《單片機系統(tǒng)設(shè)計及工程應(yīng)用》課件第1章

1.1單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點1.2單片機的發(fā)展與分類1.3單片機技術(shù)的發(fā)展趨勢1.4單片機的應(yīng)用領(lǐng)域習(xí)題1所謂單片機(SingleChipMicrocomputer)，是指在一塊芯片中，集成有中央處理器(CPU)、存儲器(RAM和ROM)、基本I/O端口以及定時器/計數(shù)器等部件并具有獨立指令系統(tǒng)的智能器件，即在一塊芯片上實現(xiàn)一臺微型計算機的基本功能，其基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。1.1單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點圖1.1單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

1．中央處理器CPU

CPU是單片機的核心部件，由運算器和控制器組成，完成算術(shù)運算和邏輯操作，單片機的字長有4位、8位、16位和32位之分，字長越長運算速度越快，數(shù)

據(jù)處理能力也越強。

2．存儲器

通常單片機存儲器采用哈佛結(jié)構(gòu)，即ROM和RAM存儲器是分開編址的。ROM存儲器容量較大，RAM存儲器的容量較小。

1)ROM存儲器

ROM存儲器一般有1～32KB，用于存放應(yīng)用程序，故又稱為程序存儲器。由于單片機主要應(yīng)用于控制系統(tǒng)，通常嵌入被控對象中，因此一旦該系統(tǒng)研制成功，其硬件和應(yīng)用程序均已定型。為了提高系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)用程序通常固化在片內(nèi)ROM中。根據(jù)片內(nèi)ROM的結(jié)構(gòu)，單片機又可分為無ROM型、ROM型、EPROM型和E2PROM型。近年來，又出現(xiàn)了Flash型ROM存儲器。

無ROM型的單片機片內(nèi)不集成ROM存儲器，故應(yīng)用程序必須固化到外部ROM存儲器芯片中，才能構(gòu)成有完整功能的單片機應(yīng)用系統(tǒng)。ROM型單片機內(nèi)部程序存儲器是

采用掩膜工藝制成的，程序一旦固化進去便不能修改。EPROM型單片機內(nèi)部程序存儲器是采用特殊FAMOS管構(gòu)成的，程序?qū)懭牒螅赏ㄟ^紫外線擦除，重新寫入。而E2PROM型單片機內(nèi)部程序存儲器可以直接用電信號編程和擦除，使用起來十分方便，深受開發(fā)設(shè)計人員歡迎。

2)RAM存儲器

通常，單片機片內(nèi)RAM存儲器容量為64～256B，有的可達48KB。RAM存儲器主要用來存放實時數(shù)據(jù)或作為通用寄存器、堆棧和數(shù)據(jù)緩沖器之用。

3．I/O接口和特殊功能部件

I/O接口電路有串行和并行兩種。串行I/O用于串行數(shù)據(jù)傳輸，它可以把單片機內(nèi)部的并行數(shù)據(jù)變成串行數(shù)據(jù)向外傳送，也可以串行接收外部送來的數(shù)據(jù)，并把它們變成并行數(shù)據(jù)送給CPU處理。并行I/O端口可以使單片機和存儲器或外設(shè)之間實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳送。通常，特殊功能部件包括定時器/計數(shù)器、A/D、D/A、DMA通道、系統(tǒng)時鐘、中斷系統(tǒng)和串行通信接口等模塊。定時器/計數(shù)器用于產(chǎn)生定時脈沖，以實現(xiàn)單片機的定時控制；A/D和D/A轉(zhuǎn)換器用于模擬量和數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換，以完成實時數(shù)據(jù)的采集和控制；DMA通道可以使單片機和外設(shè)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳送；串行通信接口可以很方便地實現(xiàn)單片機系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信?？傊?，某一單片機內(nèi)部究竟包括哪些特殊功能部件，以及特殊功能部件的數(shù)量，便確定了其應(yīng)用領(lǐng)域。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，如果是簡單的控制對象，只需利用單片機作為控制核心構(gòu)成最小系統(tǒng)，不需另外增加外部電路就能完成。對于較復(fù)雜的系統(tǒng)，需要對單片機進行某些擴展，使用十分方便。單片機及應(yīng)用系統(tǒng)歸納起來有以下特點：(1)單片機具有獨立的指令系統(tǒng)，可以將我們的設(shè)計思想充分體現(xiàn)出來，使產(chǎn)品智能化。

