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1、第1章 概 述,,1.1 單片機的概念及單片機的種類 1.2 單片機的類型、特點及用途 1.3 單片機的發(fā)展趨勢 本章小結 練習與思考題,1.1 單片機的概念及單片機的種類1.1.1 單片機及單片機系統(tǒng)單片機是微型計算機發(fā)展的一個分支，是一種專門面向控制的微處理器件，故又稱之為微控制器(Micro Controller Unit，MCU)。單片機通常以單一芯片的形式出現(xiàn)，但是它已具有了微型計算機所包含的基本組成結構和特有的控制應用功能，是一種芯片級的微型計算機。另外，由于單片機的體積、結構和功能特點，在實際應用中可以完全融入應用系統(tǒng)之中，故而也稱為嵌入式微控制器(Embedded Micro-

2、Controller)。,,,最基本的單片機系統(tǒng)由單片機芯片和軟件程序共同組建而成，是用戶為了實現(xiàn)某種控制用途的需要而設計的實際裝置。在單片機系統(tǒng)中，單片機芯片內部的中央處理單元(CPU)處于核心地位，CPU通過執(zhí)行軟件程序調動硬件電路完成控制功能。根據(jù)這種工作方式，單片機系統(tǒng)可以劃分為硬件和軟件兩個組成部分。,1. 硬件部分單片機系統(tǒng)的硬件部分是包括CPU在內的所有硬件電路，按照硬件電路的功能和配置大致可以分為以下3類,,1) 基本功能類基本功能類硬件包括：CPU(用于運算、控制)、RAM(用于數(shù)據(jù)存儲)、ROM(用于程序存儲)、I/O設備(實現(xiàn)串行、并行輸入/輸出接口)及時鐘電路(建立工作

3、時序)。在微型計算機中，上述部件被分成若干塊芯片，安裝在一塊稱之為主板的印刷線路板上，在程序的指揮下完成計算機的基本運算操作功能。但是在單片機中，除了時鐘電路之外，其余部分一般均被集成到一塊半導體芯片上，所以被稱為單片機，即單芯片微型計算機。,,2) 控制功能類控制功能類硬件包括：定時器/計數(shù)器(用于時間設定/事件記錄)和中斷裝置(實現(xiàn)實時處理)。使用這類硬件是為了實現(xiàn)單片機的控制功能，即定時控制、順序控制和實時控制等基本控制功能。作為面向嵌入式控制的特色，這類部件通常也集成在單片機芯片內部。3) 輔助功能類輔助功能類硬件包括：A/D(模/數(shù)轉換)和D/A(數(shù)/模轉換，通常采用PWM形式)等部

4、件。這類部件根據(jù)芯片的配置不同不一定集成在單片機芯片上，需要用戶根據(jù)使用要求選擇。,,2. 軟件部分與微型計算機的運行原理相似，單片機系統(tǒng)的運行也需要軟件系統(tǒng)的支持，但是由于處理任務的不同，其復雜程度相對較低。根據(jù)單片機軟件所要實現(xiàn)的功能，可以將軟件劃分為管理程序和應用程序兩類。1) 管理程序管理程序是單片機系統(tǒng)的監(jiān)控程序，主要用于控制過程復雜，控制量較大的裝置，例如測控儀器、儀表等。對于僅完成簡單控制任務的單片機系統(tǒng)一般可以相應簡化。,,2) 應用程序應用程序是針對具體的控制動作而編寫的程序，是實現(xiàn)控制具體功能的程序基礎，通常以子程序模塊的形式出現(xiàn)，便于執(zhí)行控制動作時調用。,,1.1.2 單

5、片機程序設計語言及開發(fā)環(huán)境簡介單片機程序設計語言主要是指在開發(fā)系統(tǒng)中使用的語言。在單片機開發(fā)系統(tǒng)中可以使用機器語言、匯編語言和高級語言。機器語言采用機器碼，是單片機能夠直接識別的程序語言，匯編語言是以助記符表示機器碼的程序設計語言。機器語言和匯編語言都是高效的計算機語言，實時性較強，但它們都是面向機器的語言，通用性差，編程效率低。,,單片機的開發(fā)過程涉及3項內容，即編程、糾錯和仿真。一般采用PC機內安裝的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)軟件進行開發(fā)調試。在集成開發(fā)環(huán)境內可以實現(xiàn)文本編程、編譯糾錯和仿真運行。其中仿真的形式又可以分為兩種，即軟件仿真和硬件仿真。軟件仿真不必連接硬件應用系統(tǒng)，仿真結果在開發(fā)環(huán)

