第一章 单片机原理精选文档.ppt

第一章 单片机原理本讲稿第一页，共五十一页一、单片机一、单片机&发展发展本讲稿第二页，共五十一页什么是单片机“single chip Microcomputer”computer1946.6 匈牙利 冯.诺依曼 提出的电子计算机概念程序控制程序控制 存储程序存储程序冯.诺依曼 提出的电子计算机硬件结构 运算器运算器 （ALUALU）控制器控制器 （Controller)Controller)存储设备存储设备 (Memory)(Memory)输入设备输入设备 (Input)(Input)输出设备输出设备 (Output)(Output)运 算 器控 制 器CPU存 储 器输输入入接接口口电电路路输输入入设设备备输输出出设设备备输输出出接接口口电电路路硬件系统本讲稿第三页，共五十一页硬硬硬硬件件件件构构构构成成成成微微微微机机机机的的的的实实实实体体体体和装置和装置和装置和装置软件软件软件软件微机系统所使用的微机系统所使用的微机系统所使用的微机系统所使用的各种程序的总称各种程序的总称各种程序的总称各种程序的总称软件软件软件软件与与与与硬件硬件硬件硬件共同构成实用共同构成实用共同构成实用共同构成实用的微机系统，两者是的微机系统，两者是的微机系统，两者是的微机系统，两者是相辅相相辅相相辅相相辅相成、缺一不可成、缺一不可成、缺一不可成、缺一不可的。的。的。的。软软件件系系统统+运 算 器控 制 器CPU存 储 器输输入入接接口口电电路路输输入入设设备备输输出出设设备备输输出出接接口口电电路路硬件系统微型计算机系统微型计算机系统微型计算机系统微型计算机系统本讲稿第四页，共五十一页 单片微型计算机单片微型计算机是指集成在一个芯片是指集成在一个芯片是指集成在一个芯片是指集成在一个芯片上的微型计算机系统，上的微型计算机系统，上的微型计算机系统，上的微型计算机系统，简称单片机简称单片机简称单片机简称单片机 从从从从外部看就是一个外部看就是一个外部看就是一个外部看就是一个芯片芯片芯片芯片。软软件件系系统统+微型计算机系统微型计算机系统微型计算机系统微型计算机系统运 算 器控 制 器CPU存 储 器输输入入接接口口电电路路输输入入设设备备输输出出设设备备输输出出接接口口电电路路硬件系统本讲稿第五页，共五十一页技术发展历史技术发展历史瓦特发明蒸汽机1785电子管/晶体管/集成电路1904/47/58电子计算机/网络1946/73电机/电灯/电信发明1867/79蒸汽时代蒸汽时代电气时代电气时代 电子时代电子时代IT时代时代技术进步呈加速发展态势技术进步呈加速发展态势本讲稿第六页，共五十一页 科技的发展从根本上来说是由生科技的发展从根本上来说是由生产的需要推动的，同时又反过来推动产的需要推动的，同时又反过来推动生产力前进。生产力前进。技术发展历史回顾的启示技术发展历史回顾的启示 1 1本讲稿第七页，共五十一页例例1 瓦特发明蒸汽机是时代的需要瓦特发明蒸汽机是时代的需要瓦特（17361819）：英国格拉斯特大学的仪器修理工第一次工业革命的需要第一次工业革命的需要：英国纺织机，矿井排水；技术：1690，法国人巴本蒸汽机模型；1712，钮可门蒸汽机；1756：布莱尔提出比热概念，并发现“潜热”，瓦特为布莱尔制仪器，发现钮可门蒸汽机的弊病，并由布莱尔的“潜热”加以解释。1785：瓦特发明实用蒸汽机 热学科学理论开始萌芽。(瓦特的蒸汽机领先热力学理论半个世纪)本讲稿第八页，共五十一页例例1 瓦特发明蒸汽机是时代的需要瓦特发明蒸汽机是时代的需要启示启示1 1：科技的发展从根本上来说是由生产的需要：科技的发展从根本上来说是由生产的需要推动的，同时又反过来推动生产力前进。推动的，同时又反过来推动生产力前进。瓦特的伟大天才表现在瓦特的伟大天才表现在17841784年年4 4月他所取得的专利的说明书中，月他所取得的专利的说明书中，他没有把蒸汽机说成是一种用于特殊目的的发明，而把他说成他没有把蒸汽机说成是一种用于特殊目的的发明，而把他说成是大工业普遍应用的发动机。