《单片机原理及应用》课件第1章.ppt

1、第第1章概述章概述1.1 单片机的基本概念单片机的基本概念1.2 单片机的发展单片机的发展1.3 单片机的特点及应用单片机的特点及应用1.4 单片机的类型与常用单片机系列单片机的类型与常用单片机系列习题一习题一 随着计算机技术的发展,单片机技术已成为计算机技术的一个独特的分支;单片机的应用领域也越来越广泛,特别是在工业控制和仪器仪表智能化中扮演着极其重要的角色。本章主要对单片机的基本概念、发展、特点与应用情况以及单片机系列产品进行简要介绍,以使读者对单片机有一个初步了解。1.1单片机的基本概念单片机的基本概念单片机的全称为单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)。从

2、应用领域来看,单片机主要用于控制,所以又称为微控制器(Microcontroller Unit)或嵌入式控制器(Embedded Controller)。单片机是将计算机的基本部件微型化并集成在一块芯片上的微型计算机。1.1.1单片机的发展历程单片机的发展历程电子数字计算机诞生于1946年,在其后的一个历史阶段中,计算机始终是被供养在特殊的机房中、实现数值计算的大型昂贵设备。直到20世纪70年代微处理器的出现,使得计算机以小型、廉价、高可靠性的特点,迅速走出机房,并被嵌入到一个对象体系中,实现对象体系的智能化控制。这样一来,很多计算机便失去了原来的形态与通用计算机的功能。为了区别于原有计算机系

3、统,把嵌入到对象体系中实现对象体系智能化控制的计算机称做嵌入式计算机系统。早期,人们勉为其难地将通用计算机系统进行改装,在大型设备中实现嵌入式应用。然而,在众多的对象系统(如家用电器、仪器仪表、控制单元等)中,无法嵌入通用计算机系统,且嵌入式系统与通用计算机系统的技术发展方向完全不同。因此,必须独立地发展通用计算机系统与嵌入式计算机系统,这就形成了现代计算机技术的两大分支。单片机是最典型的嵌入式系统,起源于微型计算机时代。单片机的出现实现了最底层的嵌入式系统应用,带有明显的电子系统设计模式的特点。大多数从事单片机应用开发的人员都是对象系统领域中的电子工程师,他们将单片机以智能化器件身份用于电子

4、系统,脱离了计算机专业领域,没有带入“嵌入式系统”概念。因此,“单片机”与“嵌入式系统”被看做两个独立的名词。由于单片机是典型的、独立发展起来的嵌入式系统,因此,从学科的角度应该把它统一成“嵌入式系统”。单片机的产生与应用将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领域,使计算机成为人类社会全面智能化的有力工具。1.1.2单片机技术的多学科交叉特点单片机技术的多学科交叉特点嵌入式系统的嵌入式应用特点,决定了它具有多学科交叉特性。作为计算机的内容,要求计算机专业领域人员介入其体系结构、软件技术、工程应用方面的研究。然而,要了解对象体系的控制要求,实现系统控制模式,则必须具备对象领域的专业知识。因此

5、,从嵌入式系统发展的历史过程以及嵌入式应用的多样性,就形成了两种应用模式,这两种应用模式是电子系统设计模式和计算机应用设计模式。电子系统设计模式是单片机以器件形态进入到传统电子技术领域中,以电子应用工程师为主体,实现电子系统的智能化。计算机应用设计模式是基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用，从计算机专业角度介入嵌入式系统应用，带有明显的计算机工程应用的特点。由于嵌入式系统的两种应用模式并存和互补,因而形成了单片机技术的多学科交叉特点。正因如此,单片机原理及应用成为电子电气类、机电类、计算机类专业都开设的重要应用技术课程。1.1.3单片机的功能结构特征单片机的功能结构特

