charpter1電子教案

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。charpter1-單片機應用系統概述單片微型計算機(SingleChipMicrocomputer)簡稱單片機，它是在一片硅片上集成了中央處理器（CPU）存儲器（RAM，ROM）和各種輸入輸出接口（I/O，定時器/記數器，串行口，A/D轉換器，D/A轉換器等）這樣一塊芯片具有一臺計算機的功能，因而稱作單片微型計算機。由于單片機主要用于實時控制，常作為其他系統的組成部分使用。所以又稱作嵌入式控制器（EmbeddedController）。1.1單片機的發(fā)展概述1.1.1單片機的發(fā)展歷史自七十年代中期推出

2、美國仙童（Fairchild）公司生產出第一臺F8單片機到目前，單片機作為微型計算機的一個重要分支，其發(fā)展主要經歷了以下四個階段：第一節(jié)段（19741976年）：單片機初級階段。因半導體工藝限制，單片機采用雙片的形式而且功能比較簡單。例如仙童公司生產的F8單片機，實際上只包括了8位CPU、64個字節(jié)RAM和兩個并行口。因此，還須、需加1塊3815（由1KROM、定時器/記數器和2個并行I/O口構成）才能組成一臺完整的計算機。第二階段（19761978年）：低性能單片機問世，以INTEL公司的MCS48為代表。這個系列的單片機內集成有8位CPU、并行I/O口、8位定時器，RAM和ROM等，尋址范

3、圍在4K內，不足之處是無串行口，中斷處理比較簡單。第三階段（19781983年）：高性能單片機問世。在這一階段推出的單片機普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統、16位定時器/記數器。片內RAM、ROM容量加大，尋址范圍可達64K字節(jié)，有的片內還帶有A/D轉換器接口。這類單片機的典型代表是Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的6801系列和Zilog公司的Z8等。這類單片機的性價比較高，目前仍被廣泛應用，是目前應用數量較多的單片機。第四階段（1983當今）：8位單片機鞏固發(fā)展以及16位單片機32位單片機推出階段。此階段主要特征是一方面發(fā)展16位單片機、32位單片機及專用型單片機；

4、另一方面不斷完善高檔8位單片機，改善其結構，以滿足不同的用戶需要。16位單片機的典型產品如Intel公司的MCS-96系列。1.1.2單片機的發(fā)展趨勢近幾年來單片機的發(fā)展速度很快，縱觀各個系列的單片機產品的特性，可以看出單片機正朝著高性能化、存儲器大容量化和外圍電路內裝化等幾個方面發(fā)展。1.單片機的高性能化：主要是指進一步改進CPU的性能，增加CPU的字長或提高時鐘頻率均可提高CPU的數據處理能力和運算速度。CPU的字長已有8位、16位到32位。時鐘頻率高達40MHz的單片機也已出現。加快指令運算的速度和提高系統控制的可靠性，并加強了位處理功能、中斷和定時控制功能；采用流水線結構，指令以隊列形

5、式出現在CPU中，從而有很高的運算速度。有的單片機采用了多流水線結構，這類單片機的運算速度要比標準的單片機高出10倍以上。單片機內部采用雙CPU結構也能大大提高處理能力，如Rockwell公司的R6500/21和R65C29單片機。由于片內有兩個CPU能同時工作，可以更好地處理外圍設備的中斷請求，克服了單CPU在多重高速中斷響應時的失效問題。同時，由于雙CPU可以共享存儲器和I/O接口的資源，因此，還可更好地解決信息通訊問題。如Intel公司的8044，它的內部實際上是8051和SIU通信處理機組成，由SIU來管理SDLC的通信。這樣既加快了通信的速度，同時，還減輕了8051的處理負擔。2.存

