单片机第一课优秀课件.ppt

单片机第一课1第1页，本讲稿共73页介介绍单片机片机基基础知知识、发展展历史、史、应用用领域及域及发展展趋势。8 8位位单片机的主流机型，片机的主流机型，较大市大市场份份额的的MCS-51MCS-51系列系列单片机及其兼片机及其兼容的容的单片机（片机（统称称为5151系列系列单片机）片机）对目前目前流行的流行的5151单片机片机的的代表性机型：代表性机型：美国美国ATMELATMEL公司的公司的AT89C5x/AT89S5xAT89C5x/AT89S5x系列系列单片机及代表性片机及代表性产品品AT89S51AT89S51详详细介介绍。简要介要介绍其它其它类型型的的单片机。片机。初步了解初步了解嵌入式嵌入式处理器理器：单片机，数字信号片机，数字信号处理器（理器（DSPDSP）、嵌）、嵌入式微入式微处理器理器第一章内容概要2第2页，本讲稿共73页1 电子计算机的发展概述1.1 电子计算机的问世及其经典结构3 单片机的发展过程及产品近况3.1 单片机的发展过程1.2 微型计算机的应用形态3.2 单片机产品近况2.1 存储器的概述2.3 I/O接口及外设2.2 CPU的组成及作用2 计算机各组成部分的介绍3第3页，本讲稿共73页5 MCS-51系列与AT89C5x系列单片机5.1 MCS-51系列5.2 AT89C5x（AT89S5x）系列单片机）系列单片机4 单片机的特点及应用领域4.2 单单片机的片机的应应用用领领域域4.1 单单片机的特点片机的特点6.3 单单片机开片机开发发方式的方式的发发展展6 6 单片机应用系统开发简介单片机应用系统开发简介6.1 单片机应用系统的开发6.2 单单片机片机应应用系用系统传统统传统开开发发方式方式4.3 单单片机的片机的发发展展趋势趋势4第4页，本讲稿共73页一、二进制、十进制、十六进制二、不同进制之间相互转换三、原码、反码及补码四、数据在计算机中的表示补充 常用数制和编码补充 数制与编码的简单回顾1 数制2 编码编码7 AVR系列单片机与PIC系列单片机8 各类嵌入式处理器简介5第5页，本讲稿共73页1 电电子子计计算机的算机的发发展概述展概述1946年年2月月15日日，第一台电子数字计第一台电子数字计算机问世，这标志算机问世，这标志着计算机时代的到着计算机时代的到来。来。ENIAC（“埃尼阿克埃尼阿克”）1.1 电子计算机的问世及其经典结构电子计算机的问世及其经典结构ENIAC是电子管计算机，时钟频率仅有是电子管计算机，时钟频率仅有100 KHz，但能在，但能在1秒钟的时间内完成秒钟的时间内完成5000次加法运次加法运算。算。与现代的计算机相比，有许多不足，但它与现代的计算机相比，有许多不足，但它的问世开创了计算机科学技术的新纪元，对的问世开创了计算机科学技术的新纪元，对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响人类的生产和生活方式产生了巨大的影响。6第6页，本讲稿共73页 匈匈牙牙利利籍籍数数学学家家冯冯诺诺依依曼曼在在方方案案的的设设计计上上做做出出了了重重要要的的贡贡献献。1946年年6月月，他他又又提提出出了了“程程序序存存储储”和和“二二进进制制运运算算”的的思思想想，进进一一步步构构建建了了计计算算机机由由运运算算器器、控控制制器器、存存储储器器、输输入入设设备备和输出设备组成和输出设备组成这一计算机的经典结构。这一计算机的经典结构。（EDVAC-ELECTRONIC DISCRETE VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER）7第7页，本讲稿共73页电电子子计计算机技算机技术术的的发发展，相展，相继经历继经历了五个了五个时时代：代：电子管计算机；电子管计算机；晶体管计算机；晶体管计算机；集成电路计算机；集成电路计算机；大规模集成电路计算机；大规模集成电路计算机；超大规模集成电路计算机。超大规模集成电路计算机。计计算算机机的的结结构构仍仍然然没没有有突突破破冯冯诺诺依依曼曼提提出出的的计计算算机机的经典结构框架。的经典结构框架。