单片机--第1章概述.ppt

第1章 概述,1.1 计算机的发展,从1946第一台电子计算机的诞生至今，计算机经历了电子管计算机、晶体管计算机、大规模集成电路、超大规模集成电路共四代的发展历程。 电子管计算机时代（从19461956年） 电子计算机的主要特点是使用电子管作为逻辑元件。它的五个基本部分为运算器，控制器，存储器，输入器和输出器。运算器和控制器采用电子管，存储器采用电子管和延迟线，这一代计算机的一切操作，包括输入，输出在内，都由中央处理机集中控制。这种计算机主要用于科学技术方面的计算。,晶体管计算机时代（从19571964 ） 在20世纪50年代之前，计算机都采用电子管作元件。 电子管元件有许多明显的缺点。例如，在运行时产生的 热量太多，可靠性较差，运算速度不快，价格昂贵，体 积庞大，这些都使计算机发展受到限制。于是，晶体管 开始被用来作计算机的元件。晶体管不仅能实现电子管 的功能，又具有尺寸小，重量轻，寿命长，效率高，发 热少，功耗低等优点。使用了晶体管以后，电子线路的 结构大大改观，制造高速电子计算机的设想也就更容易 实现了。 用晶体管制造的计算机标志着计算机发展进入 了第二代。,中、小规模集成电路集成电路计算机时代 （从 19651970年） 集成电路的发明和应用标志着计算机进入了第三代，由于采用集成电路，计算速度提高到几十万次，甚至上千万次，内存容量达几百K，结构实现了积木化，磁芯存储器被大规模集成电路的半导体存储器取代。因而一台大型机就成为一个计算中心，中间为中央处理机，左边为打印机，右边是内存储器和外存储器，桌上的终端设备可对存储器的信息作检查或更改，并有控制整个计算机系统的功能。 计算机开始普及到商业管理领域，自动控制行业和科学单位等。,大、超大规模集成电路（LSI、VLSI） 计算机时代（从1971今） 进入20世纪60年代后，微电子技术发展迅猛。在1967年和1977年，分别出现了大规模集成电路和超大规模集成电路，并立即在电子计算机上得到了应用。由大规模和超大规模集成电路组装成的计算机，就被称为第四代电子计算机（微型计算机）。,按单片集成电路上包含晶体管数目 的规模（集成度）分为：,SSI(小规模集成电路)：晶体管数100个以下 MSI (中规模集成电路)：晶体管数1003000个 LSI (大规模集成电路)：晶体管数300030000个（3千3万） VLSI (超大规模集成电路)：晶体管数100000100000000个（ 10万1亿） ULSI (甚大规模集成电路)：晶体管数100000000个以上（1亿） 可以预测：到2010年芯片的集成度将达到10亿个晶体管,未来的计算机将以超大规模集成电路为基础，向巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。 巨型化 巨型化是指计算机的运算速度更高、存储容量更大、功能更强。目前正在研制的巨型计算机其运算速度可达每秒千万亿次。 微型化 微型计算机已进入仪器、仪表、家用电器等小型仪器设备中，同时也作为工业控制过程的心脏，使仪器设备实现“智能化”。随着微电子技术的进一步发展，笔记本型、掌上型等微型计算机必将以更优的性能价格比受到人们的欢迎。,网络化 随着计算机应用的深入，特别是家用计算机越来越普及，一方面希望众多用户能共享信息资源，另一方面也希望各计算机之间能互相传递信息进行通信。 计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物。计算机网络己在现代企业的管理中发挥着越来越重要的作用，如银行系统、商业系统、交通运输系统等。 智能化 计算机人工智能的研究是建立在现代科学基础之上。智能化是计算机发展的一个重要方向，新一代计算机，将可以模拟人的感觉行为和思维过程的机理，进行“看”、“听”、“说”、“想”、“做”，具有逻辑推理、学习与证明的能力。现在，世界已进入了计算机时代。 计算机的发展趋势是向“两极”分化： 一极是微型机向更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展。 一极则是巨型机向更巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展。,单片微机是单片微型计算机SCMC（Single Chip Micro Computer）的译名简称，在国内也常简称为“ 单片微机” 或“单片机” 。