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1、单片机原理与应用,单片机原理与应用Principles and Application of Microcontroller,讲授：韩民,山东大学信息科学与工程学院,单片机原理与应用,课程的重要性：课程实践性强，可提高工程素养是重要的硬件基础课程有利于就业、保研课程安排讲课学时：实验学时=34：18自主学习、创新实验,单片机原理与应用,学习要求：认真听课独立完成编程实验学习方法：动手实践Practice is a best way to learning.,单片机原理与应用,考核 笔试成绩占70%平时成绩占30%,第一章 单片机简介,1.1 什么是单片机1.2 单片机的历史发展1.3 单片机的
2、发展趋势1.4 单片机的应用1.5 单片机的主要厂商及产品系列1.6 学习单片机的方法,单片机原理与应用,微处理器、微机、单片机冯.诺依曼结构:计算机无论如何发展，其原理均采用存储程序的概念，称为冯.诺依曼结构。它将计算机分成五个在功能上相互独立的部分。,主机,输入设备,输出设备,主存储器,CPU,运算器,控制器,I/O设备,单片机原理与应用,这些部件在规模、速度、大小方面的不同就构成了不同的计算机系统。微处理器（CPU、P）把运算器、控制器集成在一个集成电路芯片上就成为中央处理单元，也称为CPU、微处理器、P。它本身不是计算机，是小型计算机或微型计算机的控制和处理部分。,微型计算机（Micr
3、ocomputer,简称微机PC）是具有完整运算及控制功能的计算机。,包括,微处理器(CPU),存储器,输入/输出（I/O）设备。,单片机原理与应用,接口适配器（输入输出接口电路）,微型计算机组成结构,1.1 什么是单片机,单片机：亦称单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）。是将微处理器（CPU）、存储器（只读存储器ROM和随机存储器RAM）、总线、定时器/计数器、输入/输出接口（I/O）和其他多种功能器件集成在一块芯片上构成的微型计算机。,单片机原理与应用,单片机的主要特点：,（1）集成度高、体积小。单片机将CPU、存储器、I/O接口等各种功能部件集成在一块晶体
4、芯片上，体积小，节省空间。能灵活，方便地应用于各种智能化的控制设备和仪器，实现机电一体化。（2）可靠性高，抗干扰性强。单片机把各种功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。,（3）控制功能强。其CPU可以对I/O端口直接进行操作，可以进行位操作、分支转移操作，还能方便地实现多机控制，使整个系统的控制效率大为提高，适用于专门的控制领域。（4）低功耗。许多单片机的工作电压只有24伏特，电流几百微安，功耗很低，适用于便携式系统。,单片机的主要特点：,（5）可扩展性好。
5、单片机具有灵活方便的外部扩展总线接口，使得当片内资源不够使用时可以非常方便地进行片外扩展。另外，现在单片机具有越来越丰富的通信接口：如异步串行口SCI、同步串行口SPI、I2C、CAN总线、甚至有的单片机还集成了USB接口或以太网接口，这些丰富的通信接口使得单片机系统与外部计算机系统的通信变得非常容易。（6）性价比高。单片机应用广泛，生产批量大，产品供应商的商业竞争使得单片机产品的性能越来越强而价格低廉，有优异的性能价格比。,单片机的主要特点：,1.2 单片机的历史发展,（1）第一阶段（1976-1978）：单片机发展的初级阶段(初级8位单片机)。这个阶段的单片机受集成电路技术的限制，制造工艺
6、落后（使用NMOS工艺），速度低，功耗大，集成度低，片内资源较少。典型的代表产品有Intel公司的MCS-48系列。其特点是：片内集成有8位的CPU（有的还是4位的CPU），只有并行接口，无串行接口，有1个8位的定时器/计数器，最多只有2个中断源，1KB或2KB的ROM，64B或128B的RAM，寻址范围不大于4KB。,（2）第二阶段（1978-1982）：单片机发展和完善阶段(高级8位单片机）。采用CMOS 工艺，并逐渐被高速低功耗的HMOS工艺代替。代表产品有Intel公司的MCS-51系列，Motorola公司的MC6805系列，TI公司的TMS7000系列等。这个阶段的单片机在以下几个
7、方面奠定了典型的单片机通用体系结构。完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。CPU外围功能单元的集中管理模式。体现工控特性的位地址空间及位操作方式。指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。,1.2 单片机的历史发展,Intel MCS-51系列：51子系列：8031/8051/875152子系列：8032/8052/8752低功耗型80C31高性能型80C252廉价型89C2051/1051,（3）第三阶段（1982-1990）：8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段，也是单