8第8页，本讲稿共73页1.2 微型计算机的应用形态微型计算机的应用形态v从应用形态上，微机可以分成三种：单单板机板机单单片机片机系系统统机（多板机）机（多板机）9第9页，本讲稿共73页 单板机单板机 将将CPU芯片、芯片、存储器存储器芯片、芯片、I/O接口接口芯片和简单的芯片和简单的I/O设备设备（小（小键盘、键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序监控程序（固化在（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。板机）。单单板机板机单单板板机机的的I/O设设备备简简单单，软软件件资资源源少少，使使用用不不方方便便。早早期期主主要要用用于于微微型型计计算算机机原原理理的的教教学学及及简简单单的的测测控控系系统统，现现在在已很少使用。已很少使用。10第10页，本讲稿共73页 单片机单片机 在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从接口电路，从而构成了而构成了单芯片微型计算机，即单片机。单芯片微型计算机，即单片机。单单片片机机（嵌嵌入入式式应应用用）属属于于专专用用计计算算机机，主主要要应应用用于于智智能能仪仪表表、智智能能传传感感器器、智智能能家家电电、智智能能办办公公设设备备、汽汽车车及及军军事电子设备等应用系统。事电子设备等应用系统。单单片片机机体体积积小小、价价格格低低、可可靠靠性性高高，其其非非凡凡的的嵌嵌入入式式应应用用形形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。11第11页，本讲稿共73页2 2 计算机各组成部分的介绍计算机各组成部分的介绍2.1 2.1 存储器的概述存储器的概述存储器框图存储器框图2.1.12.1.1存储器框图存储器框图存储体输入输出控制控制线地址线数据线.地址译码12第12页，本讲稿共73页v2.1.2 存储器的作用存储器的作用v2.1.3 存储器的表达存储器的表达v2.1.4 存储器的种类、内部数据存储器的种类、内部数据v2.1.5 存储器的访问存储器的访问v2.1.6存储器的容量及地址线的计算存储器的容量及地址线的计算地址线的根数：地址线的根数：n地址线空间：地址线空间：2n地址：地址：从从 n个个0 n个个113第13页，本讲稿共73页2.2 CPU2.2 CPU的组成及作用的组成及作用算术逻辑单元算术逻辑单元(简称简称ALUALU）运算器运算器累加器累加器 寄存器寄存器CPUCPU运算器运算器 控制器控制器2.2.1 CPU、运算器及控制器的组成、运算器及控制器的组成14第14页，本讲稿共73页15第15页，本讲稿共73页 ALU ALU可对两个操作数进行加、减、与、或、比较大小等操作，可对两个操作数进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。最后将结果存入累加器。ALU ALU执行不同的运算操作是由不同控制线上的信息所确定的。执行不同的运算操作是由不同控制线上的信息所确定的。ALU ALU的两个主要的输入来源：的两个主要的输入来源：累加器、数据寄存器累加器、数据寄存器2.2.2 运算器的作用对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。启动规定的动作。指挥并控制指挥并控制CPUCPU、内存和输入、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。输出设备之间数据流动的方向。2.2.3 控制器的主要功能16第16页，本讲稿共73页2.3 I/O2.3 I/O接口及外接口及外设设每每个个外外设设与与微微处处理理器器的的连连接接必必须须经经过过接接口口适适配配器器（I/OI/O接接口口）。每每个个I/OI/O接接口口及及其其对对应应的的外外设设都都有有一一个个固固定定的的地地址址，在在CPUCPU的控制下实现对外设的输入（读）和输出（写）操作。的控制下实现对外设的输入（读）和输出（写）操作。比较比较I/OI/O接口与存储器的访问接口与存储器的访问常见的外设举例：打印机常见的外设举例：打印机 键盘键盘 显示器显示器 硬盘硬盘 等等17第17页，本讲稿共73页3 3 单单片机的片机的发发展展过过程及程及产产品近况品近况3.1 3.1 单单片机的片机的发发展展过过程程 单单片机技片机技术发术发展展过过程可分程可分为为三个主要三个主要阶阶段：段：单单芯片微机形成芯片微机形成阶阶段段 1976年，年，Intel公司推出了公司推出了MCS-48系列系列单单片机片机。