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1、重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇 课程：课程：单片机原理及应用单片机原理及应用 教材：教材：单片机原理及应用单片机原理及应用 -使用使用Freescale S12X构建嵌入式系统构建嵌入式系统 任勇任勇 等编著，清华大学出版社，等编著，清华大学出版社，2012年年2月第月第1版版 学时：理论学时：理论32+实验实验32=64 教学内容与要求：见教学大纲教学内容与要求：见教学大纲 实验内容与要求：见实验指导实验内容与要求：见实验指导重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇第第1章章 概述概述l微型计算机微型计算机 计算机技术带来了科研和生活的许多重大变革，可以说，计算
2、机技术带来了科研和生活的许多重大变革，可以说，标志了人类社会进步文明的又一次飞跃；更得益于大规模集标志了人类社会进步文明的又一次飞跃；更得益于大规模集成电路进步与发展，计算机的重要分支成电路进步与发展，计算机的重要分支-微型计算机的发微型计算机的发展日新月异，应用日益广泛，已渗透到生产、生活的各个方展日新月异，应用日益广泛，已渗透到生产、生活的各个方面，使许多领域的技术水平和自动化程度得以大大提高，并面，使许多领域的技术水平和自动化程度得以大大提高，并且越来越多的领域和越来越多的时候，人们都需要微型计算且越来越多的领域和越来越多的时候，人们都需要微型计算机来进行工作或间接利用其工作。机来进行工
3、作或间接利用其工作。 微型计算机微型计算机-简称微机；微机技术的发展又形成相互独简称微机；微机技术的发展又形成相互独立、不同方向的两大分支：立、不同方向的两大分支：、通用微机系统通用微机系统-以微处理器为核心以微处理器为核心(Micro Processor Unit)，强调处理功用，解决多方位需求。表现形式：外设，强调处理功用，解决多方位需求。表现形式：外设配备齐全的微机系统配备齐全的微机系统、单片微机系统单片微机系统-以微控制器为核心以微控制器为核心(Micro Controller Unit)，强调控制功用，解决单一问题。表现形式：专用功，强调控制功用，解决单一问题。表现形式：专用功能的嵌
4、入式产品能的嵌入式产品-嵌入式系统的表现形式之一嵌入式系统的表现形式之一重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇1.1 单片机的定义、发展、特点及应用单片机的定义、发展、特点及应用l定义定义 在一块半导体芯片上，集成了在一块半导体芯片上，集成了CPU、ROM、RAM、I/O接接口、定时器口、定时器/计数器、中断系统等主要功能部件，构成一个芯片计数器、中断系统等主要功能部件，构成一个芯片级的微型计算机。级的微型计算机。 由于集成电路的进步，还可以包含由于集成电路的进步，还可以包含/、/、通信接、通
5、信接口等部件，功能日益增强。口等部件，功能日益增强。 l术语称谓术语称谓 中文：微控制器中文：微控制器=单片机单片机=单片微机单片微机=单片微控制器单片微控制器 英文：英文：MCU（Microcontroller Unit） 并非并非Single Chip Microcomputer 标准：微控制器（标准：微控制器（ MCU ）重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇lMCU的发展的发展 早期：以早期：以Intel公司为领袖，同步于通用微机，有个阶段：公司为领袖，同步于通用微机，有个阶段：第一阶段（第一阶段（19741978）初级，）初级，8位，位，MCS-48系列（带并行系列（带并
6、行I/O接口、接口、定时器计数器、无串行定时器计数器、无串行IO接口）接口）第二阶段（第二阶段（19781983）高级，）高级，8位，位，MCS-51系列（新增串行系列（新增串行I/O接接口、多级中断等功能完备，拓宽了其应用范围）口、多级中断等功能完备，拓宽了其应用范围）第三阶段（第三阶段（1983）16位单片机，位单片机，MCS-96系列（系列（16位处理，含位处理，含A/D转换器，功能加强，速度加快）转换器，功能加强，速度加快） 其中：其中：MCS-51系列获得了最为广泛的应用，典型型号为使用系列获得了最为广泛的应用，典型型号为使用 Intel 8051内核的内核的89C51、89S51
