微型计算机基础2.ppt

单片机与嵌入式系统,主讲教师：师硕 E-mail: 河北工业大学 计算机科学与软件学院,计算机的发展,电子管计算机（1946-1956） 晶体管计算机（1957-1964） 中小规模集成电路计算机（1965-1970） 超大规模集成电路计算机（1971-今） 第五代 人工神经网络计算机 第六代 生物计算机,电子计算机按其性能分类：,大型计算机 中型计算机 小型计算机 微型计算机,什么是微型计算机？什么时候出现的呢？,微型计算机是第四代计算机 的一个重要分支，1971年出现,微型计算机的分类,常见的分类方法有以下4种： 按字长分：8位机，16位机，32位机和64位机等。 按用途分：工业过程控制机与数据处理机等。 按芯片型号分：286机，386机，486机与Pentium机等。 按组装形式分：单片机、单板机、多板微型计算机等。,单片机,单片机：如果将构成微型计算机的各功能部件（CPU，RAM，ROM及I/O接口电路）集成在同一块大规模集成电路芯片上，一个芯片就是一台微型机，则该微型机就称为单片微型计算机，简称单片机。,单板机：如果将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片及简单的输入、输出设备（如小键盘、数码显示器LED（发光二极管）装配在同一块印刷电路板上，这块印刷电路板就是一台完整的微型机，称为单板微型计算机，简称单板机。 多板微型计算机：也称系统机，把微处理器芯片、存储器芯片、各种I/O接口芯片和驱动电路、电源等装配在不同的印刷电路板上，各印刷电路板插在主机箱内标准的总线插槽上，通过系统总线相互连接起来，就构成了一个多插件板的微型计算机。,单片微型计算机（SCMC） Single Clip Microcomputer,将中央处理器、随机存储器、只读存贮器、中断系统、定时器/计时器以及I/O接口电路等主要微型机部件集成在一块芯片上。,单片机又可称之为微控制器（MCU） Micro Controller Unit,单片计算机分类,通用单片机： 是一个基本芯片，内部资源比较丰富，性能全面且通用性强，覆盖多种应用需求。,专用单片机： 针对某一种产品，或是某一种控制应用而专门设计的。设计时已经使系统结构最简；软硬件资源利用最优；可靠性以及经济成本最佳。,本课程介绍的MCS-51系列单片机是一种通用单片机，其结构和原理对所有单片机都是适用的。,微型计算机的两大分支,微处理器(MPU) 着重于信息处理 计算机 微控制器(MCU) 着重于控制 单片机,微机组成结构的两大类型,冯.诺依曼型,哈佛型,例：PC机,例：MCS-51单片机,1.4 单片微型计算机的发展及应用 1.4.1 单片机的发展历史 1.4.2 单片机的发展趋势 1.4.3 单片机的典型产品 1.4.4 单片机的应用,1974年12月，美国仙童（Fairchild）公司推出了世界上第一台8位单片机F8。单片机的发展过程分为以下几个发展阶段。 第一代单片机（19741976年） 单片机发展的起步阶段。集成度也较低，并且采用了双片形式。 代表产品有Fairchild公司的F8和Mostek公司的3870等。 第二代单片机（19761978年） 这是单片机的发展阶段。 最典型的产品有Intel公司的MCS-48系列单片机。 第三代单片机（1979一1982年） 这是8位单片机的成熟阶段。 代表产品有Intel公司的MCS-51系列机、Motorola公司 的MC6801系列机、Zilog公司的Z8系列机等。 第四代单片机（1983年以后） 1983年以后是16位单片机和8位高性能单片机并行发展的时代。,1.4.1 单片机的发展历史,目前，单片机正朝着高速度、高性能和多品种方向发展，单片机的发展趋势具体体现在以下四个方面： 1CPU功能增强 2内部资源增多 3引脚的多功能化 4低电压和低功耗,1.4.2 单片机的发展趋势,1.4.3 单片机的典型产品,1八位低档系列机 MCS-48系列是Intel公司1976年后推出的八位系列机单片机 2八位高档系列机 MCS-51系列单片机是Intel公司1980年以后推出的8位高档机 3十六位单片机系列 Intel公司从1984年开始推出高性能的十六位MCS-96系列单片机,单片机具有集成度高、结构简单、可靠性高、控制功能强、应用灵活方便和价格低等优点，因此广泛应用于国民经济的各个领域。单片机的应用提高了机电设备的技术水平和自动化程度，对各行各业的技术改造和产品更新换代起到了重要的推动作用。 1单片机特别适用于机、电、仪一体的智能产品 （1）单片机在日常生活中的应用 （2）单片机在数据处理方面的应用 （3）单片机在智能化的仪器仪表中应用 2单片机在工业控制中的应用 3单片机在通讯方面的应用,1.4.4 单片机的应用,单片机成功地应用于玩具、游戏机、无绳电话、充电器、按摩器、IC卡电话、IC卡水表、IC卡煤气表、IC卡电度表、流量温控仪表、家庭自动化、电子锁、电子秤、步进电机、防盗报警、电子日历时钟等这些日常生活的产品中。 图形终端、彩色黑白复印机、软盘及硬盘驱动器、磁带机、打印机的内部都采用单片机进行控制。 在各类仪器仪表中（包括医疗器械、色谱仪、温度、湿度、流量、流速、电压、频率、功率、厚度、角度、长度、硬度、元素测定等）引人单片机，使仪器仪表数字化、智能化、微型化，功能大大提高。,嵌入式系统简介,计算机系统的三大领域 服务器市场 功能强 利润最大的市场 可用性强 可扩展性 桌面市场 最广阔的市场 嵌入式市场 潜力最大的市场,嵌入式系统简介,以往计算机分类： 大型计算机、中型机、小型机和微计算机 目前计算机分类： 超级计算机，大型计算机、工作站、微计算机、亚微计算机 亚微计算机(嵌入式计算机) 是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中,嵌入式系统定义,一般定义 以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪,应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统（技术角度） 嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。