浅谈单片机的学习及应用毕业论文

浅谈单片机的学习及应用系 别： 电气电子工程系 学生姓名： 专业班级： 应用电子技术二班 指导教师： 学 号： 2011 年 12 月 25 日2目 录摘要.(3)1 单片机简介.(4)1.1 什么是单片机.(4)1.2 单片机的基本结构.(6)1.3 单片机发展史.(7)2 单片机学习应用.(8)2.1 单片机的硬件特性.(8)2.2 单片机的工作过程.(8)2.3 单片机的学习.(8)2.4 单片机的应用.(10)2.5 单片机学习应用的六大重要部分.(8)3 常用单片机芯片简介.(15)4 单片机最新技术.(17)4.1 单片机系统软件抗干扰方法(17)4.2 单片机攻击技术(20)4.3 单片机加密方法(21)致谢.(23)参考文献.(24)3摘 要 随 着 微 电 子 技 术 的 飞 速 发 展 ， 单 片 机 的 性 能 迅 速 提 高 。 目 前 单 片 机 已 经渗 透 到 我 们 生 活 的 各 个 领 域 ， 本 文 将 从 单 片 机 的 发 展 历 程 ， 学 习 ， 应 用 等 方面 对 单 片 机 进 行 详 细 介 绍 ， 让 大 家 认 识 单 片 机 ， 了 解 一 些 单 片 机 的 新 技 术 。关 键 词 ： 单 片 机 ， 学 习 应 用 ， 最 新 技 术41 单片机简介1.1 什么是单片机单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的缩写 MCU（Microcontroller Unit）表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在 8031 上发展出了 MCS51 系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了 16 位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90 年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着 INTEL i960 系列特别是后来的 ARM 系列的广泛应用，32 位单片机迅速取代16 位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的 8 位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80 年代提高了数百倍。目前，高端的 32 位单片机主频已经超过 300MHz，性能直追 90 年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至 1 美元，最高端的型号也只有 10 美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的 Windows 和 Linux 操作系统。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1-2 部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备 40 多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过 PC 机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了 I/O 设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如 CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用5电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过 10 元即可.用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD 等等的家电里面都可以看到它的身影！.它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用 PC）的主要区别。 单 片 机 芯 片单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国 50 年代开发的74 系列，或者 60 年代的 CD4000 系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大 PCB 板！但是如果要是用美国 70 年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的 CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K 的尺寸！对于家用 PC 的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用 PC上来运行，家用 PC 的也是承受不了的。 可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称 PC 机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么 熟 悉 。 这 种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体6积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。1.2 单片机的单片机的基本结构单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。 