6、儲器大容量化：以往單片機內部的ROM為14KB，RAM為64128字節(jié)。因此在某些復雜的應用上，存儲器容量不夠，不得不外接擴充。為了適應這種領域的要求，運用新的工藝，使片內存儲器大容量化。目前，單片機的ROM多達16K字節(jié)，RAM為256字節(jié)。另外，片內EPROM開始EEPROM化發(fā)展。早期單片機內ROM有的采用可擦式的只讀存儲器EPROM，然而EPROM必須要高壓編程，紫外線擦除，給使用帶來不便。近年來，推出的電擦除可編程只讀存儲器EEPROM可在正常工作電壓下進行讀寫，并能在斷電的情況下，保持信息不丟失。使用EEPROM或FLASHRAM的單片機采用在系統可編程技術（ISP，InSyste

7、mProgramable）大大方便了系統的調試及應用程序的升級。3.更多的外圍電路內裝化：加強片內輸入輸出接口的種類和功能，這也是單片機發(fā)展的主要動向。最初的單片機，片內只有并行輸入/輸出接口、定時器/計數器。在實際應用中往往還要外接特殊的接口以擴展系統功能，增加了應用系統結構的復雜性。隨著集成度的不斷提高，有可能把更多的各種外圍功能器件集成在片內。這不僅大大提高了單片機的功能，并使應用系統的總體結構也大大簡化了。且提高了系統的可靠性，降低了系統的成本。例如，有些單片機的并行I/O口，能直接輸出大電流和高電壓，可直接用以驅動熒光顯示管（VFD）、液晶顯示管（LCD）和七段碼顯示管（LED）等。

8、這樣就減少了應用系統中的驅動器。再如有些單片機，片內含有A/D轉換器，則在實時控制系統中可省掉外部A/D轉換器。目前，在單片機中已出現的各類新穎接口有數十種：如A/D轉換器、D/A轉換器、DMA控制器、CRT控制器、LCD驅動器、LED驅動器、正弦波發(fā)生器、聲音發(fā)生器、字符發(fā)生器、波特率發(fā)生器、鎖相環(huán)、頻率合成器、脈寬調制器等等。單片機的另一個發(fā)展趨勢是，加強I/O的驅動能力。有的單片機可輸出大電流和高電壓，直接驅動熒光顯示管（VFD），液晶顯示管（LCD）和七段數碼顯示管（LED）等；對于片內的定時/計數器，有些增加了時間監(jiān)視器（Watchdog）功能；還有的單片機具有鎖相環(huán)（PLL）控制、

9、正弦波發(fā)生器和發(fā)聲等特殊功能，如Motorola公司的6805T2就帶有PLL邏輯；GI公司的PIC1600系列內部含有8位實時時鐘計數器和Watchdog定時器。4.單片機在工藝上的提高單片機的制造工藝直接影響其性能。早期的單片機采用PMOS工藝，隨后逐漸采用NMOS，HMOS和CMOS工藝。目前，8位單片機中有二分之一產品已CMOS化，16位單片機也已開始推出CMOS型產品。如68HC200、，80C196等。為了進一步降低功能，日立公司的HD63705和RCA公司的CDP6805E2還設有等待（Wait）和停止（Stop）兩種工作方式。等待方式時，振蕩器工作，CPU停止，存儲器的內容則不

10、變。停止方式時，振蕩器和CPU都停止工作，存儲器和寄存器內容也保持不變。等待方式時，由于CPU停止工作，使單片機的總功耗大為下降。停止方式時，則單片機的功耗為最小，例如RCA公司的CDP8605E2，在5V工作電壓下，正常功耗為35mW，等待和停止方式時的功耗分別僅為5mW和5W.。用電池供電的低電壓工作、低功耗單片機非常適合野外作業(yè)的工控設備。1.2單片機的特點和應用領域1.2.1單片機的結構特點與一般的微型計算機相比，單片機的具有以下特點：小巧靈活、成本低易于產品化可靠性高，抗干擾能力強，適應溫度范圍寬。易擴展，很容易構成各種規(guī)模的應用系統?？刂乒δ軓?。具有位處理指令，有很強的邏輯操作功能