6、征单片机源于微型计算机,属于计算机的一个应用分支。但单片机问世以来,所走的路与通用微处理器是不同的。微处理器向着高速运算,数据分析与数据处理,大规模、大容量存储器方向发展,以提高通用计算机的性能;其接口界面也是为了满足外设和网络接口而设计的。单片机则是从工业测控对象、环境、接口特点出发,向着增强控制功能、提高工业环境下的可靠性、灵活方便地构成计算机应用系统的界面接口的方向发展。因此,单片机既有与通用微型计算机相同的功能结构特征,又有自己的功能结构特点。1.单片机与微型计算机的基本功能组成部分单片机与微型计算机的基本功能组成部分由于单片机是从通用微型计算机分化出来的一个应用分支,因此，它的基本功

7、能组成和工作原理与通用微型计算机是一致的。微型计算机(简称微机)的基本组成结构如图1.1所示。图 1.1微机组成结构框图2.单片机与通用微机不同的功能结构特征单片机与通用微机不同的功能结构特征由于嵌入式系统与对象系统密切相关,因此其主要技术发展方向是满足嵌入式应用的要求。所以,单片机除具有通用微机的基本组成部分外,还包括实时控制所要求的一些相关功能器件。单片机的组成结构可用图1.2来描述。图 1.2单片机组成框图1.2单片机的发展单片机的发展目前计算机硬件技术朝着巨型化、微型化和单片化三个方向发展。单片机代表着计算机技术的一个发展方向。自1975年美国德克萨斯仪器公司(Texas Instru

8、ments,TI)第一块单片机芯片TMS 1000问世以来,在短短的30多年间,单片机技术已发展成为计算机技术的一个非常有活力的分支,并有着自己的技术特征、规范、发展道路和应用环境。随着电子技术的发展,单片机在集成度、功能、性能、体系结构等方面都得到了飞速发展。1.2.1单片机的发展概况单片机的发展概况随着超大规模集成电路的发展,单片机先后经历了4位机、8位机、16位机、32位机和64位机的发展阶段。1.4位单片机位单片机1971年,美国Intel公司首先推出了4位微处理器芯片4004;1975年,美国德克萨斯仪器公司首次推出4位单片机TMS 1000;此后,各个计算机生产公司竞相推出4位单片

9、机。例如,美国国家半导体(National Semiconductor,NS)公司的COP402系列,日本电气公司(NEC)的PD75XX系列,美国洛克威尔(Rockwell)公司的PPS/1系列,日本松下公司的MN1400系列,日本富士通公司的MB88系列等。2.8位单片机位单片机1972年,美国Intel公司首先推出了8位微处理器8008,并于1976年9月率先推出MCS 48系列8位单片机,使单片机发展进入了一个新的阶段。在这之后,8位单片机纷纷面市。例如,莫斯特克(Mostek)和仙童(Fairchild)公司合作生产的3870(F8)系列,摩托罗拉(Motorola)公司生产的680

10、1系列等。3.16位单片机位单片机1983年以后,集成电路的集成度可达十几万只管/片,各系列16位单片机纷纷面市。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公司推出的80C96,美国国家半导体公司推出的HPC16040,NEC公司推出的783XX系列等。4.32位单片机位单片机随着高新技术在智能机器人、光盘驱动器、激光打印机、图像与数据实时处理、复杂实时控制、网络服务器等领域的应用与发展,20世纪80年代末推出了32位单片机,如Motorola的MC683XX系列,Intel的80960系列,以及近年来流行的ARM系列单片机。32位单片机是单片机

11、的发展趋势,随着技术的发展及开发成本和产品价格的下降,将会与8位单片机并驾齐驱。5.64位单片机位单片机近年来,64位单片机在引擎控制、智能机器人、磁盘控制、语音/图像通信、算法密集的实时控制等场合已有应用,如英国Inmos公司的Transputer T800是高性能64位单片机。虽然单片机的发展按先后顺序经历了4位、8位、16位、32位、64位的阶段,但从实际使用情况看,并没有出现像微处理器那样推陈出新、更新换代的局面,这也是单片机发展的一大特点。4位、8位、16位、32位单片机都存在于市场中,各有应用领域。不过,各类单片机为适应市场需求,都在原来的基础上采取新技术,提高性能,推出新产品。图