7、其它类似：其它类似：Motorola MC68HC05/08系列系列重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇 目前：目前：8位、位、16位、位、32位、位、64位并存，各厂家、多种类并存位并存，各厂家、多种类并存 注：字长注：字长(位位)：CPU一次能够运算处理的二进制位数。位数越高，运算处一次能够运算处理的二进制位数。位数越高，运算处理能力越强。（有别与数据总线的位数）理能力越强。（有别与数据总线的位数）lMCU的发展趋势的发展趋势 可靠性可靠性 功能模块功能模块 总线接口总线接口 CPU的处理位数的处理位数 功耗、价格功耗、价格lMCU的主要生产厂家的主要生产厂家 Intel、A
8、tmel、Philips（恩智浦，（恩智浦，NXP）、）、Motorola、ADI、TI、Microchip、西门子、富士通、三星、凌阳、盛群、西门子、富士通、三星、凌阳、盛群 美国领先，中国没有（龙芯？！）美国领先，中国没有（龙芯？！）重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇lMCU的特点的特点 体积小，重量轻，价格低，耗电少，可靠性高（因内部集成）体积小，重量轻，价格低，耗电少，可靠性高（因内部集成） 控制能力强（如位处理，直接控制能力强（如位处理，直接I/O操作）操作） 形成的产品生命周期长形成的产品生命周期长 资源有限（如引脚少、片内存储器容量不大，但可扩或选）资源有限（如引
9、脚少、片内存储器容量不大，但可扩或选） 运算能力不强（如乘、除、大数据量等）运算能力不强（如乘、除、大数据量等） lMCU的应用范围的应用范围 几乎几乎“无所不在，无所不为无所不在，无所不为” 渗透：工业控制、通信、交通、仪器仪表、家用电器、办公自渗透：工业控制、通信、交通、仪器仪表、家用电器、办公自动化、汽车电子、动化、汽车电子、PC外设外设重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇lMCU与嵌入式系统与嵌入式系统 MCU技术、技术、FPGA技术和技术和DSP技术，是目前数字电路系统技术，是目前数字电路系统设计领域公认的三大基础性技术，以这三类技术形成的应用系设计领域公认的三大基础性
10、技术，以这三类技术形成的应用系统也是目前嵌入式系统的主要表现形式。统也是目前嵌入式系统的主要表现形式。 其中其中MCU技术最为经典、应用成熟、受众面广。近年来，技术最为经典、应用成熟、受众面广。近年来，MCU技术发展迅速，已从传统设计技术走向现代设计技术，其技术发展迅速，已从传统设计技术走向现代设计技术，其功能、速度、资源正在不断加强，更加易于解决电子系统的嵌功能、速度、资源正在不断加强，更加易于解决电子系统的嵌入性、微型化、低功耗、高可靠性和低价格等问题。入性、微型化、低功耗、高可靠性和低价格等问题。lMCU的学习的学习 MCU技术已经成为广大电子工程师和电类专业大学生必备技术已经成为广大电
11、子工程师和电类专业大学生必备的技能之一，是学习、理解、提高计算机应用开发能力的基础的技能之一，是学习、理解、提高计算机应用开发能力的基础学科，是应用型新技术发展的基石，其重要性是不言而喻的。学科，是应用型新技术发展的基石，其重要性是不言而喻的。软硬件兼顾并重软硬件兼顾并重领会结构原理、部件功能、常规接口方法领会结构原理、部件功能、常规接口方法达到：能够理解书本或别人的电路和程序，能够看懂芯片厂家的原文数达到：能够理解书本或别人的电路和程序，能够看懂芯片厂家的原文数据手册，能够自行设计硬件电路和软件程序据手册，能够自行设计硬件电路和软件程序 勤于实践，应用创新勤于实践，应用创新重庆大学通信工程学