(2)系統(tǒng)配置以滿足控制對象的要求為出發(fā)點，使得系統(tǒng)具有較高的性能價格比。

(3)應(yīng)用系統(tǒng)通常將程序駐留在片內(nèi)(外)ROM中，抗干擾能力強，可靠性高，使用方便。

(4)單片機本身不具有自我開發(fā)能力，一般需借助專用的開發(fā)工具進行系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試，但最終形成的產(chǎn)品簡單實用，成本低，效益高。

(5)應(yīng)用系統(tǒng)所用存儲器芯片可選用EPROM、E2PROM、OTP芯片或利用掩膜形式生產(chǎn)，便于批量生產(chǎn)和應(yīng)用。大多單片機如51系列，開發(fā)芯片和擴展應(yīng)用芯片相互配套，降低了系統(tǒng)成本。

(6)由于系統(tǒng)小巧玲瓏，控制功能強、體積小，便于嵌入被控設(shè)備內(nèi)，大大推動了產(chǎn)品的智能化。如數(shù)控機床、機器人、智能儀器儀表、洗衣機、電冰箱、電視機等都是典型的機電一體化設(shè)備和產(chǎn)品。1.2.1單片機的發(fā)展

單片機是隨著微型計算機、單板機的發(fā)展及其在智能測控系統(tǒng)中的應(yīng)用而發(fā)展起來的。以8位單片機芯片出現(xiàn)開始，大致可歸納為4個階段。

第1階段：低性能單片機階段(1976～1980年)。該階段是以較簡單的8位低檔單片機為主，將原有的單板機功能集成在一塊芯片上，使該芯片具有原來單板機的功能。

其主要代表芯片為Intel公司的MCS-48系列，該芯片內(nèi)集成了8位CPU、并行I/O接口、8位定時器/計數(shù)器，尋址范圍為4KB，沒有串行通信接口。1.2單片機的發(fā)展與分類第2階段：高性能單片機階段(1980～1983年)。該階段仍以8位機為主，主要增加了串行口、多級中斷處理系統(tǒng)、16位定時器/計數(shù)器，除片內(nèi)RAM、ROM容量加大外，

片外尋址范圍達64KB，有的片內(nèi)還集成有A/D、D/A轉(zhuǎn)換器。這一階段單片機以Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的6801系列和Zilog公司的Z8系列為代表。上述機型由于功能強，使用方便，目前仍被廣泛應(yīng)用。

第3階段：(1983年～20世紀80年代末)，推出了高性能的16位單片機。性能更加完善，主頻速率提高，運算速度加快，具有很強的實時處理能力，更加適用于速度快、精度高、

響應(yīng)及時的應(yīng)用場合。其主要代表為Intel公司的MCS-96系列等。第4階段：(20世紀90年代)單片機在集成度、速率、功能、可靠性、應(yīng)用領(lǐng)域等全方位地向更高水平發(fā)展。CPU數(shù)據(jù)線有8位、16位、32位，采用雙CPU結(jié)構(gòu)及內(nèi)部流水線結(jié)

構(gòu)，以提高數(shù)據(jù)處理能力和運算速度；采用內(nèi)部鎖相環(huán)技術(shù)，時鐘頻率已高達50MHz，指令執(zhí)行速率提高；提供了運算能力較強的乘法指令和內(nèi)積運算指令，具有較強的數(shù)

據(jù)處理能力；設(shè)置了新型的串行總線結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)擴展更加方便；增加了常用的特殊功能部件(如系統(tǒng)看門狗(Watchdog)、通信控制器、調(diào)制解調(diào)器、脈寬調(diào)制輸出PWM等)。1.2.2單片機的分類

20世紀80年代以來，單片機有了新的發(fā)展，各半導(dǎo)體器件廠商也紛紛推出各自的系列產(chǎn)品。迄今為止，市售單片機產(chǎn)品已達近百種系列，近千個品種。按照CPU對數(shù)據(jù)處理位數(shù)來分，單片機通?？梢苑譃橐韵?類。

1.4位單片機

4位單片機的控制功能較弱，CPU一次只能處理4位二進制數(shù)。這類單片機常用于計算器、各種形態(tài)的智能單元以及作為家用電器的控制器等。典型產(chǎn)品有美國

NS(Nationalsemiconductor)公司的COP4XX系列、Toshiba公司的TMP47XXX系列以及Panasonic公司的MN1400系列等單片機。