6、境中模擬的單片機構造中得到體現(xiàn)；硬件仿真需要與用戶控制系統(tǒng)配合，以集成開發(fā)環(huán)境的輸出替代用戶系統(tǒng)中原有的單片機，仿真過程真實、實時性強。另一種較新的開發(fā)形式采用具有ISP(In-System Programming，在系統(tǒng)可編程)功能的單片機，利用下載程序開發(fā)單片機系統(tǒng)。,,1.1.3 單片機的使用環(huán)境及產品等級單片機用途廣，使用環(huán)境差別大，如何保證單片機控制系統(tǒng)或裝置的可靠性是設計者和使用者最為關注的問題。作為電子產品而言，其可靠性主要取決于半導體芯片的產品等級，根據(jù)運行溫度范圍，產品等級大致劃分為3級，下面分別予以介紹。,,1. 軍用級運行溫度范圍為-50+125，適用于軍用品要求苛刻的應

7、用環(huán)境，芯片的價格比較昂貴。例如Intel公司的MCS-51系列單片機MD80C51FB。型號以MD表示開頭的，M代表軍品，D代表直插封裝。,,2. 商業(yè)級運行溫度范圍為070，主要限于機房、辦公及住宅環(huán)境，適用于民用產品，例如家電、玩具等。商業(yè)級產品價格低廉，品種齊全，應用最為廣泛。3. 工業(yè)級早期的單片機產品大多為工業(yè)級，運行溫度范圍為4585，介于商業(yè)級和軍用級之間，適宜在工業(yè)生產環(huán)境下使用。其特點是可靠性遠高于商業(yè)級，但價格遠低于軍用級。MCS-51系列單片機的普通產品均屬于工業(yè)級。,,,1.2 單片機的類型、特點及用途1.2.1 單片機主要類型及其特點1. 常用單片機的類型及特點In

8、tel公司的MCS-51系列及其兼容產品是目前最常用的一種單片機類型，其引進歷史較長，學習資料齊全，影響面較廣、應用成熟，已被單片機控制裝置的開發(fā)設計人員廣泛接受。本書將以這種單片機產品為主介紹單片機的結構原理、指令系統(tǒng)、編程應用及接口電路等內容。MCS-51系列單片機及其兼容產品的生產廠家很多，以下僅列出具有代表性的3家公司的產品，其產品的型號及特點如表1-1所示。,,表1-1 常用MCS-51系列單片機一覽表,2常用單片機的更新及進步隨著單片機技術的發(fā)展，高性能的新型單片機開始出現(xiàn)，其中美國Cygnal公司推出的C8051F系列單片機就是在MCS-51系列單片機基礎之上進行更新開發(fā)的一種產

9、品。C8051F實際上是一種以8051為內核集成的混合信號系統(tǒng)級芯片。熟悉MCS-51系列單片機的工程技術人員可以很容易地掌握C8051F的應用技術并能進行軟件的移植。,,C8051F系列單片機采用流水線結構，單周期指令運行速度是8051的12倍，全指令集運行速度是原來的9.5倍。C8051F系列單片機的內部資源非常豐富，例如C8051F020單片機內部除包含8051微控制器內核、RAM、ROM、I/O口、定時器/計數(shù)器等MCS-51 系列的配置之外，還具有ADC、DAC、PCA、SPI和SMBus等部件。這種將單片機的基本組成單元與模擬、數(shù)字外設集成在一個芯片上而組成的片上系統(tǒng)(SoC)，實

10、質上已超出了以往單片機(MCU)的含義，代表了高性能單片機發(fā)展的一個方向。,,3. 其他類型單片機及特點簡介1) PIC系列單片機PIC系列單片機由美國Microchip公司設計生產，與MCS-51系列對應的產品有PIC16C系列和PIC17C系列8位單片機，廣泛應用于消費電子產品、汽車電子及工業(yè)控制等領域，就產量和市場份額而言在世界單片機領域排名屬于前列。,,PIC系列單片機有如下特點：(1) 完全哈佛結構。指令和數(shù)據(jù)空間及傳輸路徑完全分開，提高了數(shù)據(jù)吞吐率。程序和數(shù)據(jù)總線采用不同的寬度。數(shù)據(jù)總線為8位，指令總線根據(jù)單片機檔次不同分為12、14、16位，指令均以單字節(jié)形式表示。(2) 流水線