12、院重庆大学通信工程学院 任勇任勇单片机技术的学习方法首先是模仿验证、吸收消化，然后才是结合应单片机技术的学习方法首先是模仿验证、吸收消化，然后才是结合应用、自主创新。在这个学习过程中，需要领会单片机的结构原理、单用、自主创新。在这个学习过程中，需要领会单片机的结构原理、单元部件功能、常规接口方法、特殊应用方案等，要让单片机元部件功能、常规接口方法、特殊应用方案等，要让单片机“动起来动起来”解决实际问题，还要掌握汇编语言编程、解决实际问题，还要掌握汇编语言编程、C语言编程、调试系统、语言编程、调试系统、下载程序等方法，至于应用对象的行业知识可通过交流、查询得到补下载程序等方法，至于应用对象的行业
13、知识可通过交流、查询得到补充。充。单片机应用系统设计涉及的相关技术很多，包括了单片机应用系统设计涉及的相关技术很多，包括了MCU结构原理、数结构原理、数字逻辑电路、模拟电子电路、硬件设计与制作、汇编语言编程、字逻辑电路、模拟电子电路、硬件设计与制作、汇编语言编程、C语语言编程、仿真调试、低功耗、抗干扰以及各种互联接口等技术，在短言编程、仿真调试、低功耗、抗干扰以及各种互联接口等技术，在短时间内全面掌握这些技术对于初学者来说是非常困难的。如果学习者时间内全面掌握这些技术对于初学者来说是非常困难的。如果学习者具有深厚的基本功自然更好，假设有所欠缺也无妨，可以在单片机技具有深厚的基本功自然更好，假设
14、有所欠缺也无妨，可以在单片机技术学习和应用的过程中重新回顾理解。实际上，有些知识或技术可以术学习和应用的过程中重新回顾理解。实际上，有些知识或技术可以边用边学甚至用通了再反学，在应用中提高并积累，有些单元技术也边用边学甚至用通了再反学，在应用中提高并积累，有些单元技术也不必深究硬啃，采用不必深究硬啃，采用“拿来主义拿来主义”共享，比如一些共享，比如一些MCU典型电路、范典型电路、范例程序、基本模块等。例程序、基本模块等。经过一段时间的基础学习，单片机技术学习者最终需要做到三个经过一段时间的基础学习，单片机技术学习者最终需要做到三个“能能够够”：能够看懂书本或别人的电路和程序；能够看懂芯片厂家的
15、原文：能够看懂书本或别人的电路和程序；能够看懂芯片厂家的原文数据手册（数据手册（DataSheet）；能够自行设计硬件电路和软件程序。这样，）；能够自行设计硬件电路和软件程序。这样，就是入门了。就是入门了。需要指出的是，单片机的课堂教学内容或书本知识，能帮助学习者快需要指出的是，单片机的课堂教学内容或书本知识，能帮助学习者快速入门、建立概念和掌握一般应用。但要成为单片机应用开发的高手速入门、建立概念和掌握一般应用。但要成为单片机应用开发的高手或专家，需要学习掌握的知识还很多，更需要自己摸索、实践。或专家，需要学习掌握的知识还很多，更需要自己摸索、实践。“高高手之路手之路”是自己走出来的，并不是
16、老师、教本能够教出来的。是自己走出来的，并不是老师、教本能够教出来的。重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇1.2 MCS-51单片机的基本了解单片机的基本了解l主要特性：主要特性： 8位位CPU，111条指令，条指令， DIP封装封装(常用常用)， 40引脚，引脚， 128Bytes RAM，4KBytes EEPROM(FLASH)， 4个个8位并行位并行I/O口，口，1个串行个串行I/O口，口，2个定时器，个定时器， 5个中断源，个中断源，l引脚说明：引脚说明： 参见书参见书P551单片机的引脚从名称上反映出功用，并且具有下列特点：单片机的引脚从名称上反映出功用，并且具有下列
17、特点：功能多，引脚数少，许多引脚具有第二功能。功能多，引脚数少，许多引脚具有第二功能。对外呈三总线形式：对外呈三总线形式： 地址总线：地址总线：P0口、口、P2口合成口合成16位；位； 数据总线：数据总线：P0口口8位；位； 控制总线：由控制总线：由ALE、/PSEN、RST、/EA、/INT0、/INT1、T0、T1、/WR、/RD共共10个引脚构成。个引脚构成。重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇lAT89C51的最小系统的最小系统最小系统电路原理图最小系统电路原理图汇编语言程序：汇编语言程序： ORG 0000H SJMP START ORG 0040HSTART: SET
