《单片机原理及应用课件第1章概述.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机原理及应用课件第1章概述.ppt（37页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、单片机原理及应用,第1章 概 述,1.1 课程简介1.2 单片机的基本概念1.3 单片机的发展概况1.4 单片机的特点及应用1.5 常用单片机系列介绍,1.1 单片机的基本概念,名词解释,中央处理器（CPU）中央处理器（Central Processing Unit）的缩写，即CPU，CPU是电脑中的核心配件，其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。所谓的计算机的可编程性主要是指对CPU的编程。（强调：CPU并不是一台完整的计算机）单片机 全称为单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)或微控制器(Microcontroller Unit)或嵌入式控制器
2、(Embedded Controller)将微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路和相应实时控制器件集成在一块芯片上，称其为单片微型计算机，简称单片机。,单片机与微型计算机的区别,图1.1 微机组成结构框图,图1.2 单片机组成框图,(1)单板机：将微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路以及简单的输入/输出设备组装在一块印刷电路板上，称其为单板微型计算机，简称单板机。(2)单片机：将微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路和相应实时控制器件集成在一块芯片上，称其为单片微型计算机，简称单片机。(3)微型计算机：微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路由总线有机地连接在一起的整体，称为
3、微型计算机。(4)微型计算机系统：微型计算机与外围设备、电源、系统软件一起构成的系统，称为微型计算机系统。,(1)微处理器（CPU）的区别 通用微机的CPU主要面向数据处理，其发展主要围绕数据处理功能、计算速度和精度的进一步提高。例如，现今微机的CPU都支持浮点运算，采用流水线作业，并行处理、多级高速缓冲(Cache)技术等。CPU的主频达到数百兆赫兹(MHz)，字长普遍达到32位。单片机主要面向控制，控制中的数据类型及数据处理相对简单，所以单片机的数据处理功能比通用微机相对要弱一些，计算速度和精度也相对要低一些。例如，现在的单片机产品的CPU大多不支持浮点运算，CPU还采用串行工作方式。字长
4、一般为4位、8位。,单片机与通用微机部件区别,(2)存储器区别 通用微机中存储器组织结构主要针对增大存储容量和CPU对数据的存取速度。现今微机的内存容量达到了数百兆字节(MB)，存储体系采用多体、并读技术和段、页等多种管理模式。单片机中存储器的组织结构比较简单，存储器芯片直接挂接在单片机的总线上，CPU对存储器的读写按直接物理地址来寻址存储器单元，存储器的寻址空间一般都为64 KB。,(3)I/O接口 通用微机中I/O接口主要考虑标准外设(如CRT、标准键盘、鼠标、打印机、硬盘、光盘等)。用户通过标准总线连接外设，能达到即插即用。单片机应用系统的外设都是非标准的，且千差万别，种类很多。单片机的
5、I/O接口实际上是向用户提供的与外设连接的物理界面。用户对外设的连接要设计具体的接口电路，需有熟练的接口电路设计技术。,嵌入式系统定义 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。,单片机与嵌入式系统,嵌入式系统的发展 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制系统。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言程序对系统进行直接控制，结
6、束后清除内存。主要特点：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小。由于这类系统操作使用简便、价格低廉，在国内工业领域应用较为普遍，但远远不能适应现代工业控制和新兴的信息家电等领域需要。,第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。主要特点：CPU种类繁多，通用性较弱；系统开销小，效率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业；系统主要用于控制系统负载以及监控应用程序运行。,第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点：嵌入式系统能运行于不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、
