单片机(和嵌入式系统)概述.doc

第一章 单片机(和嵌入式系统)概述 1.1 单片机（和嵌入式系统）的发展 1.1.1 计算机发展的三个浪潮 第一个浪潮（19461975）, 大型机硬件导向：计算机只能由专家操作，把处理后的信息交用户使用，信息处理与使用分离。集中处理时代 第二个浪潮（19761993）台式计算机导向：机普及，信息由处理者个人享有不能互发信息，难以共享。信息处理与使用者结合。分散处理时代 第三个浪潮（1994?）,网络导向：计算机通过网络互连进行全球通信，引入网络就是计算机的新概念。软件可以象数据一样驻留在网络上，软件程序可以实时执行，用户可随时到达存放所需程序的地址，而不受计算机类型和操作系统的限制。信息收集、处理、分析和存储都商业化。网络处理时代 1.1.2 计算机发展简史 第一代到第四代计算机都是以电子器件的发展更新来划分的，而第五代以后的计算机则是以设计思想的更新来划分。 第一代电子管计算机（19461958） （）硬件 逻辑器件：电子管和继电器 内存：汞延迟线，静电存储管，年出现磁芯（统治年） 外存：磁带机、穿孔纸带机和卡片机，年生产磁盘机 （）软件：年以前几乎没有软件，主要用机器语言-二进制代码指令 后期发展了汇编语言 （）性能 运算速度：几千次到几万次 平均稳定运行时间：几小时 （）特点 体积大、功耗大、价格大，速度慢、容量小、可靠性差 （）典型机器 1942年美籍保加利亚人，爱荷华州立学院数学系文森特.阿培纳索夫（Vincent Atanasoff）与其助手克里夫德.贝利（Clifford Berry）研制成功世界上第一台数字电子计算机ABC。采用300个电子管，用电容器做存储器，穿孔卡片作为辅助存储器，运算速度为1次/s。用于解线性代数方程。1973年美国法院把发明权归属于阿培纳索夫。 由美国宾夕法尼亚大学的工程师埃克特（J.Presper Eckert）和物理学家毛希利（John.W.Mauchly）于1945年12月研制成功，于1946年2月正式公开表演数字式电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）。1947年运到马里兰州陆军阿伯丁试炮场的弹道研究实验室正式使用。 用了只电子管、 bit字长、内存kB，300次乘法/s,5000次加法/s，占地165 m2，重量 T，耗电 kW。 年月 年月 年 （） （） 第二代晶体管计算机（19581964） （）硬件 逻辑器件：晶体管 内存：磁芯 外存：磁盘和磁带机 （）软件 汇编语言、高级语言FORTRAN、COBOL(59年开发，61年完成)、ALGOL（1960年）的编译系统，管理/监控程序 （）性能 运算速度：几万到几十万次秒 平均稳定运行时间：数十小时 （）典型机器 年月 年月 乙（） 第三代集成电路计算机（19641971） （）硬件 逻辑器件：中小规模集成电路 内存：磁芯存储器和磁膜存储器 年 部分采用半导体存储器 年 全部采用半导体存储器 外存：磁盘（机） （）软件 5年出现高级语言，年代末发明高级语言PASCAL(67年开发，71年完成)，并出现多道、分时操作系统和网络系统软件 （）性能 运算速度：几十万到几百万次秒 平均稳定运行时间：几百小时 （）典型机器 年 年 （） （） （） 第四代大规模集成电路计算机（1971?） （）硬件 逻辑器件：大规模集成电路 内存： 大规模集成电路 外存：磁盘、光盘 （）软件 高级语言FORTH（70年）、（72年）、Ada（79年）、LOGO 人工智能语言LISP、Prolog 操作系统、数据库管理系统、Windows （）性能 运算速度：几千万到几亿次/秒 （）典型机器 年 Cyber-205、Cray-1、（亿次秒） ILLIAC-IV（美宇航局阿姆斯中心）:64个处理机, 1.5亿亿次/秒 PEPE（美弹道导弹防御局）:256个处理机, 10亿次/秒 70年代计算机技术开始加速，80年代年就一个档次飞跃，90年代一年一个样，机器的生命周期仅.年。 Intel 8086/8088 IBM PC/RT 80286 IBM PC/AT 80386 80486 Pentium CPU 含310万个晶体管，速度可达1.12亿次秒 Pentium Pro CPU 含520万1550万个晶体管 Motorola 6800068010680206803068040 Apple Macintosh 第五代人工智能计算机 这是面向知识处理的新型计算机，其目标是能通过推理做出判断，能听懂自然语言，能识别印刷体和手写体字，能对语言的意义加以理解，能说自然语言，甚至可能在思考问题方面超过人类的个体。但是由于种种原因，日本实施的第五代计算机计划未能成功。 第六代神经网络计算机 这是一种仿真人大脑结构的新型计算机。目标是可以对图形、图像直接处理，对非逻辑的复杂问题具有推断和知觉判断的能力，甚至还具有总结经验教训、归纳推理的能力。 95年11月中科院半导体所研制成功数字和模拟混合电路的神经网络计算机“预言神一号”，2000万亿次秒，可用于图像、文字和语音识别。 1.1.3 微处理器与微型计算机发展简况 1. 86系列 Intel 71 72 74 78 79 82 85 89 40408008808080858086808880186802868038680486 4bit 8bit 16bit准16bit 32bit 93.3 96 97 97 99.2 2000.11PentiumPentium ProMMX PentiumPentium Pentium Pentium 4 Merced(Intel+HP) 64bit AMD K5K6K6-2k6-3K7(Athlon) 2.其他系列 Motorola 68006800068010680206803068040 (Apple Macintosh) 6502 (Apple机) Zilog Z80Z8000Z80000 IBM+Apple+Motorola: Power PC 601602603e604620 3. 