是大工业普遍应用的发动机。马克思马克思马克思恩格斯全集第马克思恩格斯全集第2323卷卷415415页页本讲稿第九页，共五十一页集成电路集成电路（Integrated Circuit,Integrated Circuit,通常简称通常简称IC)IC)是是指将很多微电子器件集成在芯片上的一种高级微电指将很多微电子器件集成在芯片上的一种高级微电子器件。子器件。集成电路的概念的最早描述，应该说是由英国集成电路的概念的最早描述，应该说是由英国皇家信号和雷达机构皇家信号和雷达机构(Royal Signal&Radar (Royal Signal&Radar Establishment)Establishment)的的G.W.A.DummerG.W.A.Dummer于于19521952年年5 5月月在电子元器件会议上提出的，但是在英国没有能在电子元器件会议上提出的，但是在英国没有能予以实现。予以实现。例例2 集成电路的发明集成电路的发明本讲稿第十页，共五十一页 19581958年，年，Kilby(Kilby(美美)发明发明第一块集成电路第一块集成电路，其中包括，其中包括一个双极性晶体管，三个电阻和一个电容器。一个双极性晶体管，三个电阻和一个电容器。2000 2000年获诺贝尔物理学奖。年获诺贝尔物理学奖。本讲稿第十一页，共五十一页例例2 2 集成电路发明的启示集成电路发明的启示 集成电路早在集成电路早在19521952年英国年英国Dummer Dummer 已经提出其概念，已经提出其概念，为什么它的发明不在英国而在美国呢？为什么它的发明不在英国而在美国呢？客观需求客观需求对小型化和可靠性的要求，特别对小型化和可靠性的要求，特别是军事上应用提出的迫切需求，促进了集成电是军事上应用提出的迫切需求，促进了集成电路的发明。基于同一理由，军队需求成为集成路的发明。基于同一理由，军队需求成为集成电路的最早用户，促进了集成电路的研究和工电路的最早用户，促进了集成电路的研究和工业生产。业生产。本讲稿第十二页，共五十一页 社会一旦有技术上的需要，社会一旦有技术上的需要，这种需要就会比十所大学更能把这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进。科学推向前进。恩格斯恩格斯本讲稿第十三页，共五十一页如如:蒸汽机技术带动热学研究蒸汽机技术带动热学研究 电磁理论推动电报电磁理论推动电报,电话电话,无线电技术无线电技术科技研究要适应社会需要科技研究要适应社会需要技术发展历史回顾的启示技术发展历史回顾的启示2 2：生产力、技术、科学的发展互相促进生产力、技术、科学的发展互相促进本讲稿第十四页，共五十一页1 1、团队协作、团队协作2 2、激励机制、激励机制例例1:1:电灯的发明：电灯的发明：1809，戴维电弧灯，1879斯万研究灯30多年，提出用碳作材料，爱迪生借助研究所机制和专利作后盾，在读过斯万论文的基础上继续试验，1881获得巴黎博览会荣誉奖。例2：电话的发明：1820 奥斯特电流对磁针作用，1831 法拉第定律，1861：德国人累斯电话（实验室玩具），1876：贝尔在美国政府帮助下架设40里路电话成功,获得专利。技术发展历史回顾的启示技术发展历史回顾的启示3 3：科技创新体制的重要科技创新体制的重要本讲稿第十五页，共五十一页集成电路发明的启示集成电路发明的启示 提提出出集集成成电电路路概概念念的的英英国国人人Dummer Dummer 特特意意强强调调，美美国国公公司司所所以以具具有有创新的精神，还有下列一些条件：创新的精神，还有下列一些条件：1.1.电子工程师往往用自己的资金或用风险基金创业，因而电子工程师往往用自己的资金或用风险基金创业，因而工作勤奋。工作勤奋。2.2.政府支持（政府给予合同）往往帮助他们起步。