEPROM ISP型(可在系统编程）如89S5X。,如果按照其功能，则可划分以下一些类型: (1)基本型 基本型有8031、8051、8751、89C51/S51等。 基本型的代表产品是8051，其基本特性如下： 一个8位CPU和指令系统。 128字节的片内RAM。 21个特殊功能寄存器。 32线并行I/O口。 2个16位定时/计数器。 一个全双工串行口。 5个中断源、2个中断优先级的中断结构.,4KB片内ROM。 一个片内时钟振荡器和时钟电路. 片外可扩展64KBROM和64KBRAM.

13、由此可见,它本身就是一个功能相当强的8位微型机. (2)增强型 有8052AH、8032AH、8752BH,此类型单片机的内ROM和RAM容量比基本型的增大一倍,同时把16位计数增为3个.87C54内部ROM增加到16KB,87C58增加到32KB.,(3)低功耗型 有80C5XBH、80C31XBH、87C5X.这类型号带有“C”字的单片机采用CHMOS工艺,其特点是功耗低，另外, 87C51还有两级程序存储器保密系统,可防止非法拷贝程序. 此外还有内含DMA、PCA (可编程计数阵列)、A/D、多并行口、及内含BASIC高级语言型等多类产品，详见教材续表。,由于单片机结构完整、不涉及操作系

14、统，易学易懂、价格便宜、方便动手实践，因此它是嵌入式系统学习的入门课，通过它，既学习了硬件、也学习了软件，是工科学生的基础课。,0.2.1 微机的系统结构,微机系统,软件,硬件,主机,外围设备,微处理器 （CPU）,运算器 控制器 寄存器,存储器 （内存）,RAM ROM,输入/输出接口 （I/O接口）,并行、串行接口 定时器、A/D、D/A,总线,系统软件 应用软件 程序设计语言,外部设备,辅助设备,输入设备 输出设备 辅助存储器,电源电路 时钟电路,CPU是计算机的控制核心，它的功能是执行指令，完成算数运算、逻辑运算，并对整机进行控制。 存储器用于存储程序和数据。 输入/输出接口（又称I/

15、O接口）是CPU和外设之间相连的逻辑电路，外设必须通过接口才能和CPU相连。不同的外设所用接口不同。每个I/O接口也有一个地址，CPU通过对不同的I/O接口进行操作来完成对外设的操作。 总线 CPU 、存储器、I/O接口和之间相连的一组线。 用于传送程序或数据的总线称为数据总线（DB) ；用于传送地址，以识别不同的存储单元或I/O接口的一组线称为地址总线（AB) ；用于控制数据总线上数据流送的方向、对象等的一组线称为控制总线（ 。,计算机系统的硬件结构如下图所示:,CPU,输入接口,输入设备,DB,AB,CB,DB,AB,CB,输出接口,输出设备,0.2.2 微机的基本工作原理,存储程序、执行

16、程序是微机的工作原理，取指令，译码，执行是微机的基本工作过程。 单片机是微型计算机的一种，是将计算机主机（CPU、存储器和I/O接口）集成在一小块硅片上的微机，又称微控制器。它专为工业测量与设计而设计，具有三高优势（集成度高、可靠性高、性价比高）. 单片机的特点是小而全(体积小，功能全），主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器、仪表、通信设备、家用电器等，特别适合于嵌入式微型机应用系统。 嵌入式工程师的任务 就是根据应用对象的需求，完成硬件和软件的设计，即选择合适的单片机，进行接口、存储器等电路的系统设计，并设计程序，以控制应用系统按程序的指令完成规定的工作。这就是本门课要学习的内容。,0.2.3 微机的主要技术指标,微型计算机主要有如下一些技术指标： 字长：CPU并行处理数据位，由此定为8位机、16位机、32位机等。 存储容量：存储器单元数，例如256B、8KB、1MB等（1B即一个字节，也就是一个8