8位位CPU、1K字字节节ROM、64字字节节RAM、27根根I/O线线和和1个个8位定位定时时/计计数器数器。特点是：特点是：存存储储器容量器容量较较小，小，寻寻址范址范围围小（不大于小（不大于4K），无串行接口，），无串行接口，指令系指令系统统功能不功能不强强。18第18页，本讲稿共73页 性能完善提高性能完善提高阶阶段段 1980年，年，Intel公司推出了公司推出了MCS-51系列单片机：系列单片机：8位位CPU、4K字节字节ROM、128字节字节RAM、4个个8位并口、位并口、1个全双工串行口、个全双工串行口、2个个16位定时位定时/计数器。寻址范围计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处，并有控制功能较强的布尔处理器。理器。特点是特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种已成为公认的单片机经典机种。19第19页，本讲稿共73页 微控制器化微控制器化阶阶段段 特点是特点是：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。地用于复杂的自动测控系统及设备。“微控制器微控制器”的称谓更能反应单片机的本质的称谓更能反应单片机的本质。1982年，年，Intel推出推出MCS-96系列单片机。系列单片机。芯片内集成：芯片内集成：16位位CPU、8K字节字节ROM、232字节字节RAM、5个个8位并口、位并口、1个全双工串行口、个全双工串行口、2个个16位定时位定时/计数器。寻址范围计数器。寻址范围64K。片上还有片上还有8路路10位位ADC、1路路PWM输出及高速输出及高速I/O部件等。部件等。20第20页，本讲稿共73页 ATMELATMEL公司融入公司融入FlashFlash存存储储器技器技术术的的AT89AT89系列；系列；PhilipsPhilips公司的公司的80C5180C51、80C55280C552系列；系列；华华邦公司的邦公司的W78C51W78C51、W77C51W77C51高速低价高速低价系列；系列；ADIADI公司的公司的ADC8xxADC8xx高精度高精度ADCADC系列；系列；LGLG公司的公司的GMS90/97GMS90/97低低压压高速高速系列；系列；MaximMaxim公司的公司的DS89C420DS89C420高速（高速（50MIPS50MIPS）系列；系列；CygnalCygnal公司的公司的C8051FC8051F系列高速系列高速SOCSOC单单片机。片机。80C5180C51系列系列单单片机片机产产品繁多，品繁多，主流地位已主流地位已经经形成，形成，近年来推近年来推出的出的与与80C5180C51兼容兼容的主要的主要产产品有：品有：3.2 3.2 单单片机片机产产品品“近况近况”21第21页，本讲稿共73页 非非80C5180C51结构单片机新品结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间的选择空间 ，近年来推出的非，近年来推出的非80C5180C51系列的主要产品有：系列的主要产品有：Intel的的MCS-96系列系列16位单片机位单片机；Microchip的的PIC系列系列RISC单片机单片机；TI的的MSP430F系列系列16位位低功耗低功耗单片机单片机。22第22页，本讲稿共73页4 4 单单片机的特点及片机的特点及应应用用领领域域4.1 4.1 单单片机的特点片机的特点 控制性能和可靠性高控制性能和可靠性高 实时实时控制功能特控制功能特别别强强，其，其CPUCPU可以可以对对I/OI/O端口直接端口直接进进行操作，行操作，位位操作能力操作能力更是其它更是其它计计算机无法比算机无法比拟拟的。另外，由于的。另外，由于CPUCPU、存、存储储器器及及I/OI/O接口接口集成在同一芯片内集成在同一芯片内，各部件，各部件间间的的连连接接紧紧凑，数据在凑，数据在传传送送时时受干受干扰扰的影响的影响较较小小，且不易受，且不易受环环境条件的影响，所以境条件的影响，所以单单片机的片机的可靠可靠性非常高性非常高。