嵌入式计算机系统的硬件系统

嵌入式系统 v以应用为中心、以计算机技术为基础、软件 硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性 、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机 系统 嵌入式计算机系统的硬件系统 v嵌入式处理器 CPU、DSP、单片机、ASIC v常规外设及其接口 键盘、显示器、打印机等 v专用外设及其接口 直流电机、步进电机、A/D等 v操作控制台和报警设备 闪烁灯、扬声器等 嵌入式计算机软件系统 v嵌入式操作系统 ：大规模应用 v实时监控程序 ：中规模 v用户程序 ：简单应用 n什么叫单片机？ n单片机的应用 n单片机的发展 n单片机的分类 n如何学习单片机 n单片机的开发思路 n常用单片机系列介绍 n初学单片机几个不易掌握的概念 单片机原理及接口技术 1 、什么叫单片机？ vSingle Chip Microcomputer (Microcontroller) v计算机 v单板机同一块板 v单片机同一块芯片 2、 单片机的应用 （面广量大） v家用电器上的应用 v智能仪器仪表上的应用 v工业控制上的应用 v计算机网络和通信领域上的应用 v医用设备上的应用 1. 智能冰箱 2智能饭煲 3智能食品配料机 可以这样说，现在的家用电 器基本上都采用了单片机控 制，从电饭褒、洗衣机、电 冰箱、空调机、彩电、其他 音响视频器材、再到电子秤 量设备，五花八门，无所不 在。 2.1 家用电器上的应用 数字式测角仪 交直流电压电流表 单片机的特点：体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用 方便等。 结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流 量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。 采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用 电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种 分析仪）。 2.2 智能仪器仪表上的应用 数控车床 数控线切割机床 用单片机可以构成形式 多样的控制系统、数据 采集系统。例如工厂流 水线的智能化管理，电 梯智能化控制、各种报 警系统，与计算机联网 构成二级控制系统等。 2.3 工业控制上的应用 现代的单片机普遍具备通信接口， 可以很方便地与计算机进行数据通 信，为在计算机网络和通信设备间 的应用提供了极好的物质条件，现 在的通信设备基本上都实现了单片 机智能控制。 手机 电话机 程控交换机 调制解调器 楼宇自动通信呼叫系统 列车无线通信 无线电对讲机等。 2.4 计算机网络和通信领域上的应用 医用呼吸机 各种分析仪 监护仪 超声诊断设备 病床呼叫系统等等 电池分析仪 医用呼吸机 2.5 医用设备上的应用 3、单片机的发展 v有多种说法，其中一种： 第一代：1971-1975， 4位 第二代：1976-1982， 8位 第三代：1983年以后 16位、32位 3.1 单片机的发展历史 v初级阶段（19741976）两片集成芯片（集 成工艺限制） v低性能阶段（19761978）INTEL MCS-48 v高性能阶段（19781982）MCS-51 v更高性能阶段（1983 多种机型并行发展 3.2 单片机的发展趋势 1、低功耗CMOS化 v象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导 体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工 艺)。更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合 。 2、微型单片化 v要求体积小、重量轻、具有多种封装形式，其中 SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的 系统正朝微型化方向发展。 3、主流与多品种共存 v在一定的时期内，以C8051为核心的单片机占据半壁 江山，各品种单片机陆续侵占市场的情形将得以延续 ，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是 依存互补，相辅相成、共同发展的道路。 4、单片机的分类 器件厂家 美国：Intel 、Motorola、Zilog 、Microchip 、 Atmel 荷兰: Philips 德国： Siemens 日本：Nec、东芝、松下等 5、如何学习单片机 v具备什么知识基础？ v从哪种单片机学起？ v买什么样的书籍？ v需要的学习条件和环境？ v学习方法？ 5.1 具备什么知识基础？ vC语言（或其它基础语言）：打好编程基础 。 v电子技术：特别是数字电子技术，是必备的 电路基础。 v微机原理：对计算机基础知识有较好的准备 。 v8051单片机的书籍、资料、器材都较多，其派 生品也很多，例如ATMEL公司的AT89C51系列 单片机的指令、管脚、内部主要结构、用法都 与MSC-51相同。目前其价格较低，你学习的片 子也可以做产品，做产品的片子也可以做实验 ，当然AVR系列也有这些特点；而PIC及其它系 列在这一点上则显得不太理想。 vPIC和AVR的书籍、资料以及器件供应并不理想 ，不太适合初学者选择。若对这些并不在意的 话那选择后者进行学习也未尚不可。 5.2 从哪种单片机学起？ MCS-51 MCS-51 、PICPIC、AVRAVR v前面看得懂，后面看不懂的书籍。 5.3 买什么样的书籍？ 若前后都看不懂的书最好先别买，因为若前后都看不懂的书最好先别买，因为 这本书短时间内不会对你起多大作用。这本书短时间内不会对你起多大作用。 当然若不是把书当资料查也不必买前后当然若不是把书当资料查也不必买前后 你都懂的书，因为它对你来说有点浅。你都懂的书，因为它对你来说有点浅。 应以原理书籍为主。其次可以购买一些应以原理书籍为主。其次可以购买一些 应用方面的书籍以便参考。应用方面的书籍以便参考。 v需要哪些器材？ 电子技术本身与实验离不开，若光靠看书 是很难理解其原理和学会单片机开发的。你应 该购置相关单片机的芯片、编程器、实验板， 以及开发单片机的相关软件。并以边看书边实 验的方式进行学习其效果将明显好的多！由于 初学，不可能购置很多昂贵的设备，建议学习 用的单片机芯片其程序储存器是可以反复可擦 写的，如AT89C系列或AVR系列。这样，在学 习烧写时是无后顾之忧的。 5.4 学习条件和学习环境 推荐初学者的软件硬件准备 计算机一台：无特殊要求，可选用经济型电脑。 开发实验板一块 ISP下载线一条：用于对单片机进行编程下载，可自制。 相关软件：开发软件、仿真软件、ISP下载软件等。 工具书：教材一本，较祥细的手册类书一本。 其它资料：器件资料、应用文档、实例等，主要由网络收集。 5.5 ISP-4单片机实验开发板 单片机 芯片 电源模块 开关输入音乐输出 彩灯显示 数码管显示 下载接口 红外遥控继电控制 串行模块 51单片机C语言学习 v编程语言：汇编语言、C语言。 v汇编语言：机器代码生成效率很高但可读性 却并不强，复杂一点的程序就更是难读懂， vC语言：可读性和可移植性强，还可以嵌入 汇编来解决高时效性的代码编写问题。 使用C语言肯定要使用到C编译器，KEIL uVISION2是众多单片机应用开发软件中优秀的 软件之一，它的界面和常用的微软VC+的界面相似。KEIL51是一个商业的软件，对于 我们这些普通爱好者可以到KEIL中国代理周立功公司的网站上下载一份能编译2K的 DEMO版软件，基本可以满足一般的个人学习和小型应用的开发 。即使没有一块实验板 ，甚至没有一块单片机，也可以通过KEIL软件仿真看到程序运行的结果。 KEIL uVISION2软件环境 建立项目 选择所要的单片机 编写程序 编译运行 生成HEX文件 烧写芯片 单片机单片机c c语言基本步骤语言基本步骤 51单片机c语言举例 调试运行程序 项目选项窗口 5.6 单片机学习方法 熟悉和了解单片机的内部资源； 熟悉和了解单片机的指令系统；熟悉和了解单片机的指令系统； 坚持手、脑并用的原则；坚持手、脑并用的原则； 学好相关硬件电路知识，软件与硬设计结学好相关硬件电路知识，软件与硬设计结 合，理论与实践结合。合，理论与实践结合。 看、练、做结合，多参加工程实践看、练、做结合，多参加工程实践 6、单片机的开发思路 确定任务、技术指标 选择机型、划分软硬件功能 设计硬件电路 软件结构设计 搭电路 确定算法、框图 加工组装样机 编写程序 样机静态测试 编译程序、软件调试 联机仿真调试 测试样机硬件 测试程序 测试系统性能 程序固化到EPROM 7、常用单片机系列介绍 vMCS-51系列 vMC68系列 vPIC16系列 vMSP430系列 vAVR系列 MCS-51系列 vIntel公司的高性能8位单片机，该系列机有 8051、8031、8751。80C51系列是其兼容 性单片机，与8051系统结构相同，但采用 CMOS工艺，对8051做了一些扩充，更有 特点，功能更强。 