片机概述zhuzhuzhuzhu

单片机原理与应用,赵来定电话:83492057Email:zhaolaiding,2007.5.12,先修课程：数字电路微机系统与接口技术,课程性质：应用型课程,第1章单片机概述,1.1什么是单片机1.2单片机的特点1.3单片机的应用1.4单片机的历史1.6单片机的最新发展1.7MCS-51系列单片机,1.1什么是单片机,（1）微型计算机一个基本的微型计算机通常由下面几部分组成：中央处理器(CPU)，包括运算器、控制器存储器，包括ROM和RAM输入输出接口,数据,控制,（2）单板机：将中央处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路以及简单的输入/输出设备组装在一块印刷电路板上，称其为单板微型计算机，简称单板机。（3）单片机：将中央处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路和相应实时控制器件集成在一块芯片上，构成的单片微型计算机，简称单片机。,单片微型计算机SCMC（SingleChipMicroComputer）微控制器MCU（MicroControllerUnit）嵌入式微控制器EMCU（EmbeddedMicroControllerUnit）,单片机系统在单片机芯片基础上，扩展其他电路或芯片构成具有一定应用功能的计算机系统。,单片机开发系统单片机系统开发调试工具。,根据控制应用的需要，可以将单片机分成通用型和专用型两种类型：通用单片机通用型单片机是一种基本芯片，它的内部资源比较丰富，性能全面且适应性强，能覆盖多种应用需求。用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统。专用单片机专用单片机芯片是针对一种产品或一种控制应用而专门设计的，设计时已经对系统结构的最简化、软硬件资源利用的最优化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了全盘的考虑和论证。,1.2单片机的特点,1集成度高，体积小，成本低，运用灵活单片机把CPU、RAM、ROM、IO接口以及定时器/计数器都集成在一个芯片上。,2存储量大ROM称为程序存储器，只存放程序、固定常数及数据表格。RAM则为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。这样结构主要是考虑到单片机用于控制系统中，有较大的程序存储器空间，把开发成功的程序固化在ROM中，而把少量的随机数据存放在RAM中。这样，小容量的数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内，以加速单片机的执行速度。采用16位地址总线的8位单片机可寻址外部64KB数据存储器和64KB程序存储器。在大多数情况下，内部存储器就已经足够了，从而减少了器件的使用数量，降低了成本。,3性能高、速度快单片机使用RISC体系结构、并行流水线操作和DSP等设计技术，指令运行速度大幅提高。,4抗干扰性强，适用温度范围宽，在各种恶劣环境下都能可靠地工作，这是其它类型计算机无法比拟的。单片机的各种功能部件都集成在一块芯片上，特别是存储器也集成在芯片内部，因此单片机布线短，大都在芯片内部传送数据，因此不易受到外部的干扰，增强了抗干扰能力，系统运行更加可靠。,5采用面向控制的指令系统，指令丰富。为满足控制的需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。,6单片机的I/O引脚通常是多功能的。由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法。,7单片机的外部扩展能力强。在内部的各种功能部分不能满足应用需求时，均可在外部进行扩展(如扩展ROM、RAM、I/O接口、定时器/计数器、中断系统等)，与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。,1.3单片机的应用,单片机的应用范围十分广泛，主要的应用领域：,(1)家用电器领域如微波炉、电视机、空调、洗衣机、录像机、音响设备等。,(2)办公自动化领域如PC机、绘图仪、复印机、电话、传真机及考勤机等，多数都采用了单片机控制系统。,(3)工业自动化领域的应用单片机可以构成各种工业控制系统、数据采集系统等。如数控机床、自动生产线控制、电机控制、温度控制等。,(6)商用产品。如自动售货机、电子收款机、电子秤等。,(4)智能仪器仪表与智能传感器领域如智能仪器、医疗器械、数字示波器等。,(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、动力检测控制系统、自动驾驶系统、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。,1.4单片机的历史,单片机出现的历史并不长,但发展十分迅猛。各种新、高性能单片机不断推陈出新，冲向市场。从单片机的生产技术和应用对象来看，单片机经历了4位、8位、16位、32位几个有代表性的发展阶段：,14位单片机阶段自1975年美国德克萨斯仪器公司首次推出4位单片机TMS-1000后，各个计算机生产公司竞相推出4位单片机。例如美国NS公司的COP402系列,松下公司的MN1400系列等。4位单片机的控制功能较弱,CPU一次只能处理4位二进制数。结构简单、价格低廉，而且功能灵活。4位单片机适合用于各种规模较小的家电类消费产品。典型应用领域有：PC机用的输入装置(鼠标、游戏杆)、电池充电器、运动器材、带液晶显示的音、视频产品控制器、一般家用电器的控制及遥控器、玩具控制、记时器、时钟、表、计算器、多功能电话、LCD游戏机。,28位单片机阶段1976年9月，美国Intel公司首先推出了MCS-48系列8位单片机以后，单片机发展进入了一个新的阶段，8位单片机纷纷应运而生。