專業(yè)導(dǎo)論單片機(jī)

1、專 業(yè) 導(dǎo) 論 -單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng) 范 莉 莉?qū)W科體系結(jié)構(gòu)數(shù)字電路基礎(chǔ)模擬電路基礎(chǔ)信號(hào)與系統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)電路分析原理計(jì)算機(jī)接口技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)光纖通信移動(dòng)通信程控交換技術(shù)多媒體技術(shù)語(yǔ)音信號(hào)處理數(shù)字圖象處理微機(jī)原理與應(yīng)用高頻電子線路通信原理數(shù)字信號(hào)處理信息論與編碼微機(jī)技術(shù)的兩大分支： 微控制器MCU： 把微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)功能部件，如中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、I/O接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及串行通信接口集成到一塊芯片中，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)，稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。MCU的發(fā)展是為了滿足被控制對(duì)象的要求，向高可靠性、低功耗、低成本發(fā)展 ，

2、一般MCU的引腳數(shù)在60以下，MCU以8位機(jī)為主、32位機(jī)為輔。有趨勢(shì)提高M(jìn)CU的運(yùn)算功能，將DSP集成到MCU中，比如32位的MC68356集成了Motorola的DSP56002。微處理器MPU： MPU的發(fā)展動(dòng)力是人類對(duì)無(wú)止境的海量數(shù)值運(yùn)算的需求，速度越來(lái)越快 。DSP（Digital Signal Processor） ：是在模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)以后進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的專用處理器，其處理速度比最快的CPU還快1050倍，DSP是MCU的一種特殊變形 。單片機(jī)的發(fā)展歷史第一階段(19711974年)：1971年11月美國(guó)Intel公司首先設(shè)計(jì)成集成度為2000只晶體管片的4位微處理器In

3、tel4004，并目配有隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM，只讀存儲(chǔ)器ROM和移位寄存器等芯片，構(gòu)成第一臺(tái)MCS-4微型計(jì)算機(jī)。1972年4月Intel公司又研制成了功能較強(qiáng)的8位微處理器-Intel8008，在此期間Fairchjld公司也研制成F8微處理器； 第二階段(19741978年)：初級(jí)單片機(jī)階段。以Intel公司的MCS-48為代表，這個(gè)系列的單片機(jī)內(nèi)集成有8位CPU、并行IO、8位定時(shí)器計(jì)數(shù)器，尋址范圍不大干4K，且無(wú)串行口；第三階段(1978一l 983年)：高性能單片機(jī)階段。在這一階段推出的單片機(jī)普遍帶有串行口，有多級(jí)中斷處理系統(tǒng)、76位定時(shí)器計(jì)數(shù)器。片內(nèi)RAM、ROM容量加大，旦尋址范

4、圍可達(dá)64K字節(jié)，有的片內(nèi)還帶有AD轉(zhuǎn)換器接口。這類單片機(jī)有Intel公司的MCS-5l，Motorola公司的680I和zilog公司的z8等；第四階段(1983年至今)：8位單片機(jī)鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)推出階段。此階段主要特征是一方面發(fā)展16位單片機(jī)及專用單片機(jī)；另一方面不斷完善高檔8位單片機(jī)，改善其結(jié)構(gòu)，以滿足不同的用戶需要。單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域1、單片應(yīng)用 （1）測(cè)控系統(tǒng)。用單片機(jī)可以構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。 （2）智能儀表。用單片機(jī)改造原有的測(cè)量、控制儀表，能促進(jìn)儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化發(fā)展。如溫度、壓力、流量、濃度顯示、控制儀表等。通