1.2.1 起初模型(1)SCM 即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了 SCM 与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel 公司功不可没。 Micro Controller Unit(2)MCU 即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU 的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel 逐渐淡出 MCU 的发展也有其客观因素。在发展 MCU 方面，最著名的厂家当数Philips 公司。 Philips 公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将 MCS-51 从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记 Intel 和 Philips 的历史功绩。 1.2.2 嵌入式系统7单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向 MCU 阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC 化趋势。随着微电子技术、IC 设计、EDA 工具的发展，基于 SoC 的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 1.3 单片机发展史1971 年 intel 公司研制出世界上第一个 4 位的微处理器；Intel 公司的霍夫研制成功世界上第一块 4 位微处理器芯片 Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的 7 位科学家”之一 。 1971 年 11 月，Intel 推出 MCS-4 微型计算机系统（包括 4001 ROM 芯片、4002 RAM 芯片、4003 移位寄存器芯片和 4004 微处理器 ）其中 4004 包含 2300个晶体管，尺寸规格为 3mm4mm，计算性能远远超过当年的 ENIAC，最初售价为 200 美元。 1972 年 4 月，霍夫等人开发出第一个 8 位微处理器 Intel 8008。由于8008 采用的是 P 沟道 MOS 微处理器，因此仍属第一代微处理器。 1973 年 intel 公司研制出 8 位的微处理器 8080；1973 年 8 月，霍夫等人研制出 8 位微处理器 Intel 8080，以 N 沟道 MOS 电路取代了 P 沟道，第二代微处理器就此诞生。 主 频 2MHz 的 8080 芯 片 运 算 速 度 比 8008 快 10 倍 ， 可 存 取 64KB 存 储 器 ，使 用 了 基 于 6 微 米 技 术 的 6000 个 晶 体 管 ， 处 理 速 度 为 0.64MIPS（ Million Instructions Per Second ） 。 1975 年 4 月 ， MITS 发 布 第 一 个 通 用 型 Altair 8800， 售 价 375 美 元 ，带 有 1KB 存 储 器 。 这 是 世 界 上 第 一 台 微 型 计 算 机 。 1976 年 intel 公 司 研 制 出 MCS-48 系 列 8 位 的 单 片 机 ， 这 也 是 单 片 机 的问 世 。 Zilog 公 司 于 1976 年 开 发 的 Z80 微 处 理 器 ， 广 泛 用 于 微 型 计 算 机 和 工业 自 动 控 制 设 备 。 当 时 ， Zilog、 Motorola 和 Intel 在 微 处 理 器 领 域 三 足 鼎立 。 20 世 纪 80 年 代 初 ， Intel 公 司 在 MCS-48 系 列 单 片 机 的 基 础 上 ， 推 出了 MCS-51 系 列 8 位 高 档 单 片 机 。 MCS-51 系 列 单 片 机 无 论 是 片 内 RAM 容 量 ，I/O 口 功 能 ， 系 统 扩 展 方 面 都 有 了 很 大 的 提 高 。 1.4 单片机发展方向从 单 片 机 的 发 展 历 程 看 ， 未 来 单 片 机 技 术 将 向 多 功 能 、 高 性 能 、 高 速 度 、低 电 压 、 低 功 耗 、 外 围 电 路 内 装 化 及 片 内 储 存 器 容 量 增 加 的 方 向 发 展 。82 单片机学习应用2.1 单片机的硬件特性1、 单 片 机 集 成 度 高 。 单 片 机 包 括 CPU、 4KB 容 量 的 ROM（ 8031 无 ） 、128 B 容 量 的 RAM、 2 个 16 位 定 时 /计 数 器 、 4 个 8 位 并 行 口 、 全 双 工 串 口行 口 。 2、 系 统 结 构 简 单 ， 使 用 方 便 ， 实 现 模 块 化 ; 3、 单 片 机 可 靠 性 高 ， 可 工 作 到 106 107 小 时 无 故 障 ; 4、 处 理 功 能 强 ， 速 度 快 。 2.2 单片机工作过程单 片 机 自 动 完 成 赋 予 它 的 任 务 的 过 程 ， 也 就 是 单 片 机 执 行 程 序 的 过 程 ，即 一 条 条 执 行 的 指 令 的 过 程 ， 所 谓 指 令 就 是 把 要 求 单 片 机 执 行 的 各 种 操 作 用的 命 令 的 形 式 写 下 来 ， 这 是 在 设 计 人 员 赋 予 它 的 指 令 系 统 所 决 定 的 ， 一 条 指令 对 应 着 一 种 基 本 操 作 ； 单 片 机 所 能 执 行 的 全 部 指 令 ， 就 是 该 单 片 机 的 指 令系 统 ， 不 同 种 类 的 单 片 机 ， 其 指 令 系 统 亦 不 同 。 