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1、单片机原理及应用单片机原理及应用第1章 概 述第第1 1章章 概概 述述1.1 课程简介课程简介1.2 单片机的基本概念单片机的基本概念1.3 单片机的发展概况单片机的发展概况1.4 单片机的特点及应用单片机的特点及应用1.5 常用单片机系列介绍常用单片机系列介绍第1章 概 述 1.1 单片机的基本概念单片机的基本概念名词解释名词解释中央处理器中央处理器CPU） 中央处理器中央处理器Central Processing Unit的缩写，的缩写，即即CPU，CPU是电脑中的核心配件，其功能主要是解释是电脑中的核心配件，其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。所谓的计算计算机指令以及
2、处理计算机软件中的数据。所谓的计算机的可编程性主要是指对机的可编程性主要是指对CPU的编程的编程 。（强调：。（强调：CPU并不是一台完整的计算机）并不是一台完整的计算机）单片机单片机 全称为单片微型计算机全称为单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)或微控制器或微控制器(Microcontroller Unit)或或嵌入式控制器嵌入式控制器(Embedded Controller) 将微处理器将微处理器(CPU)、存储器、存储器、I/O接口电路和相应实接口电路和相应实时控制器件集成在一块芯片上，称其为单片微型计算机，时控制器件集成在一块芯片上，称其为单片微型计算机
3、，简称单片机。简称单片机。第1章 概 述单片机与微型计算机的区别单片机与微型计算机的区别图1.1 微机组成结构框图 第1章 概 述图1.2 单片机组成框图 第1章 概 述 (1) 单板机：将微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路以及简单的输入/输出设备组装在一块印刷电路板上，称其为单板微型计算机，简称单板机。 (2) 单片机：将微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路和相应实时控制器件集成在一块芯片上，称其为单片微型计算机，简称单片机。 (3) 微型计算机：微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路由总线有机地连接在一起的整体，称为微型计算机。 (4) 微型计算机系统：微型计算机与外围设
4、备、电源、系统软件一起构成的系统，称为微型计算机系统。第1章 概 述(1) 微处理器CPU的区别 通用微机的CPU主要面向数据处理，其发展主要围绕数据处理功能、计算速度和精度的进一步提高。例如，现今微机的CPU都支持浮点运算，采用流水线作业，并行处理、多级高速缓冲(Cache)技术等。CPU的主频达到数百兆赫兹(MHz)，字长普遍达到32位。 单片机主要面向控制，控制中的数据类型及数据处理相对简单，所以单片机的数据处理功能比通用微机相对要弱一些，计算速度和精度也相对要低一些。例如，现在的单片机产品的CPU大多不支持浮点运算，CPU还采用串行工作方式 。 字长一般为4位、8位。 单片机与通用微机
5、部件区别第1章 概 述(2) 存储器区别 通用微机中存储器组织结构主要针对增大存储容量和CPU对数据的存取速度。现今微机的内存容量达到了数百兆字节(MB)，存储体系采用多体、并读技术和段、页等多种管理模式。 单片机中存储器的组织结构比较简单，存储器芯片直接挂接在单片机的总线上，CPU对存储器的读写按直接物理地址来寻址存储器单元，存储器的寻址空间一般都为64 KB。第1章 概 述(3) I/O接口 通用微机中I/O接口主要考虑标准外设(如CRT、标准键盘、鼠标、打印机、硬盘、光盘等)。用户通过标准总线连接外设，能达到即插即用。 单片机应用系统的外设都是非标准的，且千差万别，种类很多。单片机的I/
6、O接口实际上是向用户提供的与外设连接的物理界面。用户对外设的连接要设计具体的接口电路，需有熟练的接口电路设计技术。第1章 概 述嵌入式系统定义 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、本钱、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 单片机与嵌入式系统单片机与嵌入式系统第1章 概 述嵌入式系统的发展 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制系统。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，