7、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面的功能；具备大量应用程序接口(API)，开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。,第四阶段是以嵌入式Internet为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展和Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。,1.2 单片机的发展概况,14位单片机阶段 自1975年美国德克萨斯仪器公司首次推出4位单片机TMS-1000后，各个计算机生产公司竞相推出4位单片机。例如美国国家半导体公司(Nati
8、onal Semiconductor)的COP402系列，日本电气公司(NEC)的PD75XX系列，美国洛克威尔公司(Rockwell)的PPS/1系列，日本松下公司的MN1400系列，富士通公司的MB88系列等。4位单片机主要用于家用电器、电子玩具等。,1.2.1 数据总线位数的发展,28位单片机阶段 1976年9月，美国Intel公司首先推出了MCS-48系列8位单片机以后，单片机发展进入了一个新的阶段，8位单片机纷纷应运而生。例如，莫斯特克(Mostek)和仙童(Fairchild)公司共同合作生产的3870(F8)系列，摩托罗拉(Motorola)公司的6801系列等。在1978年以前
9、各厂家生产的8位单片机，由于受集成度(几千只管/片)的限制，一般没有串行接口，并且寻址空间的范围小(小于8 KB)，从性能上看属于低档8位单片机。,随着集成电路工艺水平的提高，在1978年到1983年期间集成度提高到几万只管/片，因而一些高性能的8位单片机相继问世。例如，1978年摩托罗拉公司的MC6801系列，齐洛格(Zilog)公司的Z8系列，1979年NEC公司的PD78XX系列，1980年Intel公司的MCS-51系列。这类单片机的寻址能力达64 KB，片内ROM容量达48 KB，片内除带有并行I/O口外，还有串行I/O口，甚至某些还有A/D转换器功能。因此，把这类单片机称为高档8位
10、单片机。,在高档8位单片机的基础上，单片机功能进一步得到提高，近年来推出了超8位单片机。如Intel公司的8X252、UPI-45283C152，Zilog公司的Super8，Motorola公司的MC68HC等，它们不但进一步扩大了片内ROM和RAM的容量，同时还增加了通信功能、DMA传输功能以及高速I/O功能等。自1985年以来，各种高性能、大存储容量、多功能的超8位单片机不断涌现，它们代表了单片机的发展方向，在单片机应用领域发挥着越来越大的作用。8位单片机由于功能强，被广泛用于工业控制、智能接口、仪器仪表等各个领域。,316位单片机阶段 1983年以后，集成电路的集成度可达十几万只管/片
11、，16位单片机逐渐问世。这一阶段的代表产品有1983 年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司又推出的80C96，美国国家半导体公司推出的HPC16040和NEC公司推出的783XX系列等。16位单片机把单片机的功能又推向了一个新的阶段。如MCS-96系列的集成度为12万只管/片，片内含16位CPU、8 KB ROM、232字节RAM、5个8位并行I/O口、4个全双工串行口、4个16位定时器/计数器、8级中断处理系统。MCS-96系列还具有多种I/O功能，如高速输入/输出(HSIO)、脉冲宽度调制(PWM)输出、特殊用途的监视定时器(Watchdog)等等。16位单片机
12、可用于高速复杂的控制系统。,432位单片机 近年来，各个计算机生产厂家已进入更高性能的32位单片机研制、生产阶段。由于控制领域对32位单片机需求并不十分迫切，所以32位单片机的应用并不很多。需要提及的是，单片机的发展虽然按先后顺序经历了4位、8位、16位的阶段，但从实际使用情况看，并没有出现推陈出新、以新代旧的局面。4位、8位、16位单片机仍各有应用领域，如4位单片机在一些简单家用电器、高档玩具中仍有应用，8位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地位，16位单片机在比较复杂的控制系统中才有应用。,体系结构的变化（1）SCM（Single Chip Microcomputer）（2）MCU（Mic
13、ro Controller Unit）（3）SOC（System On Chip）单片机速度越来越快低电压与低功耗 36V2.7V 2.2V 1.8V 0.9V CHMOS(互补金属氧化物MOS)工艺低噪声与高可靠性技术 WDT看门狗,1.2.2 单片机技术的发展,OTP向MTP转变在线编程技术 ISP（In System Programming）IAP（In Application Programming）在线仿真技术 JTAG（Joint Test Action Group）接口、SPI串行接口 显著减少引脚数，简化系统结构,1.3 单片机的特点及应用,1.3.1 单片机的特点,(1)单片
14、机的存储器ROM和RAM是严格区分的。ROM称为程序存储器，只存放程序、固定常数及数据表格。RAM则为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中，有较大的程序存储器空间，把开发成功的程序固化在ROM中，而把少量的随机数据存放在RAM中。这样，小容量的数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内，以加速单片机的执行速度。但单片机内的RAM是作为数据存储器用，而不是当作高速缓冲存储器(Cache)使用。,(2)采用面向控制的指令系统。为满足控制的需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。(3)单片机的I/O引脚通常是多功能的。由于单片机芯片上