23第23页，本讲稿共73页体积小、价格低、易于产品化体积小、价格低、易于产品化 单片机芯片即是一台完整的微型计算机单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择；同时还可以专合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择；同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少。从而个或更少。从而使应用系统的使应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。印制板减小、接插件减少、安装简单方便。近期推出的近期推出的单单片机片机产产品，内部集成有高速品，内部集成有高速I/OI/O口、口、ADCADC、PWMPWM、WDTWDT等部件，并在低等部件，并在低电压电压、低功耗、串行、低功耗、串行扩扩展展总线总线、控制网、控制网络总络总线线和开和开发发方式（如在系方式（如在系统编统编程程ISPISP）等方面都有了）等方面都有了进进一步的增一步的增强强。24第24页，本讲稿共73页4.2 4.2 单单片机的片机的应应用用领领域域智能智能仪仪器器仪仪表表 单单片机用于各种片机用于各种仪仪器器仪仪表，一方面提高了表，一方面提高了仪仪器器仪仪表的使用功能表的使用功能和精度，使和精度，使仪仪器器仪仪表智能化，同表智能化，同时还简时还简化了化了仪仪器器仪仪表的硬件表的硬件结结构，构，从而可以方便地完成从而可以方便地完成仪仪器器仪仪表表产产品的升品的升级换级换代。如代。如各种智能各种智能电电气气测测量量仪仪表、智能表、智能传传感器感器等。等。机电一体化产品机电一体化产品 机机电电一体化一体化产产品是集机械技品是集机械技术术、微、微电电子技子技术术、自、自动动化技化技术术和和计计算机技算机技术术于一体，具有智能化特征的各种机于一体，具有智能化特征的各种机电产电产品。品。单单片片机在机机在机电电一体化一体化产产品的开品的开发发中可以中可以发挥发挥巨大的作用。典型巨大的作用。典型产产品品如机器人、数控机床、自如机器人、数控机床、自动动包装机、点包装机、点钞钞机、医机、医疗设备疗设备、打印、打印机、机、传传真机、复印机等。真机、复印机等。25第25页，本讲稿共73页 实时实时工工业业控制控制单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速电机转速控制、温度控制、自动生产线控制、温度控制、自动生产线等等 。分布式系统的前端模块分布式系统的前端模块 在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有式系统的前端采集模块，系统具有运行可靠，数据采集方便灵运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉活，成本低廉等一系列优点。等一系列优点。26第26页，本讲稿共73页家用电器家用电器家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等等。使用温度：使用温度：民品：民品：0+70C 工业品：工业品：-40 +85C汽车：汽车：-40+105C 军品：军品：-55 +125C27第27页，本讲稿共73页单片机的发展趋势将是单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化，外围电路内装化等方向大容量、高性能化，外围电路内装化等方面发展面发展。为满足不同用户的要求，各公司竞相推出能满足不。为满足不同用户的要求，各公司竞相推出能满足不同需要的产品。同需要的产品。1 1CPUCPU的改进的改进（1 1）增加）增加CPUCPU数据总线宽度数据总线宽度。例如，各种。例如，各种1616位单片机和位单片机和3232位单片位单片机，数据处理能力要优于机，数据处理能力要优于8 8位单片机。另外，位单片机。另外，8 8位单片机内部采用位单片机内部采用1616位数据总线位数据总线，其数据处理能力明显优于一般，其数据处理能力明显优于一般8 8位单片机。位单片机。（2 2）采用）采用双双CPUCPU结构，以提高数据处理能力。结构，以提高数据处理能力。284.3 4.3 单单片机的片机的发发展展趋势趋势28第28页，本讲稿共73页2 2存存储器的器的发展展（1 1）片内程序存）片内程序存储器普遍采用器普遍采用闪烁（FlashFlash）存）存储器器。