7、通过汇编语言程序对系统进行直接控制，结束后清除内存。 主要特点：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小。由于这类系统操作使用简便、价格低廉，在国内工业领域应用较为普遍，但远远不能适应现代工业控制和新兴的信息家电等领域需要。第1章 概 述 第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 主要特点：CPU种类繁多，通用性较弱；系统开销小，效率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业；系统主要用于控制系统负载以及监控应用程序运行。第1章 概 述 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。 主要特点：嵌入式系统能运行于不同类型的微处理器上，兼容性好；操作
8、系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面的功能；具备大量应用程序接口(API)，开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。第1章 概 述 第四阶段是以嵌入式Internet为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。 目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展和Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。第1章 概 述1.2 单片机的发展概况单片机的发展概况 14位单片机阶段位单片机阶段 自自1975
9、年美国德克萨斯仪器公司首次推出年美国德克萨斯仪器公司首次推出4位单片机位单片机TMS-1000后，各个计算机生产公司竞相推出后，各个计算机生产公司竞相推出4位单片机。例如美国国位单片机。例如美国国家半导体公司家半导体公司(National Semiconductor)的的COP402系列，日本电系列，日本电气公司气公司(NEC)的的PD75XX系列，美国洛克威尔公司系列，美国洛克威尔公司(Rockwell)的的PPS/1系列，日本松下公司的系列，日本松下公司的MN1400系列，富士通公司的系列，富士通公司的MB88系列等。系列等。 4位单片机主要用于家用电器、电子玩具等。位单片机主要用于家用电
10、器、电子玩具等。1.2.1 数据总线位数的发展数据总线位数的发展第1章 概 述 28位单片机阶段位单片机阶段 1976年年9月，美国月，美国Intel公司首先推出了公司首先推出了MCS-48系列系列8位单片位单片机以后，单片机发展进入了一个新的阶段，机以后，单片机发展进入了一个新的阶段，8位单片机纷纷应运位单片机纷纷应运而生。例如，莫斯特克而生。例如，莫斯特克(Mostek)和仙童和仙童(Fairchild)公司共同合作公司共同合作生产的生产的3870(F8)系列，摩托罗拉系列，摩托罗拉(Motorola)公司的公司的6801系列等。系列等。 在在1978年以前各厂家生产的年以前各厂家生产的8
11、位单片机，由于受集成度位单片机，由于受集成度(几千几千只管只管/片片)的限制，一般没有串行接口，并且寻址空间的范围小的限制，一般没有串行接口，并且寻址空间的范围小(小小于于8 KB)，从性能上看属于低档，从性能上看属于低档8位单片机。位单片机。第1章 概 述 随着集成电路工艺水平的提高，在1978年到1983年期间集成度提高到几万只管/片，因而一些高性能的8位单片机相继问世。例如，1978年摩托罗拉公司的MC6801系列，齐洛格(Zilog)公司的Z8系列，1979年NEC公司的PD78XX系列，1980年Intel公司的MCS-51系列。这类单片机的寻址能力达64 KB，片内ROM容量达48
12、 KB，片内除带有并行I/O口外，还有串行I/O口，甚至某些还有A/D转换器功能。因此，把这类单片机称为高档8位单片机。第1章 概 述 在高档8位单片机的基础上，单片机功能进一步得到提高，近年来推出了超8位单片机。如Intel公司的8X252、UPI-45283C152，Zilog公司的Super8，Motorola公司的MC68HC等，它们不但进一步扩大了片内ROM和RAM的容量，同时还增加了通信功能、DMA传输功能以及高速I/O功能等。自1985年以来，各种高性能、大存储容量、多功能的超8位单片机不断涌现，它们代表了单片机的发展方向，在单片机应用领域发挥着越来越大的作用。 8位单片机由于功