为 使 单 片 机 能 自 动 完 成 某 一特 定 任 务 ， 必 须 把 要 解 决 的 问 题 编 成 一 系 列 指 令 （ 这 些 指 令 必 须 是 选 定 单 片机 能 识 别 和 执 行 的 指 令 ） ， 这 一 系 列 指 令 的 集 合 就 成 为 程 序 ， 程 序 需 要 预 先存 放 在 具 有 存 储 功 能 的 部 件 存 储 器 中 。 存 储 器 由 许 多 存 储 单 元 （ 最 小 的存 储 单 位 ） 组 成 ， 就 像 大 楼 房 有 许 多 房 间 组 成 一 样 ， 指 令 就 存 放 在 这 些 单 元里 ， 单 元 里 的 指 令 取 出 并 执 行 就 像 大 楼 房 的 每 个 房 间 的 被 分 配 到 了 唯 一 一 个房 间 号 一 样 ， 每 一 个 存 储 单 元 也 必 须 被 分 配 到 唯 一 的 地 址 号 ， 该 地 址 号 称 为存 储 单 元 的 地 址 ， 这 样 只 要 知 道 了 存 储 单 元 的 地 址 ， 就 可 以 找 到 这 个 存 储 单元 ， 其 中 存 储 的 指 令 就 可 以 被 取 出 ， 然 后 再 被 执 行 。 程 序 通 常 是 顺 序 执 行 的 ， 所 以 程 序 中 的 指 令 也 是 一 条 条 顺 序 存 放 的 ， 单片 机 在 执 行 程 序 时 要 能 把 这 些 指 令 一 条 条 取 出 并 加 以 执 行 ， 必 须 有 一 个 部 件能 追 踪 指 令 所 在 的 地 址 ， 这 一 部 件 就 是 程 序 计 数 器 PC（ 包 含 在 CPU 中 ） ，在 开 始 执 行 程 序 时 ， 给 PC 赋 以 程 序 中 第 一 条 指 令 所 在 的 地 址 ， 然 后 取 得 每一 条 要 执 行 的 命 令 ， PC 之 中 的 内 容 就 会 自 动 增 加 ， 增 加 量 由 本 条 指 令 长 度决 定 ， 可 能 是 1、 2 或 3， 以 指 向 下 一 条 指 令 的 起 始 地 址 ， 保 证 指 令 顺 序 执行 。 2.3 单片机学习9目 前 ， 很 多 人 对 汇 编 语 言 并 不 认 可 。 可 以 说 ， 掌 握 用 C 语 言 单 片 机 编程 很 重 要 ， 可 以 大 大 提 高 开 发 的 效 率 。 不 过 初 学 者 可 以 不 了 解 单 片 机 的 汇 编语 言 ， 但 一 定 要 了 解 单 片 机 具 体 性 能 和 特 点 ， 不 然 在 单 片 机 领 域 是 比 较 致 命的 。 如 果 不 考 虑 单 片 机 硬 件 资 源 ， 在 KEIL 中 用 C 胡 乱 编 程 ， 结 果 只 能 是 出了 问 题 无 法 解 决 ！ 可 以 肯 定 的 说 ， 最 好 的 C 语 言 单 片 机 工 程 师 都 是 从 汇 编走 出 来 的 编 程 者 ， 因 为 单 片 机 的 C 语 言 虽 然 是 高 级 语 言 ， 但 是 它 不 同 于 台式 机 个 人 电 脑 上 的 VC+什 么 的 。 单 片 机 的 硬 件 资 源 不 是 非 常 强 大 ， 不 同 于我 们 用 VC、 VB 等 高 级 语 言 在 台 式 PC 上 写 程 序 ， 毕 竟 台 式 电 脑 的 硬 件 非 常强 大 ， 所 以 才 可 以 不 考 虑 硬 件 资 源 的 问 题 。 还 有 就 是 在 单 片 机 编 程 中 C 语言 虽 然 编 程 方 便 ， 便 于 人 们 阅 读 ， 但 是 在 执 行 效 率 上 是 要 比 汇 编 语 言 低 10%到20%， 所 以 用 什 么 语 言 编 写 程 序 是 要 看 具 体 用 在 什 么 场 合 下 。 总 的 来 说 做 单片 机 编 程 要 灵 活 使 用 汇 编 语 言 与 C 语 言 ， 让 单 片 机 的 强 大 功 能 以 最 高 效 率 展示 给 用 户 。 以 8051 单 片 机 为 例 讲 解 单 片 机 的 引 脚 及 相 关 功 能 ; 单 片 机 引 脚 图 单 片 机 引 脚 图40 个 引 脚 按 引 脚 功 能 大 致 可 分 为 4 个 种 类 ： 电 源 、 时 钟 、 控 制 和 I/O 引 脚 。 电 源 : VCC - 芯 片 电 源 ， 接 +5V； VSS - 接 地 端 ； 注 ： 用 万 用 表 测 试 单 片 机 引 脚 电 压 一 般 为 0v 或 者 5v， 这 是 标 准 的TTL 电 平 。 但 有 时 候 在 单 片 机 程 序 正 在 工 作 时 候 测 试 结 果 并 不 是 这 个 值 而 是介 于 0v-5v 之 间 ， 其 实 这 是 万 用 表 的 响 应 速 度 没 这 么 快 而 已 ， 在 某 一 个 瞬 间单 片 机 引 脚 电 压 仍 保 持 在 0v 或 者 5v。 时 钟 :XTAL1、 XTAL2 - 晶 体 振 荡 电 路 反 相 输 入 端 和 输 出 端 。 控 制 线 :控 制 线 共 有 4 根 ， ALE/PROG:地 址 锁 存 允 许 /片 内 EPROM 编 程 脉 冲 ALE 功 能 ： 用 来 锁 存 P0 口 送 出 的 低 8 位 地 址 10 PROG 功 能 ： 片 内 有 EPROM 的 芯 片 ， 在 EPROM 编 程 期 间 ， 此 引 脚 输 入编 程 脉 冲 。 PSEN:外 ROM 读 选 通 信 号 。 RST/VPD:复 位 /备 用 电 源 。 RST（ Reset） 功 能 ： 复 位 信 号 输 入 端 。 VPD 功 能 ： 在 Vcc 掉 电 情 况 下 ， 接 备 用 电 源 。 EA/Vpp:内 外 ROM 选 择 /片 内 EPROM 编 程 电 源 。 EA 功 能 ： 内 外 ROM 选 择 端 。 Vpp 功 能 ： 片 内 有 EPROM 的 芯 片 ， 在 EPROM 编 程 期 间 ， 施 加 编 程 电源 Vpp。 I/O 线 80C51 共 有 4 个 8 位 并 行 I/O 端 口 ： P0、 P1、 P2、 P3 口 ， 共 32 个引 脚 。 P3 口 还