15、引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法。引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。(4)单片机的外部扩展能力强。在内部的各种功能部分不能满足应用需求时，均可在外部进行扩展(如扩展ROM、RAM，I/O接口，定时器/计数器，中断系统等)，与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。,1.3.2 单片机的优点及应用,(1)体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。(2)面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。(3)抗干扰能力强，适用
16、温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其它类型计算机无法比拟的。(4)可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。,单片机的应用范围十分广泛，主要的应用领域有：(1)工业控制。单片机可以构成各种工业控制系统、数据采集系统等。如数控机床、自动生产线控制、电机控制、温度控制等。(2)仪器仪表。如智能仪器、医疗器械、数字示波器等。(3)计算机外部设备与智能接口。如图形终端机、传真机、复印机、打印机、绘图仪、磁盘/磁带机、智能终端机等。(4)商用产品。如自动售货机、电子收款机、电子秤等。(5)家用电器。如微波炉、电视机、空调、洗衣机、录像机、音响设备等。,按单片机
17、数据总线的位数划分 4位单片机、8位单片机、16位单片机、32位单片机按编程方式划分 OTPROM型、Flash型、ISP型、IAP型、JTAG接口型按功耗划分 普通型、低功耗型按性价划分 普通型、经济型,1.4 常用单片机系列介绍,1.4.1 单片机的类型,MCS-51系列及其兼容机 MCS 是INTEL 公司的注册商标。8051 单片机是INTEL 公司1980 年推出的MCS 一51 系列单片机的第一个成员。以后，凡是INTEL 公司生产的以8051 为核心单元的其它派生单片机都称为MCS 一51 系列，简称为51 系列。,8位单片机,其它公司生产的以8051 为核心单元的其它派生单片机
18、不能称为MCS一51 系列，只能称为8051 系列。8051 系列泛指所有公司（也包括INTEL 公司）生产的以8051 为核心单元的所有单片机。比如：PHILIPS（飞利浦公司）:83C552 及51LPC 系列 SIEMENS（西门子公司）:SAB80512 ATMEL:Flash 单片机89C51 SST：SST89系列“51系列单片机”包含MCS-51和其它公司的8051。,非MCS-51系列单片机 Motorola公司的68HC05/08系列 MICROCHIP公司的PIC单片机 ATMEL公司的AVR单片机,MCS-51系列单片机已有十多种产品，可分为两大系列：51子系列和52子系
19、列。51子系列主要有8031、8051、8751三种机型。它们的指令系统与芯片引脚完全兼容。从表1.1中可以看出，它们的差别仅在于片内有无ROM或EPROM。52子系列主要有8032、8052、8752三种机型。从表1.1中可以看出，52子系列与51子系列的不同之处在于：片内数据存储器增至256字节；片内程序存储器增至8 KB(8032无)；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。,表1.1 INTEL主要单片机系列,表1.2 ATMEL公司的89系列单片机主要产品及其性能,格式：AT89X 其中：AT是前缀；89X是型号；是后缀。前缀 前缀由字母“AT”组成，它表示
20、该器件是ATMEL公司的产品。,单片机型号识别,型号 型号由“89C”或“89LV”或“89S”等表示。“89C”中，9是表示内部含Flash存储器；C表示是CMOS产品。“89LV”中，LV表示低电压产品。“89S”中，S表示含可下载Flash存储器。在这个部分的表示器件型号数，例如：51，1051，8252等。,后缀（）后缀中的第一个参数表示速度，它的意义如下：12，表示速度为12MHz，16，表示速度为16MHz，后缀中的第二个参数表示封装。它的意义如下：J，塑料J引线芯片载体。L，无引线芯片载体。P，表示塑料双列直插DIP封装。后缀中第三个参数表示温度范围，意义如下：C，表示商业产品，温度范围为0至+70。I，表示工业产品，温度范围为-40至+85。M，表示军用产品，温度范围为-55至+150,举例说明：例如，有一个单片机型号为“AT89C51-12PI”，则表示意义为，该单片机是ATMEL公司的Flash单片机，内部是C51结构，速度为12MHz，封装为DIP，是工业用产品，按标准处理工艺生产。,
