南京信息工程大學數(shù)理學院

13三月2024南京信息工程大學數(shù)理學院1緒論3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院一、什么是單片機1.計算機馮.諾依曼提出的電子計算機結構：

運算器（ALU）控制器（Controller)存儲器(Memory)輸入設備(Input)輸出設備(Output)3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院1946年2月15日，第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC問世，這標志著計算機時代的到來。（CALCULATOR）3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院這種計算機系統(tǒng)通常由多塊印刷電路板制成：多板機

主板顯卡聲卡存儲器接口網(wǎng)卡輸入輸出接口內(nèi)存條CPU3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院電子計算機技術的發(fā)展，相繼經(jīng)歷了五個時代：﹡電子管計算機；﹡晶體管計算機；﹡集成電路計算機；﹡大規(guī)模集成電路計算機；﹡超大規(guī)模集成電路計算機。光子計算機計算機的結構仍然沒有突破馮·諾依曼提出的計算機的經(jīng)典結構框架。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院1.1.2微型計算機的組成及其應用形態(tài)一、微型計算機的組成

1971年1月，INTEL公司的特德·霍夫在與日本商業(yè)通訊公司合作研制臺式計算器時，將原始方案的十幾個芯片壓縮成三個集成電路芯片。其中的兩個芯片分別用于存儲程序和數(shù)據(jù)，另一芯片集成了運算器和控制器及一些寄存器，稱為微處理器（即Intel4004）。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院微處理器、存儲器加上I/O接口電路組成微型計算機。各部分通過地址總線（AB）、數(shù)據(jù)總線（DB）和控制總線（CB）相連。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院二、微型計算機的應用形態(tài)從應用形態(tài)上，微型計算機可以分成三種：（1）多板機（系統(tǒng)機）將CPU、存儲器、I/O接口電路和總線接口等組裝在一塊主機板（即微機主板）上，再通過系統(tǒng)總線和其它多塊外設適配板卡連接鍵盤、顯示器、打印機、軟/硬盤驅動器及光驅等設備。各種適配板卡插在主機板的擴展槽上并與電源、軟/硬盤驅動器及光驅等裝在同一機箱內(nèi)，再配上系統(tǒng)軟件，就構成了一臺完整的微型計算機系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)機）。工業(yè)PC機也屬于多板機。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院這種計算機系統(tǒng)通常由多塊印刷電路板制成：多板機

主板顯卡聲卡存儲器接口網(wǎng)卡輸入輸出接口內(nèi)存條CPU3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院（2）單板機將CPU芯片、存儲器芯片、I/O接口芯片和簡單的I/O設備（小鍵盤、LED顯示器）等裝配在一塊印刷電路板上，再配上監(jiān)控程序（固化在ROM中），就構成了一臺單板微型計算機（簡稱單板機）。單板機圖片3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院單板機CPUCPU芯片內(nèi)存條存儲器接口存儲器芯片輸入輸出接口輸入輸出接口芯片定時計數(shù)器芯片A/D、D/A芯片3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院單板機的I/O設備簡單，軟件資源少，使用不方便。早期主要用于微型計算機原理的教學及簡單的測控系統(tǒng)，現(xiàn)在已很少使用。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院（3）單片機在一片集成電路芯片上集成微處理器、存儲器、I/O接口電路，從而構成了單芯片微型計算機，即單片機。三種應用形態(tài)的比較：單板機單片機系統(tǒng)機（多板機）3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院

單硅晶片CPU存儲器控制電路定時器時鐘電路I/O口單片機3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院單片機內(nèi)部結構示意圖

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系統(tǒng)機（桌面應用）屬于通用計算機，主要應用于數(shù)據(jù)處理、辦公自動化及輔助設計。

