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1、1,1,单片机原理及应用,2,2,第1章 单片机概述,3,3,什么是单片机单片机的发展历史与发展趋势单片机的特点单片机的应用51系列单片机与其他单片机各类嵌入式处理器：区别与联系,主要内容,4,4,20世纪70年代问世，广泛地应用在工业自动化、自动检测与控制、智能仪器仪表、机电一体化设备、汽车电子、家用电器等各个方面。,1.1 什么是单片机一片半导体硅片集成：中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线的微型计算机。具有微型计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。,1.2 单片机的发展历史,1、芯片化探索
2、阶段世纪年代，美国Fairchild(仙童)公司首先推出第一款单片机-8,同期有Intel公司的4004（四位微处理器），拉开了研制单片机的序幕。代表芯片：MCS-48单片机系列8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。特点：嵌入式计算机系统的芯片集成设计，资源少，只保证基本控制功能。存储器容量较小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强,2、结构体系完善阶段（80年代）,代表芯片：MCS-51、MCS-96（16位机）特点：（奠定了典型的通用总线型单片机总线结构）总线结构：并行总线：位数据总线、16位地址总线，两个独立的地址空间串行总线
3、：通信总线，扩展总线指令系统：位处理功能和逻辑控制功能，满足工业控制等方面需要功能单元的SFR（特殊功能寄存器）集中管理,现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种,3、高速发展阶段（90年代至今）,电气商、半导体商的普遍介入使单片机的性价比显著提高，品种增多，应用范围扩大。大力发展专用单片机（MCS-51属通用型单片机）为某一专门用途设计的单片机，如加了液晶驱动接口等专用于家电、玩具等领域。优点：小封装，价格低，集成度高、提高综合品质体系结构：CISC(繁杂指令集结构)易学易用，如MCS-51 RISC（精简指令集结构）速度快，如PIC,9,9,发展过程中衍化出两种用途：通用型和专用型（1
4、）通用型单片机就是其内部可开发的资源（如存储器、I/O等各种外围功能部件等）可以全部提供给用户。（2）专用型单片机是专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机。如各种家用电器中的控制器等。由于用于特定用途，单片机芯片制造商常与产品厂家合作，设计和生产“专用”的单片机芯片。无论“专用”单片机在用途上有多么“专”，其基本结构和工作原理都是以通用单片机为基础的,10,单片机的发展趋势单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化，外围电路内装化等方面发展。为满足不同用户的要求，各公司竞相推出能满足不同需要的产品。1CPU的改进（1）增加CPU数据总线宽度。例如，各种16位单片机和32位单片机，数据处理能力要优
5、于8位单片机。另外，8位单片机内部采用16位数据总线，其数据处理能力明显优于一般8位单片机。（2）采用双CPU结构，以提高数据处理能力。,10,11,2存储器的发展（1）片内程序存储器普遍采用闪烁（Flash）存储器。可不用外扩展程序存储器，简化系统结构。（2）加大存储容量。目前有的单片机片内程序存储器容量可达128KB甚至更多。3片内I/O的改进（1）增加并行口驱动能力，以减少外部驱动芯片。有的单片机可以直接输出大电流和高电压，以便能直接驱动LED和VFD（荧光显示器）。（2）有些单片机设置了一些特殊的串行I/O功能，为构成分布式、网络化系统提供方便条件。,11,12,4低功耗化CMOS化，
6、功耗小，配置有等待状态、睡眠状态、关闭状态等工作方式。消耗电流仅在A或nA量级，适于电池供电的便携式、手持式的仪器仪表以及其它消费类电子产品。5外围电路内装化众多外围电路全部装入片内，即系统的单片化是目前发展趋势之一。综上所述，单片机正在向多功能、高性能、高速度（时钟达40MHz）、低电压（2.7V即可工作）、低功耗、低价格（几元钱）、外围电路内装化以及片内程序存储器和数据存储器容量不断增大的方向发展。,12,13,1.3 单片机的特点单片机是集成电路技术与微型计算机技术高速发展的产物。体积小、价格低、应用方便、稳定可靠，因此，给工业自动化等领域带来了一场重大革命和技术进步。由于体积小，很容易