18、B P1.0 CLR P1.0 SJMP $ 运行结果：点亮运行结果：点亮LED灯灯重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇1.3 Freescale单片机单片机l关于关于Freescale Freescale（飞思卡尔）半导体公司是全球最大的（飞思卡尔）半导体公司是全球最大的半导体公司之一，其前身为半导体公司之一，其前身为Motorola（摩托罗拉）半（摩托罗拉）半导体部，导体部，2004年从摩托罗拉分拆上市。它从年从摩托罗拉分拆上市。它从1953年年开始从事半导体业务，是世界半导体产业与技术的开开始从事半导体业务，是世界半导体产业与技术的开拓者，为汽车电子、消费电子、工业控制、网
19、络和无拓者，为汽车电子、消费电子、工业控制、网络和无线市场设计并制造了众多的嵌入式半导体产品线市场设计并制造了众多的嵌入式半导体产品, 在微在微控制器领域长期居于全球市场领先地位。如控制器领域长期居于全球市场领先地位。如1983年推年推出的出的MC68HC05是世界产量第一的是世界产量第一的8位单片机（产量位单片机（产量第二的是第二的是8051单片机）单片机）重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇lFreescale MCU 产品线产品线 流水线指令结构，按位数分为：流水线指令结构，按位数分为：低端低端8位机位机-HC05、HC08、HCS08、RS08系列系列中端中端16位机位机
20、-HC12、S12、S12X系列系列高端高端32位机或位机或DSC型型- PowerPC、Coldfire、ARM、M.CORE、DSC系列系列l总体特点总体特点品种全、选择余地大、新产品多（纷繁）、个性化品种全、选择余地大、新产品多（纷繁）、个性化应用领域极广，尤其在应用领域极广，尤其在汽车、工业、手机汽车、工业、手机领域领域在同样速度下所用的时钟频率较在同样速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低很多，因类单片机低很多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合用于工控领域而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合用于工控领域及恶劣的环境。及恶劣的环境。重视大客户，缺乏中小用户（近年正在改善）
21、重视大客户，缺乏中小用户（近年正在改善）重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇l S12系列单片机系列单片机l位数位数- 增强型增强型16位位lCPU内核内核- HC12 S12 （兼容，统称为（兼容，统称为HCS12）l最高总线频率最高总线频率- 8MHz 25MHzl特性特性具有片内具有片内FLASH存储器、存储器、RAM、EEPROM (K量级量级) CPU编码效率高编码效率高背景调试（背景调试（BDM，单线，低成本，在线全仿真、下载），单线，低成本，在线全仿真、下载）l子系列子系列MC9S12A、 MC9S12B、 MC9S
22、12D-通用通用MC9S12H、 MC9S12L-带液晶驱动带液晶驱动MC9S12E128、 MC9S12E64-低供电电压低供电电压MC9S12UF32-带带USB接口接口MC9S12NE-带以太网接口带以太网接口重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇l S12X系列单片机系列单片机l位数位数- 增强型增强型16位位lCPU内核内核- S12 S12X （兼容，统称为（兼容，统称为S12(X)） 比比S12增加增加2条与条与CCR寄存器相关的指令及其它寄存器相关的指令及其它l最高总线频率最高总线频率- 25MHz 50MHzl新增特性新增特性XGATE模块模块-并行处理，达并行处