可不用外。可不用外扩展程序存展程序存储器，器，简化系化系统结构。构。（2 2）加大存加大存储容量容量。目前有的。目前有的单片机片内程序存片机片内程序存储器容量可达器容量可达128KB128KB甚至更多。甚至更多。3 3片内片内I/OI/O的改的改进（1 1）增加并行口）增加并行口驱动能力能力，以减少外部，以减少外部驱动芯片。有的芯片。有的单片机可片机可以直接以直接输出大出大电流和高流和高电压，以便能直接，以便能直接驱动LEDLED和和VFDVFD（荧光光显示器）。示器）。（2 2）有些）有些单片机片机设置了一些置了一些特殊的串行特殊的串行I/OI/O功能功能，为构成分布式、网构成分布式、网络化系化系统提供方便条件。提供方便条件。29第29页，本讲稿共73页4 4低功耗化低功耗化CMOSCMOS化，功耗小，配置有化，功耗小，配置有等待状态、睡眠状态、关闭状态等待状态、睡眠状态、关闭状态等工作方式。等工作方式。消耗电流仅在消耗电流仅在A A或或nAnA量级，适于电池供电的便携式、手持式的仪量级，适于电池供电的便携式、手持式的仪器仪表以及其它消费类电子产品。器仪表以及其它消费类电子产品。5 5外围电路内装化外围电路内装化众多外围电路全部装入片内，即众多外围电路全部装入片内，即系统的单片化系统的单片化是目前发展趋势之是目前发展趋势之一。一。例如，例如，美国美国CygnalCygnal公司的公司的C8051F020 C8051F020 8 8位单片机，内部采用流位单片机，内部采用流水线结构，大部分水线结构，大部分指令的完成时间指令的完成时间为为1 1或或2 2个时钟周期，个时钟周期，峰值处理峰值处理能力能力为为25MIPS25MIPS。片上集成有。片上集成有8 8通道通道A/DA/D、两路、两路D/AD/A、两路电压比、两路电压比较器，内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和较器，内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和6464个个通用通用I/OI/O口、电源监测、口、电源监测、3030第30页，本讲稿共73页看门狗、多种类型的串行接口（两个看门狗、多种类型的串行接口（两个UARTUART、SPISPI）等。一片芯片就）等。一片芯片就是一个是一个“测控测控”系统。系统。综上所述，单片机正在综上所述，单片机正在向多功能、高性能、高速度（时钟达向多功能、高性能、高速度（时钟达40MHz40MHz）、低电压（）、低电压（2.7V2.7V即可工作）、低功耗、低价格（几元即可工作）、低功耗、低价格（几元钱）、外围电路内装化以及片内程序存储器和数据存储器容量钱）、外围电路内装化以及片内程序存储器和数据存储器容量不断增大不断增大的方向发展。的方向发展。3131第31页，本讲稿共73页 （1 1）MCS-51MCS-51是是IntelIntel公司生公司生产产的一个的一个单单片机片机系列系列名称。属于名称。属于这这一系列的一系列的单单片机有多种，如：片机有多种，如：8051/8751/80318051/8751/8031；8052/8752/80328052/8752/8032；80C51/87C51/80C3180C51/87C51/80C31 80C52/87C52/80C3280C52/87C52/80C32等等。5.1 MCS-51系列5 MCS-51系列与AT89C5x系列单片机32第32页，本讲稿共73页（2）该系列生产工艺有两种：）该系列生产工艺有两种：CHMOS是是CMOS和和HMOS的的结结合合，既既保保持持了了HMOS高高速速度度和和高高密密度度的的特特点点，还还具具有有CMOS的的低低功功耗耗的的特特点点。在在产产品品型型号号中中凡凡带带有有字字母母“C”的的即即为为CHMOS芯芯片片，CHMOS芯芯片片的的电电平平既既与与TTL电电平兼容，又与平兼容，又与CMOS电平兼容。电平兼容。一一是是HMOS工工艺艺（高高密密度度短短沟沟道道MOS工工艺艺）。二二是是CHMOS工工艺艺（互补金属氧化物的（互补金属氧化物的HMOS工艺）。工艺）。