7、地嵌入到系统之中，以实现各种方式的检测、计算或控制，这一点，一般微机根本做不到。由于单片机本身就是一个微型计算机，因此只要在单片机的外部适当增加一些必要的外围扩展电路，就可以灵活地构成各种应用系统，如工业自动检测监视系统、数据采集系统、自动控制系统、智能仪器仪表等。,13,14,为什么应用广泛？具有以下优点：（1）功能齐全，应用可靠，抗干扰能力强。（2）简单方便，易于普及。单片机技术是易掌握技术。应用系统设计、组装、调试已经是一件容易的事情，工程技术人员通过学习可很快掌握其应用设计技术。（3）发展迅速，前景广阔。短短几十年，单片机经过4位机、8位机、16位机、32位机等几大发展阶段。尤其是集成
8、度高、功能日臻完善的单片机不断问世，使单片机在工业控制及工业自动化领域获得长足发展和大量应用。目前，单片机内部结构愈加完美，片内外围功能部件越来越完善，向更高层次和更大规模的发展奠定坚实的基础。,14,15,（4）嵌入容易，用途广泛，体积小、性能价格比高，应用灵活性强等特点在嵌入式微控制系统中具有十分重要的地位。单片机出现前，制作一套测控系统，大量的模拟电路、数字电路、分立元件完成，以实现计算、判断和控制功能。系统的体积庞大，线路复杂，连接点多，易出现故障。单片机出现后，测控功能的绝大部分由单片机的软件程序实现，其它电子线路则由片内的外围功能部件来替代。,15,16,16,1.4 单片机的应用
9、软硬件结合、体积小，容易嵌入到各种应用系统中。得到广泛应用。主要应用于测控领域。单片机使用时，通常是处于测控系统的核心地位并嵌入其中，所以国际上通常把单片机称为嵌入式控制器（EMCU，Embedded MicroController Unit），或微控制器（MCU，MicroController Unit）。我国习惯于使用“单片机”这一名称。可嵌入到工业控制单元、机器人、智能仪器仪表、汽车电子系统、武器系统、家用电器、办公自动化设备、金融电子系统、玩具、个人信息终端及通讯产品中。,工业方面,民用方面,仪表方面,电讯方面,数据处理方面,汽车方面,单片机的应用领域,、智能仪器仪表,单片机用于各种仪
10、器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。,、机电一体化产品,机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。,、实时工业控制,单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控
11、制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等。,、分布式系统的前端模块,在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列优点。,、家用电器,家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。,另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等。,2
12、3,1.6 MCS-51系列与AT89C5x系列单片机20世纪80年代以来，发展迅速，世界一些著名厂商投放市场的产品就有几十个系列，数百个品种，Intel公司的MCS-48、MCS-51，Motorola公司的6801、6802，Zilog公司的Z8系列，Rockwell公司的6501、6502等。此外，荷兰的Philips公司、日本的NEC公司、日立公司等也相继推出了各自的产品。尽管机型很多，但是在20世纪80年代以及90年代，在我国使用最多的8位单片机还是Intel公司的MCS-51系列单片机以及与其兼容的单片机（称为51系列单片机）。,23,24,1.6.1 MCS-51系列单片机MCS
13、是Intel公司单片机的系列符号，如MCS-48、MCS-51、MCS-96系列单片机。MCS-51系列是在MCS-48系列基础上于20世纪80年代初发展起来的，是最早进入我国，并在我国得到广泛应用的单片机主流品种。MCS-51系列单片机主要包括 基本型：8031/8051/8751（低功耗型80C31/80C51/87C51）增强型：8032/8052/8752。,24,25,（1）基本型典型产品：8031/8051/8751。8031内部包括1个8位CPU、128B RAM，21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口，2个16位定时器/计数器，5个中断源，但片内