8、片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。16位单片机 Intel MCS-96 系列 8098/8096、80C198/80C196,1.2 单片机的历史发展,（4）第四阶段（1990）：微控制器的全面发展阶段。不但16位单片机和8位高性能单片机并行发展，还出现了32位和更高位的单片机。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。单片机的性能不断完善提高，种类和型号大量增加，正朝着面向多用户、多
9、层次和多规格方向发展。,1.2 单片机的历史发展,16位单片机 凌阳系列32位单片机 ARM7、ARM9、ARM10 80960、.,（1）高性能化 高性能化，主要是指进一步改进CPU的性能，提高指令运算速度，增加字长，采用RISC（Reduced Instruction Set Computer-精简指令集）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现在CPU的处理速度最高者已达100MIPS（MillionInstructionPerSeconds-兆条指令每秒），进一步增强了位处理功能、中断和定时控制功能。,1.3 单片机的发展趋势,（2）大容量化 以往单片机内的ROM为1KB4KB，R
10、AM为64128B。为了适应复杂控制的场合，一些单片机开始采用大容量片内存储器。目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB以上。有的单片机内部还配备了大容量Flash存储器作为程序存储器使用。程序存储空间的扩大，还使得单片机可以嵌入实时操作系统如RTOS（Real-Time Operating System-实时操作系统）等，提高了系统的开发效率和处理能力，简化了复杂系统的开发难度。,1.3 单片机的发展趋势,（3）多功能化 新型单片机中不仅增加了各种总线接口，如I2C总线、USB总线、SPI总线以及支持TCP/IP协议的以太网接口，而且有的新型单片机还集成了A/D转换器、PWM
11、(Pulse Width Modulation-脉冲宽度调制)生成器、LED、LCD或VFD显示驱动器，使得利用这些单片机所设计出来的控制系统集成度更高，性价比更好。（4）在线调试 现在有些新型单片机已经具备使用JTAG(Joint Test Action Group-联合测试行动小组)接口的在线调试功能，开发工具更加智能化，方便了用户的开发。,1.3 单片机的发展趋势,5）低功耗化 现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL(Low-pow
12、er Schottky TTL-低功耗肖特基TTL Transistor-Transistor Logic 晶体管-晶体管逻辑电路)的速度，传输延迟时间小于2ns。在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。目前，单片机的静态功耗电流已降至mA级，甚至uA级；使用电压一般在3-6V之间，低电压供电的单片机电压下限已可达1-2V，甚至0.8V供电的单片机也已经问世。这种低功耗，低电压使得单片机系统完全适应于采用电池供电，低功耗化同时带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。,1.3 单片机的发展趋势,1.4 单片机的应用,由于单片机具有显著的优点，它已成为自动化领域的有力工具，人类生活
13、的得力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：（1）单片机在智能仪表中的应用 单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。,（2）单片机在机电一体化中的应用 机电一体化是机械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。,1.4 单片机的应用,（3）单片机在实时控制中的应用 单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例
14、如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。,1.4 单片机的应用,（4）单片机在分布式多机系统中的应用 在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。,1.4 单片机的应用,（5）单片机在人类生活中的应用
15、自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。,1.4 单片机的应用,单片机技术的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域,1.5 单片机的主要厂商及产品系列,单片机自从诞生以来，经过长足的发展，目前世界上单片机市场形成了很多生产厂商,如:Intel、Motorola、Microchip、Philips、Siemens、ATMEL、Epson、NEC、Zilog等公司,其主流产品有几十个系列,几百个型号。尽管其各具特色,名称各异,但作为集CPU、RAM、ROM
