《單片機(jī)原理與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》.ppt

單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì) Principles of Microcontroller and embedded system design,講授：張虎,第1章 基礎(chǔ)知識(shí),1.2 單片機(jī)簡(jiǎn)介,1.3 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換,1.1單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)概述,1.1單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)概述,1.1.1單片機(jī)的含義 單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱，早期的英文名是Single-chip Microcomputer. 單片機(jī)在控制領(lǐng)域大顯身手，單片機(jī)可以裝到各種智能化產(chǎn)品中，所以又稱為嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller）,MCU的基本含義是： 在一塊芯片上集成了中央處理單元(CPU),存儲(chǔ)器（RAM/ROM等）、定時(shí)器計(jì)數(shù)器及多種輸入輸出（I/0）接口的比較完整的數(shù)字處理系統(tǒng)。,三總線,總線有三種: 數(shù)據(jù)總線DB（Data Bus）, 地址總線 AB（Address Bus）和控制總線 CB(Control Bus）,計(jì)算機(jī)技術(shù)在兩個(gè)重要領(lǐng)域 通用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域和嵌入式(Embedded)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域都獲得的極其重要的進(jìn)展. 單片機(jī)只是一塊芯片. 但包含了計(jì)算機(jī)的基本組成單元，仍由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五部分組成，只不過(guò)這些都集成在一塊芯片上，這種結(jié)構(gòu)使得單片機(jī)成為具有獨(dú)特功能的計(jì)算機(jī)。,單片機(jī)以其較高的性能價(jià)格比、靈活性等特點(diǎn)，在嵌入式微控制系統(tǒng)中具有十分重要的地位。,1.1.2嵌入式系統(tǒng)的含義 (1)嵌入式系統(tǒng)的由來(lái) 計(jì)算機(jī)是應(yīng)數(shù)值計(jì)算的要求而誕生的。 直到20世紀(jì)70年代，電子計(jì)算機(jī)在數(shù)字計(jì)算、邏輯運(yùn)算與推理，信息處理以及實(shí)際控制方面表現(xiàn)出非凡能力后，在通信、測(cè)控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域，人們對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)給予更大的期待。,主要表現(xiàn)在 直接面向控制對(duì)象；嵌入到具體的應(yīng)用體中，而不以計(jì)算機(jī)的面貌出現(xiàn)；能在現(xiàn)場(chǎng)可靠地運(yùn)行；體積小，應(yīng)用靈活；突出控制功能,特別是對(duì)外部信息的捕捉與豐富的1/O功能等。把滿足海量高速數(shù)值計(jì)算的計(jì)算機(jī)稱為通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而 面向測(cè)控對(duì)象，嵌入到實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計(jì)算機(jī)稱之為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱嵌入式系統(tǒng)(Embedded System)。,從總體上說(shuō)，通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要用于數(shù)值計(jì)算、信息處理，兼顧控制功能，而嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要用于控制領(lǐng)域，兼顧數(shù)據(jù)處理。(一般人不察覺(jué)是計(jì)算機(jī)) 在一個(gè)綜合系統(tǒng)中，會(huì)出現(xiàn)通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)合，各自扮演不同的角色，共同完成系統(tǒng)任務(wù).,（2）單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的關(guān)系 嵌入式系統(tǒng)是面向測(cè)控對(duì)象，嵌入到實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的統(tǒng),稱嵌入式系統(tǒng)通常有 工控機(jī)、通用CPU模塊、嵌入式微處理器(Embedded Processor）和嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller）。 前兩者是基于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，即將通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于測(cè)控對(duì)象。 后兩者是基于芯片形態(tài)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中嵌入式微處理器是在通用CPU基礎(chǔ)上發(fā)展，增加滿足測(cè)控對(duì)象要求的外圍接口電路，用于測(cè)控領(lǐng)域。