2.8位單片機

8位單片機的控制功能較強，品種最為齊全。和4位單片機相比，8位單片機不僅有較大的存儲容量和尋址范圍，按字節(jié)處理十分方便，而且具有豐富的中斷源、并行I/O接口、

定時器/計數(shù)器、全雙工串行通信接口等。在指令系統(tǒng)方面，普遍增設(shè)了乘除指令和比較指令。特別是8位機中的高性能增強型單片機，除片內(nèi)增加了A/D和D/A轉(zhuǎn)換器以外，還集成有定時器捕捉/比較寄存器、監(jiān)視定時器(Watchdog)、總線控制部件和晶體振蕩電路等。這類單片機由于其片內(nèi)資源豐富和功能強大，主要應(yīng)用于工業(yè)控制、智能儀器儀表、家用電器和辦公自動化系統(tǒng)等領(lǐng)域。代表產(chǎn)品有Intel公司的MCS-51系列機、荷蘭Philips公司的80C51系列機、Motorola公司的M6805系列機、Microchip公司的PIC系列和ATMEL公司的AT89系列機等。圖1.2所示為DIP封裝的89C2051、8031單片機。圖1.2DIP封裝的89C2051、8031單片機由于8位機應(yīng)用十分廣泛，也是廣大工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)和應(yīng)用單片機技術(shù)的基本機型，因此，本教材仍以8位機的51系列為描述對象，介紹單片機原理及工程應(yīng)用技術(shù)。

3.16位單片機

16位單片機是在1983年以后發(fā)展起來的。這類單片機的特點是：CPU為16位，運算速度普遍高于8位機，有的單片機的尋址能力高達1MB，片內(nèi)含有A/D和D/A轉(zhuǎn)換電

路，支持高級語言等。16位單片機主要用于過程控制、智能儀器儀表、家用電器、智能控制器以及8位單片機不能滿足技術(shù)要求的場合。典型產(chǎn)品有Intel公司的MCS-96/98系列機、Motorola公司的M68HC16系列機、NS公司的HPC系列機等。圖1.3所示為PLCC封裝的80196單片機。圖1.3PLCC封裝的80196單片機

4.32位單片機

32位單片機的字長為32位，是目前單片機的頂級產(chǎn)品，具有極高的運算速度。近年來，隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，32位單片機的市場前景看好。這類單片機的代表產(chǎn)品有Motorola公司的M68300系列機、英國Inmos公司的IM-ST414和日立公司的SH系列機等。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，目前各個公司研制出了能夠適用各種應(yīng)用領(lǐng)域的單片機。

高性能單片機芯片市場也異?；钴S，采用新技術(shù)，使單片機的種類、性能不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴大。如ATMEL公司開發(fā)的AT89C51芯片，片內(nèi)含有4KBFlash存儲器；AT89C51FA芯片，片內(nèi)有8KBFlash存儲器；89C51FB片內(nèi)含16KBFlash存儲器；凌陽公司推出的SPCE061A芯片，片內(nèi)有32KWFlash存儲器，2KWRAM。使得片內(nèi)可儲

存的程序量增加，控制能力增強。單片機性能的提高和改進歸納起來，有以下幾個方面：1.3單片機技術(shù)的發(fā)展趨勢

1.CPU的改進

(1)采用雙CPU結(jié)構(gòu)，提高了芯片的處理能力，如Rockwell公司的R6500/21和R65C29單片機均采用雙CPU結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的處理能力。

(2)增加數(shù)據(jù)總線寬度，提高數(shù)據(jù)處理能力，從8位、16位到32位。

(3)采用流水線結(jié)構(gòu)，類似于高性能的微處理器，提高了運行速度，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的DSP功能，適合于作數(shù)字信號處理。

(4)串行總線結(jié)構(gòu)，將外部數(shù)據(jù)總線改為串行傳送方式，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.存儲器的發(fā)展

(1)增大片內(nèi)存儲器容量，有利于提高系統(tǒng)的可靠性。

(2)片內(nèi)采用E2PROM和Flash，可在線編程，讀/寫更方便，可對某些需要保留的數(shù)據(jù)和參數(shù)長期保存，提高了單片機的可靠性和實用性，如AT89C51、SPCE061A等單片機。