單片機（嵌入式應用）屬于專用計算機，主要應用于智能儀表、智能傳感器、智能家電、智能辦公設備、汽車及軍事電子設備等應用系統(tǒng)。單片機體積小、價格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應用形態(tài)對于滿足嵌入式應用需求具有獨特的優(yōu)勢。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院總結:單片機的概念何為單片機:將計算機的基本組成部分集成到一個芯片上或一個完全封裝的器件內(nèi)，一塊芯片構成一臺計算機，故稱單晶片微型計算機（簡稱單片機、嵌入式微控制器）。有一些單片機中除了上述部份外，還集成了其它功能部件如A/D，D/A等。單片機系統(tǒng)：單片機系統(tǒng)是在單片機芯片的基礎上擴展其他電路構成的具有一定功能的計算機應用系統(tǒng)。它是以單片機為核心的系統(tǒng)。亦稱嵌入式系統(tǒng)。單片機的特點：結構簡單，體積小性價比高可靠性高，功耗小應用范圍廣泛，開發(fā)方便3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院1.2單片機的發(fā)展過程及產(chǎn)品近況1.2.1單片機的發(fā)展過程單片機技術發(fā)展過程可分為三個主要階段：

（1）單芯片微機形成階段

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機。

8位CPU、1K字節(jié)ROM、64字節(jié)RAM、27根I/O線和1個8位定時/計數(shù)器。

特點是：存儲器容量較小，尋址范圍?。ú淮笥?K），無串行接口，指令系統(tǒng)功能不強。

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（2）性能完善提高階段

1980年，Intel公司推出了MCS-51系列單片機：8位CPU、4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、4個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數(shù)器。尋址范圍64K，并有控制功能較強的布爾處理器。

特點是：結構體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點進一步突出。現(xiàn)在，MCS-51已成為公認的單片機經(jīng)典機種。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院

（3）微控制器化階段

1982年，Intel推出MCS-96系列單片機。芯片內(nèi)集成：16位CPU、8K字節(jié)ROM、232字節(jié)RAM、5個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數(shù)器。尋址范圍64K。片上還有8路10位ADC、1路PWM輸出及高速I/O部件等。

特點是：片內(nèi)面向測控系統(tǒng)外圍電路增強，使單片機可以方便靈活地用于復雜的自動測控系統(tǒng)及設備?！拔⒖刂破鳌钡姆Q謂更能反應單片機的本質。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院1.2.2單片機產(chǎn)品近況

（1）80C51系列單片機產(chǎn)品繁多，主流地位已經(jīng)形成，近年來推出的與80C51兼容的主要產(chǎn)品有：﹡ATMEL公司融入Flash存儲器技術的AT89系列；﹡Philips公司的80C51、80C552系列；﹡華邦公司的W78C51、W77C51高速低價系列；﹡ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列；﹡LG公司的GMS90/97低壓高速系列；﹡Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；﹡Cygnal公司的C8051F系列高速SOC單片機。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院

（2）非80C51結構單片機新品不斷推出，給用戶提供了更為廣泛的選擇空間，近年來推出的非80C51系列的主要產(chǎn)品有：﹡Intel的MCS-96系列16位單片機；﹡Microchip的PIC系列RISC單片機；﹡TI的MSP430F系列16位低功耗單片機。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院1.3單片機的特點及應用領域1.3.1單片機的特點

（1）控制性能和可靠性高

實時控制功能特別強，其CPU可以對I/O端口直接進行操作，位操作能力更是其它計算機無法比擬的。另外，由于CPU、存儲器及I/O接口集成在同一芯片內(nèi)，各部件間的連接緊湊，數(shù)據(jù)在傳送時受干擾的影響較小，且不易受環(huán)境條件的影響，所以單片機的可靠性非常高。近期推出的單片機產(chǎn)品，內(nèi)部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低電壓、低功耗、串行擴展總線、控制網(wǎng)絡總線和開發(fā)方式（如在系統(tǒng)編程ISP）等方面都有了進一步的增強。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院（2）體積小、價格低、易于產(chǎn)品化

單片機芯片即是一臺完整的微型計算機，對于批量大的專用場合，一方面可以在眾多的單片機品種間進行匹配選擇，同時還可以專門進行芯片設計，使芯片的功能與應用具有良好的對應關系。在單片機產(chǎn)品的引腳封裝方面，有的單片機引腳已減少到8個或更少，從而使應用系統(tǒng)的印制板減小、接插件減少、安裝簡單方便。具有控制性能和可靠性高良好的性能價格比。這是單片機得以廣泛應用的重要原因。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院1.3.2單片機的應用領域