11、結構。取指令和執(zhí)行指令采用流水線形式，執(zhí)行一條指令時，同時允許取出下一條指令，從而實現(xiàn)了單周期指令。,,(3) 寄存器組結構。RAM及寄存器，包括I/O口、定時器和程序計數(shù)器等都以寄存器方式工作和尋址，只需要一個指令周期就可以完成訪問和操作。通常另辟堆棧RAM空間，不占用片內數(shù)據(jù)存儲單元。(4) 精簡指令系統(tǒng)。采用RISC(精簡指令集計算機)結構，與傳統(tǒng)的采用CISC(復雜指令集計算機)結構的單片機相比，其指令數(shù)量少，易學易記。此外，精簡指令系統(tǒng)還具有較高的代碼壓縮能力，有利于提高程序執(zhí)行速度。,,(5) 種類齊全。不單純追求功能堆積，從實際出發(fā)，以多種型號滿足不同層次、不同用途的需求。在規(guī)模

12、上既有84腳封裝，多達66根I/O口線的型號，也有8腳封裝，6根I/O口線的型號。功能較全的高檔次單片機產品還配置了A/D(模/數(shù)轉換)、CCP(捕捉/比較)或采用PWM(脈寬調制)的D/A轉換單元。PIC系列單片機功能全、種類多，便于選擇使用，開發(fā)者可以根據(jù)不同的用途和要求設計出性價比較高的單片機控制裝置。,,2) MSP430單片機MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)公司1996年開始推向市場的一種16位單片機，采用精簡指令集，是一種超低功耗的混合型單片機。MSP430系列單片機的主要特點是，具有極低的功耗、豐富的片內外設和方便靈活的開發(fā)手段。 MSP430單片機的主要優(yōu)點描述如下

13、：(1) 運算處理能力強。MSP430系列是16位單片機，采用了RISC結構，具有豐富的尋址方式和簡潔的內核指令以及大量的模擬指令，在8 MHz時鐘晶振的驅動下指令周期僅為125 ns。,,(2) 超低功耗設計。采用1.83.6 V工作電壓，在1 MHz的時鐘條件下運行時，芯片取用電流在200400 A左右。在時鐘關斷模式運行時，最低維持電流只有0.1 A。具有獨特的時鐘系統(tǒng)設計，它有兩個時鐘，用以產生CPU和各功能單元所需的時鐘，可以在指令控制下接通和關斷時鐘，實現(xiàn)對總體功耗的控制。MSP430系列單片機有5種不同的工作模式。在等待方式下，電流消耗為0.7 A。在節(jié)電方式下，最低可達0.1

14、A。當系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒的時間只需6 s。,,(3) 豐富的片上外圍模塊。集成了較豐富的片內外設，其中包括看門狗(WDT)、模擬比較器A、硬件乘法器、液晶驅動器、10/12位ADC、I 2 C總線和直接數(shù)據(jù)存取(DMA)等。(4) 方便高效的開發(fā)環(huán)境。MSP430單片機有OPT、FLASH和ROM 3種類型，目前主要以FLASH型為主。片內有JTAG(Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動小組)調試接口，通過PC機和JTAG調試器獲取片內信息，從而使設計者在調試開發(fā)時，無需仿真器和編程器。開發(fā)工具簡便，價格也相對低廉，可以實現(xiàn)在線編程。開發(fā)語言有

15、匯編語言和C語言。,,(5) 運行環(huán)境。MSP430系列單片機產品均為工業(yè)級，運行環(huán)境溫度為-40+85，適合工業(yè)環(huán)境下使用。3) 單片機品種及主流單片機概況單片機品種繁多，各具特色。其中Intel公司推出的MCS-51系列單片機及與其兼容的Philips、Atmel、Winbond等公司的產品應用非常廣泛。目前單片機入門教材大多以MCS-51系列單片機作為學習基礎，所以被普遍接受，堪稱主流。而Microchip公司的PIC精簡指令集單片機產品也有著強勁的發(fā)展勢頭。就產量而言，在可供二次開發(fā)的單片機產品中PIC單片機居全球之首。,,1.2.2 常用單片機的應用領域單片機的特點是集成度高、功能強

16、、可靠性高、體積小、功耗低、使用方便及價格低廉。單片機的應用幾乎是無處不在，已經(jīng)滲透到我們生活中的各個領域。目前單片機已經(jīng)在工業(yè)控制、儀器儀表、家用電器、辦公自動化、醫(yī)用設備、信息和通信產品、航空航天、專用設備的智能化管理等領域中得到了廣泛的應用，其應用形式體現(xiàn)如下。,,1. 在工業(yè)控制中的應用工業(yè)自動化控制是最早采用單片機控制的領域之一，在測控系統(tǒng)、過程控制、機電一體化設備中主要利用單片機實現(xiàn)邏輯控制、數(shù)據(jù)采集、運算處理、數(shù)據(jù)通信等用途。單獨使用單片機可以實現(xiàn)一些小規(guī)模的控制功能，作為底層檢測、控制單元與上位計算機結合可以組成大規(guī)模工業(yè)自動化控制系統(tǒng)。特別在機電一體化技術中，單片機的結構特點

