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1、主讲人：艾学忠,信息与控制工程学院测控技术与仪器系,单片机原理及应用,课 程 介 绍 课程名称：单片机原理及应用 课程性质：考试、必修 学时数：32 学习方法：理论联系实际 学习工具：PC机 仿真开发软件（KEIL或WAVE） 硬件平台 授课教师：艾学忠/13843227008 ,第1章 单片微型计算机概述,本章主要介绍单片机概念、发展、基本的结构和特点，单片机的应用领域，单片机的供应状态等。 要求掌握：单片机定义、单片机用途、单片机发展、单片机应用 了解：各系列单片机及MCS-51系列主要型号单片机,1.1 单片机的概念： 在半导体硅片上集成了微处理器(CPU)，存储器(RAM、ROM、EP
2、ROM)和各种输入、输出接口。具有一台计算机的属性。 也称为： 微控制器 MCU(Micro Controller Unit) 嵌入式控制器 EMCU（Embedded icro Controller Unit）。 我国，习惯使用“单片机”这一名称。,按用途可分为通用型和专用型两大类： （1）通用型 可开发的内部资源：RAM、ROM、I/O等功能部件，全部提供给用户。用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心的测控系统。 （2）专用型 专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机，针对性强且数量巨大。对系统结构的最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了全面的考虑。“专用”单片机具有十分明显的综合
3、优势。,1.2 单片机的历史及发展概况 1.2.1单片机的发展历史划分为四阶段： 书中划分： 第一阶段(1974年1976年)：单片机初级阶段。双片的形式，且功能比较简单。 第二阶段（1976年1978年）：低性能单片机阶段。以Intel 公司制造的MCS-48单片机为代表。 第三阶段(1978年现在)：高性能单片机阶段。Intel公司的MCS-51系列、Mortorola公司的6801系列等。 第四阶段(1982年现在)：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。,1.2 单片机的历史及发展概况 资料划分： 第一阶段（19741978年）：初级和低性能单片机的探索阶段。 初级：
4、双片的形式，且功能比较简单。 低性能：以Intel公司的MCS-48为代表，采用了单片结构，即在一块芯片内含有8位CPU、定时/计数器、并行I/O口、RAM和ROM等。主要用于工业领域。 第二阶段（19781982年）：高性能单片机阶段，这一类单片机带有串行I/O口，8位数据线、16位地址线可以寻址的范围达到64K字节、控制总线、较丰富的指令系统等。这类单片机的应用范围较广，并在不断的改进和发展。,1.2 单片机的历史及发展概况 第三阶段（19821990年）：16位单片机阶段。16位单片机除CPU为16位外，片内RAM和ROM容量进一步增大，实时处理能力更强，体现了微控制器的特征。例如Int
5、el公司的MCS-96主振频率为12M，片内RAM为232字节，ROM为8K字节，中断处理能力为8级，片内带有10位A/D转换器和高速输入/输出部件等。 第四阶段（1990年）：8位单片机巩固发展及16 位单片机、32位单片机推出阶段。微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展。,1.2 单片机的历史及发展概况 1.2.2单片机发展过程中形成的四个分支 1传统意义上的单片机（Micro Controller Unit /MCU） 以Intel公司生产的MCS-51系列的单片机8031、8051、8751以及其衍生产品为主，也包括其他
6、单片机生产厂家的一些产品，如美国NS公司的NS8070系列，美国RCA公司的CDP1800系列，美国TI公司的TMS700系列，美国Cypress公司的CYXX系列，美国Rockwell公司的6500系列，美国Motorola公司的6805系列，美国Fairchild(公司的FS系列及3870系列，美国Zilog公司的Z8系列及SUPER8系列，日本National公司的MN6800系列，日本Hitachi公司的HD6301、HD65L05、HD6305系列，日本NEC公司的UCOM87、UPD7800系列等。,1.2 单片机的历史及发展概况 1.2.2单片机发展过程中形成的四个分支 1传统意
7、义上的单片机（Micro Controller Unit /MCU）,1.2.2单片机发展过程中形成的四个分支 2. 片上系统级芯片（System on Chip/SoC） 所谓SOC技术，是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使用SOC技术设计系统的核心思想，就是除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外，其他所有的系统电路全部集成在一起，整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。用SOC设计单片机系统嵌入式结构，为设计者提供了现有技术所无法比拟的优越条件。国际上一些集成电路生产厂家也推出了针对SoC设计的技术平台和产品，通过在FPGA上集成IP硬核，实现模块的SoC化。例如最新的PCIe&以太
8、网模块、高速串行收发器、DSP模块以及嵌入式处理器等都在向SoC方向发展。 单片机是现代电子技术应用中的主流技术，特别是在工业和民用的独立电子系统中，单片机起着系统核心的作用，由于单片机系统特有的固件特性，使单片机在SOC技术中占有重要的地位。换句话说，传统的单片机也在向着SoC方向发展。,1.2.2单片机发展过程中形成的四个分支 2. 片上系统级芯片（System on Chip/SoC）,新华龙（Silicon）片上系统级单片机芯片,1.2.2单片机发展过程中形成的四个分支 3可编程系统级芯片（Programmable System On Chip /PSoC） 可编程系统级芯片（Prog