12、1.3是电子工程师对单片机选型的市场调查,从中可以看出,8位单片机仍是市场的主流产品,但32位单片机发展很迅速。图 1.3单片机选型市场调查1.2.2单片机技术的发展单片机技术的发展从单片机30多年的发展历程可以看到,单片机技术的发展以微处理器技术及超大规模集成电路技术的发展为先导,表现出以下技术特点。1.体系结构的变化体系结构的变化从体系结构上看,单片机自诞生以来,经历了从SCM到MCU再到SOC的发展过程。2.单片机速度越来越快单片机速度越来越快为提高单片机的抗干扰能力,降低噪声和时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展的一个方向。一些8051单片机兼容厂商改善了单片机的内部时序,在不提高

13、时钟频率的条件下,使运算速度提高了很多。Motorola单片机使用了锁相环技术或内部倍频技术,使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率;68HC08单片机使用4.9 MHz外部振荡器而内部时钟达32 MB;三星电子新近推出了1.2 GHz的ARM处理器内核Halla。3.低电压与低功耗低电压与低功耗几乎所有的单片机都有Wait、Stop等省电运行方式,允许使用的电源电压范围也越来越宽。一般单片机都能在36 V范围内工作,对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。低电压供电的单片机电源下限已由2.7 V降至2.2 V、1.8 V,0.9 V供电的单片机已经问世。4.低噪声与高可靠性技术为提高单

14、片机系统的抗电磁干扰能力,使产品能适应恶劣的工作环境,满足电磁兼容性方面更高标准的要求,各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。如ST公司的PSD系列单片机片内增加了看门狗定时器,NS的COP8单片机内部增加了抗EMI电路,增强了“看门狗”的性能。5.OTP与掩膜与掩膜OTP(One Time Programable)是一次性写入的单片机。过去认为,一个单片机产品的成熟是以投产掩膜型单片机为标志的。由于掩膜需要一定的生产周期,而OTP型单片机价格不断下降,使得近年来直接使用OTP完成最终产品制造更为流行。6.MTP向向OTP挑战挑战MTP是可多次编程的意思。一些单片机厂商以MTP

15、的性能、OTP的价位推出他们的单片机,如ATMEL AVR单片机,片内采用Flash,可多次编程。华邦公司生产的8051兼容的单片机也采用了MTP性能、OTP的价位。这些单片机都使用了ISP技术,等安装到印刷线路板上以后再下载程序。7.在线编程技术在线编程技术在线编程目前有两种不同方式:(1)ISP(In System Programming),即在系统编程。具备 ISP 的单片机内部集成了FLASH 存储器,用户可以通过下载线以特定的硬件时序在线编程,但用户程序自身不可以对内部存储器做修改。这类产品如 ATMEL8990 系列。(2)IAP(In Application Programmin

16、g),即在应用编程。具备IAP的单片机厂家在出厂时向其内部写入了单片机引导程序,用户可以通过下载线对它在线编程,用户程序也可以自己对内存重新修改。这对于工业实时控制和数据的保存提供了方便。这类产品如 SST 的 89 系列。8.在线仿真技术在线仿真技术一些新型的SOC单片机都具有在线仿真功能,这些单片机都配置了JTAG接口。JTAG(Joint Test Action Group,联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议(IEEE 1149.1兼容),主要用于芯片内部测试。9.增加增加I2C、SPI串行接口功能串行接口功能单片机增加I2C、SPI串行接口功能是为了方便系统与外围设备连接。用户可以通过I2C、SPI串行接口连接诸如传感器等设备,完成检测功能,同时把系统情况通过串口传送给上位机管理系统,完成远程设备的控制。大部分单片机厂家的后继产品都提供了这样的功能。1.3单片机的特点及应用单片机的特点及应用1.3.1单片机的特点单片机的特点与通用微机相比较,单片机在结构、指令设置上均有其独特之处,主要特点如下:(1)单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的。ROM称为程序存储器,只存放程