,嵌入式微控制器:是在嵌入式系統(tǒng)的概念廣泛使用后，給傳統(tǒng)單片機(jī)定位的稱呼.所以，所以說(shuō)單片機(jī)是典型的嵌入式系統(tǒng). 單片機(jī)從體系結(jié)構(gòu)到指令系統(tǒng)都是按照嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)的，它能很好地滿足應(yīng)用系統(tǒng)的嵌入，面向測(cè)控對(duì)象、現(xiàn)場(chǎng)可靠運(yùn)行等方面的要求，因此由單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)是發(fā)展最快、品種最多、數(shù)量最大、應(yīng)用最廣的嵌入式系統(tǒng)。,由于單片機(jī)有嵌入式應(yīng)用的專用體系結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)，而且具有體積小、可靠性高等特點(diǎn)，又具有各種各樣的型號(hào)，可以滿足不同的需求，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，開(kāi)發(fā)者可根據(jù)具體要求選用最佳型號(hào)的單片機(jī)嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中。,1.2單片機(jī)簡(jiǎn)介,1.2.1 單片機(jī) 單片機(jī)：將微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、I/O接口電路和相應(yīng)實(shí)時(shí)控制器件集成在一塊芯片上，稱其為單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。,單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)有單片單板機(jī)和仿真器。實(shí)現(xiàn)單片機(jī) 應(yīng)用系統(tǒng)的硬、軟件開(kāi)發(fā)。,單片機(jī)為工業(yè)測(cè)控而設(shè)計(jì)，又稱微控制器。具有三高優(yōu)勢(shì)(集成度高、可靠性高、性價(jià)比高)。 主要應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)與控制、計(jì)算機(jī)外設(shè)、智能儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等。 特別適合于嵌入式微型機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。,1. 2.2單片機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 (1)工業(yè)方面 實(shí)時(shí)控制、物理量的檢測(cè)與處理、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、過(guò)程控制、教學(xué)控制、智能傳感器、數(shù)據(jù)傳送、分布式控制等。 (2)儀器儀表方面 智能儀器儀表、醫(yī)療器械、色譜儀、示波器智能測(cè)厚儀等。,(3)民用方面 電子玩具、電子字典、記事薄、高級(jí)電子游戲機(jī)、錄像機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)、抽濕機(jī)、消毒柜、照相機(jī)、空調(diào)機(jī)、電風(fēng)扇、防盜控制、彩電、音響等。 (4)電訊方面 手機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、智能線路運(yùn)行控制、程控電話交換機(jī)等。,(5)導(dǎo)航控制方面 魚(yú)雷制導(dǎo)控制、智能武器裝置、導(dǎo)彈控制、航天導(dǎo)航系統(tǒng)、電子干擾系統(tǒng)等。 (6)數(shù)據(jù)處理方面 圖形終端、復(fù)印機(jī)、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、磁帶機(jī)、打印機(jī)、打字機(jī)等。 (7)汽車方面 點(diǎn)火控制、變速控制、防滑剎車、排氣控制、節(jié)能控制、保安控制、冷氣控制、汽車報(bào)警控制、測(cè)試設(shè)備等。,1.2.3單片機(jī)發(fā)展概況,20世紀(jì)70年代：1975年 4位單片機(jī) TMS-1000 1976-1978 初級(jí)8位單片機(jī) Intel MCS-48 系列 20世紀(jì)80年代：高檔8位單片機(jī) Intel MCS-51系列： -51子系列：8031/8051/8751 -52子系列：8032/8052/8752 低功耗型80C31高性能型80C252廉價(jià)型89C2051/1051,20世紀(jì)90年代:高檔單片機(jī), DSP 32位單片機(jī) ARM,14位單片機(jī)階段 自1975年美國(guó)德克薩斯儀器公司首次推出4位單片機(jī)TMS-1000后，各個(gè)計(jì)算機(jī)生產(chǎn)公司競(jìng)相推出4位單片機(jī)。例如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(National Semiconductor)的COP402系列，日本電氣公司(NEC)的PD75XX系列，美國(guó)洛克威爾公司(Rockwell)的PPS/1系列，日本松下公司的MN1400系列，富士通公司的MB88系列等。 4位單片機(jī)主要用于家用電器、電子玩具等。,隨著集成電路工藝水平的提高，在1978年到1983年期間集成度提高到幾萬(wàn)只管/片，因而一些高性能的8位單片機(jī)相繼問(wèn)世。例如，1978年摩托羅拉公司的MC6801系列，齊洛格(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。這類單片機(jī)的尋址能力達(dá)64 KB，片內(nèi)ROM容量達(dá)48 KB，片內(nèi)除帶有并行I/O口外，還有串行I/O口，甚至某些還有A/D轉(zhuǎn)換器功能。