第一章單片機原理及應用

單片機原理及應用

2010年平均每人每天要接觸多達351個甚至更多個微控制器。

數(shù)據(jù)來源：SEMICO單片機技術的應用遍布國民經(jīng)濟與人民生活的各個領域課程性質、目的和任務MCS-51系列單片機基本組成和工作原理單片機小系統(tǒng)的外圍設計和軟件編寫能獨立完成簡單單片機系統(tǒng)的開發(fā)工作工科電類專業(yè)計算機應用課程之一，工科學生應用計算機硬件知識、匯編語言程序設計和電路理論進行綜合設計的工程應用課程。學習和掌握涉及內(nèi)容MCS-51的基本硬件結構指令系統(tǒng)匯編語言程序設計定時/計數(shù)器中斷系統(tǒng)串行口存儲器接口設計單片機的作用單片機電路理論自動控制數(shù)字邏輯電路C語言微機原理工業(yè)控制、智能儀表、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、智能家電等應用對單片機學習建議

1對非計算機專業(yè)，學習本課程目的在于

應用單片機，學習原理主要是了解如何用

2單片機是一塊需編程的電路IC芯片

學習要硬件與軟件兼顧，二者相結合

3單片機是實踐性較強的課程

通過大量的編程和實驗才能真正單片機的應用第一章單片微型計算機概述及預備知識

1.1單片機的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢

1.2計算機的數(shù)制和碼制及其數(shù)制間轉換

1.3計算機中數(shù)的表示方法

1.4計算機的二進制數(shù)運算

1.5常用的單片機產(chǎn)品

1.6單片機的應用與選擇電子計算機是一種能夠高速而精確地進行數(shù)據(jù)處理的機器。計算機的發(fā)展分為四個時代：第一代計算機是電子管時代

1946年美國賓夕法尼亞大學發(fā)明的ENIAC，用了18800只電子管，150平方米、30t、100kw、運算速度為5000次/秒。第二代計算機是晶體管時代

1957年美國研制了第一臺晶體管計算機TRANSACS-1000；主存貯器為磁芯存貯器，輔存貯器為磁盤、軟件已開始使用高級程序設計語言和操作系統(tǒng)。一、計算機的發(fā)展概況第四代計算機是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路時代

1971年IBM370

主要存貯器為半導體存貯器第三代計算機是中、小規(guī)模集成電路時代

1964年IBM推出的IBM360電子計算機發(fā)展趨勢微型化─便攜式、低功耗、高性價比巨型化─尖端科技領域的信息處理，需要超大容量、高速度網(wǎng)絡化─網(wǎng)絡計算機和信息高速公路多機系統(tǒng)─大型設備、生產(chǎn)流水線集中管理(獨立控制、故障分散、資源共享)系列化、標準化─多分支發(fā)展系列化，各種計算機硬、軟件標準化便于兼容和升級智能化─模擬人類大腦思維和交流方式，多種處理能力電子計算機是模仿人腦部分功能的一種工具，故俗稱“電腦”。設想一下：人用算盤來計算2436+3748-4569的過程，把算盤記為R，則計算過程為：二、計算機的系統(tǒng)組成5、記錄（R）結果6、停止計算1、0R2、2436R4、(R）-4569R3、(R)+3748R若用電子計算機模擬上述解題過程，計算機必須具備以下條件：1、機器內(nèi)必須有相當于算盤的運算器；2、為了保存和記錄原始數(shù)據(jù)、解題程序和運算的中間結果，機器內(nèi)必須有容量足夠大的存貯器；3、必須按照解題程序指揮、控制各個部件協(xié)同工作的控制器；4、必須具備將數(shù)據(jù)和程序送入機器內(nèi)部的輸入設備和給出計算結果的輸出設備。運算器、控制器、存貯器、輸入/輸出設備是計算機賴以工作的物質基礎，稱為硬件。當然只有硬件，而沒有必要的程序，則計算機什么也干不了的，計算機中的程序稱為軟件。指令——執(zhí)行某種操作的命令。程序——完成某種功能的一組指令。程序設計——編制解題程序的過程。三、單片機的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢1、單片機的發(fā)展歷史第一階段（1974~1976）：單片機采用雙片形式，即需另加其它外圍電路才能構成完整的微型計算機。eg:仙童公司的F8+3851第二階段（1976~1978）：低性能的單片機階段。單片機由一片芯片構成，性能低。eg:MCS-48(Intel)；8048，8035(I/O少，存貯器容量小)；第三階段（1978~）：高性能單片機階段。CPU、并行口、串行口、定時器、RAM、ROM、A/D、多級中斷處理，RAM、ROM容量大，I/O種類數(shù)量多，尋址范圍大。

eg:MCS-51—8031、Motorona—6801、Zilog—Z8第四階段（1982~）

8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機推出。

eg:MCS-51—8031，MCS-96—8096（8098）19%30%45%6%2001數(shù)據(jù)來源：ICINSIGHTS貿(mào)易總額96.6億美元23%29%43%6%200293.5億美元27%28%40%5%2003103.9億美元31%27%37%5%2004122.8億美元圖：世界微控制器分類市場的變化32位機16位機8位機4位機2、單片機的發(fā)展趨勢（一）CPU功能的增強（二）內(nèi)部資源增多

a、加大存貯容量。a、雙CPU提高處理能力。b、增加數(shù)據(jù)總線寬度。

NECPD—7800系列，內(nèi)部采用16位數(shù)據(jù)總線。c、采用流水線結構。指令以隊列形式出現(xiàn)在CPU中。d、串行總線。SPI、I2C