（系统角度） 术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统（被称之为嵌入的系统）的一个完整子系统。嵌入式的系统可以包含多个嵌入式系统。 广义定义 任何一个非计算机的计算系统,嵌入式系统定义,IEEE定义 原文为:devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作的机器、设备或装置” 通常执行特定功能 嵌入式系统的核心-嵌入式微处理器 严格的时序和稳定性要求 全自动操作循环,嵌入式系统定义,微机学会定义 嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统。可分为系统级、板级、片级 系统级：各种类型的工控机、PC104模块 板级：各种类型的带CPU的主板及OEM产品 片级：各种以单片机、DSP、微处理器为核心的产品,嵌入式系统定义,广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。如各类单片机和DSP系统。这些系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但由于他们没有操作系统，管理系统硬件核软件的能力有限，在实现复杂多任务功能时，往往困难重重，甚至无法实现。 从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己操作系统，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系统。,嵌入式系统的特点,功耗限制 嵌入式系统中，尤其是在用电池供电的嵌入式系统中，这是一个主要考虑的因素。大耗电量直接影响到硬件费用，并影响电源寿命以及带来散热问题。 低成本 包含硬件成本和软件成本。硬件成本主要决定于所使用的微处理器、所需的内存及相应的外围芯片；软件成本通常难于预测，但一个好的设计方法有利于降低软件成本。 多速率 系统同时运行多个实时性任务，系统必须同时控制这些动作，但这些动作有些速度慢，有些速度快。 环境相关性 嵌入式系统不是独立的，而是与其被嵌入的设备紧密相关联。,嵌入式系统的特点,系统内核小 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。 比如ENEA公司的OSE实时OS，内核只有5K，而Windows的内核则要大得多。 专用性强 嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。 同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。,嵌入式系统的特点,不可垄断性 PC有WinTel垄断 嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件产品开发。 产品相对稳定性 普通处理器18月 嵌入式处理器810年,嵌入式系统市场,2001年嵌入式系统国际会议年会Jim Turley的报告中，统计得到 PC的数量只占CPU 总耗量的0.1%。 据CCID2003年的数据显示，2000年嵌入式软件市场规模为70.33亿元，2001年为95.43亿元，2002年118.56亿元，三年平均增长38.85%。 2002年中国软件市场为345.0亿元，嵌入式软件约占软件总市场的34.37。,嵌入式系统市场,2004年，软件统计数据为： 套装软件共计478亿元，为具有独立产品形态的软件。 其中包括系统软件89亿元（操作系统44.19亿元、数据库管理系统20.06亿元、支撑软件25.71亿元）、 中间件软件6.98亿元、 应用软件304.53亿元（包括通用应用软件（安全软件、办公软件、管理软件、游戏软件、教育软件等）与行业应用软件（金融、电信、政府等）、 嵌入式软件（673.62亿元） 相关软件服务（937.48亿元）：除生产产品化软件之外的所有的软件研发及相关活动，包括系统集成、软件外包、咨询、数据加工和处理等。,嵌入式系统组成,处理器,存储器,输入接口,操作系统 (协议栈),应用程序,软件子系统,硬件子系统,输出接口,外围设备,嵌入式系统的软/硬件框架,1.2.1 微型计算机的组成,Random Access Memory,Read Only Memory,类型： ROM 正常工作时只能读不能写的存储器 PROM 可编程ROM,厂家一次写入 EPROM 用户可编程可擦写ROM，紫外线擦除器 EEPROM 电可擦写可编程ROM，在线，读快/写慢 Flash PEROM 闪速可编程可擦写ROM,1、存储器（类型、结构、重要指标）,RAM 正常工作时即可读又可写的存储器 DRAM 动态RAM，集成度高，外加刷新电路 SRAM 静态RAM，成本高、速度快 iRAM 全集成化RAM，DRAM+刷新电路 NVRAM SRAM+EEPROM，不挥发即不易失,易失,不 易 失,ROM和RAM的主要区别： 1、断电后ROM内的信息不丢失 RAM 中的信息立即丢失 2、读/写方式不同 ROM采用特殊方式写入信息， 正常工作是只读方式 RAM正常工作既能读又能写,ROM和RAM芯片均有分四组引脚线： （ROM另有特殊的引脚线） 1、地址线 传送存储器的地址码，其根数决定存储单元个数即字数 2、数据线 传送对某一单元进行读/写的数据，双向