(3)-1.2 单片机概述单片机设计及应用

（1）单片机的定义单片机是指将组成微型计算机的CPU、内存(包含RAM、ROM)、I/O接口、定时/计数器以及串行接口等功能部件集成在一块芯片中构成的一个完整的微型计算机。因此单片机早期的含义为单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)，简称单片机。1.2单片机概述1.2.1单片机的概念由于单片机面对的是测控对象，突出的是控制功能，它从功能和形态上来说都是应控制领域应用的要求而诞生的。随着单片机的发展，可在芯片内集成许多面对测控对象的接口电路，如ADC、DAC、高速I/O口、PWM和WDT等。1.2.1单片机的概念（1）单片机的定义这些对外电路及外设接口已经突破了微型计算机传统的体系结构，更能确切反映单片机本质的名称是微控制器MCU(MicroControllerUnit)。1.2.1单片机的概念（1）单片机的定义单片机是以单芯片形态进行嵌入式应用的计算机，它有唯一的专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统，加上它的芯片级体积的优点和在现场环境下可高速可靠地运行的特点，因此单片机又称为嵌入式微控制器(EmbeddedMicrocontroller)。1.2.1单片机的概念（1）单片机的定义单片机可理解为一个单芯片形态的微控制器，是一个典型的嵌入式应用计算机系统。1.2.1单片机的概念（1）单片机的定义随着大规模与超大规模集成电路技术的快速发展，微计算机技术形成了两大分支：微处理器MPU(MicroProcessorUnit)单片机1.2.1单片机的概念（2）单片机与微处理器的关系微处理器是微型计算机的核心部件，它的性能决定了微型计算机的性能。1.2.1单片机的概念（2）单片机与微处理器的关系通用型的计算机已从早期的数值计算、数据处理发展到当今的人工智能阶段。1.2.1单片机的概念（2）单片机与微处理器的关系处理文字、字符、图形和图像等信息处理音频、视频等信息正向多媒体、人工智能、数字模拟和仿真、网络通信等方向发展。1.2.1单片机的概念（2）单片机与微处理器的关系它的存储容量和运算速度正在以惊人的速度发展。高性能的32位、64位微型计算机系统正在向中、大型计算机挑战。为了实现海量高速数值计算，通用计算机系统对计算机运行速度的要求是无限的，而对计算机的控制功能的要求是有限的。1.2.1单片机的概念（2）单片机与微处理器的关系单片机主要用于工业控制领域的测控对象。1.2.1单片机的概念（2）单片机与微处理器的关系它构成的检测控制系统能实时、快速地进行外部响应，能迅速采集到大量数据，能在做出正确的逻辑推理和判断后实现对被控制对象参数的调整与控制。1.2.1单片机的概念（2）单片机与微处理器的关系它的发展方向是高性能、高可靠性、低功耗、低电压、低噪音和低成本。1.2.1单片机的概念（2）单片机与微处理器的关系目前主流的单片机仍然是以8、16位机为主，32、64位机为辅。1.2.1单片机的概念（2）单片机与微处理器的关系单片机的发展主要还是表现在其接口和性能能不断地满足多种多样检测控制对象的要求上，突出表现在它的控制功能上。单片机系统对被控对象的采集、处理、控制的速度要求是有限的，而对控制方式与控制能力的要求是无限的。1.2.1单片机的概念（2）单片机与微处理器的关系面向检测控制对象、嵌入到应用系统中去的计算机系统称之为嵌入式系统。实时性是它的主要特征，对系统的物理尺寸、可靠性、重启动和故障恢复方面也有特殊的要求。由于被嵌入对象的体系结构、应用环境等的要求，嵌入式计算机系统比通用的计算机系统应用设计更为复杂，涉及面也更为广泛。1.2.1单片机的概念（3）单片机与嵌入式系统的关系从形式上可将嵌入式系统分为系统级、板级和芯片级3大类。1.2.1单片机的概念（3）单片机与嵌入式系统的关系系统级嵌入式系统为各种类型的工控机，包括进行机械加固和电气加固的通用计算机系统，各种总线方式工作的工控机和模块组成的工控机。1.2.1单片机的概念（3）单片机与嵌入式系统的关系大都有丰富的通用计算机软件及周边外设的支持，有很强的数据处理能力，应用软件的开发也很方便。但由于体积庞大，适用于具有大空间的嵌入式应用环境，如大型实验装置、船舶以及分布式测控系统等。1.2.1单片机的概念（3）单片机与嵌入式系统的关系板级嵌入式系统则有各种类型的带CPU的主板及OEM产品。1.2.1单片机的概念（3）单片机与嵌入式系统的关系芯片级的嵌入式系统则以单片机最为经典。单片机嵌入到对象的环境、结构体系中，作为其中的一个智能化控制单元使用，是最典型的嵌入式计算机系统。它有唯一的专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统，加上它的芯片级的体积和在现场运行环境下的高可靠性，使得它最能满足各种中、小型对象的嵌入式应用要求。