政府支持（政府给予合同）往往帮助他们起步。3.3.国内市场的需求是一个成功的重要因素。国内市场的需求是一个成功的重要因素。4.4.在在美美国国，鼓鼓励励员员工工在在公公司司中中持持股股，给给予予员员工工一一个个激激励励的的机机制。制。Dummer Dummer 认认为为，一一个个企企业业的的成成功功总总是是有有赖赖于于一一些些人人的的创创新新和和献献身身精神。精神。本讲稿第十六页，共五十一页 天才是百分之一的灵感加天才是百分之一的灵感加上百分之九十九的汗水。上百分之九十九的汗水。爱迪生爱迪生技术发展历史回顾的技术发展历史回顾的启示启示4 4：技术的发展是一个长期的艰难过程，既需要人们学技术的发展是一个长期的艰难过程，既需要人们学习和总结前人的知识和经验，还需要人们长年的艰习和总结前人的知识和经验，还需要人们长年的艰苦工作。苦工作。本讲稿第十七页，共五十一页3.1 3.1 技术发展的历史启示技术发展的历史启示1 1、生产需要的推动和对生产的促进。、生产需要的推动和对生产的促进。2 2、生产力、生产力,技术技术,科学的互相促进科学的互相促进3 3、科技创新体制的重要、科技创新体制的重要4 4、艰苦学习和工作、艰苦学习和工作对大学教育的启示对大学教育的启示1.1.和生产实践的关系和生产实践的关系2.2.与世界先进技术发展的关系与世界先进技术发展的关系3.3.与勤奋工作的关系与勤奋工作的关系4.4.创新机制，教育机制创新机制，教育机制本讲稿第十八页，共五十一页 微电子，计算机时代发展微电子，计算机时代发展三大技术标志信息时代开始集成电路：1958年，标志微电子时代开始计算机：1946年，计算机时代开始网络：1973年，网络时代开始本讲稿第十九页，共五十一页集成电路技术的发展一直遵循著名的摩尔定律，即：每集成电路技术的发展一直遵循著名的摩尔定律，即：每18个月芯片集成度大体增长一倍。个月芯片集成度大体增长一倍。本讲稿第二十页，共五十一页集成电路规模集成电路规模SSIMSILSIVLSIULSI元件数1010553311 集成电路设计和生产集成电路设计和生产原始的手工设计（初级小规模芯片）原始的手工设计（初级小规模芯片）电子设计自动化（电子设计自动化（asic,socasic,soc）可编程器件可编程器件（RAMRAM，EPROMEPROM，GALGAL，MCUMCU，CPLDCPLD，FPGAFPGA，PACPAC，DSPDSP，SOPCSOPC）本讲稿第二十一页，共五十一页计算机发展计算机发展第一代第一代4位和低档位和低档8位机位机1971-1973第二代第二代中高档中高档8位机位机-1978第三代第三代16位机位机-1981第四代第四代32位机位机-1992第五代第五代64位机位机1993-硬 件机器语言机器语言汇编语言汇编语言高级语言言操作系统操作系统图形界面操作系统图形界面操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统网络操作系统网络操作系统软软件件嵌入式计算机：嵌入式计算机：“嵌入式应用嵌入式应用”通用计算机通用计算机应应用用单片机涵盖单片机涵盖本讲稿第二十二页，共五十一页单片机的历史发展单片机的历史发展探索阶段（70年代中期）：Intel/Motorola/ZilogIntel/Motorola/Zilog 代表：代表：Mcs48 single chip Microcomputer Mcs48 single chip Microcomputer 完善阶段（70年代后期）：Mcs51Mcs51系列：系列：Bus Bus、外围、外围SFRSFR集中管理、位地址、突出控制功能的指令集中管理、位地址、突出控制功能的指令Microcontrollers（80年代）：ADC/DAC/WDT/PWM/ADC/DAC/WDT/PWM/高速高速I IOO微控制器的全面发展阶段（90年代后）嵌入式系统 Embedded SystemsEmbedded Systems softwaresoftware本讲稿第二十三页，共五十一页1.