它包括中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器、串行口和I/O等等。 除了工业控制领域，单片微机在尖端武器、家用电器、电子玩具、通信、高级音响、图形处理、语言设备、机器人、计算机等各个领域迅速发展。 从1976年至今单片机应用广泛、发展迅猛。,1.2单片微机的应用,按照所使用单片微机的类型不同，单片微机应用系统结构可分成总线方式和非总线方式。 在总线方式的应用系统中，单片微机都具有完善的外部扩展总线，如并行总线（AB、DB、CB）、串行通信总线（如 UART），通过这些总线可方便地扩展外围单元、外设接口等。采用总线方式的应用系统多属较复杂的工控系统、智能仪表、监测系统，或满足这些应用而构成的多机与网络系统。总线方式的单片微机在不使用外部并行总线时，外部并行总线引脚可作为I/O口用。在掩膜用户程序时，还可要求将这些 I/O口改造成具有各种驱动能力的 I/O口。 非总线方式的应用系统（如 80C51系列中的 83C751、87C751，83C752、WC752，Motorola 的MC68HC05系列中的许多产品）省去了外部并行总线，可构成各种小封装芯片，有限的引脚 可提供更多的用户I/O口，以使应用系统的芯片数量最少。,采用非总线方式的应用系统多属小型控制器、测控单元、单元仪表等。 以下大致介绍一些典型的应用领域和应用特点。 l 家用电器领域 国内各种家用电器已普遍采用单片微机控制取代传统的控制电路，做成单片微机控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭堡、电视机、录像机及其它视频音像设备的控制器。 2办公自动化领域 比如一台PC机可能嵌入了10个单片微机，如控制键盘、鼠标、显示器、CD-ROM、声卡、打印机、软/硬盘驱动器、调制解调器等。,现代办公室中所使用的大量通信、信息产品，如绘图仪、复印机、电话、传真机等，多数都采用了单片微机。 3工业自动化领域的在线应用 如工业过程控制、过程监测、工业控制器及机电一体化控制系统等，许多都是以单片微机为核心的单机或多机网络系统。如工业机器人的控制系统是由中央控制器、感觉系统、行走系统、擒拿系统等节点构成的多机网络系统。而其中每一个小系统都是由单片微机进行控制的。 4. 智能仪器仪表与集成智能传感器领域 应用单片微机来对传统的仪器仪表行业的产品进行“ 更新换代” ，提供了非常理想的的条件。目前各种变送器、电气测量仪表普遍采用单片微机应用系统替代传统的测量系统，使测量系统具有各种智能化功能，如存储、数据处理、查找、判断、联网和语音功能等。,5汽车电子与航空航天电子系统 通常在这些电子系统中的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驭系统、通信系统以及运行监视器（黑匣子）等，都要构成冗余的网络系统。比如一台RMW-7系列宝马轿车就用了63个单片微机，大部分还是16位单片微机。 单片微机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。这标志着一种全新概念的建立。,1.3 单片机概述,1.3.1 单片机的发展历史 第一阶段：单片机的探索阶段 初级8位机阶段，典型的如MCS-48系列单片机 第二阶段：单片机的完善阶段 高级8位机阶段，典型的如MCS-51系列单片机 第三阶段：向微控制器发展的阶段 这一阶段主要是为满足测控系统要求的各种外围电路及接口电路，突出其智能能力，出现了16位单片机，如MCS-96系列单片机，采用了CHMOS技术的80C51系列单片机 第四阶段：单片机的全面发展阶段 出现了高速低功耗、大寻址范围、强运算能力的8位、16位、32位通用型单片机,1.3.2 单片机的组成及特点,单片机是微型机的一个主要分支，单片机是一个 大规模集成电路芯片，其上集成有CPU、存储器、 I/O口(串行口、并行口)、其它辅助电路(如中断系统， 定时/计数器，振荡电路及时钟电路等)。 也可以说单片机在结构上的最大特点是把中央处理 器CPU、存储器、定时器/计数器、中断系统、串行口 和输入/输出接口电路集成在一块超大规模的集成电路 芯片上。就其组成和基本工作原理而言，一块单片机芯 片就是一台计算机。