在1978年以前各厂家生产的8位单片机，由于受集成度(几千只管/片)的限制，一般没有串行接口，并且寻址空间的范围小(小于8KB)，从性能上看属于低档8位单片机。,随着集成电路工艺水平的提高，在1978年到1983年期间集成度提高到几万只管/片，因而一些高性能的8位单片机相继问世。例如，Zilog公司的Z8系列，1980年Intel公司的MCS-51系列。这类单片机的寻址能力达64KB，片内ROM容量达48KB，片内除带有并行I/O口外，还有串行I/O口，甚至某些还有A/D转换器功能。这类单片机属于高性能8位单片机。,在高档8位单片机的基础上，单片机功能进一步得到提高，近年来推出了超8位单片机。如Intel公司的8X252、Zilog公司的Super8，Motorola公司的MC68HC等，它们不但进一步扩大了片内ROM和RAM的容量，同时还增加了通信功能、DMA传输功能以及高速I/O功能等。自1985年以来，各种高性能、大存储容量、多功能的超8位单片机不断涌现，它们代表了单片机的发展方向，在单片机应用领域发挥着越来越大的作用。8位单片机由于功能强，被广泛用于工业控制、智能接口、仪器仪表等各个领域。,316位单片机阶段1983年以后，集成电路的集成度可达十几万只管/片，16位单片机逐渐问世。这一阶段的代表产品有1983年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司又推出的80C96。16位单片机把单片机的功能又推向了一个新的阶段。如MCS-96系列的集成度为12万只管/片，片内含16位CPU、8KBROM、232字节RAM、5个8位并行I/O口、4个全双工串行口、4个16位定时器/计数器、8级中断处理系统。MCS-96系列还具有多种I/O功能，如高速输入/输出(HSIO)、脉冲宽度调制(PWM)输出、特殊用途的监视定时器(Watchdog)等等。16位单片机可用于高速复杂的控制系统。,432位单片机90年代以后，各个计算机生产厂家已进入更高性能的32位单片机研制、生产阶段。32位单片机具有极高的集成度，内部采用新颖的RISC结构，CPU可与其他微控制器兼容，主频频率可达33MHz以上，指令系统进一步优化，运算速度可动态改变，设有高级语言编译器，具有性能强大的中断控制系统、定时/事件控制系统、同步/异步通信控制系统。代表产品有Intel公司的MCS-80960系列、Motorola公司的MC683XX系列、Hitachi公司的SuperH(简称SH)系列等等。,32位单片机是单片机的发展趋势，随着技术发展及开发成本和产品价格的下降将会与8位机并驾齐驱。生产32位单片机的厂家与8位机的厂家一样多。随着集成电路的发展及信息时代的到来，基于ARM核的单片机占据32位单片机市场的主要份额。广泛应用在信息电器如掌上电脑、个人数字助理（PDA）、可视电话、移动电话、TV机顶盒、数码相机等嵌入式设备。,(1)双CPU结构，处理能力大大提高CPU字长：8位、16位、32位采用流水线结构采用新的串行总线结构:IICSPIUSB(5)时钟频率：6MHz、12MHz、20MHz,1.CPU的改进,1.6单片机的最新发展,2.片内存储器的改进,所谓片内（相对片外）：集成在单片机芯片内的存储单元。,(1)扩大存储容量,电擦除可编程只读存储器E2PROM可在正常工作电压下进行读写，并能在断电情况下，保持信息不丢失。,(3)程序保密化,(2)片内EPROM开始E2PROM化,3.加强片内输入输出功能,早期单片机：并行输入/输出口、定时/计数器。,现代：大功率输入/输出口，可直接驱动VFD（荧光显示管）；LCD（液晶显示器）和LED（数码显示管）；片内A/D、D/A转换器；CRT控制器，LCD、LED驱动器，正弦波发生器，声音发生器，字符发生器，频率合成器等。,4.单片机制造工艺提高,5.片内ROM中固化应用软件和系统软件,集成度提高,外围电路内装化。低功耗和供电电压加宽。,1.7单片机系列简介,目前世界上单片机生产厂商很多,主流产品有几十个系列,几百个品种。尽管其各具特色,名称各异,但作为集CPU、RAM、ROM（或EPROM）、I/O接口、定时器/计数器、中断系统为一体的单片机,其原理大同小异。以Intel公司的系列产品为例,说明各系列之间的区别:Intel公司从其生产单片机开始,发展到现在,大体上可分为3大系列:MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列。该3大系列的性能简介见表1-1。,表1-1Intel单片机系列性能简介,MCS-51系列单片机,1)51子系列和52子系列MCS-51系列单片机虽已有10多种产品,但可分为两大系列:MCS-51子系列与MCS-52子系列。其中，51子系列是基本型，而52子系列则属增强型。51子系列中主要有8031、8051、8751、8951。52子系列对应的有8032、8052、8752、8952。各子系列配置见表1-2所示。,表1-2MCS-51系列单片机配置一览表,52子系列功能增强的具体方面，从表1-2所列内容中可以看出：片内ROM从4KB增加到8KB。片内RAM从128B增加到256B。定时/计数器从2个增加到3个。中断源从5个增加到6个。,2)单片机芯片半导体工艺MCS-51系列单片机采用两种半导体工艺生产。HMOS工艺，即高速度、高密度、短沟道MOS工艺。CHMOS工艺，即互补金属氧化物的HMOS工艺。表1-2中，芯片型号中带有字母“C”的，为CHMOS芯片，其余均为一般的HMOS芯片。CHMOS是CMOS和HMOS的结合，除保持了HMOS高速度和高密度的特点之外，还具有CMOS低功耗的特点。在便携式、手提式或野外作业仪器设备上，低功耗是非常有意义的，因此，在这些产品中必须使用CHMOS的单片机芯片。,3)片内ROM存储器配置形式MCS-51单片机片内程序存储器有三种配置形式,这三种配置形式对应三种不同的单片机芯片,它们各有