1.2.1单片机的概念（3）单片机与嵌入式系统的关系单片机是目前发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式计算机系统。但是一般的单片机目前还没有通用的系统管理软件或监控程序，只放置由用户调试好的应用程序。它本身不具备开发能力，常常需要专门的开发工具。1.2.1单片机的概念（3）单片机与嵌入式系统的关系单片机芯片+基本外围电路和外围芯片+软件部分=单片机系统单片机系统+面向对象接口电路+软件部分=单片机应用系统1.2.1单片机的概念(4)单片机、单片机系统与单片机应用系统(3个层次)单片机系统硬件部分软件部分单片机芯片外围器件CPU内存中断控制逻辑通用接口运算器寄存器组控制器并行I/O口串行UART定时/计数器ADC0809、DAC0832825382518255A、81552764、6264指令系统应用程序完1.2.2单片机的发展概况单片机的发展和微处理器的发展大体上是同步的。它可分为4个发展阶段：（1）第1代为微机单片化的初级阶段探索计算机的单芯片集成。Intel公司随即在1971年生产出了4位单片机4004，Intel公司1976年推出了8位MCS-48系列单片机。1.2.2单片机的发展概况（2）第2代为微机单片化的完善阶段推出了单片机具有多级中断系统、串行接口、16位定时/计数器等功能，加大了片内RAM、ROM的存储容量，寻址空间可达64KB。1980年Intel公司推出的8位MCS-51系列是此阶段的代表之作。1.2.2单片机的发展概况（3）第3代为微控制器形成阶段发展主要是增强满足测控要求的外围电路，从而形成了不同于单片机特点的微控制器MCU芯片。一些厂家以MCS-51为内核，集成了ADC、DAC、PWM等外围部件，增加了SPI、I2C等串行总线部件，80C51系列是此阶段的代表产品。同时16位单片机也有较快发展。1.2.2单片机的发展概况（4）第4代为片上系统(SOC)阶段面对不同的电子应用，各厂家推出了适合不同领域要求的单片机，如采用RISC指令集的单片机；具有TCP/IP网络接口的单片机；把Flash存储器和各种功能部件集成在一起的片上系统SoC(SystemonaChip)单片机，以适应嵌入式系统的需要等。1.2.2单片机的发展概况单片机的品种繁多，最具典型是Intel公司的MCS-51系列单片机。它的功能强大，兼容性强，软硬件资料丰富，应用最为广泛。目前，MCS-51仍然是单片机中的主流机型。并且在相当长的时间内，单片机应用领域中的8位机地位还不会完全改变。1.2.2单片机的发展概况单片机将朝着高性能、高速、低压、低功耗、低价格、外围电路内装化方向发展。1.2.3单片机的技术发展方向（1）主流机型单片机虽然经历了4位、8位、16位、32位或64位的发展阶段，但从实际应用看，并没有出现推陈出新、以新代旧的局面。（2）高性能CPU加快指令运算速度、提高系统控制的可靠性、加强位处理功能、中断与定时控制功能。1.2.3单片机的技术发展方向（3）RISC体系结构早期单片机都是CISC结构体系，现一些单片机已采用RISC体系结构。（4）ROM的新类型早期单片机内部ROM主要是无ROM、掩膜ROM和EPROM3种，目前EEPROM(简称E2ROM)和FlashROM(也称闪存ROM)已在单片机ROM上得到广泛使用。一些单片机还提供OTPROM(简称PROM)型产品。1.2.3单片机的技术发展方向（5）存储器的容量早期片内ROM为1KB～8KB，RAM为64B～256B。现在片内ROM可达64KB，片内RAM可达4KB。（6）基本功能单元的扩展在中断系统中相应增加中断源和I/O端口、设置高速I/O端口和增加定时器/计数器数量。1.2.3单片机的技术发展方向（7）外围电路的内装把ADC、DAC、PWM、DMAC、WDT等外围功能器件集成到单片机内。（8）内部资源的删减可将内部资源删减。主要删减并行总线和部分功能单元，减少封装引脚。1.2.3单片机的技术发展方向（9）软件的嵌入嵌入软件有：实时多任务操作系统、通用子程序及函数库、虚拟外设软件包、其他用于系统诊断/管理的软件等。（10）串行扩展总线的推行单片机扩展方式从并行总线发展到串行总线，如移位寄存器接口、SPI、I2C、Microwire、1-Wire、USB、CAN、DDB等总线。1.2.3单片机的技术发展方向（11）编程语言的发展单片机的编程语言可分为机器语言、汇编语言、高级语言3类，目前采用C语言进行程序设计已成为单片机软件开发主流。（12）全功耗的管理目前单片机都具有等待、暂停、睡眠、空闲、节电、关闭等低功耗工作方式。低功耗技术有单片机的全盘CMOS化、配置高速和低速双时钟系统、外围电路的电源管理、低电压节能技术。1.2.3单片机的技术发展方向（13）专用型单片机的发展专用单片机是专门针对某一类产品系统要求而设计的，它可最大限度地简化系统结构，提高可靠性，最大化资源利用率。（14）ASMIC技术的启动与发展