單片機第一章

1、單片機原理與應用技術 主講：張莉萍 （2008年2月25日 第一講）1課 程 說 明(1)課程學時安排 成績比例 總學時：54 考試：70 周學時： 3 考勤：10 18周結課（6.22） 作業(yè)：20 19周考試2課 程 說 明(2)教材：單片機原理與應用技術參考教材：1.單片機微機原理與應用 朱定華 戴汝平 著 清華大學出版社 2.單片機原理及應用 姜志海 著 電子工業(yè)出版社 3教學內容1（共10章，5大部分）基礎知識概述（第1章）單片機硬件結構原理、指令系統(tǒng)和程序設計（第2-4章）單片機中斷技術、定時器/計數(shù)器和并行擴展技術（第5-7章）4教學內容2（共12章，5大部分）介紹串行通信和串行

2、擴展技術（第8、9章）介紹應用系統(tǒng)設計及接口技術（第10章）5第一章 嵌入式系統(tǒng)與單片機教學目的 了解單片機的分類和發(fā)展歷史 了解單片機的特點及應用 掌握計算機中的數(shù)制及碼制 掌握微型計算機的基本結構與基本原理學習重點與難點 數(shù)制轉換和有符號數(shù)運算 微型計算機執(zhí)行程序的過程61.1 嵌入式系統(tǒng)計算機發(fā)展的經(jīng)歷單片機出現(xiàn)的意義1.1.1 嵌入式的概念嵌入式計算機系統(tǒng)是面對測控對象，嵌入到應用系統(tǒng)中的計算機系統(tǒng)的統(tǒng)稱，簡稱嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）7嵌入式系統(tǒng)的分類（p2）工業(yè)控制計算機通用cpu模塊嵌入式微處理機嵌入式微控制器基于cpu的c系統(tǒng)芯片形態(tài)的c系統(tǒng)8在通用微處理器（

3、mpu）的基礎上，添加mpu外圍單元和滿足測控要求的外圍接口電路1.2 單片機技術單片機的基本概念圖1.1 微機組成結構框圖 9圖1.2 單片機組成框圖10(1) 單板機：將微處理器(CPU)、存儲器、I/O接口電路以及簡單的輸入/輸出設備組裝在一塊印刷電路板上，稱其為單板微型計算機，簡稱單板機。(2) 單片機：將微處理器(CPU)、存儲器、I/O接口電路和相應實時控制器件集成在一塊芯片上，稱其為單片微型計算機，簡稱單片機。(3) 微型計算機：微處理器(CPU)、存儲器、I/O接口電路由總線有機地連接在一起的整體，稱為微型計算機。(4) 微型計算機系統(tǒng)：微型計算機與外圍設備、電源、系統(tǒng)軟件一起

4、構成的系統(tǒng)，稱為微型計算機系統(tǒng)。11(1) 通用微機的CPU主要面向數(shù)據(jù)處理，其發(fā)展主要圍繞數(shù)據(jù)處理功能、計算速度和精度的進一步提高。例如，現(xiàn)今微機的CPU都支持浮點運算，采用流水線作業(yè)，并行處理、多級高速緩沖(Cache)技術等。CPU的主頻達到數(shù)百兆赫茲(MHz)，字長普遍達到32位。單片機主要面向控制，控制中的數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)處理相對簡單，所以單片機的數(shù)據(jù)處理功能比通用微機相對要弱一些，計算速度和精度也相對要低一些。例如：現(xiàn)在的單片機產品的CPU大多不支持浮點運算，CPU還采用串行工作方式，其振蕩頻率大多在百兆赫茲范圍內;在一些簡單應用系統(tǒng)中采用4位字長的CPU，在中、小規(guī)模應用場合廣泛采