因此，把這類單片機(jī)稱為高檔8位單片機(jī)。,在高檔8位單片機(jī)的基礎(chǔ)上，單片機(jī)功能進(jìn)一步得到提高，近年來(lái)推出了超8位單片機(jī)。如Intel公司的8X252、UPI-45283C152，Zilog公司的Super8，Motorola公司的MC68HC等，它們不但進(jìn)一步擴(kuò)大了片內(nèi)ROM和RAM的容量，同時(shí)還增加了通信功能、DMA傳輸功能以及高速I/O功能等。自1985年以來(lái)，各種高性能、大存儲(chǔ)容量、多功能的超8位單片機(jī)不斷涌現(xiàn)，它們代表了單片機(jī)的發(fā)展方向，在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。 8位單片機(jī)由于功能強(qiáng)，被廣泛用于工業(yè)控制、智能接口、儀器儀表等各個(gè)領(lǐng)域。,316位單片機(jī)階段 1983年以后，集成電路的集成度可達(dá)十幾萬(wàn)只管/片，16位單片機(jī)逐漸問(wèn)世。這一階段的代表產(chǎn)品有1983 年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司又推出的80C96，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的HPC16040和NEC公司推出的783XX系列等。 16位單片機(jī)把單片機(jī)的功能又推向了一個(gè)新的階段。如MCS-96系列的集成度為12萬(wàn)只管/片，片內(nèi)含16位CPU、8 KB ROM、232字節(jié)RAM、5個(gè)8位并行I/O口、4個(gè)全雙工串行口、4個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、8級(jí)中斷處理系統(tǒng)。MCS-96系列還具有多種I/O功能，如高速輸入/輸出(HSIO)、脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出、特殊用途的監(jiān)視定時(shí)器(Watchdog)等等。 16位單片機(jī)可用于高速?gòu)?fù)雜的控制系統(tǒng)。,432位單片機(jī) 近年來(lái)，各個(gè)計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠家已進(jìn)入更高性能的32位單片機(jī)研制、生產(chǎn)階段。由于控制領(lǐng)域?qū)?2位單片機(jī)需求并不十分迫切，所以32位單片機(jī)的應(yīng)用并不很多。 需要提及的是，單片機(jī)的發(fā)展雖然按先后順序經(jīng)歷了4位、8位、16位的階段，但從實(shí)際使用情況看，并沒(méi)有出現(xiàn)推陳出新、以新代舊的局面。4位、8位、16位單片機(jī)仍各有應(yīng)用領(lǐng)域，如4位單片機(jī)在一些簡(jiǎn)單家用電器、高檔玩具中仍有應(yīng)用，8位單片機(jī)在中、小規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)合仍占主流地位，16位單片機(jī)在比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中才有應(yīng)用。,1. 微型計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu),1.2.4計(jì)算機(jī)知識(shí),2. 計(jì)算機(jī)主要技術(shù)指標(biāo),字長(zhǎng)： CPU并行處理二進(jìn)制的數(shù)據(jù)位數(shù) 8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)和64位機(jī)。,內(nèi)存容量：內(nèi)存存儲(chǔ)單元數(shù) 容量單位：1K=210=1024，1M=220=1KK 8K、64K、16M、64M。,運(yùn)算速度：CPU處理速度 時(shí)鐘頻率、主頻、每秒運(yùn)算次數(shù) 6MHz、12MHz、24MHz、100MHz、300MHz。,內(nèi)存存取周期：內(nèi)存讀寫(xiě)速度 50nS 、70nS 、200nS 。,1.2 .5 典型單片機(jī)產(chǎn)品簡(jiǎn)介 1、Intel公司單片機(jī) MCS-51單片機(jī)系列 MCS-51可分為兩個(gè)子系列和4種類型，如表1-1所示。按資源的配置數(shù)量，MCS-51系列分為51和52兩個(gè)子系列，其中51子系列是基本型，而52子系列屬于增強(qiáng)型。 表1-1 MCS-51系列單片機(jī)分類,80C51與8051的比較 （1）MCS-51系列芯片采用HMOS工藝，而80C51芯片則采用CHMOS工藝。CHMOS工藝是COMS和HMOS的結(jié)合， （2）80C51芯片具有COMS低功耗的特點(diǎn)。例如8051芯片的功耗為630mW,而80C51的功耗只有120mW。 （3）80C51在功能增加了待機(jī)和掉電保護(hù)兩種工作方式，以保證單片機(jī)在掉電情況下能以最低的消耗電流維持。 （4）此外，在80C51系列芯片中，內(nèi)部程序存儲(chǔ)器除了ROM型和EPROM型外，還有E2PROM型，例如89C51就有4KB E2PROM。并且隨著集成技術(shù)的提高，80C51系列片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的容量也越來(lái)越大，目前已有64KB的芯片了。另外，許多80C51芯片還具有程序存儲(chǔ)器保密機(jī)制，以防止應(yīng)用程序泄密或被復(fù)制。,MCS-96系列單片機(jī) MCS-96系列單片機(jī)是Intel公司在1983年推出的16位單片機(jī)，它與8位機(jī)相比，具有集成度高、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)。它的內(nèi)部除了有常規(guī)的I/O接口、定時(shí)器計(jì)數(shù)器、全雙工串行口外，還有高速I/O部件、多路AD轉(zhuǎn)換和脈寬調(diào)制輸出（PWM）等電路，其指令系統(tǒng)比MCS-51更加豐富。