13、能强，被广泛用于工业控制、智能接口、仪器仪表等各个领域。第1章 概 述 316位单片机阶段位单片机阶段 1983年以后，集成电路的集成度可达十几万只管年以后，集成电路的集成度可达十几万只管/片，片，16位单位单片机逐渐问世。这一阶段的代表产品有片机逐渐问世。这一阶段的代表产品有1983 年年Intel公司推出的公司推出的MCS-96系列，系列，1987年年Intel公司又推出的公司又推出的80C96，美国国家半导体，美国国家半导体公司推出的公司推出的HPC16040和和NEC公司推出的公司推出的783XX系列等。系列等。 16位单片机把单片机的功能又推向了一个新的阶段。如位单片机把单片机的功能
14、又推向了一个新的阶段。如MCS-96系列的集成度为系列的集成度为12万只管万只管/片，片内含片，片内含16位位CPU、8 KB ROM、232字节字节RAM、5个个8位并行位并行I/O口、口、4个全双工串行口、个全双工串行口、4个个16位定位定时器时器/计数器、计数器、8级中断处理系统。级中断处理系统。MCS-96系列还具有多种系列还具有多种I/O功能，功能，如高速输入如高速输入/输出输出(HSIO)、脉冲宽度调制、脉冲宽度调制(PWM)输出、特殊用途的输出、特殊用途的监视定时器监视定时器(Watchdog)等等。等等。 16位单片机可用于高速复杂的控制系统。位单片机可用于高速复杂的控制系统。
15、第1章 概 述 432位单片机位单片机 近年来，各个计算机生产厂家已进入更高性能的近年来，各个计算机生产厂家已进入更高性能的32位单片机位单片机研制、生产阶段。由于控制领域对研制、生产阶段。由于控制领域对32位单片机需求并不十分迫位单片机需求并不十分迫切，所以切，所以32位单片机的应用并不很多。位单片机的应用并不很多。 需要提及的是，单片机的发展虽然按先后顺序经历了需要提及的是，单片机的发展虽然按先后顺序经历了4位、位、8位、位、16位的阶段，但从实际使用情况看，并没有出现推陈出新、位的阶段，但从实际使用情况看，并没有出现推陈出新、以新代旧的局面。以新代旧的局面。4位、位、8位、位、16位单片
16、机仍各有应用领域，如位单片机仍各有应用领域，如4位单片机在一些简单家用电器、高档玩具中仍有应用，位单片机在一些简单家用电器、高档玩具中仍有应用，8位单片位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地位，机在中、小规模应用场合仍占主流地位，16位单片机在比较复位单片机在比较复杂的控制系统中才有应用。杂的控制系统中才有应用。第1章 概 述体系结构的变化 （1SCMSingle Chip Microcomputer） （2MCUMicro Controller Unit） （3SOC （System On Chip）单片机速度越来越快低电压与低功耗 36V2.7V 2.2V 1.8V 0.9V CHMOS(
17、互补金属氧化物MOS)工艺低噪声与高可靠性技术 WDT看门狗1.2.2 单片机技术的发展单片机技术的发展第1章 概 述OTP向MTP转变在线编程技术 ISPIn System Programming） IAPIn Application Programming）在线仿真技术 JTAGJoint Test Action Group接口 、SPI串行接口 显著减少引脚数，简化系统结构第1章 概 述1.3 单片机的特点及应用单片机的特点及应用1.3.1 单片机的特点单片机的特点 (1) 单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的。ROM称为程序存储器，只存放程序、固定常数及数据表格。RAM则为数据存储
18、器，用作工作区及存放用户数据。这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中，有较大的程序存储器空间，把开发成功的程序固化在ROM中，而把少量的随机数据存放在RAM中。这样，小容量的数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内，以加速单片机的执行速度。但单片机内的RAM是作为数据存储器用，而不是当作高速缓冲存储器(Cache)运用。第1章 概 述 (2) 采用面向控制的指令系统。为满足控制的需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。 (3) 单片机的I/O引脚通常是多功能的。由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法。引脚处于何