用三條數(shù)據(jù)總線代替8位數(shù)據(jù)總線，減少引線，降低成本。b、片內(nèi)EPROM開始EEPROM化。鑒于EEPROM中數(shù)據(jù)寫入后就能永久保存，因此，有的單片機將它作為片內(nèi)RAM使用，有的甚至作片內(nèi)通用寄存器。c、I/O數(shù)量、能力增強（驅動能力，傳輸速度、控制能力）（四）低功耗化（三）外圍電路內(nèi)裝化（五）信息保密性1.5常用的單片機產(chǎn)品目前生產(chǎn)單片機的廠商主要有Intel公司、Motorola公司、Philips公司、ATMEL公司、WinBond公司、Microchip公司、AMD公司、Zilog公司等，產(chǎn)品型號規(guī)格眾多，性能各具特色。型號ROM/EPROMRAM時鐘速度(MHz)I/O線定時器/計數(shù)器串行口中斷源PCA通道A/D通道保密位省電方式8031AH128B1232215008051AH4KB128B12322150008751BH4KB128B12322150028032AH256B1232316008052AH8KB256B12323160008752BH8KB256B123231600287C514KB128B122432215003√80C32256B12243231600√80C528KB256B122432316001√87C528KB256B122432316003√80C5416KB256B122432316001√87C5416KB256B122432316003√87C5832KB256B122432316003√80C51GB256B12,16483115108√87C51GB8KB256B12,164831151083√單片機主要生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品公司典型產(chǎn)品系列主要產(chǎn)品Intel公司MCS-48MCS-51MCS-96804880518096Philips

與MCS-51兼容：P87P8980C55283C552MotoralaMC68系列MC68HC05ATMEL與MCS-51兼容AT89XX89C5189C52MicroChipPIC165X系列PIC16C55/16C56ZilogZ8系列Z86C06/C21LGGMS97CXXGMS97C65最常用的8051單片機單片機開發(fā)系統(tǒng)常用單片機燒錄器單片機系統(tǒng)圖例PhilipsP89C511.6單片機的應用與選擇一、單片機的特點

（1）小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化，能方便地組成各種智能化控制設備和儀器，做到機電一體化。（2）可靠性高、適用的溫度范圍寬（3）易擴展、控制功能強（4）指令系統(tǒng)相對簡單，較易掌握（5）抗干擾能力強（6）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。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。工業(yè)控制。單片機可以構成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。如數(shù)控機床、自動生產(chǎn)線控制、電機控制、溫度控制等。儀器儀表。如智能儀器、醫(yī)療器械、數(shù)字示波器等。計算機外部設備與智能接口。如圖形終端機、傳真機、復印機、打印機、繪圖儀、磁盤/磁帶機、智能終端機等。二、單片機的應用領域(4)商用產(chǎn)品。如自動售貨機、電子收款機、電子秤等。(5)家用電器。如微波爐、電視機、空調(diào)、洗衣機、錄像機、音響設備等。(6)計算機網(wǎng)絡與通信產(chǎn)品：交換機、HUB。(7)其它方面：汽車電子、航空航天電子等，特別適合于嵌入式微型機應用系統(tǒng)。三、單片機應用系統(tǒng)的結構1、基本系統(tǒng)2、擴展系統(tǒng)復位時鐘單片機輸入輸出設備單片機+輸入/輸出設備無擴展的ROM，RAM，I/O等。

單片機內(nèi)部資源有限，要求較高的單片機系統(tǒng)需外擴展ROM、RAM、I/O，甚至A/D、D/A等。復位時鐘電源單片機ROMRAMA/D串行接口并行接口D/ABUS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。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。微機與單片機的區(qū)別：微機組成結構框圖單片機組成框圖嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）

嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積及功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是設計完成復雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機系統(tǒng)。術語“嵌入式”反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個完整的部分，稱為嵌入的系統(tǒng)。嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個嵌入式系統(tǒng)。

單片機一般又稱為微控制器MicrocontrollerUnit，（區(qū)別于微處理器MicroprocessorUnit）,單片機因為幾乎都應用于專用的嵌入式系統(tǒng)，所以又被稱為嵌入式微控制器。而微處理器則有我們熟知用于PC機的IntelPentium等，也有用于嵌入式系統(tǒng)的MIPS、PowerPC等。新概念介紹：1、軟件方面這應該是最大的區(qū)別了。引入了操作系統(tǒng)。為什么引入操作系統(tǒng)？有什么好處嘛？1）方便。主要體現(xiàn)在后期開發(fā)，即在操作系統(tǒng)上直接開發(fā)應用程序。不像單片機一樣一切都要重新寫。前期的操作系統(tǒng)移植工作，還是要專業(yè)人士來做。2）安全。這是LINUX的特點。LINUX的內(nèi)核與用戶空間