（1）智能儀器儀表

單片機用于各種儀器儀表，一方面提高了儀器儀表的使用功能和精度，使儀器儀表智能化，同時還簡化了儀器儀表的硬件結構，從而可以方便地完成儀器儀表產(chǎn)品的升級換代。如各種智能電氣測量儀表、智能傳感器等。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院（2）機電一體化產(chǎn)品機電一體化產(chǎn)品是集機械技術、微電子技術、自動化技術和計算機技術于一體，具有智能化特征的各種機電產(chǎn)品。單片機在機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)中可以發(fā)揮巨大的作用。典型產(chǎn)品如機器人、數(shù)控機床、自動包裝機、點鈔機、醫(yī)療設備、打印機、傳真機、復印機等。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院（3）實時工業(yè)控制單片機還可以用于各種物理量的采集與控制。電流、電壓、溫度、液位、流量等物理參數(shù)的采集和控制均可以利用單片機方便地實現(xiàn)。在這類系統(tǒng)中，利用單片機作為系統(tǒng)控制器，可以根據(jù)被控對象的不同特征采用不同的智能算法，實現(xiàn)期望的控制指標，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。典型應用如電機轉速控制、溫度控制、自動生產(chǎn)線等。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院（4）分布式系統(tǒng)的前端模塊

在較復雜的工業(yè)系統(tǒng)中，經(jīng)常要采用分布式測控系統(tǒng)完成大量的分布參數(shù)的采集。在這類系統(tǒng)中，采用單片機作為分布式系統(tǒng)的前端采集模塊，系統(tǒng)具有運行可靠，數(shù)據(jù)采集方便靈活，成本低廉等一系列優(yōu)點。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院（5）家用電器家用電器是單片機的又一重要應用領域，前景十分廣闊。如空調器、電冰箱、洗衣機、電飯煲、高檔洗浴設備、高檔玩具等。

另外，在交通領域中，汽車、火車、飛機、航天器等均有單片機的廣泛應用。如汽車自動駕駛系統(tǒng)、航天測控系統(tǒng)、黑匣子等

。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院1.4單片機應用系統(tǒng)開發(fā)簡介1.4.1單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)

正確無誤的硬件設計和良好的軟件功能設計是一個實用的單片機應用系統(tǒng)的設計目標。完成這一目標的過程稱為單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)。

單片機作為一片集成了微型計算機基本部件的集成電路芯片，與通用微機相比，它自身沒有開發(fā)功能，必須借助開發(fā)機（一種特殊的計算機系統(tǒng)）來完成如下任務：﹡排除應用系統(tǒng)的硬件故障和軟件錯誤；﹡程序固化到內(nèi)部或外部程序存儲器芯片中。

3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院（1）指令的表示形式指令是讓單片機執(zhí)行某種操作的命令。在單片機內(nèi)部，指令按一定的順序以二進制碼的形式存放于程序存儲器中。二進制碼是計算機能夠直接執(zhí)行的機器碼（或稱目標碼）。為了書寫、輸入和顯示方便，人們通常將機器碼寫成十六進制形式。如二進制碼00000100B可以表示為04H。04H所對應的指令意義是累加器A的內(nèi)容加1。若寫成INCA則要清楚得多，這就是該指令的符號表示，稱為符號指令。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院（2）匯編或編譯

符號指令要轉換成計算機所能執(zhí)行的機器碼并存入計算機的程序存儲器中，這種轉換稱為匯編。常用的匯編方法有三種：一是手工匯編；二是利用開發(fā)機的駐留匯編程序進行匯編；三是交叉匯編。還可以采用高級語言（如C51）進行單片機應用程序的設計。這種方法具有周期短、移植和修改方便的優(yōu)點，適合于較為復雜系統(tǒng)的開發(fā)。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院（1）利用獨立型仿真器開發(fā)3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院（2）利用非獨立型仿真器開發(fā)

3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院1.4.3單片機開發(fā)方式的發(fā)展

SST公司推出的SST89C54和SST89C58芯片分別有20KB和30KB的SuperFLASH存儲器，利用這種存儲器可以進行高速讀/寫的特點，能夠實現(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應用編程（IAP）功能。首先在PC機上完成應用程序的編輯、匯編（或編譯）、模擬運行，然后實現(xiàn)目標程序的串行下載。3/13/2024南京信息工程大學數(shù)理學院

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