33第33页，本讲稿共73页（3）在功能上，该系列单片机有基本型和增强型两大类：）在功能上，该系列单片机有基本型和增强型两大类：增强型增强型：8052/8752/803280C52/87C52/80C32基本型基本型：8051/8751/803180C51/87C51/80C31（4 4）在在片片内内程程序序存存储储器器的的配配置置上上，该该系系列列单单片片机机有有三三种种形形式式，即掩膜即掩膜ROMROM、EPROMEPROM和和ROMLess(ROMLess(无片内程序存储器无片内程序存储器)。如：。如：80C5180C51有有4K4K字字节节的掩膜的掩膜ROMROM；8 87 7C51C51有有4K4K字字节节的的EPROM EPROM；80C80C3 31 1在芯片内无程序存在芯片内无程序存储储器。器。34第34页，本讲稿共73页80C5180C51系列系列 IntelIntel的的：80C3180C31、80C5180C51、87C5187C51，80C3280C32、80C5280C52、87C5287C52等；等；ATMEL ATMEL的：的：89C5189C51、89C5289C52、89C205189C2051等；等；PhilipsPhilips、华华邦、邦、DallasDallas、Siemens(Infineon)Siemens(Infineon)等公司的等公司的许许多多产产品品 。80C5180C51是是MCS-51MCS-51系系列列中中CHMOSCHMOS工工艺艺的的一一个个典典型型品品种种 ；其其它它厂厂商商以以80518051为为基基核核开开发发出出的的CMOSCMOS工工艺艺单单片片机机产产品品统统称称为为80C5180C51系系列列。当当前常用的前常用的80C5180C51系列系列单单片机主要片机主要产产品有：品有：35第35页，本讲稿共73页80C5180C51典型典型产产品品资资源配置源配置36第36页，本讲稿共73页读懂型号37第37页，本讲稿共73页6 6 单单片机片机应应用系用系统统开开发简发简介介正确无正确无误误的的硬件硬件设计设计和良好的和良好的软软件功能件功能设计设计是一个是一个实实用的用的单单片机片机应应用系用系统统的的设计设计目目标标。完成完成这这一目一目标标的的过过程称程称为单为单片机片机应应用系用系统统的开的开发发。单单片机作片机作为为一片集成了微型一片集成了微型计计算机基本部件的集成算机基本部件的集成电电路芯片，路芯片，与通用微机相比，它自身没有开与通用微机相比，它自身没有开发发功能，必功能，必须须借助开借助开发发机（一机（一种特殊的种特殊的计计算机系算机系统统）来完成如下任）来完成如下任务务：排除排除应应用系用系统统的的硬件故障硬件故障和和软软件件错误错误；程序固化程序固化到内部或外部程序存到内部或外部程序存储储器芯片中。器芯片中。6.1 单片机应用系统的开发38第38页，本讲稿共73页6.2 6.2 单单片机片机应应用系用系统传统统传统开开发发方式方式 利用独立型仿真器开发利用独立型仿真器开发39第39页，本讲稿共73页 SSTSST公司推出的公司推出的SST89C54SST89C54和和SST89C58SST89C58芯片分芯片分别别有有20KB20KB和和30KB30KB的的SuperFLASHSuperFLASH存存储储器，利用器，利用这这种存种存储储器可以器可以进进行高速行高速读读写的特点，能写的特点，能够够实现实现在系在系统编统编程（程（ISPISP）和在）和在应应用用编编程（程（IAPIAP）功能。首先在）功能。首先在PCPC机上机上完成完成应应用程序的用程序的编辑编辑、汇编汇编（或（或编译编译）、模）、模拟拟运行，然后运行，然后实现实现目目标标程程序的串行下序的串行下载载。6.3 6.3 单单片机开片机开发发方式的方式的发发展展在系统编程在系统编程ISP ISP（In-System Programming）在系统可编程，指电路板上的）在系统可编程，指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用下器件，已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。方式擦除或再编程。ISP技术是未来发展方向。技术是未来发展方向。40第40页，本讲稿共73页ISP的工作原理 ISP的实现相对要简单一些，一般通用做法是内部的存储器可以由上位机的软件通过串口来进行改写。对于单片机来讲可以通过SPI或其它的串行接口接收上位机传来的数据并写入存储器中。