专业专业IC制造公司制造公司Foundry,需要专业人员需要专业人员,会专门技术。会专门技术。公司投资特大。公司投资特大。2.专专 业业 IC设设 计计 公公 司司 Fabless,需需 要要 IC设设 计计 人人 员员:电子技术应用，系统分析和设计，电子技术应用，系统分析和设计，IC器件及材料。器件及材料。公司投资大公司投资大,周期长周期长。3.一般电信开发公司：民用，检测，控制，通信：一般电信开发公司：民用，检测，控制，通信：产品产品:MSI,MCU(单片机单片机),PLD,DSP,SOPC;PLC.电子技术应用，系统分析和设计人员电子技术应用，系统分析和设计人员_兼懂软硬件。兼懂软硬件。软件开发人员软件开发人员:数据库数据库,信号处理信号处理,游戏游戏,网络网络,组态软件组态软件,虚拟仪器等。虚拟仪器等。社会需求分析社会需求分析本讲稿第二十四页，共五十一页3.3 3.3 社会需求分析社会需求分析把计算机把计算机 网络网络 信息信息ICIC结合在一起结合在一起socsoc技术技术(System on Chip),EDA(System on Chip),EDA方法方法本讲稿第二十五页，共五十一页单片机原理单片机原理第第1 1章章 绪论绪论一、单片机及一、单片机及发展发展二、单片机的开发二、单片机的开发三、单片机课程教学三、单片机课程教学本讲稿第二十六页，共五十一页二、单片机的开发二、单片机的开发1 1、开发方案比较、开发方案比较2 2、单片机的开发过程、单片机的开发过程3 3、单片机的开发工具、单片机的开发工具本讲稿第二十七页，共五十一页(1)数字钟1、项目：数字钟2、要求：基本：数字显示的时钟，显示到秒，误差5s/day。扩展：时间扩展：日历，年历，农历，毫秒计预置控制扩展：记事，定时，打铃，控制精度要求提高，掉电保护，自动校时扩展，通信扩展3、方案：MSI,PLD,DSP,SOPCMSI,PLD,DSP,SOPC，PLCPLC，ASIC ASIC，MCU(MCU(单片机单片机)。1、开发方案比较（1）本讲稿第二十八页，共五十一页数字钟设计方案数字钟设计方案1：MSI4060+7400/4*6+D+计数器*6+译码*6+LED*6元器件约30元硬件多，连接调试繁扩展不易本讲稿第二十九页，共五十一页数字钟设计方案数字钟设计方案2：PLD（FPGA/CPLD）1K10：约70元，（下载芯片：100元），LED等：10元扩展稍容易，可在计算机上预调试需要计算机及下载装置本讲稿第三十页，共五十一页数字钟设计方案数字钟设计方案3：MCU单片机：约10元，LED等：10元扩展非常容易，可在计算机上预调试需要计算机及仿真器，编程器单片机芯片+键盘+显示本讲稿第三十一页，共五十一页数字钟设计方案数字钟设计方案4：DSP数字钟设计方案数字钟设计方案5：ARM芯片：约100元，LED等：10元扩展较容易，可在计算机上预调试需要计算机及仿真器，编程器芯片+键盘+显示本讲稿第三十二页，共五十一页数字钟设计方案数字钟设计方案6：PLCPLC：约1000元，LED等：10元编程简单，可靠性高扩展较容易，可在计算机上预调试需要计算机及仿真器，编程器PLC+键盘+显示本讲稿第三十三页，共五十一页数字钟设计方案数字钟设计方案7：ASIC约20元，免开发，可靠性高，扩展/改版需要大量资金和时间本讲稿第三十四页，共五十一页数字钟设计方案比较数字钟设计方案比较 开发难度开发难度制作调试制作调试硬件成本硬件成本可靠性可靠性扩展扩展MSI较易繁低不高不易PLD较易较易较低较高较易MCU容易较易很低较高容易DSP一般较易一般较高容易ARM一般较易一般较高容易PLC容易容易高高较易ASIC周期长投资大很容易很低很高很难本讲稿第三十五页，共五十一页1、开发方案比较（2）炉温控制系统1、项目：炉温控制系统2、要求：基本：可以设定温度时间折线,控制炉温按照设定的折线进行，误差小(超调小,跟踪时间短)。