14、无程序存储器，需外扩程序存储器芯片。8051是在8031的基础上，片内又集成有4KB ROM作为程序存储器。所以8051是一个程序不超过4KB的小系统。ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的。8751与8051相比，片内集成的4KB EPROM取代了8051的4KB ROM来作为程序存储器。,25,26,（2）增强型 Intel公司在基本型基础上，推出增强型-52子系列，典型产品：8032/8052/8752。内部RAM增到256B，8052、片内程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个，6个中断源，串行口通信速率提高5倍。表1-1列出了基本型和增强型的MCS-51系列单片
15、机片内的基本硬件资源。,26,27,28,28,1.6.2 AT89C5x（AT89S5x）系列单片机 20世纪80年代中期以后，Intel精力集中在高档CPU芯片的开发、研制上，淡出单片机芯片的开发和生产。Intel公司以专利形式把8051内核技术转让给ATMEL、Philips、Cygnal、ANALOG、LG、ADI、Maxim、DALLAS等公司。生产的兼容机与8051兼容，采用CMOS工艺，因而常用80C51系列单片机来称呼所有这些具有8051指令系统的单片机，这些兼容机的各种衍生品种统称为51系列单片机或简称为51单片机，是在8051的基础上又增加一些功能模块（称其为增强型、扩展型
16、子系列单片机）。,29,29,近年来，世界上单片机芯片生产厂商推出的与8051（80C51）兼容的主要产品如表1-2所示。,30,在众多的衍生机型中，ATMEL公司的AT89C5x/AT89S5x系列，尤其是AT89C51/AT89S51和AT89C52/AT89S52在8位单片机市场中占有较大的市场份额。ATMEL公司1994年以E2PROM技术与Intel公司的80C51内核的使用权进行交换。ATMEL公司的技术优势是闪烁（Flash）存储器技术，将Flash技术与80C51内核相结合，形成了片内带有Flash存储器的AT89C5x/AT89S5x系列单片机。,30,31,AT89C5x/
17、AT89S5x系列与MCS-51系列在原有功能、引脚以及指令系统方面完全兼容。此外，某些品种又增加了一些新的功能，如看门狗定时器WDT、ISP（在系统编程也称在线编程）及SPI串行接口技术等。片内Flash存储器允许在线（+5V）电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。另外，AT89C5x/AT89S5x单片机还支持由软件选择的两种节电工作方式，非常适于低功耗的场合。,31,32,因此AT89C51/AT89S51单片机作为代表性产品受到用户欢迎，AT89C5x/AT89S5x单片机是目前取代MCS-51系列单片机的主流芯片之一。本书重点介绍AT89S51单片机的原理及应用系统设计。AT89S
18、5x的“S”档系列机型是ATMEL公司继AT89C5x系列之后推出的新机型，代表性产品为AT89S51和AT89S52。基本型的AT89C51与AT89S51以及增强型的AT89C52与AT89S52的硬件结构和指令系统完全相同。,33,使用AT89C51的系统，在保留原来软硬件的条件下，完全可以用AT89S51直接代换。与AT89C5x系列相比，AT89S5x系列的时钟频率以及运算速度有了较大的提高，例如，AT89S51工作频率的上限为24MHz，而AT89S51则为33MHz。AT89S51片内集成有双数据指针DPTR，看门狗定时器、具有低功耗空闲工作方式和掉电工作方式。目前，AT89S5
19、x系列已逐渐取代AT89C5x系列。表1-3为ATMEL公司AT89C5x/AT89S5x系列单片机主要产品片内硬件资源。由于种类多，要依据实际需求来选择合适的型号。,33,34,34,35,表1-3 AT89C1051与AT89C2051为低档机型，均为20只引脚。当低档机满足设计需求时，就不要采用较高档次的机型。例如，当系统设计时，仅仅需要一个定时器和几位数字量输出，那么选择AT89C1051或AT89C2051即可，不需选择AT89S51或AT89S52，因为后者要比前者的价格高，且前者体积也小。如对程序存储器和数据存储器的容量要求较高，还要单片机运行速度尽量要快，可考虑选择AT89S5
20、1/AT89S52，因为它们的最高工作时钟频率为33MHz。当程序需要多于8KB以上的空间可考虑选用片内Flash容量20KB的AT89C55。,35,36,表1-3中，“LV”代表低电压，它与AT89S51的主要差别是其工作时钟频率为12MHz，工作电压为2.76V，编程电压VPP为12V。AT89LV51的低电压电源工作条件可使其在便携式、袖珍式、无交流电源供电的环境中应用，特别适于电池供电的仪器仪表和各种野外操作的设备中。尽管AT89C5x/AT89S5x系列单片机有多种机型，但掌握好基本型AT89S51单片机十分重要，因为它们是具有8051内核的各种型号单片机的基础，最具典型性和代表性