19、种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。 (4) 单片机的外部扩展能力强。在内部的各种功能部分不能满足应用需求时，均可在外部进行扩展(如扩展ROM、RAM，I/O接口，定时器/计数器，中断系统等)，与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。第1章 概 述1.3.2 单片机的优点及应用单片机的优点及应用 (1) 体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。 (2) 面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。 (3) 抗干扰能力强，适用温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，
20、这是其它类型计算机无法比拟的。 (4) 可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。第1章 概 述 单片机的应用范围十分广泛，主要的应用领域有： (1) 工业控制。单片机可以构成各种工业控制系统、数据采集系统等。如数控机床、自动生产线控制、电机控制、温度控制等。 (2) 仪器仪表。如智能仪器、医疗器械、数字示波器等。 (3) 计算机外部设备与智能接口。如图形终端机、传真机、复印机、打印机、绘图仪、磁盘/磁带机、智能终端机等。 (4) 商用产品。如自动售货机、电子收款机、电子秤等。 (5) 家用电器。如微波炉、电视机、空调、洗衣机、录像机、音响设备等。第1章 概 述按单
21、片机数据总线的位数划分 4位单片机、8位单片机、16位单片机、32位单片机按编程方式划分 OTPROM型、Flash型、ISP型、IAP型、JTAG接口型按功耗划分 普通型、低功耗型按性价划分 普通型、经济型1.4 常用单片机系列介绍常用单片机系列介绍1.4.1 单片机的类型单片机的类型第1章 概 述MCS-51系列及其兼容机 MCS 是INTEL 公司的注册商标。 8051 单片机是INTEL 公司1980 年推出的MCS 一51 系列单片机的第一个成员。 以后，凡是INTEL 公司生产的以8051 为核心单元的其它派生单片机都称为MCS 一51 系列，简称为51 系列。8位单片机位单片机第
22、1章 概 述 其它公司生产的以8051 为核心单元的其它派生单片机不能称为MCS一51 系列，只能称为8051 系列。8051 系列泛指所有公司也包括INTEL 公司生产的以8051 为核心单元的所有单片机。比如： PHILIPS （飞利浦公司）: 83C552 及51LPC 系列 SIEMENS （西门子公司）: SAB80512 ATMEL : Flash 单片机89C51 SST：SST89系列 “51系列单片机包含MCS-51和其它公司的8051。第1章 概 述非MCS-51系列单片机 Motorola公司的68HC05/08系列 MICROCHIP公司的PIC单片机 ATMEL公司的
23、AVR单片机第1章 概 述 MCS-51系列单片机已有十多种产品，可分为两大系列：51子系列和52子系列。 51子系列主要有8031、8051、8751三种机型。它们的指令系统与芯片引脚完全兼容。从表1.1中可以看出，它们的差别仅在于片内有无ROM或EPROM。 52子系列主要有8032、8052、8752三种机型。从表1.1中可以看出，52子系列与51子系列的不同之处在于：片内数据存储器增至256字节；片内程序存储器增至8 KB (8032无)；有3个16位定时/计数器，6个中断源。其它性能均与51子系列相同。第1章 概 述表1.1 INTEL主要单片机系列第1章 概 述表1.2 ATMEL
24、公司的89系列单片机主要产品及其性能第1章 概 述 格式：AT89X 其中：AT是前缀； 89X是型号； 是后缀。 前缀 前缀由字母“AT组成，它表示该器件是ATMEL公司的产品。 单片机型号识别单片机型号识别第1章 概 述 型号 型号由“89C”或“89LV”或“89S”等表示。 “89C”中，9是表示内部含Flash存储器； C表示是CMOS产品。 “89LV”中，LV表示低电压产品。 “89S”中，S表示含可下载Flash存储器。 在这个部分的表示器件型号数，例如：51，1051，8252等。 第1章 概 述 后缀 （） 后缀中的第一个参数表示速度，它的意义如下： 12，表示速度为12MHz， 16，表示速度为16MHz， 后缀中的第二个参数表示封装。它的意义如下： J，塑料J引线芯片载体。 L，无引线芯片载体。 P，表示塑料双列直插DIP封装。 后缀中第三个参数表示温度范围，意义如下： C，表示商业产品，温度范围为0至+70。 I，表示工业产品，温度范围为-40至+85。 M，表示军用产品，温度范围为-55至+150第1章 概 述举例说明： 例如，有一个单片机型号为“AT89C51-12PI”，则表示意义为，该单片机是ATMEL公司的Flash单片机，内部是C51结构，速度为12MHz，封装为DIP，是工业用产品，按标准处理工艺生产。
