单片机第一章

1、单片机原理与应用技术 主讲：张莉萍 （2008年2月25日 第一讲）1课 程 说 明(1)课程学时安排 成绩比例 总学时：54 考试：70 周学时： 3 考勤：10 18周结课（6.22） 作业：20 19周考试2课 程 说 明(2)教材：单片机原理与应用技术参考教材：1.单片机微机原理与应用 朱定华 戴汝平 著 清华大学出版社 2.单片机原理及应用 姜志海 著 电子工业出版社 3教学内容1（共10章，5大部分）基础知识概述（第1章）单片机硬件结构原理、指令系统和程序设计（第2-4章）单片机中断技术、定时器/计数器和并行扩展技术（第5-7章）4教学内容2（共12章，5大部分）介绍串行通信和串行

2、扩展技术（第8、9章）介绍应用系统设计及接口技术（第10章）5第一章 嵌入式系统与单片机教学目的 了解单片机的分类和发展历史 了解单片机的特点及应用 掌握计算机中的数制及码制 掌握微型计算机的基本结构与基本原理学习重点与难点 数制转换和有符号数运算 微型计算机执行程序的过程61.1 嵌入式系统计算机发展的经历单片机出现的意义1.1.1 嵌入式的概念嵌入式计算机系统是面对测控对象，嵌入到应用系统中的计算机系统的统称，简称嵌入式系统（Embedded System）7嵌入式系统的分类（p2）工业控制计算机通用cpu模块嵌入式微处理机嵌入式微控制器基于cpu的c系统芯片形态的c系统8在通用微处理器（

3、mpu）的基础上，添加mpu外围单元和满足测控要求的外围接口电路1.2 单片机技术单片机的基本概念图1.1 微机组成结构框图 9图1.2 单片机组成框图10(1) 单板机：将微处理器(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。(2) 单片机：将微处理器(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，称其为单片微型计算机，简称单片机。(3) 微型计算机：微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路由总线有机地连接在一起的整体，称为微型计算机。(4) 微型计算机系统：微型计算机与外围设备、电源、系统软件一起

4、构成的系统，称为微型计算机系统。11(1) 通用微机的CPU主要面向数据处理，其发展主要围绕数据处理功能、计算速度和精度的进一步提高。例如，现今微机的CPU都支持浮点运算，采用流水线作业，并行处理、多级高速缓冲(Cache)技术等。CPU的主频达到数百兆赫兹(MHz)，字长普遍达到32位。单片机主要面向控制，控制中的数据类型及数据处理相对简单，所以单片机的数据处理功能比通用微机相对要弱一些，计算速度和精度也相对要低一些。例如：现在的单片机产品的CPU大多不支持浮点运算，CPU还采用串行工作方式，其振荡频率大多在百兆赫兹范围内;在一些简单应用系统中采用4位字长的CPU，在中、小规模应用场合广泛采

5、用8位字长单片机，在一些复杂的中、大规模的应用系统中才采用16位字长单片机，32位单片机产品目前应用得还不多。12(2) 通用微机中存储器组织结构主要针对增大存储容量和CPU对数据的存取速度。现今微机的内存容量达到了数百兆字节(MB)，存储体系采用多体、并读技术和段、页等多种管理模式。单片机中存储器的组织结构比较简单，存储器芯片直接挂接在单片机的总线上，CPU对存储器的读写按直接物理地址来寻址存储器单元，存储器的寻址空间一般都为64 KB。13 (3) 通用微机中I/O接口主要考虑标准外设(如CRT、标准键盘、鼠标、打印机、硬盘、光盘等)。用户通过标准总线连接外设，能达到即插即用。单片机应用系

6、统的外设都是非标准的，且千差万别，种类很多。单片机的I/O接口实际上是向用户提供的与外设连接的物理界面。用户对外设的连接要设计具体的接口电路，需有熟练的接口电路设计技术。141.3单片机的特点(1) 单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的。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。这样的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。但单片机内的RAM是作为数据存储器用，而

7、不是当作高速缓冲存储器(Cache)使用。15(2) 采用面向控制的指令系统。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。(3) 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。引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。(4) 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。16(5) 体积小，成本低，运用灵

8、活，易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。(6) 面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。(7) 抗干扰能力强，适用温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其它类型计算机无法比拟的。(8) 可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。17单片机的分类（p4-5）（1）按数据处理位数：4、8、16、32位（2）按适用范围：通用型、专用型（3）按并行总线：总线型单片机、非总线型单片机181.4 单片机的发展概况（p3）4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-1

9、000后，各个计算机生产公司竞相推出4位单片机。例如美国国家半导体公司(National Semiconductor)的COP402系列，日本电气公司(NEC)的PD75XX系列，美国洛克威尔公司(Rockwell)的PPS/1系列，日本松下公司的MN1400系列，富士通公司的MB88系列等。4位单片机主要用于家用电器、电子玩具等。198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。例如，莫斯特克(Mostek)和仙童(Fairchild)公司共同合作生产的3870(F8)系列，摩托罗拉(Moto

10、rola)公司的6801系列等。 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8 KB)，从性能上看属于低档8位单片机。20 随着集成电路工艺水平的提高，在1978年到1982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，1978年摩托罗拉公司的MC6801系列，齐洛格(Zilog)公司的Z8系列，1979年NEC公司的PD78XX系列，1980年Intel公司的MCS-51系列。这类单片机的寻址能力达64 KB，片内ROM容量达48 KB，片内除带有并行I/O口外，还有串行I/O口，甚至某

11、些还有A/D转换器功能。因此，把这类单片机称为高档8位单片机。21 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、UPI-45283C152，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。2216位单

12、片机段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，美国国家半导体公司推出的HPC16040和NEC公司推出的783XX系列等。 2316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、8 KB ROM、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

13、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。2432位单片机 近年来，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。由于控制领域对32位单片机需求并不十分迫切，所以32位单片机的应用并不很多。 25 需要提及的是，单片机的发展虽然按先后顺序经历了4位、8位、16位的阶段，但从实际使用情况看，并没有出现推陈出新、以新代旧的局面。4位、8位、16位单片机仍各有应用领域，如4位单片机在一些简单家用电器、高档玩具中仍有应用，8位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地位，16位单片机在比较复杂的控制系统中才有应用。26单片机的发展趋势（1）CM

14、OS化CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor）互补金属氧化物半导体存储器（是一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料），是微机主板上的一块可读写的RAM芯片，因为可读写的特性，所以在电脑主板上主要用来保存BIOS设置完电脑硬件参数后的数据，用来保存当前系统的硬件配置和操作人员对某些参数的设定。 27CHMOS(互补金属氧化物HMOS)是CMOS和HMOS(高密度沟道MOS工艺)的结合,除了保持HMOS高速度和高密度之外,还有CMOS低功耗的特点. Cmos可由主板的电池供电，即使系统掉电，信息也不会丢失CHMOS和CMOS两种器件的功能是完全兼容的,区别在CHMOS器件具有低功耗的特点. 28（2）高性能化： 由早期的复杂指令集（CISC）转变为的精简指令集（RISC）结构和流水线技术（3）高可靠性（4）大容量化（5）多功能化（6