21、，同时也是各种增强型、扩展型等衍生品种的基础。本书以AT89S51作为51单片机的代表性机型来介绍单片机的原理及应用。,36,37,在我国，除8位单片机得到广泛应用外，16位单片机也得到了广大用户的青睐，例如，美国TI公司的16位单片机MSP430和台湾的凌阳16位单片机。本身带有A/D转换器，一片芯片就构成了一个数据采集系统。设计使用非常方便。尽管这样，16位单片机还远远没有8位单片机应用的那样广泛和普及，因为目前的主要应用中，8位单片机的性能已能够满足大部分的实际需求，况且8位单片机的性能价格比也较好。在众多厂家生产的各种不同的8位单片机中，与MCS-51系列单片机兼容的各种51单片机，目
22、前仍然是8位单片机的主流品种，若干年内仍是自动化、机电一体化、仪器仪表、工业检测控制应用的主角。,37,38,1.7 其他的51单片机 世界各半导体器件厂家推出的以8051为内核的，各种集成度高、功能强的的增强型单片机。这些单片机目前也得到广大设计工程师的青睐。1.7.1 ADC812单片机 美国ADI(Analog Devicelnc)公司生产的高性能单片机，内部包含高精度的自校准8通道12位模数转换器，2通道12位数模转换器以及可编程的8位的与8051单片机兼容的MCU内核，指令系统与MCS-51系列兼容。片内有8KB Flash程序存储器、640B Flash数据存储器、256B数据SR
23、AM(支持可编程)。,38,39,片内集成看门狗定时器、电源监视器以及ADCDMA功能。为多处理器接口和I/O扩展提供了32条可编程的I/O线、包含有与I2C兼容的串行接口、SPI串行接口和标准UART串行接口I/O。ADC812的MCU内核和模数转换器均设有正常、空闲和掉电工作模式，软件可控制从正常模式到空闲模式，也可切换到更省电的掉电模式。掉电模式，消耗总电流约5A。1.7.2 C8051Fxxx单片机 美国Cygnal公司产品，集成度高，8051内核。典型产品为C8051F020。内部采用流水线结构，大部分指令的完成时间为1或2个时钟周期，峰值处理能力为25MIPS。,39,40,片内资
24、源：1个8位ADC、1个12位ADC、1个双12位DAC；64kB片内Flash程序存储器，256B RAM，128B SFR；8个IO端口共64根IO口线；5个16位通用定时器；5个捕捉比较模块的可编程计数定时器阵列（PCA），1个UART串行口、1个SMBus/I2C串口、1个SPI串行口；2路电压比较器，VDD监视器(电源监测)，内置温度传感器。C8051Fxxx单片机最突出的改进是引入了数字交叉开关。数字交叉开关，改变以往内部功能与外部引脚的固定对应关系。它是一个大的数字开关网络，允许将内部数字系统,40,41,资源分配给端口I/O引脚。与具有标准复用数字I/O的单片机不同，该结构可支
25、持所有功能组合。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出及单片机内部的其它数字信号配置为出现在端口I/O引脚。允许用户根据自己的特定应用，选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。1.7.3 台湾华邦公司W78系列和W77系列单片机台湾华邦公司(Winbond)W78系列单片机与AT89C5x系列完全兼容，W77系列为增强型。W77系列对8051的时序作了改进：每个指令周期只需要4个,42,时钟周期，速度提高了三倍，工作频率最高可达40MHz。W77系列增加看门狗WatchDog、两组UART、两组DPTR数据指针（编写程序非常便利）、
26、ISP（在系统可编程）等功能。片内集成了USB接口，语音处理等功能，具有6组外部中断源。华邦公司的W741系列的4位单片机带液晶驱动，在线烧录，保密性高，低工作电压(1.2V-1.8V)。,42,43,1.8 AVR系列单片机与PIC系列单片机除了51单片机外，目前某些非51单片机也得到了较为广泛的应用，目前应用较广泛是AVR系列与PIC系列单片机，它们博采众长，具独特技术，受到广大设计工程师的关注。1.8.1 AVR系列单片机AVR系列是1997年ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生共同研发出的精简指令集(RISCReduced Instruction Set Computer)的高速