11、。容易實現多機和分布式控制。1.2.2單片機的應用領域按照單片機的特點，單片機可分為單片機應用和多機應用。1.單機應用在一個應用系統中，只使用一片單片機，這是目前應用最多的方式，單片機應用的主要領域有：（1）測控系統用單片機可構成各種工業(yè)控制系統、自適應控制系統、數據采集系統等。達到測量與控制的目的。例如：溫室人工氣候控制、水閘自動控制、電鍍生產自動控制、汽輪機電液調節(jié)系統、車輛檢測系統等。（2）智能儀表用單片機改造原有的測量、控制儀表，能推動儀表向數字化、智能化、多功能化、綜合發(fā)展化。如溫度、壓力、流量、濃度顯示、控制儀表等。通過采用單片機軟件編程技術，使長期以來測量儀表中的誤差修正、線性化

12、處理等用硬件電路難以實現的難題迎刃而解。（3）機電一體化產品單片機與傳統的機械產品結合，使傳統機械產品結構簡化，控制智能化，構成新一代的機、電一體化產品。例如在電傳打字機的設計中由于采用了單片機可提高可靠性及增強功能，降低控制成本。（4）智能接口在計算機系統，特別是較大型的工業(yè)測、控系統中，如果用單片機進行接口的控制與管理、單片機與主機可并行工作，大大提高系統的運行速度。例如，在大型數據采集系統中，用單片機對模/數轉換接口進行控制不僅可提高采集速度，還可對數據進行預處理，如數字濾波、線行化處理、誤差修正等。2多機應用單片機的多機應用系統可分為功能集散系統，并行多機處理及局部網絡系統。多功能集散

13、系統是為了滿足工程系統多種外圍功能要求而設置的多機系統。例如一個加工中心的計算機系統由多片單片機構成，每個單片機完成某個獨立功能，如機床加工運行控制，控制對刀系統、坐標系統、刀庫管理、狀態(tài)監(jiān)視、伺服驅動等。并行多機控制系統。并行多機控制系統主要解決工程應用系統的快速問題，以便構成大型實時工程應用系統。局部網絡系統單片機網絡系統的出現使單片機應用進入了一個新的水平。目前單片機構成的網絡系統主要是分布式的測、控系統。單片機主要用于系統中的通信控制，以及構成各種測、控用的子級系統。3.3基于MCS51內核的單片機簡介MCS51系統單片機是INTEL公司在MCS48系列單片機的基礎之上推出的高性能8位

14、單片機。它基本上可以滿足用戶的一般要求，它是工業(yè)過程控制、智能化儀器、數控機床、位總線分布式控制、以及通信系統的優(yōu)選機種。1983年INTEL公司又推出了16位單片機MCS-96系列單片機。1.3.1MCS51系列單片機的主要品種1.按照功能劃分有以下一些類型：基本型（又稱51子系列）：有8031、8051、8751、80C31、80C51、87C51等。8031與80C31不同點在于前者采用了HMOS工藝制造，前者采用了CHMOS工藝制造。增大內部存儲器的基本型（又稱52子系列）：有8032、8052、8752、80C32、80C52、87C52等。此種單片機的內部ROM和RAM容量比基本型

15、的增大一倍。低功耗基本型：有80C31BH、80C51BH、87C51等。這類型號帶有“C”字的單片機是采用CHMOS工藝，CHMOS是CMOS和HMOSD的結合，保持了HMOS高速的和高密度的特點，又具有CMOS低功耗的特點。低功耗基本型采用了兩種掉電工作方式：一種是軟件啟動空閑方式，也就是CPU停止工作，其它部分仍繼續(xù)工作；另一種是軟件啟動掉電方式，即除片內RAM繼續(xù)保持數據外，其它工作都停止。87C51還有兩級程序存儲器保密系統，防止非法拷貝程序。高級語言型：如8052AHBASIC芯片內固化有MCSBASIC52解釋程序。BASIC52語言能和匯編語言混用。可編程計數陣列（PCA）型：

16、如83C51FA、80C51FA、87C51FA、83C51FB、80C51FB。87C51FB。這些產品都是CHMOS器件，具有兩種特點：一種是有5個比較/捕捉模塊，每個模塊可執(zhí)行16位捕捉正跳變觸發(fā)、16位捕捉負跳變觸發(fā)、16位捕捉正負跳變、16位軟件定時器、16位高速輸出以及8位脈沖寬度調制等6種功能；另一種特點是有一個增強的多機通訊串行接口。因此，此種單片機可以實現幀錯誤檢測、自動地址識別（主機只有收到它自己的地址時CPU才被中斷，并一次可同2個從機通訊）、增加PCA和T2兩個中斷等功能。A/D型：如83C51GA、80C51GA、87C51GA等，這類單片機是83C51BH的增強型，