5、過采用單片機(jī)軟件編程技術(shù)，使長(zhǎng)期以來(lái)測(cè)量?jī)x表中的誤差修正、線性化處理等難題迎刃而解。 （3）機(jī)電一體化產(chǎn)品。單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)合，使傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，控制智能化，構(gòu)成新一代的機(jī)、電一體化產(chǎn)品。例如，在電傳打字機(jī)的設(shè)計(jì)中由于采用了單片機(jī)，取代了近干個(gè)機(jī)械部件；在數(shù)控機(jī)床的簡(jiǎn)易控制機(jī)中，采用單片機(jī)可提高可靠性及增強(qiáng)功能，降低控制機(jī)成木。 （4）智能接口：在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，特別是較大型的工業(yè)測(cè)、控系統(tǒng)中，如果用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理，單片機(jī)與主機(jī)可并行工作，從而大大提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。例如，在大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，使用單片機(jī)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行控制不僅可提高采集速度，還可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理如數(shù)字

6、濾波、線性化處理、誤差修正等。2、多機(jī)應(yīng)用 單片機(jī)的客機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可分為功能集散系統(tǒng)、并行客機(jī)處理及局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 （1）功能集散系統(tǒng)。多功能集版系統(tǒng)是為了滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能要求而設(shè)置的多機(jī)系統(tǒng)。例如一個(gè)加工中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)除完成機(jī)床加工運(yùn)行控制外，還要控制對(duì)刀系統(tǒng)、坐標(biāo)指示、刀庫(kù)管理、狀態(tài)監(jiān)視、伺服驅(qū)動(dòng)等機(jī)構(gòu)。 （2）并行多機(jī)控制系統(tǒng)。并行多機(jī)控制系統(tǒng)主要解決工程應(yīng)用系統(tǒng)的快速性問題，以便構(gòu)成大型實(shí)時(shí)工程應(yīng)用系統(tǒng)，典型的有快速并行數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)、實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)等。（3）局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前單片機(jī)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是分布式測(cè)、控系統(tǒng)，單片機(jī)主要用于系統(tǒng)中的通信控制，以及構(gòu)成各種測(cè)、控系統(tǒng)

7、。DSP的發(fā)展歷程分為三個(gè)階段：第一階段：70年代，有人提出了DSP的理論和算法基礎(chǔ)。但那時(shí)的DSP僅僅停留在教科書上，即使是研制出來(lái)的DSP系統(tǒng)也是由分立元件組成的，其應(yīng)用領(lǐng)域僅局限于軍事、航空航天部門；第二階段：1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。這種DSP器件采用微米工藝NMOS技術(shù)制作，雖功耗和尺寸稍大，但運(yùn)算速度卻比MPU快了幾十倍，尤其在語(yǔ)音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。DSP芯片的問世是個(gè)里程碑，它標(biāo)志著DSP應(yīng)用系統(tǒng)由大型系統(tǒng)向小型化邁進(jìn)了一大步； 第三階段：90年代DSP發(fā)展最快，相繼出現(xiàn)了第四代和第五代DSP器件?，F(xiàn)在的DSP屬于第五代產(chǎn)品，它與第四代相比，系統(tǒng)集成度

8、更高，將DSP芯核及外圍元件綜合集成在單一芯片上。這種集成度極高的DSP芯片不僅在通信、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域大顯身手，而且逐漸滲透到人們?nèi)粘ＯM(fèi)領(lǐng)域；DSP的應(yīng)用領(lǐng)域 數(shù)字蜂窩電話 數(shù)字蜂窩電話是DSP最為重要的應(yīng)用領(lǐng)域 ：如GSM、CDMA等全數(shù)字蜂窩電話網(wǎng)； 調(diào)制解調(diào)技術(shù)（Modem） 如ADSLModem，其傳輸速率已高達(dá)6.3Mbps ；個(gè)人電腦（PC機(jī)） 可編程多媒體DSP是PC領(lǐng)域的主流產(chǎn)品 ，以XDSLModem為代表的高速通信技術(shù)與MPEG圖像技術(shù)相結(jié)合，使得高品位的音頻和視頻形式的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)有可能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交換； 消費(fèi)類電子產(chǎn)品 如數(shù)字音響設(shè)備，一種是JPEG標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)處理DSP