9、rammable System-On-Chip，PSoC），是一种对于标准的“全数字式”微控制器设计、纯粹的模拟设计以及介乎此二者之间的所有设计而言具有同等的高实用性器件，是一种具有极其灵活且完全可编程的混合信号SoC的基本原理的全新一代器件。最早推出可编程系统级芯片的是美国的Cypress Semiconductors公司。该公司2005年推出的PSoC Express是第一款使系统工程师无需掌握汇编语言或C语言编程技术即可开发微控制器设计的开发工具。 由于PSoC Express在更高的抽象概念水平上运行，且无需固件开发，因此设计人员只需要数小时或数天时间即可完成对PSoC器件的新设计开发
10、、仿真及编程，而无需再耗时数周乃至数月。由于其内置便携性支持，无缝多重处理器架构、设计可视化功能以及丰富的内容程序库，因此采用PSoC Express工具能够更快地完成设计工作，并实现更高的可靠性。,1.2.2单片机发展过程中形成的四个分支 3可编程系统级芯片（Programmable System On Chip /PSoC）,1.2.2单片机发展过程中形成的四个分支 4嵌入式微处理器（Embedded MCU/EMCU） 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。嵌入式处理器的范围极其广阔，从最初的位处理器，目前仍在大规模应用的位单片机，到最新的受到广泛青睐的32位，
11、64位嵌入式CPU。 嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。 目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/Strong ARM系列等。其中ARM/Strong ARM是专为手持设备开发的嵌入式微处理器，
12、属于中档价位的产品。,1.2.2 单片机发展过程中形成的四个分支 4嵌入式微处理器（Embedded MCU/EMCU）,1.2.3 单片机的发展趋势 1.CPU的改进：多核、增加总线宽度、串行总线。 2.存储器的发展：增加容量、EEPROM/FLASH、程序加密。 3.片内I/O的改进：增加驱动能力、增加IO口的逻辑控制功能、设置了 LIN/CAN /SPI/I2C总线功能，为构成分布式、网络化提供可能。 4.外围电路内装化：A/D、D/A、DMA、看门狗集成到片内。 5.低功耗化：CMOS化，多种工作方式，待机方式电流可以低至1uA以下。,1. 单片机在工业生产中的应用,PLC可编程控制器
13、,工业仪表,1.3 单片机的应用,2. 单片机在机电一体化产品中应用,数控车床,数控加工中心,1.3 单片机的应用,3. 单片机在汽车电子中应用,汽车电子,1.3 单片机的应用,4. 单片机在航空航天中应用,火星车,火箭发射,1.3 单片机的应用,5. 单片机在军工中应用,飞行控制与精确制导,1.3 单片机的应用,6. 单片机在生活中应用,智能电饭煲,微波炉,1.3 单片机的应用,7. 消费电子中应用,MP5播放器,智能手机,1.3 单片机的应用,8. 通信、终端及外设中应用,交换机,1.3 单片机的应用,终端及外设,1.4 MCS-51系列单片机,在HMOS技术大发展的背景下，Intel公司
14、在MCS-48系列的基础上，于1980年推出了8位MCS-51系列单片机。它与以前的机型相比，功能增强了许多，就其指令和运行速度而言，超过了INTEL8085的CPU和Z80的CPU，成为工业控制系统中较为理想的机种。较早的MCS-51典型时钟为12MHz，目前与MCS-51单片机兼容的一些单片机的时钟频率达到40MHz甚至更高，现在已有400MHz的单片机问世。,1.4 MCS-51系列单片机,20世纪80年代后期:Intel公司以专利或技术交换的形式把8051内核技术转让给厂家。如：AMTEL、PHILIPS、ANALOG DEVICES、DALLAS公司。 这些厂家生产的兼容单片机，与8
15、051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺。 80C51系列：所有具有8051指令系统的单片机，不应直接称为MCS-51系列单片机，MCS只是Intel公司专用的单片机系列符号。,1.4 MCS-51系列单片机,MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类： （1）基本型 典型产品：8031/8051/8751 （2）增强型 典型产品：8032/8052/8752内部RAM增到256字节，8052、8752的内部程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个。 （3）低功耗型 典型产品：80C31/87C51/80C51。采用CMOS工艺适于电池供电或其它要求低功耗的
16、场合。 （4）专用型 8044/8744，用于总线分布式多机测控系统。美国Cypress公司的EZU SR-2100单片机USB接口。,（5）超8位型 典型产品：PHILIPS公司80C552/87C552/83C552系列单片机。 将MCS-96系列（16位单片机）I/O部件如：高速输入/输出（HSI/HSO）、A/D转换器、脉冲宽度调制（PWM）、看门狗定时器（WDT）等移植进来构成新一代MCS-51产品。功能介于MCS-51和MCS-96之间。目前已得到了较广泛的使用。 （6）片内闪烁存储器型 美国ATMEL公司的AT89C51单片机，受到应用设计者的欢迎。,1.5 主要单片机生产厂家,1Intel公司的8051单片机 2ATMEL公司的单片机 3Zilog公司的单片机 4PHILIPS公司的单片机 5TI公司的单片机 6MOTOROLA公司的单片机 7华邦公司的单片机 8富士通单片机 9NEC单片机 10东芝单片机 11三星公司的单片机