17、具有下述新增加功能：帶有8路8位A/D；半雙工同步串行接口；擁有16位監(jiān)視定時器（WDT）；振蕩器失效檢測；擴展了A/D中斷和串行口中斷，使中斷源達7個。DMA型：一類是DMA、GSC型，如83C152JA、80C152JA、80C152JB、83C152JC、80152JD。這類單片機由新的特殊功能寄存器支持，具有DMA目的地址，DMA源地址、DMA字節(jié)計數共58個特殊功能寄存器。它們除了具有局部串行通道LSC外，還有一個全局串行通道GSC（多規(guī)程、高性能的串行接口）。另一類是DMA、FIFO型，如83C452、80C452、87C452P。此類單片機新增加的功能是：128字節(jié)的雙向先進先出

18、（FIFO）RAM陣列，采用環(huán)行指針管理讀和寫；有兩個相同的DMA通道，允許從一個可寫入的存儲器到另一個可寫入存儲器的高速數據傳送；特殊功能寄存器增至34個；增加先進先出從機接口、DMA0和DMA1三個中斷源。多并行口型：如83C451、80C451。此類單片機是在80C51基礎上，新增加和P1口相同的8位準雙向口P4和P5口。還增加一個特殊的內部具有上拉電路的8位雙向口P6口。它既可作為標準的輸入輸出口，也可進行先選通方式操作（新增4位控制線）。2.按照存儲器配置狀態(tài)分為三類：片內ROM型：如8051AH、8052AH、80C51BH、83C51BH、83C51FA和83C51GA等，這類單

19、片機內部存儲器帶有掩模ROM、使用者無法將程序寫入片內。只有在大批量生產產品時才考慮使用這種類型的單片機。調好的程序是由生產芯片的廠家用掩模工藝固化到片內ROM中去的。片內EPROM型：如8751BH、8752BH、87C51、87C51FA和87C51GA等。使用者可以自行將程序固化到片內EPROM中。它可以作為開發(fā)者片內ROM單片機的代用芯片。但由于價格較貴，這種類型的單片機使用還不廣泛。(3)外接EPROM型：如8031BH、8732BH、80031BH、80C51FA和80C51GA等。使用這種單片機時，必須在外部擴展程序存儲器EPROM或EEPROM。擴展的容量可以根據需要靈活掌握。

20、這種類型的單片機目前國內使用最廣泛。2.MCS51系列的新產品MCS51系列屬高檔8位單片機，近年來各公司在提高該系列產品性能方面作了不少工作，相繼推出了不少新產品。對80C51系列的改進推出了一些新產品，主要是改善單片機的控制功能，如定時器/計數器陣列和高速I/O口、ADC、PWM、WDT等，以及低電壓,微功耗,電磁兼容，串行擴展總線，控制網絡總線等。ATMEL公司研制的89C系列是將flashiMemory集中在80C51中，作為用戶程序存儲器，并不改變80C51的結構和指令系統。Philis公司的83/87C7系列不改變80C51的結構，指令系統，省去了并行擴展總線，屬于非總線的廉價型單片機，特別適合于家電類產品。Dallas公司只對80C51進行了局部改進推出了8C320、8C520、8C530系列。該系列不改變80C51的基本結構和指令系統，主要改進有：(1)提高總線速度，每個機器周期占用4個時鐘周期，速度比80C51提高3倍。(2)兩個全雙工串行口。(3)兩個數據指針DPTR。(4)增加電源管理功能。電源失效復位，早期失效告警中斷和可編程時鐘源。(5)可編程選擇MOVX指令速度。從兩個機器周期到9個機器周期。進入90年代，Intel公司和Philips公司合作制定改造80C51的ZX計劃，目前已形成MCS-251和80C51A兩個