23、理，达32位位MCU的性能水平的性能水平FlexRay模块模块-新型的通信协议，高达新型的通信协议，高达10Mbps的数据速率的数据速率 l子系列子系列S12XB、S12XD-通用型通用型S12XE-S12系列中性能最高的系列中性能最高的S12XS-低成本车身电子低成本车身电子S12XF-面向底盘控制应用的面向底盘控制应用的FlexRay系列系列 S12XH-业界第一款集成业界第一款集成TFT图形显示驱动，仪表板应用图形显示驱动，仪表板应用重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇表表1-1 S12与与S12X系列中的部分系列中的部分MCU主要性能主要性能 型号型号最高最高总线频率率/
24、MHzRAM/KBFLASE/KBEEPROM/KB通信接口通信接口A/DPWMECT其它其它MC9S12A322546412个个SCI,1个个SPI8路路10位位7路路8位位8路路16位位MC9S12B12825412812个个SCI,1个个SPI1个个I2C,1个个CAN16路路10位位8路路8位位8路路16位位MC9S12DG128MC9S12DJ128MC9S12DT12825812822个个SCI,2个个SPI1个个I2C,2个个CAN16路路10位位8路路8位位8路路16位位MC9S12DP256251225642个个SCI,3个个SPI1个个I2C,2个个CAN16路路10位位8
25、路路8位位8路路16位位MC9S12HZ12825612822个个SCI,2个个SPI1个个I2C,1个个CAN16路路10位位6路路8位位8路路16位位带LCD驱动和和SSDMC9S12UF32303.532-1个个SCI-8路路16位位带USB2.0等等接口接口MC9S12NE642586412个个SCI,1个个SPI1个个I2C8路路10位位8路路8位位4路路16位位带10/100M以太网以太网MC9S12XB12833812812个个SCI,1个个SPI1个个I2C,1个个CAN16路路10位位8路路8位位8路路16位位MC9S12XDT512502051246个个SCI,3个个SPI
26、1个个I2C,3个个CAN24路路10位位8路路8位位8路路16位位MC9S12XEP768504876848个个SCI,3个个SPI2个个I2C,5个个CAN24路路12位位8路路8位位8路路16位位MC9S12XFE128381612822个个SCI,1个个SPI1个个CAN16路路10位位6路路8位位8路路16位位带FlexRay重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇选用选用S12(X)单片机的理由单片机的理由重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇lFreescale S12(X)系列系列MCU的命名规则的命名规则产品状品状态 MC：Fully Qualified
27、，常用，常用ROM存存储器器类型型标志志 无：无：带ROM或无，或无，7：EPROM， 8：EEPROM，9：FLASH （常用）（常用）CPU标志志 CPU内核，内核，S12或或S12X子系列子系列标志志 如如DG：DG系列系列产品品存存储空空间大小及版本大小及版本 256B：256K，B为FLASH版本版本工作温度范工作温度范围标志志 无：商用无：商用070 ；C：-4085 V：-40105 ；M：-40125 封装封装标志志 例，例，FU：QFP；PV、AL:LQFP无无铅组装装标志志 E：生：生产过程无程无铅化化 MC 9 S12 D 256B E 有如：有如：MC9S12DG128
28、-前几年流行前几年流行MC9S12XS128-本课程蓝本本课程蓝本MCU (简称简称XS128)MC9S12XDT512-以前用的实验开发板以前用的实验开发板MCU (简称简称XDT512)重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院 任勇任勇本章习题：本章习题：1.什么是微控制器（单片机）？什么是微控制器（单片机）？2.微控制器的特点是什么？微控制器的特点是什么？3.以往流行的以往流行的MCS-51兼容系列单片机主要是哪个型号？兼容系列单片机主要是哪个型号？4.绘制绘制AT89C51单片机的最小系统电路。单片机的最小系统电路。5.目前目前Freescale 16位单片机主要是哪两个系列？各有什么基本特征？位单片机主要是哪两个系列？各有什么基本特征？