9、；另一種是用于動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)處理的DSP。 DSP技術(shù)發(fā)展 系統(tǒng)級(jí)集成DSP是潮流 TI公司的TMS320C80代表當(dāng)今DSP領(lǐng)域中的最高水平，它在一塊芯片上集成了4個(gè)DSP、1個(gè)RISC處理器、1個(gè)傳輸控制器、2個(gè)視頻控制器，這樣的芯片通常稱之為MVP（多媒體視頻處理器），它可支持各種圖像規(guī)格和各種算法，功能相當(dāng)強(qiáng)。 可編程DSP是主導(dǎo)產(chǎn)品 可編程DSP給生產(chǎn)廠商提供了很大的靈活性。生產(chǎn)廠商可在同一個(gè)DSP平臺(tái)上開發(fā)出各種不同型號(hào)的系列產(chǎn)品，以滿足不同用戶的需求。同時(shí)，可編程DSP也為廣大用戶提供了易于升級(jí)的良好途徑。 追求更高的運(yùn)算速度 目前一般的DSP運(yùn)算速度為100MIPS，即每秒鐘可運(yùn)

10、算1億條指令。按照CMOS的發(fā)展趨勢(shì)，DSP的運(yùn)算速度再提高100倍（達(dá)到1600GIPS）是完全有可能的。 定點(diǎn)DSP是主流 嵌入式系統(tǒng) 定義： 嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，有計(jì)算機(jī)功能但又不稱之為計(jì)算機(jī)的設(shè)備或器材。它是以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減的，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨(dú)立工作的“器件”。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用： 嵌入式系統(tǒng)幾乎包括了生活中的所有電器設(shè)備，如掌上PDA、移動(dòng)計(jì)算設(shè)備、電視機(jī)頂盒、手機(jī)上網(wǎng)、數(shù)字電 視、多媒體、汽車、微波爐、數(shù)字相機(jī)、家庭自

11、動(dòng)化系統(tǒng)、電梯、空調(diào)、安全系統(tǒng)、自動(dòng)售貨機(jī)、蜂窩式電話、消費(fèi)電子設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化儀表與醫(yī)療儀器等。嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嵌入式硬件平臺(tái)嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式應(yīng)用軟件軟件硬件 嵌入式系統(tǒng)的硬件部分： 包括處理器/微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和I/O端口、圖形控制器等。嵌入式系統(tǒng)有別于一般的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，它不具備像硬盤那樣大容量的存儲(chǔ)介質(zhì)，而大多使用EPROM、EEPROM或閃存(Flash Memory)作為存儲(chǔ)介質(zhì)。 嵌入式軟件部分： 操作系統(tǒng)軟件：控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用； 應(yīng)用程序軟件：嵌入式應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為；嵌入式處理器嵌入式微處理器一般具備4個(gè)特點(diǎn)：(1) 對(duì)實(shí)時(shí)和多任務(wù)

12、有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度；(2)具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷；(3) 可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以能迅速地?cái)U(kuò)展出滿足應(yīng)用的高性能的嵌入式微處理器；(4) 嵌入式微處理器的功耗必須很低，尤其是用于便攜式的無(wú)線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，功耗只能為mW甚至W級(jí)。 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)(包括硬、軟件系

13、統(tǒng))極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等Browser。特點(diǎn)：具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，如能夠有效管理越來(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)資源；能夠把硬件虛擬化，使得開發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動(dòng)程序移植和維護(hù)中解脫出來(lái)；能夠提供庫(kù)函數(shù)、驅(qū)動(dòng)程序、工具集以及應(yīng)用程序。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展 第一階段是無(wú)操作系統(tǒng)的嵌入算法階段，是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)，同時(shí)具有與監(jiān)測(cè)、伺服、指示設(shè)備相配合的功能； 第二階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)； 第三階段是通用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段，是以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)；第四階段是以基于Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段；嵌入式操作系統(tǒng)的種類按照功能可以分為兩類：1