27、8位单片机，简称AVR。特点如下：（1）高速、高可靠性、功能强、低功耗和低价位。,43,44,早期单片机采取稳妥方案：即采用较高的分频系数对时钟分频，使指令周期长，执行速度慢。以后的单片机虽采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被彻底改观(例如51单片机)。虽有某些精简指令集单片机问世，但依旧沿袭对时钟分频的作法。AVR单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法。,44,45,（1）采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将操作数与操作码安排在一字之中，指令长度固定、指令格式与种类相对较少、寻址方式也相对较少，绝大部分指令
28、都为单周期指令。取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种“高速度”是以高可靠性来保障的。（2）采用片内Flash存储器给用户的开发带来方便。片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并可像MCS-51单片机那样扩展外部RAM。,46,（3）丰富的片内外设。定时器/计数器、看门狗电路、低电压检测电路BOD，多个复位源(自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位)，可设置的启动后延时运行程序，增强了单片机应用系统的可靠性。多种串口：如通用的异步串行口（UART），面向字节的高速硬件串行接口TWI（与I2C接口兼容）、SP
29、I。此外还有ADC、PWM等部件。,46,47,（4）I/O口功能强、驱动能力大。AVR的工业级产品，具有大电流(最大可达40mA)，驱动能力强，可省去功率驱动器件，直接驱动可控硅SSR或继电器。AVR单片机的I/O口能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。I/O口的输入可设定为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，以便于满足各种多功能I/O口应用的需要，具备10mA-20mA灌电流的能力。（5）低功耗。具有省电功能(Power Down)及休眠功能(Idle)的低功耗的工作方式。一般耗电在12.5 mA；典型功耗，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电。,47,48,有的器件最低1.8V即可工
30、作。（6）支持程序的在系统编程（ISPIn System Program）即在线编程，开发门槛较低。只需一条ISP并口下载线，就可以把程序写入AVR单片机，所以使用AVR门槛低、花钱少。其中MEGA系列还支持在线应用编程（IAP，可在线升级或销毁应用程序）。（7）程序保密性好，不可破解的位加密锁Lock Bit技术，且具有多重密码保护锁死(Lock)功能，使得用户编写的应用程序不被读出。,49,AVR单片机系列全，3个档次，适于各种不同要求：（1）低档Tiny系列:Tiny11/12/13/15/26/28等；（2）中档AT90S系列:AT90S1200/2313/8515/8535等；（3）
31、高档ATmega系列:有ATmega8/16/32/64/128（存储容量为8/16/32/64/128 KB）以及ATmega8515/8535等。1.8.2 PIC系列单片机美国Microchip公司的产品。特性如下：（1）最大的特点是从实际出发，重视性能价格比，已经开发出多种型号来满足应用需求。例如，一个摩托车的点火器需要一个I/O较少、RAM及程序存储空间不大、可靠性,49,50,较高的小型单片机，若用40脚功能强的单片机，投资大，使用也不方便。PIC系列从低到高有几十个型号。其中，PIC12C508单片机仅有8个引脚，是世界最小的单片机。有512字节ROM、25字节RAM、一个8位定
32、时器、一根输入线、5根I/O线，价格非常便宜。用在摩托车点火器非常适合。PIC的高档型，如PIC16C74（尚不是最高档型号）有40个引脚，其内部资源为ROM共4K、192字节RAM、8路A/D、3个8位定时器、2个CCP模块、3个串行口、1个并行口、11个中断源、33个I/O脚。可以和其他品牌的高档型号媲美。,50,51,（2）精简指令集使执行效率大为提高。PIC系列8位单片机采用精简指令集（RISC），数据总线和指令总线分离的哈佛总线（Harvard）结构，指令单字长，且允许指令代码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用复杂指令结构（CISC）结构的8位单片机相比，可以达到2:1的代码