5、用8位字長單片機，在一些復雜的中、大規(guī)模的應用系統(tǒng)中才采用16位字長單片機，32位單片機產品目前應用得還不多。12(2) 通用微機中存儲器組織結構主要針對增大存儲容量和CPU對數(shù)據(jù)的存取速度。現(xiàn)今微機的內存容量達到了數(shù)百兆字節(jié)(MB)，存儲體系采用多體、并讀技術和段、頁等多種管理模式。單片機中存儲器的組織結構比較簡單，存儲器芯片直接掛接在單片機的總線上，CPU對存儲器的讀寫按直接物理地址來尋址存儲器單元，存儲器的尋址空間一般都為64 KB。13 (3) 通用微機中I/O接口主要考慮標準外設(如CRT、標準鍵盤、鼠標、打印機、硬盤、光盤等)。用戶通過標準總線連接外設，能達到即插即用。單片機應用系

6、統(tǒng)的外設都是非標準的，且千差萬別，種類很多。單片機的I/O接口實際上是向用戶提供的與外設連接的物理界面。用戶對外設的連接要設計具體的接口電路，需有熟練的接口電路設計技術。141.3單片機的特點(1) 單片機的存儲器ROM和RAM是嚴格區(qū)分的。ROM稱為程序存儲器，只存放程序、固定常數(shù)及數(shù)據(jù)表格。RAM則為數(shù)據(jù)存儲器，用作工作區(qū)及存放用戶數(shù)據(jù)。這樣的結構主要是考慮到單片機用于控制系統(tǒng)中，有較大的程序存儲器空間，把開發(fā)成功的程序固化在ROM中，而把少量的隨機數(shù)據(jù)存放在RAM中。這樣，小容量的數(shù)據(jù)存儲器能以高速RAM形式集成在單片機內，以加速單片機的執(zhí)行速度。但單片機內的RAM是作為數(shù)據(jù)存儲器用，而

7、不是當作高速緩沖存儲器(Cache)使用。15(2) 采用面向控制的指令系統(tǒng)。為滿足控制的需要，單片機有更強的邏輯控制能力，特別是具有很強的位處理能力。(3) 單片機的I/O引腳通常是多功能的。由于單片機芯片上引腳數(shù)目有限，為了解決實際引腳數(shù)和需要的信號線的矛盾，采用了引腳功能復用的方法。引腳處于何種功能，可由指令來設置或由機器狀態(tài)來區(qū)分。(4) 單片機的外部擴展能力強。在內部的各種功能部分不能滿足應用需求時，均可在外部進行擴展(如擴展ROM、RAM，I/O接口，定時器/計數(shù)器，中斷系統(tǒng)等)，與許多通用的微機接口芯片兼容，給應用系統(tǒng)設計帶來極大的方便和靈活性。16(5) 體積小，成本低，運用靈

8、活，易于產品化，它能方便地組成各種智能化的控制設備和儀器，做到機電一體化。(6) 面向控制，能針對性地解決從簡單到復雜的各類控制任務，因而能獲得最佳的性能價格比。(7) 抗干擾能力強，適用溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠地工作，這是其它類型計算機無法比擬的。(8) 可以方便地實現(xiàn)多機和分布式控制，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。17單片機的分類（p4-5）（1）按數(shù)據(jù)處理位數(shù)：4、8、16、32位（2）按適用范圍：通用型、專用型（3）按并行總線：總線型單片機、非總線型單片機181.4 單片機的發(fā)展概況（p3）4位單片機階段自1975年美國德克薩斯儀器公司首次推出4位單片機TMS-1

9、000后，各個計算機生產公司競相推出4位單片機。例如美國國家半導體公司(National Semiconductor)的COP402系列，日本電氣公司(NEC)的PD75XX系列，美國洛克威爾公司(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位單片機主要用于家用電器、電子玩具等。198位單片機階段 1976年9月，美國Intel公司首先推出了MCS-48系列8位單片機以后，單片機發(fā)展進入了一個新的階段，8位單片機紛紛應運而生。例如，莫斯特克(Mostek)和仙童(Fairchild)公司共同合作生產的3870(F8)系列，摩托羅拉(Moto