高端处理器：用于工作站、服务器 DEC(Compaq): Alpha 2106421164212642136421464(5万亿次) Sun: SPARCUltra SPARC 可扩展性（1000多个p） （集成度达1600万T） MIPS:R4400R8000R10000 (用于SGI 图形工作站) ARM: ARM7系列 低功耗 ARM9系列 ARM9E系列 ARMl0系列 SecurCoreSCl00 StrongARM XScale ARMl1系列 微处理器发展的另一个方向是小型化、面向控制，发展成微控制器 1.1.4 单片机（微控制器）的发展概况 71年 Intel:4040 p 74年 Fairchild:准单片机F8(需加一片3851-1k ROM+CTC+PIO2) 75年 TI:4位单片机TMS-1000 76年 Intel:MCS-48系列-8048（ROM）,8748(EPROM),8035(无ROM) 78年 Motorola:M6801 78年 Zilog:Z8系列，Super 8 80年 Intel:8位MCS-51系列-8051（ROM）,8751(EPROM),8031(无ROM) 82年 Intel:16位MCS-96系列 8096 88年 准16位8098 于98年停产 90年 Motorola:68HC0568HC1168HC1268HC16683 90年代后，微控制器的发展百花齐放、五彩缤纷，老公司不断推陈出新，新的公司鼎故革新，推出了很多各具个性的微控制器。 1.Intel: 71 72 74 76 80 82 85 88 4040800880808085804880518096801968098 Philips 80C51(I2C) Atmel AT89C51(Flash) AVR AT90S（高速） AVR AT91系列（ARM Core） Cygnal C8051F(高速，SoC) 2. TI： MSP430系列（低功耗） 3. SCENIX： SX系列 （极高速） 4. Microchip: PIC系列 （高性能价格比） 1.1.5 嵌入式系统的发展 1. 低中端嵌入式系统应用 面向控制的应用都采用微控制器（单片机）实现，过去都是采用汇编语言编程，用仿真器调试。没有开发平台，只能通过软硬兼施，从设计硬件电路原理图开始，印制板设计、加工、安装、焊接、编程、调试、测试都要熟悉。既难又繁，容易出错，需要慢慢积累经验才能得心应手。 采用C-51高级语言编程，利用C编译器编译成机器码再下载执行，大大提高了开发效率. 2. 中高端嵌入式系统应用 面向数字信号处理、通信、网络应用等复杂的应用，由于涉及到TCP/IP等协议和用户图形界面（GUI）的复杂性，一般都需要借助于嵌入式操作系统EOS平台，采用高级语言C/C+/Java进行开发。 1.2 嵌入式系统的技术特征 1. 专用计算机系统(非PC机形态)：看不到计算机的计算机应用系统 以应用为中心，量体裁衣定制。 以计算机技术为基础，硬件与软件紧密结合。 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求。 2. 知识集成系统 技术密集、资金密集。 高度分散、不可垄断。 面向应用、不断创新。 1.3 嵌入式系统应用嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括：1工业控制基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的发展空间，目前已经有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等领域。就传统的工业控制产品而言，低端型往往采用的是8 位单片机，但是随着技术的发展，32 位、64 位的微处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获得更大的发展。 2交通管理控制 在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS 模块、GSM 模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。目前GPS 设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。图1-11 即是GPS 手持机。图1-1 GPS 手持机3信息家电这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。图1-2 是信息家电的一种家庭网络视频电话。图1-2 信息家电:家庭网络视频电话4家庭智能管理系统水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌入的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能。目前在服务领域中，一些手持设备已经体现出了嵌入式系统的优势。 5POS 网络公共交通无接触智能卡（CSC-Contactless Smart Card）发行系统、公共电话卡发行系统、自动售货机（如图1-3 所示）、各种智能ATM 终端将全面走入人们的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。图1-3 智能售货机6环境监测环境监测包括水文资料实时监测、防洪体系及水土质量监测、堤坝安全、地震监测网、实时气象信息网、水源和空气污染监测。在很多环境恶劣、地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。7机器人嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器