扩展：温度时间显示,查询,报警等3、方案：控制方法：位式控制(1位开关)，模拟量算法控制控制硬件：MSI,PLD,PLCMSI,PLD,PLC，ASIC ASIC，MCU(MCU(单片机单片机),),本讲稿第三十六页，共五十一页炉温控制方案比较炉温控制方案比较 开发难开发难度度控制精控制精度度硬件成硬件成本本可靠性可靠性扩展扩展MSI容易不精确低高不易MCU容易算法控制低高容易PLC容易算法控制很高很高较易本讲稿第三十七页，共五十一页适宜范围适宜范围MSI十分简单的项目（放大，运算，振荡分频，移位等）PLD速度高的，较复杂的数字电路，保密性很好，造价高MCU智能交互强的，较复杂的各种电路，保密性较好，造价低DSP速度高智能交互强，较复杂的电路，保密性较好，造价高ARM速度高智能交互强，很复杂的电路，保密性较好，造价高PLC智能交互强的，较复杂的各种电路，可靠性很高，造价很高ASIC大量适用的芯片，允许开发周期长1、开发方案比较开发方案比较（3）各技术适宜范围比较各技术适宜范围比较本讲稿第三十八页，共五十一页2 2、单片机的开发过程、单片机的开发过程1 应用问题的提出：炉温自动控制要求T-t 水平保温 升温 降温2 初步分析 水平保温 不用CPU 多段控制 选用单片机3 总体设计(初步框图)预置值输入、保存、采样运算、显示、控制4 分各部分进行设计和实验具体软硬件5 总体制作 调试6 文件资料整理本讲稿第三十九页，共五十一页3 3、单片机的开发工具、单片机的开发工具资料软件仿真1)机器语言、汇编语言和高级语言2)源程序、目标程序和程序汇编硬件仿真（仿真器）编程器本讲稿第四十页，共五十一页单片机原理单片机原理第第1 1章章 绪论绪论一、单片机及一、单片机及发展发展二、单片机的开发二、单片机的开发三、单片机课程教学三、单片机课程教学本讲稿第四十一页，共五十一页五、单片机课程教学1、课程的地位理论与实践联系的交汇点IC设计技术和系统设计的入门本讲稿第四十二页，共五十一页2、基本要求：明确基本结构读懂程序懂简单接口会编写简单程序会进行简单设计3、一般要求：能够根据网上的芯片资料进行接口设计能够根据用户提出的要求设计并开发简单仪器设备能根据新单片机的说明书进行设计五、单片机课程教学五、单片机课程教学本讲稿第四十三页，共五十一页学习方法理论联系实际设计实际项目动手制作项目课程安排五、单片机课程教学本讲稿第四十四页，共五十一页其他教学资料见 http:/教学参考资料：梅丽凤等编著 单片机原理及接口技术.第1版.清华大学出版社.2006年1月第4次印刷张迎新等编著 单片微型计算机原理、应用及接口技术.第2版.国防工业出版社.2004年1月http:/丁元杰编著.单片微机习题集与实验指导书.机械工业出版社陈光东编著.单片微型计算机原理与接口技术.华中科技大学出版社张克彦编著.单片机浮点程序和实用程序.北京航空航天大学出版社本讲稿第四十五页，共五十一页计计算算机机原原理理试试卷卷分分析析本讲稿第四十六页，共五十一页一选择题 三判断指令是否正确六编程:将32位二进制数求补九综合硬件编程分析 本讲稿第四十七页，共五十一页有关术语有关术语1.位位(bit)2.字节字节(Byte)3.字和字长字和字长(word)4.位编号位编号本讲稿第四十八页，共五十一页补充补充1：有关术语：有关术语补充补充2：固定长度的数的运算：固定长度的数的运算补充补充3：计算机内部符号数的表示：计算机内部符号数的表示补充补充4：符号数的加减运算：符号数的加减运算补充补充5：符号数的乘除运算：符号数的乘除运算补充补充6：BCD码码本讲稿第四十九页，共五十一页64H06H04H压缩压缩BCD码码非压缩非压缩BCD码码本讲稿第五十页，共五十一页Q&A本讲稿第五十一页，共五十一页