(15.2)--第 1 章 单片机概论单片机原理与应用.ppt

第第 1 1 章章 单片机概论单片机概论一、一、微型计算机、微处理器、单片机和微型计算机、微处理器、单片机和ARM 1.1.微型计算机的构成：微型计算机的构成：包括包括运算器、控制器、存储器、输入输出接口运算器、控制器、存储器、输入输出接口四个基本组成部分。四个基本组成部分。2.2.微处理器：微处理器：把把运算器与控制器运算器与控制器封装在一小块芯片上，则称封装在一小块芯片上，则称该芯片为微处理器，该芯片为微处理器，微处理器微处理器cpu3.3.单片微型计算机单片微型计算机 将微型计算机的四个基本组成部分，则这种芯片就被将微型计算机的四个基本组成部分，则这种芯片就被称为称为单片微型计算机单片微型计算机单片微型计算机单片微型计算机，简称单片机。以单片机为核心的硬，简称单片机。以单片机为核心的硬件电路称为件电路称为单片机系统单片机系统单片机系统单片机系统。嵌入式系统（）嵌入式系统（）指非指非PCPC（Personal ComputerPersonal Computer）系统，它包括）系统，它包括硬件和软硬件和软硬件和软硬件和软件件件件两部分。两部分。硬件包括硬件包括中央处理器、存储器、外设器件、中央处理器、存储器、外设器件、I/OI/O（输入（输入/输出）端口和图形控制器输出）端口和图形控制器等。等。软件部分包括操作系统软件软件部分包括操作系统软件（OSOS）（）（要求实时和多任要求实时和多任务操作）和务操作）和应用程序编程应用程序编程ARM资料资料继续继续ARMARM简介简介nARMARM即即Advanced RISC MachinesAdvanced RISC Machines的缩写的缩写,既可以认为是一既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。还可以认为是一种技术的名字。19901990年成立了年成立了Advanced Advanced RISC Machines Limited(RISC Machines Limited(后来简称为后来简称为 LimitedLimited，ARMARM公公司司)。n2020世纪世纪9090年代，年代，ARM 32ARM 32位嵌入式位嵌入式RISC(Reduced RISC(Reduced lnstruction Set Computer)lnstruction Set Computer)处理器扩展到世界范围，处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。的领先地位。ARMARM公司既不生产芯片也不销售芯片，它公司既不生产芯片也不销售芯片，它只出售芯片技术授权。只出售芯片技术授权。复杂指令系统复杂指令系统(CISC)(CISC)，（ComplexInstructionSetComputer）资料：资料：RISC RISC 和和 CISC的区别的区别n（1）指令系统指令系统：RISC设计者把主要精力放在那些经常使设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使它们具有简单高效的特色。对不常用用的指令上，尽量使它们具有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令来完成。因此，在的功能，常通过组合指令来完成。因此，在RISC机器上实机器上实现特殊功能时，效率可能较低。但可以利用现特殊功能时，效率可能较低。但可以利用流水技术和超流水技术和超标量技术标量技术加以改进和弥补。而加以改进和弥补。而CISC计算机的指令系统比较计算机的指令系统比较丰富，有专用指令来完成特定的功能。丰富，有专用指令来完成特定的功能。n（2）存储器操作：）存储器操作：RISC对存储器操作有限制，使控制简对存储器操作有限制，使控制简单化；而单化；而CISC机器的存储器操作指令多，操作直接。机器的存储器操作指令多，操作直接。n（3）程序程序：RISC汇编语言程序一般需要较大的内存空间，汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而CISC汇编语言程汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序社设计相对序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序社设计相对容易，效率较高。容易，效率较高。n（4 4）中断中断：RISCRISC机器在一条指令执行的适当地方可以响机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而应中断；而CISCCISC机器是在一条指令执行结束后响应中断。机器是在一条指令执行结束后响应中断。