33、压缩，速度提高4倍。（3）优越的开发环境。51单片机的开发系统大都采用高档型仿真低档型，实时性不理想。PIC推出一款新型号单片机的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。,51,52,（4）其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至220V交流电源，可直接与继电器控制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。（5）保密性好。PIC以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。目前，PIC采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。（6）片内集成了看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。,53,（7）设有休眠和省电工作方
34、式。可大大降低系统功耗并可采用电池供电。PIC单片机分低档型、中档型和高档型：（1）低档8位单片机PIC12C5XXX16C5X系列。PIC16C5X系列最早在市场上得到发展，价格低，有较完善的开发手段，因此在国内应用最为广泛；而PIC12C5XX是世界第一个8脚低价位单片机可用于简单的智能控制等要求体积小的场合，前景广阔。,53,54,（2）中档8位单片机PIC12C6XX/PIC16CXXX系列。PIC中档产品是Microchip公司近年来重点发展的系列产品，品种最为丰富，其性能比低档产品有所提高，增加了中断功能，指令周期可达到200ns，带AD，内部E2PROM数据存储器，双时钟工作，比
35、较输出，捕捉输入，PWM输出，I2C和SPI接口，异步串行接口（UART），模拟电压比较器及LCD驱动等等，其封装从8脚到68脚，可用于高、中、低档的电子产品设计中，价格适中，广泛应用在各类电子产品中。,54,55,（3）高档8位单片机PIC17CXX系列。适合高级复杂系统开发的产品，在中档位单片机的基础上增加了硬件乘法器，指令周期可达成160ns，它是目前世界上8位单片机中性价比最高的机种，可用于高、中档产品的开发，如电机控制等。,56,1.9 各类嵌入式处理器简介随着集成电路技术及电子技术的飞速发展，各种体系结构的处理器品种繁多，且都嵌入到系统中实现数据处理、数据传输和控制功能，各类嵌入式
36、处理器为核心的嵌入式系统的应用，是当今电子信息技术应用的一大热点。具有各种不同体系结构的处理器，构成了嵌入式处理器家族，是嵌入式系统的核心。全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，按体系结构主要分为如下几类：嵌入式微控制器（单片机）、嵌入式数字信号处理器（简称DSP）、嵌入式微处理器以及片上系统（SOC）等。,56,57,1.9.1 嵌入式微控制器（单片机）将用于测控目的的计算机小系统集成到一块芯片中。一般以某一种微处理器内核为核心，片内集成 ROM/EPROM、RAM、总线及总线控制逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash存储器
37、等各种必要的功能部件和外设。一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。使单片机与需求相匹配，减少功耗和成本。单片机最大特点是单片化，价廉，功耗和成本下降、可靠性提高。是目前嵌入式系统工业的主流。,57,58,1.9.2 嵌入式DSP处理器(DSP)DSP（Digital Signal Processor)，非常擅长于高速实现各种数字信号处理运算（如数字滤波、FFT、频谱分析等）。由于硬件结构和指令的特殊设计，使其能够高速完成各种数字信号处理算法。1981年，TI公司研制出TMS320系列的首片低成本、高性能DSP处理器芯片，使DSP
38、技术向前跨出意义重大的一步。上世纪90年代，由于无线通信、各种网络通信、多媒体技术的普及和应用，高清晰度数字电视的研究，极大地刺激了,58,59,DSP在工程上的推广应用。DSP大量进入嵌入式领域。推动DSP快速发展的是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，实时语音压解系统、数字图像处理等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP的长处所在。但在一些实时性要求很高的场合，单片DSP的处理能力还是不能满足要求。因此，又研制出了多总线、多流水线和并行处理的包含多个DSP处理器的芯片，大大提高了系统的性能。与单片机相比，