所以即使我们将芯片焊接在电路板上，只要留出和上位机接口的这个串口，就可以实现芯片内部存储器的改写，而无须再取下芯片。ISP的优点 ISP技术的优势是不需要编程器就可以进行单片机的实验和开发，单片机芯片可以直接焊接到电路板上，调试结束即成成品，免去了调试时由于频繁地插入取出芯片对芯片和电路板带来的不便。41第41页，本讲稿共73页AVRAVR系列是系列是19971997年年ATMELATMEL公司挪威设计中心的公司挪威设计中心的A A先生先生与与V V先生先生共同研共同研发出的发出的精简指令集精简指令集(RISCRISCReduced Instruction Set Computer)Reduced Instruction Set Computer)的的高速高速8 8位单片机，简称位单片机，简称AVRAVR。7 AVR7 AVR系列单片机与系列单片机与PICPIC系列单片机系列单片机7.1 AVR系列单片机5151系列系列单片机采用片机采用复复杂指令指令集集(CISC)(CISC)，追求指令完追求指令完备性。性。42第42页，本讲稿共73页（4）I/O口功能强、驱动能力大。口功能强、驱动能力大。（5）低功耗。）低功耗。（6）支持程序的在系统编程）支持程序的在系统编程。（7）程序保密性好程序保密性好。（1）高速、高可靠性、功能强、低功耗和低价位。）高速、高可靠性、功能强、低功耗和低价位。（2）采用片内）采用片内Flash存储器给用户的开发带来方便。存储器给用户的开发带来方便。（3）丰富的）丰富的片内片内外设。外设。AVR系列单片机特点如下：43第43页，本讲稿共73页定定时器器/计数器、看数器、看门狗狗电路、低路、低电压检测电路路BODBOD，多个复位，多个复位源源(自自动上下上下电复位、外部复位、看复位、外部复位、看门狗复位、狗复位、BODBOD复位复位)，可，可设置的启置的启动后延后延时运行程序，增运行程序，增强了了单片机片机应用系用系统的可靠性。的可靠性。多种串口：多种串口：如通用的异步串行口（如通用的异步串行口（UARTUART），面向字），面向字节的高速的高速硬件串行接口硬件串行接口TWITWI（与（与I I2 2C C接口兼容）、接口兼容）、SPISPI。此外。此外还有有ADCADC、PWMPWM等部件。等部件。44丰富的片内外设44第44页，本讲稿共73页AVRAVR单片机系列全，片机系列全，3 3个档次个档次，适于各种不同要求：，适于各种不同要求：（1 1）低档）低档TinyTiny系列系列:Tiny11/12/13/15/26/28 Tiny11/12/13/15/26/28等；等；（2 2）中档）中档AT90SAT90S系列系列:AT90S1200/2313/8515/8535 AT90S1200/2313/8515/8535等；等；（3 3）高档）高档ATmegaATmega系列系列:有有ATmega8/16/32/64/128ATmega8/16/32/64/128（存存储容量容量为8/16/32/64/128 KB8/16/32/64/128 KB）以及）以及ATmega8515/8535ATmega8515/8535等。等。45AVR系列单片机常见的型号：45第45页，本讲稿共73页美国美国MicrochipMicrochip公司的产品。特性如下：公司的产品。特性如下：（1 1）最大的特点是从实际出发，重视性能价格比，）最大的特点是从实际出发，重视性能价格比，已经开发出多已经开发出多种型号来满足应用需求。例如，一个摩托车的点火器需要一个种型号来满足应用需求。例如，一个摩托车的点火器需要一个I/OI/O较少、较少、RAMRAM及程序存储空间不大、可靠性较高的小型单片机及程序存储空间不大、可靠性较高的小型单片机。7.2 PIC系列单片机PICPIC系列从低到高有几十个型号系列从低到高有几十个型号常用的型号如：常用的型号如：PIC12C508PIC12C508单片单片机仅有机仅有8 8个引脚，是世界最小的单片机个引脚，是世界最小的单片机；PICPIC的高档型，如的高档型，如PIC16C74PIC16C74（尚不是最高档型号）有（尚不是最高档型号）有4040个引脚个引脚。46第46页，本讲稿共73页（2 2）精简指令）精简指令集集使执行效率大为提高。使执行效率大为提高。（3 3）优越）优越的的开发环境。开发环境。5151单片机的开发系统大都采用高档型仿真单片机的开发系统大都采用高档型仿真低档型，实时性不理想。