10、rola)公司的6801系列等。 在1978年以前各廠家生產的8位單片機，由于受集成度(幾千只管/片)的限制，一般沒有串行接口，并且尋址空間的范圍小(小于8 KB)，從性能上看屬于低檔8位單片機。20 隨著集成電路工藝水平的提高，在1978年到1982年期間集成度提高到幾萬只管/片，因而一些高性能的8位單片機相繼問世。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。這類單片機的尋址能力達64 KB，片內ROM容量達48 KB，片內除帶有并行I/O口外，還有串行I/O口，甚至某

11、些還有A/D轉換器功能。因此，把這類單片機稱為高檔8位單片機。21 在高檔8位單片機的基礎上，單片機功能進一步得到提高，近年來推出了超8位單片機。如Intel公司的8X252、UPI-45283C152，Zilog公司的Super8，Motorola公司的MC68HC等，它們不但進一步擴大了片內ROM和RAM的容量，同時還增加了通信功能、DMA傳輸功能以及高速I/O功能等。自1985年以來，各種高性能、大存儲容量、多功能的超8位單片機不斷涌現(xiàn)，它們代表了單片機的發(fā)展方向，在單片機應用領域發(fā)揮著越來越大的作用。 8位單片機由于功能強，被廣泛用于工業(yè)控制、智能接口、儀器儀表等各個領域。2216位單

12、片機段1983年以后，集成電路的集成度可達十幾萬只管/片，16位單片機逐漸問世。這一階段的代表產品有1983 年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司又推出的80C96，美國國家半導體公司推出的HPC16040和NEC公司推出的783XX系列等。 2316位單片機把單片機的功能又推向了一個新的階段。如MCS-96系列的集成度為12萬只管/片，片內含16位CPU、8 KB ROM、232字節(jié)RAM、5個8位并行I/O口、4個全雙工串行口、4個16位定時器/計數(shù)器、8級中斷處理系統(tǒng)。MCS-96系列還具有多種I/O功能，如高速輸入/輸出(HSIO)、脈沖寬度調制(PWM)輸

13、出、特殊用途的監(jiān)視定時器(Watchdog)等等。 16位單片機可用于高速復雜的控制系統(tǒng)。2432位單片機 近年來，各個計算機生產廠家已進入更高性能的32位單片機研制、生產階段。由于控制領域對32位單片機需求并不十分迫切，所以32位單片機的應用并不很多。 25 需要提及的是，單片機的發(fā)展雖然按先后順序經(jīng)歷了4位、8位、16位的階段，但從實際使用情況看，并沒有出現(xiàn)推陳出新、以新代舊的局面。4位、8位、16位單片機仍各有應用領域，如4位單片機在一些簡單家用電器、高檔玩具中仍有應用，8位單片機在中、小規(guī)模應用場合仍占主流地位，16位單片機在比較復雜的控制系統(tǒng)中才有應用。26單片機的發(fā)展趨勢（1）CM

14、OS化CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor）互補金屬氧化物半導體存儲器（是一種大規(guī)模應用于集成電路芯片制造的原料），是微機主板上的一塊可讀寫的RAM芯片，因為可讀寫的特性，所以在電腦主板上主要用來保存BIOS設置完電腦硬件參數(shù)后的數(shù)據(jù)，用來保存當前系統(tǒng)的硬件配置和操作人員對某些參數(shù)的設定。 27CHMOS(互補金屬氧化物HMOS)是CMOS和HMOS(高密度溝道MOS工藝)的結合,除了保持HMOS高速度和高密度之外,還有CMOS低功耗的特點. Cmos可由主板的電池供電，即使系統(tǒng)掉電，信息也不會丟失CHMOS和CMOS兩種器件的功能是完全兼容的,區(qū)別在CHMOS器件具有低功耗的特點. 28（2）高性能化： 由早期的復雜指令集（CISC）轉變?yōu)榈木喼噶罴≧ISC）結構和流水線技術（3）高可靠性（4）大容量化（5）多功能化（6