17、使其更容易發(fā)揮其集機械、微電子和計算機技術于一體的優(yōu)勢。,,2. 在智能儀器中的應用內部含有單片機的儀器統(tǒng)稱為智能儀器，也稱為微機化儀器。這類儀器大多采用單片機進行信息處理、控制及通信，與非智能化儀器相比，功能得到了強化，增加了諸如數(shù)據(jù)存儲、故障診斷、聯(lián)網(wǎng)集控等功能。以單片機作為核心組成智能儀表已經(jīng)是自動化儀表發(fā)展的一種趨勢。,,3. 在家用電器中的應用 單片機功能完善、體積小、價格廉、易于嵌入，非常適用于對家用電器的控制。嵌入單片機的家用電器實現(xiàn)了智能化，是傳統(tǒng)型家用電器的更新?lián)Q代，現(xiàn)已廣泛應用于洗衣機、空調、電視機、視盤機、微波爐、電冰箱、電飯煲以及各種視聽設備等。,,4. 在信息和通信產

18、品中的應用信息和通信產品的自動化和智能化程度很高，其中許多功能的完成都離不開單片機的參與。這里最具代表性和應用最廣的產品就是移動通信設備，例如手機內的控制芯片就屬于專用型單片機。另外在計算機外部設備中，如鍵盤、打印機中也離不開單片機。新型單片機普遍具備通信接口，可以方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為計算機和網(wǎng)絡設備之間提供連接服務創(chuàng)造了條件。,,5. 在辦公自動化設備中的應用現(xiàn)代辦公自動化設備中大多數(shù)嵌入了單片機控制核心。如打印機、復印機、傳真機、繪圖機、考勤機及電話等。通過單片機控制不但可以完成設備的基本功能，還可以實現(xiàn)與計算機之間的數(shù)據(jù)通信。 6. 在商業(yè)營銷設備中的應用在商業(yè)營銷系統(tǒng)中單片機

19、已廣泛應用于電子秤、收款機、條形碼閱讀器、IC卡刷卡機、出租車計價器以及倉儲安全監(jiān)測系統(tǒng)、商場保安系統(tǒng)、空氣調節(jié)系統(tǒng)、冷凍保險系統(tǒng)等。,,7. 在醫(yī)用設備領域中的應用單片機在醫(yī)療設施及醫(yī)用設備中的用途亦相當廣泛，例如在醫(yī)用呼吸機、各種分析儀、醫(yī)療監(jiān)護儀、超聲診斷設備及病床呼叫系統(tǒng)中都得到了實際應用。8. 在汽車電子產品中的應用現(xiàn)代汽車的集中顯示系統(tǒng)、動力監(jiān)測控制系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和運行監(jiān)視器等裝置中都離不開單片機。特別是采用現(xiàn)場總線的汽車控制系統(tǒng)中，以單片機擔當核心的節(jié)點通過協(xié)調、高效的數(shù)據(jù)傳送不僅完成了復雜的控制功能，而且簡化了系統(tǒng)結構。,,,1.3 單片機的發(fā)展趨勢目前，單片機正

20、朝著高性能和多品種方向發(fā)展，將會進一步實現(xiàn)低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內裝化等要求。單片機的發(fā)展將主要以滿足在嵌入式應用前提下與控制對象的最佳結合，突顯其智能化控制能力。并在此基礎上尋求應用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決方式，即形成了SoC化趨勢。在微電子技術、IC設計、EDA工具發(fā)展的推動下，基于SoC的單片機應用系統(tǒng)將會得到較快的發(fā)展。,,,本 章 小 結本章簡要介紹了關于單片機及單片機系統(tǒng)的基本概念、結構特點和發(fā)展歷程，并且對單片機的應用開發(fā)方式及應用環(huán)境進行了簡介。通過對常用單片機系列、型號和各生產廠家的產品特點的介紹，使我們對單片機的種類及性能有一個初步的了解，便于在今后的應用中能夠選擇合適的單片機類型，滿足具體用途的需要。另外，本章還從開拓視野的角度列舉了單片機在各個領域的應用，以及單片機今后的發(fā)展趨勢。,,,練習與思考題1作為計算機家族的一員，單片機與其他成員之間有何關系？單片機具備哪些特色？2組成單片機系統(tǒng)的軟、硬件包括哪些類型？如何進行劃分？3試列舉出常用的單片機的型號、制造廠家及資源配置。4你對單片機的應用知道多少？試舉例說明。5單片機作為一種半導體產品，其產品的等級是如何劃分的？,,,