低档型，实时性不理想。PICPIC推出一款新型号单片机的同时推出推出一款新型号单片机的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。非常好。（4 4）其引脚具有防瞬态能力，）其引脚具有防瞬态能力，（7 7）设有休眠和省电工作方式。）设有休眠和省电工作方式。（5 5）保密性好）保密性好（6 6）片内集成了看门狗定时器）片内集成了看门狗定时器47第47页，本讲稿共73页（1 1）低档）低档8 8位单片机位单片机 PIC12C5XXX PIC12C5XXX16C5X16C5X系列系列48PIC单片机分低档型、中档型和高档型：（2 2）中档）中档8 8位单片机位单片机 PIC12C6XX/PIC16CXXX PIC12C6XX/PIC16CXXX系列系列。（3 3）高档）高档8 8位单片机位单片机 PIC17CXX PIC17CXX系列系列。适合高级复杂系统开发的产品，。适合高级复杂系统开发的产品，在中档位在中档位单片机的基础上单片机的基础上增加了硬件乘法器，指令周期可达成增加了硬件乘法器，指令周期可达成160ns160ns，它是，它是目前世界上目前世界上8 8位单片机中性价比最高的机种，可用于高、中档产位单片机中性价比最高的机种，可用于高、中档产品的开发，如电机控制等。品的开发，如电机控制等。48第48页，本讲稿共73页 随着集成电路技术及电子技术的飞速发展，随着集成电路技术及电子技术的飞速发展，各种体系结构的处各种体系结构的处理器品种繁多理器品种繁多，且都，且都嵌入到系统中嵌入到系统中实现数据处理、数据传输和控制实现数据处理、数据传输和控制功能，各类功能，各类嵌入式处理器为核心嵌入式处理器为核心的嵌入式系统的应用，的嵌入式系统的应用，是是当今电当今电子信息技术应用的子信息技术应用的一大热点一大热点。8 各类嵌入式处理器简介 具有各种不同体系结构的处理器，构成了具有各种不同体系结构的处理器，构成了嵌入式处理器家族嵌入式处理器家族，是嵌入式系统的核心。全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过是嵌入式系统的核心。全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过10001000多种，按多种，按体系结构主要分为如下几类体系结构主要分为如下几类：嵌入式微控制器（嵌入式微控制器（单单片机片机）、嵌入式数字信号处理器（简称）、嵌入式数字信号处理器（简称DSPDSP）、嵌入式微处理嵌入式微处理器器以及片上系统（以及片上系统（SOCSOC）等。）等。49第49页，本讲稿共73页1.9.1 1.9.1 嵌入式微控制器（单片机）嵌入式微控制器（单片机）将用于测控目的的计算机小系统集成到一块芯片中。将用于测控目的的计算机小系统集成到一块芯片中。一般以某一种微一般以某一种微处理器内核为核心处理器内核为核心，片内集成，片内集成 ROM/EPROMROM/EPROM、RAMRAM、总线及总线控、总线及总线控制逻辑、定时制逻辑、定时/计数器、计数器、WatchDogWatchDog、I/OI/O、串行口、脉宽调制输出、串行口、脉宽调制输出、A/DA/D、D/AD/A、FlashFlash存储器等各种必要的功能部件和外设。存储器等各种必要的功能部件和外设。一个系列的单片机具有一个系列的单片机具有多种衍生产品多种衍生产品，每种衍生产品的，每种衍生产品的处理器内核都处理器内核都是一样是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。使单片机的，不同的是存储器和外设的配置及封装。使单片机与与需求相匹配，减少功耗和成本。需求相匹配，减少功耗和成本。单片机最大特点是单片机最大特点是单片化，单片化，价廉价廉，功耗和成本下降、可靠性提高功耗和成本下降、可靠性提高。是目前嵌入式系统的主流。是目前嵌入式系统的主流。5050第50页，本讲稿共73页1.9.2 1.9.2 嵌入式嵌入式DSPDSP处理器处理器(DSP)(DSP)DSPDSP（Digital Signal Processor)Digital Signal Processor)，非常擅长于高速实现各种数非常擅长于高速实现各种数字信号处理运算（如数字滤波、字信号处理运算（如数字滤波、FFTFFT、频谱分析、频谱分析等）等