,2、 ATMEL公司單片機(jī) ATMEL公司生產(chǎn)的具有8051結(jié)構(gòu)的FLASH型和EEPRQM型單片機(jī)（尤其是89C51和89C52），由于和Intel的MCS-51系列單片機(jī)中典型產(chǎn)品完全兼容，開(kāi)發(fā)和使用簡(jiǎn)便，在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。1997年，ATMEL公司推出了全新配置的精簡(jiǎn)指令集（RISC）的AVR單片機(jī)，由于AVR單片機(jī)優(yōu)良的性能，在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。,3.Philips公司的單片機(jī) PhiliPs公司生產(chǎn)的單片機(jī)包括8051結(jié)構(gòu)的80C51系列8位單片機(jī)、采用8051結(jié)構(gòu)的16位單片機(jī)、以680（力為核心的16位單片機(jī)。其中80C51系列8位單片機(jī)品種多、片內(nèi)資源豐富、容易開(kāi)發(fā)應(yīng)用產(chǎn)品，因此得到了廣泛的應(yīng)用。80 Csl系列單片機(jī)的特點(diǎn)是具有便于開(kāi)發(fā)的FLASH型單片機(jī)，具有I2C串行總線口，具有8一10位A/D，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量大，還具有CAN BUS（控制器局域網(wǎng)）接口.,4Motorola公司的單片機(jī) 68HC05是Motorola公司推出的一種采用HCMOS技術(shù)的8位單片機(jī)。它的典型代表為MC68HC705C8A，它有8位CPU、8KB的EPROM、304B的RAM、16位多功能定時(shí)器、34根I/O線（31根雙向I/O線，3根中斷和定時(shí)器輸人輸出線）、串行通信口、串行擴(kuò)展口、 Watchdog（看門狗）、5個(gè)中斷向量（9個(gè)中斷源）。68HC05系列有幾十種型號(hào)，它們的程序存儲(chǔ)器（ROM、EPROM）和RAM容量、引腳封裝、存儲(chǔ)空間分配、I/O功能各不相同，以適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)合的不同需要。表14列出了68 HC05系列單片機(jī)的功能特性。,5Microchip公司的單片機(jī) Microchip公司有12位程序存儲(chǔ)器的低檔單片機(jī)、14位程序存儲(chǔ)器的中檔單片機(jī)、16位程序存儲(chǔ)器的高檔單片機(jī)和16位程序存儲(chǔ)器的增強(qiáng)型單片機(jī)共四大系列。Microchip公司的PlC單片機(jī)品種豐富，在各類電子產(chǎn)品中被廣泛應(yīng)用，其產(chǎn)品在8位單片機(jī)市場(chǎng)份額中排名第二。,6TOSHIBA公司的單片機(jī) TOSHIBA公司有TLCS-470系列4位單片機(jī)，TLCS870、TLCS870X、TLCS870C、系列8位單片機(jī)，TLCS900系列1632位單片機(jī)。這些單片機(jī)不但CPU和指令系統(tǒng)的功能強(qiáng)，而且片內(nèi)外圍部件豐富，提供匯編語(yǔ)言和C-Like語(yǔ)言的軟件開(kāi)發(fā)手段。TLCS-870系列國(guó)產(chǎn)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具STF870A,7. HITACHI公司的單片機(jī) HITACHI公司的單片機(jī)有H400的4位單片機(jī)系列、H8/300L與H8/300的8位單片機(jī)系列、H8/300H（外數(shù)據(jù)總線8位或16位）、H8S/2000和H8/500的16位單片機(jī)系列和SH的32位單片機(jī)系列。其中4位單片機(jī)H400主要應(yīng)用于低檔家用消費(fèi)類產(chǎn)品以及BP機(jī)等；8位單片機(jī)的H8/300L主要用于VCR/MD錄像機(jī)等中高檔家用消費(fèi)類產(chǎn)品以及無(wú)繩電話等，H8/300主要用子鍵盤(pán)和ABS汽車剎車等；16位單片機(jī)中的H8/300H則用于CD-ROM驅(qū)動(dòng)器和打印機(jī)等，H8S/2000將用于PHS系統(tǒng)和蜂窩電話，H8/500則用于電機(jī)控制和工程控制等；32位單片機(jī)SH用于多媒體和航空航天等領(lǐng)域。,8SIEMENS公司的單片機(jī) SIEMENS公司生產(chǎn)C166系列16位單片機(jī)和C500系列8位單片機(jī)。 C166系列為高速、高性能16位單片機(jī)，CPU內(nèi)部采用流水線型結(jié)構(gòu)，指令周期最小為80ns，乘法（16位*16位）、除法（32位16位），僅400ns，片內(nèi)ROM（或OTP或FLASH Memory）最大為128KB，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM最大為4KB。片內(nèi)除常規(guī)I/O部件以外，還具有10位A/D、C AN2.OB等特殊I/O接口，多達(dá)16個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)、20個(gè)中斷源的中斷系統(tǒng)。 該系列有C161、C163、C164、C165、C166和C167等產(chǎn)品。C166系列單片機(jī)主要用于通信，導(dǎo)航等復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中。,9 NS公司的單片機(jī) NS（National Semiconductor Corporation，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司）有COP4系列4位單片機(jī)、COP8系列8位單片機(jī)、HPC系列16位單片機(jī)，其中COP8系列是NS公司的主要產(chǎn)品。