(3)采用編程加密技術(shù)，可更好地保護知識產(chǎn)權(quán)。開發(fā)者希望軟件不被復(fù)制、破譯，可利用編程加密位或ROM加鎖方式，達到程序保密的目的。

3.內(nèi)部資源增多

單片機內(nèi)部資源通常由其片內(nèi)功能體現(xiàn)出來。單片機片內(nèi)資源越豐富，用它構(gòu)成的單片機控制系統(tǒng)的硬件開銷就越少，產(chǎn)品的體積就越小，可靠性就越高。近年來，世界各大半導(dǎo)體廠商熱衷于開發(fā)增強型8位單片機，這類增強型單片機不僅可以把CPU、RAM、ROM、定時器/計數(shù)器、I/O接口和中斷系統(tǒng)等電路集成進片內(nèi)，而且片內(nèi)新增了A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、監(jiān)視定時器、DMA通道和總線接口等，有些廠家還把晶振和LCD驅(qū)動電路也集成到芯片之中。所有這些，有力地拓寬了8位單片機的應(yīng)用領(lǐng)域。

4.I/O接口形式增多、性能提高

(1)增加驅(qū)動能力，減少了外圍驅(qū)動芯片的使用，直接驅(qū)動LED、LCD顯示器等，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，降低了系統(tǒng)成本。

(2)增加了異步串行通信口，提高了單片機系統(tǒng)的靈活性。

(3)增加了邏輯操作功能，具有位尋址操作，增強了操作和控制的靈活性。

(4)帶有A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，可直接對模擬量信號輸入和輸出。

(5)并行I/O端口設(shè)置靈活，可以利用指令將端口的任一位設(shè)置為輸入、輸出、上拉、下拉和懸浮等狀態(tài)。

(6)帶有PWM輸出，直接驅(qū)動控制小型直流電機調(diào)速，大大方便了使用。

5.引腳的多功能化

隨著芯片內(nèi)部功能的增強和資源的豐富，單片機芯片所需引腳數(shù)也會相應(yīng)增多，這是難以避免的。例如，一個能尋址1MB存儲空間的8位單片機需要20條地址線和8條數(shù)據(jù)線。太多的引腳不僅會增加制造時的困難，而且會使芯片的集成度大為減少。

為了減少引腳數(shù)量和提高應(yīng)用靈活性，單片機普遍采用了管腳復(fù)用的設(shè)計方案。

6.低電壓和低功耗

在許多應(yīng)用場合，單片機不僅要體積小，而且還需要低電壓、低功耗。因此，制造單片機時普遍采用CMOS工藝，并設(shè)有空閑和掉電兩種工作方式。例如，美國Microchip公司的PIC6C5X系列單片機正常工作電流為2mA，空閑方式(3V32MHz)下為15μA，待命工作狀態(tài)(2.5V電源電壓)下為0.6μA，采用干電池供電十分方便。

隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機正朝著高集成度、低能耗、低電壓、多功能的方向發(fā)展。

1.機電一體化

機電一體化是機械設(shè)備發(fā)展的方向。用單片機代替常規(guī)的邏輯順序控制，簡化了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高了控制性能，更重要的是實現(xiàn)了產(chǎn)品智能化。當前的許多產(chǎn)品，如數(shù)控車床、機械手等都采用了這種方式。最典型的機電一體化產(chǎn)品是機器人，它的每個關(guān)節(jié)或動作部位都是由一個單片機系統(tǒng)控制的。1.4單片機的應(yīng)用領(lǐng)域

2.集散數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在實時控制系統(tǒng)中，要求數(shù)據(jù)采集具有較好的同步性和實時性，若采用單個計算機順序采集，則存在采集不同步，實時性差等缺點，以致造成計算、處理上的誤差，引起分析統(tǒng)計困難。使用單片機作為系統(tǒng)的前端采集單元，由主控計算機發(fā)出同步采集命令，當采集完成后，將采集到的數(shù)據(jù)再逐一傳送到主機中進行處理，保證了同步數(shù)據(jù)采集，如氣象部門、供電系統(tǒng)、自來水管網(wǎng)、過程控制等均可采用集散數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。

3.分布式控制系統(tǒng)

通常分布式控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，而單片機正是某些模塊的控制中心，如生產(chǎn)線、過程控制、遙測遙控系統(tǒng)等。

4.智能儀器儀表

單片機的應(yīng)用使儀器儀表的智能化程度越來越高，如自