MCS51单片机和8051、8031、89C51等的关系 这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752 等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进 行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片 机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称 。 INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在 做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需 求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公 司开发生产的。 89C51与89S51的区别 答：89C51和89S51内核相同，89S51针对89C51的明显的几个升级如下： v程序存储器写入方式：二者的写入程序的方式不同，89C51只支持并行写入， 同时需要VPP烧写高压。89S51则支持ISP在线可编程写入技术！串行写入、 速度更快、稳定性更好，烧写电压也仅仅需要45V即可。 v电源范围：89S5*电源范围宽达45.5V，而89C5*系列在低于4.8V和高于5.3V 的时候则无法正常工作。 v工作频率：目前89S5*的性能远高于89C5*,89S5*系列支持最高高达33MHZ的 工作频率，而89C51工作频率范围最高只支持到24M。 v市场价格：由于89C51已经全面停产,所以在市场价格方面，库存的89C5*的批 发价格要比89S5*贵将近一倍！ v兼容型：89S5*向下兼容89C5*，就是说用89S5*可以替代89C5*使用，同样的 程序，运行结果相同。就是说89S5*也同样兼容目前所有的教科书范例程序。 v加密功能：89S5*系列全新的加密算法，这使得对于89S51的*变为不可能，程 序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。 v抗干扰性：内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器 单元电路。 v烧写寿命更长：89S5*标称的1000次，实际最少是1000次10000次，这样更 有利初学者反复烧写，减低学习成本。 MC68系列 vMotorola公司的8位单片机 M6801 M6804 MC6805 MC68HC05 MC58HC11 速度更快，功耗更低、功能更强 约占8位机市场 的30%份额 PIC系列 v美国Microchip公司生产，价格低、体积小 、速度高、功耗低、C语言编程、程序保密 性强、开发方便，率先采用RISC（精简指 令集），现已成为嵌入式单片机的主流产品 之一。 MSP430系列 vTI（德州仪器）公司推出的新型高性能单片 机。 v16位精简指令结构可确保运行速度、带 FLASH的微控制器可将功耗降低5倍、具有 多种省电模式、型号相当丰富。 AVR系列 v美国ATMEL公司推出的全新配置精简指令集（RISC）的 单片机系列。高速度、高保密性、低功耗。 v片内程序存储器采用Flash v大多数指令仅用1个晶振周期 v采用C语言编程 vCMOS工艺生产 vATMEL公司的单片机可分为AT89、AT90、AT91和智能 IC卡等系列，AT90系列属于增强型RISC内载Flash新型嵌 入式8位单片机，通常简称为AVR单片机。 8、 附录 初学单片机几个不易掌握的概念 8.1 总线 v模拟电路：单独连线 v微处理机：总线，即共享连线 v数据总线：器件的数据线。 v控制总线：器件所有的控制线 。 v地址总线：存储单元要被分配地址，才能 使用，用于地址分配的线被称为地址总线 。 这三者都是一串0和1组成的序列。 v指令：由单片机芯片的设计者规定的一种数字，不可由单片 机的开发者更改。 v地址：单片机内部、外部的存储单元、输入输出口 v数据： 1.地址（如MOV DPTR，#1000H），即地址1000H送入DPTR。 2.方式字或控制字（如MOV TMOD，#3），3即是控制字。 3.常数（如MOV TH0，#10H）10H即定时常数。 4.实际输出值 （如MOV P1，#00H） 8.2 数据、地址、指令 8.3 堆栈 v堆栈：内部RAM的一部份 先进后出，后进先出 PUSH和POP 堆栈指针SP v程序开始阶段可更改SP的值 v单片机在通电复位后8051内的程序计数器（PC）中的值为 0000，所以程序总是从0000单元开始执行，也就是说： 在系统的ROM中一定要存在0000这个单元，并且在 0000单元中存放的一定是一条指令。 8.4 程序的执行过程 v利用仿真机来代替应用电路板（称目标机）的单片机 部份，对应用电路部份进行调试。 v主要目的是进行软件调试，借助仿真机，也能进行一 些硬件排错。 v仿真有CPU仿真和ROM仿真两