COP8（Contol Oriented Processor）是面向控制的8位單片機(jī)，該系列品種齊全，應(yīng)用范圍廣，根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同可以分為特色型、基本型和新型三大類。,10 ARM系列單片機(jī) ARM是ARM微處理器核的簡(jiǎn)稱，ARM微處理器核是基于RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）技術(shù)的微處理器核，由英國(guó)的ARM公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。ARM公司本身不直接從事芯片生產(chǎn)，作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可，由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片。目前，全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司從ARM公司購(gòu)買其設(shè)計(jì)的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加人適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，從而生產(chǎn)出具有自己特色的 ARM單片機(jī)。 ARM系列單片機(jī)與普通單片機(jī)的主要區(qū)別體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）速度快 （2）存儲(chǔ)器容量大,（3）外部通信接日豐富 ARM單片機(jī)的通信接口要比普通單片機(jī)豐富得多，有UART、USB、Ethernet、CAN、SPI和I2C等通信接口，可以滿足嵌入式系統(tǒng)通信多樣化的要求。 （4）有許多第三方的軟件支持,11DSP系列單片機(jī) DSP（Digital signal Processor）是數(shù)字信號(hào)處理器的簡(jiǎn)稱。DSP起源于20世紀(jì)五六十年代，當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于雷達(dá)、原油探勘、太空探索和醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域?，F(xiàn)在來(lái)看DSP也是一種單片機(jī)，是一種運(yùn)行速度高，擅長(zhǎng)于數(shù)字信號(hào)處理的單片機(jī)。 DSP系列單片機(jī)與普通單片機(jī)的主要區(qū)別體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）速度快 DSP單片機(jī)主頻較高，執(zhí)行一條指令所用時(shí)間較短，DSP具有指令流水線，可以多條指令并行執(zhí)行。此外，許多DSP單片機(jī)采用32位運(yùn)算單元，做與普通單片機(jī)相同的運(yùn)算，所用的指令數(shù)目少。以上的幾個(gè)因素導(dǎo)致DSP單片機(jī)比普通單片機(jī)快得多。,（2）具有適合數(shù)字信號(hào)處理的特殊指令 數(shù)字信號(hào)處理時(shí)，需要做大量的乘法和累加運(yùn)算，DSP單片機(jī)專門的乘累加指令，使乘法和累加運(yùn)算可以在一條指令中完成，大大提高了數(shù)字信號(hào)處理的效率。 （3）具有獨(dú)特的尋址方式 數(shù)字信號(hào)處理中，需要對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排序，DSP單片機(jī)的“反比特”尋址方式使排序很容易實(shí)現(xiàn)，大大提高了排序效率。 DSP單片機(jī)的生產(chǎn)廠家很多，其中AD公司、ATT公司、Motorola公司和TI公司生產(chǎn) 的DSP單片機(jī)在國(guó)內(nèi)比較流行，尤其是TI公司的DSP最為普及。,1.2.6 單片機(jī)的應(yīng)用模式 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通常分為以下三個(gè)層次。 (1)單片機(jī)：通常指應(yīng)用系統(tǒng)主處理機(jī)，即所選擇的單片機(jī)器件。 (2)單片機(jī)系統(tǒng)：指按照單片機(jī)的技術(shù)要求和嵌入對(duì)象的資源要求而構(gòu)成的基本系統(tǒng)。時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和擴(kuò)展存儲(chǔ)器等與單片機(jī)共同構(gòu)成了單片機(jī)系統(tǒng)。 (3)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)：指能滿足嵌入對(duì)象要求的全部電路系統(tǒng)。在單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上面向?qū)ο蟮慕涌陔娐罚缜跋蛲ǖ?、后向通道、人機(jī)交互通道(鍵盤(pán)、顯示器、打印機(jī)等)和串行通信口(RS232)以及應(yīng)用程序等。,單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)層次的關(guān)系如圖所示,單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)層次的關(guān)系,1.2.7 單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程 通常開(kāi)發(fā)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)可按以下6個(gè)步驟進(jìn)行。 (1) 明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)，完成單片機(jī)及其外圍電路的選型工作。 (2) 設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理圖和PCB板，經(jīng)仔細(xì)檢查PCB板后送 工廠制作。 (3) 完成器件的安裝焊接。 (4) 根據(jù)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)要求編寫(xiě)應(yīng)用程序。 (5) 在線調(diào)試軟硬件。 (6) 使用編程器燒寫(xiě)單片機(jī)應(yīng)用程序，獨(dú)立運(yùn)行單片機(jī)系統(tǒng)。,1.3 計(jì)算機(jī)的數(shù)制和轉(zhuǎn)換,(1) 十進(jìn)制ND有十個(gè)數(shù)碼09、逢十進(jìn)一。 十進(jìn)制用于計(jì)算機(jī)輸入輸出，人機(jī)交互。 (2) 二進(jìn)制NB兩個(gè)數(shù)碼:0、1, 逢二進(jìn)一。 二進(jìn)制為機(jī)器中的數(shù)據(jù)形式。 (3) 十六進(jìn)制NH十六個(gè)數(shù)碼:09, AF, 逢十六進(jìn)一。 十六進(jìn)制用于表示二進(jìn)制數(shù)。 不同進(jìn)位制數(shù)以下標(biāo)或后綴區(qū)別,十進(jìn)制數(shù)可不帶下標(biāo)。 如:101、101D、101B、101H、101H,介紹計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示方法和基本運(yùn)算方法。,1.3.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制,（1）二進(jìn)制NB 符號(hào)集：0、1 規(guī)則：逢二進(jìn)一。 例 1101.101=123+122+021+120+12-1+12-3 加權(quán)展開(kāi)式以2為基數(shù)，各位系數(shù)為0、1。 一般表達(dá)式： NB = bn-12n-1 + bn-22n-2 +b020 +b-12-1+,1.3.2計(jì)數(shù)進(jìn)位規(guī)則與表達(dá),（2）十六進(jìn)制NH 符號(hào)集：0-9、A-F 規(guī)則：逢十六進(jìn)一。 例：DFC.8=13162 +15161 +12160 +816-1 展開(kāi)式以十六為基數(shù)，各位系數(shù)為09，AF。 一般表達(dá)式： NH= hn-116n-1+ hn-216n-2+ h0160+ h-116-1+,1.3.3 不同進(jìn)位計(jì)數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換,先展開(kāi)，然后按照十進(jìn)制運(yùn)算法則求和。 舉例： 1011.1010B=123+121+120+12-1+12-3=11.625 DFC.8H =13162+15161+12160+816-1 = 3580.5,（一）二、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù),進(jìn)位計(jì)數(shù)制的一般表達(dá)式： Nr= an-1rn-1+an-2rn-2+ +a1r1a0r0a-1r-1a-mr-m 一個(gè)r1進(jìn)制的數(shù)轉(zhuǎn)換成r2進(jìn)制數(shù)的方法： 先展開(kāi)，然后按r2進(jìn)制的運(yùn)算法則求和計(jì)算。,（二）二進(jìn)制與十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換 24=16 ，四位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)一位十六進(jìn)制數(shù)。 舉例：,3AF.2H = 0011 1010 1111.0010 = 3 A F 2 1111101.11B = 0111 1101.1100 = 7D.CH 7 D C,（三）十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、十六進(jìn)制數(shù),整數(shù)、小數(shù)分別轉(zhuǎn)換 1.整數(shù)轉(zhuǎn)換法 “除基取余”：十進(jìn)制整數(shù)不斷除以轉(zhuǎn)換進(jìn)制基數(shù)，直至商為0。每除一次取一個(gè)余數(shù)，從低位排向高位。舉例：,1. 39轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù) 39 =100111B 2 39 1 （ b0） 2 19 1 （ b1） 2 9 1 （ b2） 2 4 0 （ b3） 2 2 0 （ b4） 2 1 1 （ b5） 0,2. 208轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù) 208 = D0H 16 208 余 0 16 13 余 13 = D 0H,（三）十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、十六進(jìn)制數(shù),2. 小數(shù)轉(zhuǎn)換法2009年10月14日 “乘基取整”：用轉(zhuǎn)換進(jìn)制的基數(shù)乘以小數(shù)部分，直至小數(shù)為0或達(dá)到轉(zhuǎn)換精度要求的位數(shù)。每乘一次取一次整數(shù)，從最高位排到最低位。舉例：,1. 0.625轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù) 0.625 2 1.250 1 (b-1) 2 0.5 0 0 (b-2) 2 1.0 1 (b-3) 0.625 = 0.101B,2. 0.625轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù) 0.625 16 = 10.0 0.625 = 0.AH 3. 208.625 轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)208.625 = D0.AH,1.3.4帶符號(hào)數(shù)的表示方法,機(jī)器數(shù) 在計(jì)算機(jī)中，因?yàn)橹挥小?”和“1”兩種形式，所以數(shù)的正、負(fù)號(hào)，也必須以“0”和“1”表示。