39、DSP的高速运算能力和多总线，处理的算法的复杂度和大的数据处理流量是单片机不可企及的。,60,DSP的主要厂商有美国TI、ADI、Motorola、Zilog等公司。TI公司位居榜首，占全球DSP市场约60左右。DSP代表性的产品是TI公司的TMS320系列。TMS320系列处理器包括用于控领域的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及应用在通信和数字图像处理的C6000系列等。今天，随着全球信息化和Internet网的普及，多媒体技术的广泛应用，尖端技术向民用领域迅速的转移，数字技术大范围进入消费类电子产品，使DSP不断更新换代，性能指标不断提高，价格不断下降，已成为新兴科技：通信、多
40、媒体系统、消费电子、医用电子等飞速发展的推动力量，,60,61,力，据国际著名市场调查研究公司Forward Concepts 发布的一份统计和预测报告显示，目前世界DSP产品市场每年正以30的增幅大幅度增长，是目前最有发展和应用前景的嵌入式处理器之一。1.9.3 嵌入式微处理器嵌入式微处理器(Embedded MicroProcessor Unit，EMPU)的基础是通用计算机中的CPU。与单片机相比，单片机本身（或稍加扩展）就是一个小的计算机系统，可独立运行，具有完整的功能。而嵌入式微处理器仅仅相当于单片机中的CPU。,61,62,在应用设计中，将嵌入式微处理器装配在专门设计的电路板上，只
41、保留和嵌入式应用有关的母板功能，可大幅减小系统体积和功耗。为满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。代表性产品为ARM系列，ARM是Advanced RISC Machines 的缩写，其中RISC是精简指令集计算机的缩写。同时ARM也是设计ARM处理器的美国公司的简称。ARM家族主要有5个产品系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。,62,63,下面以ARM7为说明嵌入式微处理器基本性能。嵌入式处理器的地址线为32条，能扩展较大的存储器空间，所以可配置实时多任务操作
42、系统(RTOS)。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。常用的RTOS为Linux（数百KB）和VxWorks（数MB）以及C-OS。由于嵌入式实时多任务操作系统具有高度灵活性，可很容易地对它进行定制或作适当开发，即对它进行“裁减”、“移植”和“编写”，从而设计出用户所需的应用程序，来满足需要。,63,64,由于能运行实时多任务操作系统，所以能处理复杂的系统管理任务和处理工作。因此，在移动计算平台、媒体手机、工业控制和商业领域（例如，智能工控设备、ATM机等）、电子商务平台、信息家电（机顶盒、数字电视）、军事等，已成为继单片机、DSP之后的电子信息技术应用的又一大热点广义上讲，凡是系统中嵌
43、入了“嵌入式处理器”，如单片机、DSP、嵌入式微处理器，都称为“嵌入式系统”。也有仅把“嵌入”嵌入式微处理器的系统，称为“嵌入式系统”。还没有严格的定义。目前的“嵌入式系统”，多指后者。,64,65,1.9.4 嵌入式片上系统SOC(System On Chip)随着超大规模集成电路设计技术发展，一个硅片上实现一个复杂的系统，即System On Chip(SOC)，即片上系统。核心思想是把整个电子系统全部集成在一个芯片中。避免大量PCB板设计及板级的调试工作。设计者面对的不再是电路及芯片，而是根据系统的固件特性和功能要求，把各种通用处理器内核及各种外围功能部件模块作为SOC设计公司的标准库，
44、成为VLSI设计中的标准器件，用VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体器件厂商制作样品。,65,66,除无法集成的器件外，整个系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，系统电路板简洁，对减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。SOC使系统设计技术发生革命性变化，标志着一个全新时代到来。至此，已介绍了嵌入式处理器家族的各成员。由于单片机体积小、价格低、很容易嵌入到系统中，应用十分广泛，且易掌握和普及，市场占有率最高。据统计，8051体系结构的单片机的用量占全部嵌入式处理器总用量的50%以上。因此，8051体系结构的单片机技术是首先要掌握的。,66,