,CPU,存储器 I/O口,DB,AB,CB,微机的结构框图,运算器,最终结果 数 中间结果/ 据 最后结果 原始数据 与程序 最后 结果 程 序 计算机系统的硬件组成框图,存储器,控制器,输出设备,输入设备,MCS - 51系列单片机的基本结构图,CPU,RAM,ROM,中断系统,串行口,并行口,定时计数器,振荡电路,X1 X2 P0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1,T0 T1,1. 单片机的组成,MCS - 51系列单片机的基本结构图,CPU,RAM,ROM,中断系统,串行口,并行口,定时计数器,振荡电路,X1 X2 P0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1,T0 T1,计算机,微机,2. 单片机的特点,控制功能强 抗干扰能力强，可靠性高 性能价格比高 扩张了多种串行口 系统扩展容易,1.3.3 单片机的发展趋势,今后的发展趋势不外乎在以下几个方面： （1） 低功耗管理 全盘CMOS化趋势 单片微机采用二种半导体工艺生产，HMOS工艺即高密度短沟道MOS工艺，具有高速度和高密度；CHMOS工艺即互补金属氧化物的HMOS工艺，除具有HMOS的优点外，还具有CMOS工艺的低功耗特点。如8051的功耗为630mw，而80C51的功耗仅120mw。 从第三代单片微机起开始淘汰非CMOS工艺。目前，数字逻辑电路和外围器件等都已普遍CMOS化。 （2） 更宽的工作电压范围 一般范围是3.35.5 V，有的到2.26 V，有的甚至降到1.8 V。,（3） 高性能 为了提高速度和执行效率，在单片微机中开始使用RISC（精简指令）体系结构、并行流水线操作和DSP（数字信号处理）等的设计技术，使单片微机的指令运行速度得到大大提高，其电磁兼容等性能明显地优于同类型的微处理器，现指令速度已达到100MIPS（百万条指令/秒）。还有加强了位处理功能、中断和定时控制功能。 （4）混合信号集成化 在单片微机中尽可能多的把应用系统中所需要的存储器、各种功能的I/O口都集成在一块芯片内，即外围器件内装化，如把LED、LCD或VFD显示驱动器集成在8位单片微机中，如把A/D、D/A、乃至多路模拟开关和采样/保持器也集成在单片微机芯片中，从而成为名副其实的单片微机。以实现混合信号集成化 、功能多样化,（5） 推行串行扩展总线 推行串行扩展总线可以显著减少引脚数量，简化系统结构。随着I2C、SPI等串行总线接口的接入，单片微机的串行接口将普遍化、高速化，使得并行扩展接口技术日渐衰退，使得单片机的引脚可以设计得更节约，使单片机系统结构更简化和规范化。,（6） 小体积、低价格,（7） ISP及基于ISP的开发环境,1.3.4 单片机与嵌入式系统,1.嵌入式系统的定义与分类 把嵌入到对象系统中以实现对象系统智能化控制的计算机，称为嵌入式计算机系统。因此，嵌入式系统是将一个计算机嵌入到对象系统中去，这个计算机就成为系统的一部分。 “嵌入性”、“专用性”、与“计算机系统”是嵌入式计算机系统的3个基本要素。只要具备其三要素的计算机系统，都可称为.嵌入式系统。 单片机最能满足嵌入式应用的要求，因为它有专门为嵌入式应用设计的体系结构和指令系统。 2.单片机与嵌入式系统应用 嵌入式系统目前在应用数量上远远超过了一般的通用计算机。单片机已经成为人类社会进入全面智能化时代不可或缺的工具。,1.4 80C51系列单片机,1.4.1 80C51系列单片机的发展,80C51系列单片机包括了 Intel公司发展MCS51系 列的新一代产品，如 8XC152、80C51FA/FB、80C5lGA/GB 石XC451、8XC452，还包括了 Phlips、Siemens、ADM、 OKI、ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色、 与MCS51兼容（指令兼容、总线兼容和引脚兼容）的单片微机。 80C51系列单片微机是在MCS51的HMOS基础上发 展起来的，它们具有CHMOS结构。 80C51系列单片微机保留了MCS51单片微机的所有特性，内部组成基本相同。80C51系列单片微机增设了两种可以用软件进行选择的低功耗工作方式：空闲方式和掉电方式。,80C51系列单片机经历的三次技术飞跃： （1）从MCS-51到MCU的第一次飞跃 发展80C51的控制功能及外围电路的功能，突出单片机 的微控制特征。 （2）引入快擦写存储器的第二次飞跃 使系统在开发过程中修改程序十分容易，大大缩减了单 片机系统的开发周期。 （3）向SOC（片上系统）转化的第三次飞跃 其指令运行速度比一般的80