通常把一個(gè)數(shù)的最高位定義為符號(hào)位，用0表示正，1表示負(fù)，稱為數(shù)符：其余位仍表示數(shù)值。把在機(jī)器內(nèi)存放的正、負(fù)號(hào)數(shù)碼化的數(shù)稱為機(jī)器數(shù)，把機(jī)器外部由正、負(fù)號(hào)表示的數(shù)稱為真值數(shù)。,機(jī)器中，數(shù)的符號(hào)用“0”、“1” 表示。 最高位作符號(hào)位，“0”表示“+”，“1”表示“-”。,（一）機(jī)器數(shù)與真值,機(jī)器數(shù)：機(jī)器中數(shù)的表示形式，其位數(shù)通常為8的倍數(shù) 真值： 機(jī)器數(shù)所代表的實(shí)際數(shù)值。 舉例:一個(gè)8位機(jī)器數(shù)與它的真值對(duì)應(yīng)關(guān)系如下： 真值： X1=+84=+1010100B X2=-84= -1010100B 機(jī)器數(shù)(原碼)：X1機(jī)= 01010100 X2機(jī)= 11010100 2010年9月27日星期一,要注意的是，機(jī)器數(shù)表示的范圍受到字長(zhǎng)和數(shù)據(jù)的類型的限制。字長(zhǎng)和數(shù)據(jù)類型定了，機(jī)器數(shù)能表示的數(shù)值范圍也就定了。 例如，若表示一個(gè)整數(shù)，字長(zhǎng)為8位，則最大的正數(shù)為01111111，最高位為符號(hào)位，即最大值為127。若數(shù)值超出127，就要“溢出”。最小負(fù)數(shù)為10000000，最高位為符號(hào)位，即最小值為-128。,（二）數(shù)的定點(diǎn)和浮點(diǎn)表示 計(jì)算機(jī)內(nèi)表示的數(shù)，主要分成定點(diǎn)小數(shù)、定點(diǎn)整數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)三種類型。 （1）定點(diǎn)小數(shù)的表示法 定點(diǎn)小數(shù)是指小數(shù)點(diǎn)準(zhǔn)確固定在數(shù)據(jù)某一個(gè)位置上的小數(shù)。一般把小數(shù)點(diǎn)固定在最高數(shù)據(jù)位的左邊，小數(shù)點(diǎn)前邊再設(shè)一位符號(hào)位。按此規(guī)則，任何一個(gè)小數(shù)都可以寫(xiě)成： N=NSN1,N2NM， NS為符號(hào)位 （2）整數(shù)的表示法 整數(shù)所表示的數(shù)據(jù)的最小單位為1，可以認(rèn)為它是小數(shù)點(diǎn)定在數(shù)值最低位右面的一種表示法。整數(shù)分為帶符號(hào)和不帶符號(hào)兩類。對(duì)帶符號(hào)的整數(shù)，符號(hào)位放在最高位?？梢詫?xiě)成： N=NSNnNn1N2 N1 N0， NS為符號(hào)位,(3)浮點(diǎn)數(shù)的表示方法 一般定點(diǎn)數(shù)表示的范圍和精度都較小，在數(shù)值計(jì)算時(shí)，大多數(shù)采用浮點(diǎn)數(shù)。 浮點(diǎn)法中, 數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)位置不是固定不變的, 而是可浮動(dòng)的。 因此, 可將任意一個(gè)二進(jìn)制數(shù)N表示成 N=M2E 其中, M為尾數(shù), 為純二進(jìn)制小數(shù), E稱為階碼。可見(jiàn), 一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)有階碼和尾數(shù)兩部分, 且都帶有表示正負(fù)的階碼符與數(shù)符, 其格式為,浮點(diǎn)表示法對(duì)應(yīng)于科學(xué)(指數(shù))計(jì)數(shù)法，如數(shù)110.011可表示為： N=110.011=1.100112+10=11001.12 10=0.1100112+11 【例】設(shè)尾數(shù)為4位，階碼為2位，則二進(jìn)制數(shù)N=101.1的浮點(diǎn)數(shù)表示形式為：,，,應(yīng)當(dāng)注意：浮點(diǎn)數(shù)的正、負(fù)是由尾數(shù)的數(shù)符確定，而階碼的正、負(fù)只決定小數(shù)點(diǎn)的位置，即決定浮點(diǎn)數(shù)的絕對(duì)值大小。 帶符號(hào)數(shù)的表示 在計(jì)算機(jī)中，帶符號(hào)數(shù)可以用不同方法表示，常用的有原碼、反碼和補(bǔ)碼。,最高位為符號(hào)位，0表示 “+”，1表示“”。 數(shù)值位與真值數(shù)值位相同。 例 8位原碼機(jī)器數(shù)： 真值： x1 = +1010100B x2 = 1010100B 機(jī)器數(shù)：x1原 = 01010100 x2原 = 11010100 原碼表示簡(jiǎn)單直觀,但0的表示不唯一，加減運(yùn)算復(fù)雜。,有符號(hào)數(shù)通常使用三種表示方法：,(三)原碼(True Form),+1原0 0000001， -1原1 0000001 +127原0 1111111， -127原1 111111l 在原碼表示中，零有兩種表示形式，即： +000000000， -010000000。,（四）補(bǔ)碼（Twos Complement）,正數(shù)的補(bǔ)碼表示與原碼相同。 負(fù)數(shù)補(bǔ)碼的符號(hào)位為1，數(shù)值位等于求反加1。,例：求 8位補(bǔ)碼機(jī)器數(shù)： x=+4 x補(bǔ)= 00000100 x=-4 10000100 11111011 x補(bǔ) = 11111100,補(bǔ)碼表示的優(yōu)點(diǎn)： 0的表示唯一，加減運(yùn)算方便。,補(bǔ)碼運(yùn)算,X+Y補(bǔ)=X補(bǔ)+Y補(bǔ) X-Y補(bǔ)=X補(bǔ)+-Y補(bǔ),+1補(bǔ)00000001， -1補(bǔ)11111111 +127補(bǔ)01111111， -127補(bǔ)10000001 由此看出，在補(bǔ)碼表示中： 正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼等于它的反碼加1。 