16、（或EPROM）、I/O接口、定时器/计数器、中断系统为一体的单片机,其原理大同小异。,（1）Intel（英特尔）1976年Intel公司推出MCS48系列单片机，后来于20世纪80年代推出高档8位单片机MCS-51系列，该系列是世界上使用量最大、应用最广泛的几种单片机之一。MCS-51系列单片机又可分为：基本型的51子系列和增强型的52子系列两大类。51子系列主要有8031、8051、8751等机型。它们的指令系统与芯片引脚完全兼容，差别仅在于片内有无ROM或EPROM。52子系列主要有8032、8052、8752等机型。52子系列与51子系列的主要不同之处在于：片内数据存储器增至256字节
17、；片内程序存储器增至8KB(8032无片内程序)；有3个16位定时/计数器，6个中断源。其它性能均与51子系列相同。,1.5 单片机的主要厂商及产品系列,在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。80C51单片机已成为单片机发展的主流。事实上，80C51已经成为
18、事实上的标准MCU芯片。MCS-51系列单片机的型号及配置如下表1.1所示：,1.5 单片机的主要厂商及产品系列,1.5 单片机的主要厂商及产品系列,（2）ATMEL（爱特梅尔）ATMEL公司是世界上高级半导体产品设计、制造和行销的领先者，产品包括了微处理器、可编程逻辑器件、非易失性存储器、安全芯片、混合信号及RF射频集成电路。其生产的CMOS型51单片机具有MCS-51内核，ATMAL生产的51系列单片机如AT89C51、AT89S51等单片机目前在市场上仍然十分流行。ATMEL生产的单片机除了有与MCS-51兼容的AT8951系列，还有与MCS-51不兼容的AVR系列RISC结构单片机，A
19、VR单片机是一种高速、低功耗的单片机产品，端口有较强的驱动负载能力。,1.5 单片机的主要厂商及产品系列,（3）Motorola（摩托罗拉）Motorola是世界上最大的单片机生产厂家之一，品种全、选择余地大、新产品多。其主要特点是在同样的速度下所用的时钟较Intel 类单片机低的多，因而高频噪声低，抗干扰能力强，比较适合于工控领域及恶劣的环境。在8位机方面的典型产品有68HC05和升级产品68HC08，其中68HC05有30多个系列200多个品种，产量超过20亿片。32位单片机方面有683XX系列。Motorola单片机特点之一是使得其噪声低，抗干扰能力强，更适合用于工控领域以及恶劣环境。,
20、1.5 单片机的主要厂商及产品系列,（4）Microchip（微芯科技）Microchip公司是全球领先的单片机和模拟半导体供应商，为全球数以千计的消费类产品提供低风险的产品开发、更低的系统总成本和更快的上市时间。Microchip公司单片机是市场份额增长较快的单片机。它的主要产品是PIC系列8位单片机，指令系统采用RISC指令，运行速度快，价格低，适于用量大、档次低、价格敏感的产品。,1.5 单片机的主要厂商及产品系列,（5）Zilog Zilog公司1974年成立于美国加州，曾经是单片机领域的领军人物，但是在无限风光之后，由于各种原因以及公司策略的改变，Zilog公司在商业市场遭受了很大挫
21、折，逐渐退出单片机市场，直到长达10多年的沉寂之后的2000年，Zilog终于决定重新回到位单片机市场。公司以其老一代的Z8系列单片机为基础，陆续推出了两个全新的内核：eZ80和eZ8，达到了很高的处理速度，受到市场的欢迎。,1.5 单片机的主要厂商及产品系列,（6）Winbond（华邦台湾）华邦公司的单片机主要有W77系列、W78系列等，属于80C51-based单片机，Winbond对8051的时序做了改进，提高了同样时钟频率下的处理速度。此外，Winbond还生产32位单片机，属于ARM-based类。（7）TI(Texas Instruments德州仪器)TI公司是全球领先的半导体公司
22、。TI最著名的是它的DSP技术，在单片机方面则生产有MSP430 系列单片机。MSP430 系列是TI公司开发的16 位单片机，其突出特点是超低功耗，适合于各种功率要求低的场合。,1.5 单片机的主要厂商及产品系列,1.6 学习单片机的方法,单片机是实践性很强的一门技术，有人说“计算机是玩出来的”，单片机亦一样，只有多“玩”，也就是多练习、多实际操作，才能真正掌握它。另外，单片机的应用具有一定的系统设计思想，不仅仅是能够熟练使用编程语言，熟悉单片机的内部工作原理和配置，还应该了解单片机系统设计中经常用到的一些外围器件和外围电路设计方法，这些知识的获得只有多参加一些系统设计训练，多接触一些设计实例，多参与，多实践，才能够通过日积月累逐渐掌握这些知识，成为一个单片机应用高手。同时，通过这个锻炼过程，你将获得终生受益的电子设计能力。,思考与习题,单片机的特点有哪些？单片机的发展趋势有哪些？MCS-51单片机有哪些型号？它们有哪些区别？简单描述目前有哪些单片机厂商，以及他们的典型代表产品是哪些？和你的同学交流一下学习单片机有什么意义？如何学好这门课。,