機(jī)器數(shù)的最高位是符號(hào)位，0代表正號(hào)，1代表負(fù)號(hào)。 在補(bǔ)碼表示中，0有唯一的編碼： 0補(bǔ)0補(bǔ)00000000。 補(bǔ)碼的運(yùn)算方便，二進(jìn)制的減法可用補(bǔ)碼的加法實(shí)現(xiàn)，使用較廣泛。,數(shù)的補(bǔ)碼與“?！庇嘘P(guān) “?！奔从?jì)數(shù)系統(tǒng)的量程。,當(dāng)X0，X補(bǔ)= 模-X,8位二進(jìn)制數(shù)的模為： 28 = 256 當(dāng)X0，X補(bǔ)= 28 -X = 256 -X= 255 -X+1 = X反碼 + 1 規(guī)則：求反加1，符號(hào)位不變。 如：1000 1101B 其補(bǔ)碼：1111 0011 規(guī)定：0000 0000B 為0 1000 0000B 不是0，而是128,8位機(jī)器數(shù)表示的真值,1.3.4 帶符號(hào)數(shù)的表示方法,1.3.5 機(jī)器數(shù)與真值之間的轉(zhuǎn)換,1)X1=+127，X2=-127，求X原 、X補(bǔ) X1原=X1補(bǔ)=01111111= 7FH X2原=11111111= FFH X2補(bǔ)=10000001= 81H 2)X1=+255，X2=-255 ，求X原 、X補(bǔ) X1原=X1補(bǔ)=0000000011111111= 00FFH X2原=1000000011111111= 80FFH X2補(bǔ)=1111111100000001= FF01H,1. 真值機(jī)器數(shù),1.3.6 二十進(jìn)制編碼BCD碼,例：求十進(jìn)制數(shù)876的BCD碼 876BCD = 1000 0111 0110 876 = 36CH = 11 0110 1100B,BCD碼(Binary Coded Decimal) 二進(jìn)制代碼表示的十進(jìn)制數(shù)。,一.8421 BCD碼,【例】將69.25轉(zhuǎn)換成BCD碼。 6 9 . 2 5 0110 1001 . 0010 0101 結(jié)果為69.25=(01101001.00100101)BCD 【例】將BCD碼100101111000.01010110轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)。 1001 0111 1000 . 0101 0110 9 7 8 . 5 6 結(jié)果為（100101111000.01010110）BCD=978.56,二. BCD碼運(yùn)算,十進(jìn)制調(diào)整：計(jì)算機(jī)實(shí)際按二進(jìn)制法則計(jì)算，加入十進(jìn)制調(diào)整操作，可計(jì)算BCD碼。 十進(jìn)制調(diào)整方法：當(dāng)計(jì)算結(jié)果有非BCD碼或產(chǎn)生進(jìn)位或借位，進(jìn)行加6或減6調(diào)整。,例：計(jì)算BCD碼 78+69=？ 0111 1000 78BCD + 0110 1001 + 69BCD 1110 0001 產(chǎn)生非BCD碼和半進(jìn)位 + 0110 0110 +66H調(diào)整 1 0100 0111 帶進(jìn)位結(jié)果：147,例：計(jì)算BCD碼 38-29=？ 0011 1000 38BCD + 1101 0111 - 29BCD 1 0000 1111 產(chǎn)生非BCD + 1111 1010 -06調(diào)整 0 0000 1001 結(jié)果無(wú)借位：9,1.3.7 字符編碼,計(jì)算機(jī)中數(shù)的單位 位（bit） 計(jì)算機(jī)中數(shù)的最小單位 字節(jié)（byte） 表示存儲(chǔ)空間大小的最基本的容量單位 字（word） 計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算的單位,二進(jìn)制編碼： 把數(shù)字、字母、符號(hào)都轉(zhuǎn)化成特定的二進(jìn)制碼來(lái)表示。 字母與字符的編碼方法：可有不同的編碼方式,美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼ASCII碼，用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間傳遞信息。 計(jì)算機(jī)使用最多、最普遍的是ASCII（American Standard Code For Information Interchange）字符編碼，即美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼，如表所示。,把數(shù)字（0-9）, 英文大小寫(xiě)字母，標(biāo)點(diǎn)和控制的附加字符，用7位二進(jìn)制來(lái)表示。高3位和低4位。,ASCII碼的每個(gè)字符用7位二進(jìn)制數(shù)表示，其排列次序?yàn)閐6d5d4d3d2d1d0, d6為高位，d0為低位。而一個(gè)字符在計(jì)算機(jī)內(nèi)實(shí)際是用8位表示。正常情況下，最高一位d7為“0”。7位二進(jìn)制數(shù)共有128種編碼組合，可表示128個(gè)字符，其中數(shù)字10個(gè)、大小寫(xiě)英文字母52個(gè)、其他字符32個(gè)和控制字符34個(gè)。 數(shù)字09的ASCII碼為30H39H。 大寫(xiě)英文字母AZ的ASCII碼為41H5AH。 小寫(xiě)英文字母az的ASCII碼為61H7AH。 對(duì)于ASCII碼表中的0、A、a的ASCII碼30H、41H、61H應(yīng)盡量記住，其余的數(shù)字和字母的ASCII碼可按數(shù)字和字母的順序以十六進(jìn)制的規(guī)律寫(xiě)出。,漢字編碼 由于漢字是象形文字，數(shù)目很多，常用漢字就有30005000個(gè)，加上漢字的形狀和筆畫(huà)多少差異極大，因此，不可能用少數(shù)幾個(gè)確定的符號(hào)將漢字完全表示出來(lái)，或像英文