n（5 5）CPUCPU：RISCCPURISCCPU包含有较少的单元电路，因而面积小、包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而功耗低；而CISCCPUCISCCPU包含有丰富的电路单元，因而功能强、包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。面积大、功耗大。n（6 6）设计周期：）设计周期：RISCRISC微处理器结构简单，布局紧凑，设微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，且易于采用最新技术；计周期短，且易于采用最新技术；CISCCISC微处理器结构复杂，微处理器结构复杂，设计周期长。设计周期长。n（7 7）用户使用：）用户使用：RISCRISC微处理器结构简单，指令规整，性微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；能容易把握，易学易用；CISCCISC微处理器结构复杂，功能强微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。大，实现特殊功能容易。n（8 8）应用范围：由于）应用范围：由于RISCRISC指令系统的确定与特定的应用指令系统的确定与特定的应用领域有关，故领域有关，故RISCRISC机器更适合于专用机器更适合于专用返回返回二、二、单片机的结构与组成单片机的结构与组成 (1)单片机的结构单片机的结构(2)单片机的功能单片机的功能单片机内单片机内部组成部组成三、单片机的分类和指标三、单片机的分类和指标 n位数：位数：是单片机能够一次处理的数据的宽度，有是单片机能够一次处理的数据的宽度，有1 1位机位机（如（如PD7502PD7502）、）、4 4位机（如位机（如MSM64155AMSM64155A）、）、8 8位机（如位机（如MCS-MCS-5151）、）、1616位机（如位机（如MCS-96MCS-96）、）、3232位机（如位机（如IMST414IMST414）。）。n存储器：存储器：包括包括程序存储器和数据存储器程序存储器和数据存储器，程序存储器空间，程序存储器空间较大，字节数一般从几较大，字节数一般从几KBKB到几十到几十KBKB（1KB=210B=1KB=210B=1024B1024B），另外还有不同的类型，如），另外还有不同的类型，如ROMROM、EPROMEPROM、EEPROMEEPROM、Flash ROMFlash ROM和和OTP ROMOTP ROM型。数据存储器的字节数则通常为型。数据存储器的字节数则通常为几十字节到几百字节之间。几十字节到几百字节之间。nI/OI/O口：口：即输入即输入/输出口，一般有几个到几十个。输出口，一般有几个到几十个。n速度：速度：指的是指的是CPUCPU的处理速度，以每秒执行多少条指的处理速度，以每秒执行多少条指令衡量，常用单位是令衡量，常用单位是MIPSMIPS（百万条指令每秒），（百万条指令每秒），目前目前最快的单片机可达到最快的单片机可达到100MIPS100MIPS。单片机的速度通常是。单片机的速度通常是和系统时钟（相当于和系统时钟（相当于PCPC机的主频）相联系的。机的主频）相联系的。n工作电压：工作电压：通常工作电压是通常工作电压是5V5V，范围是，范围是5%5%或或10%10%，也有，也有3V/3.3V3V/3.3V电压的产品，更低的可在电压的产品，更低的可在1.5V1.5V工作。工作。现代单片机又出现了宽电压范围型，即在现代单片机又出现了宽电压范围型，即在2.5V2.5V6.5V6.5V内都可正常工作。内都可正常工作。n功耗：功耗：低功耗是现代单片机所追求的一个目标，目前低低功耗是现代单片机所追求的一个目标，目前低功耗单片机的静态电流可以低至功耗单片机的静态电流可以低至A A（微安，（微安，1010-6-6 A A）或）或nAnA（纳安，（纳安，1010-9-9nAnA）级。）级。n温度：温度：单片机根据工作温度可分为民用级（商业级）、单片机根据工作温度可分为民用级（商业级）、工业级和军用级三种。民用级的温度范围是工业级和军用级三种。民用级的温度范围是007070，工业级是，工业级是-40-408585，军用级是，军用级是-55-55125125。n新一代的单片机有的还具有新一代的单片机有的还具有在系统编程（在系统编程（ISP,In-ISP,In-System-ProgrammableSystem-Programmable）或在应用再编程（）或在应用再编程（IAP,In-IAP,In-Application re-ProgrammableApplication re-Programmable）功能）功能，有的还有专用，有的还有专用的的ISPISP编程编程JTAGJTAG口。口。四、四、单片机的特点单片机的特点 n基本特点：基本特点：体积小、价格低、性能强大、速度快、用途广、灵活性体积小、价格低、性能强大、速度快、用途广、灵活性强、可靠性高强、可靠性高n独特之处：独特之处：（1 1）存储器存储器ROMROM和和RAMRAM是严格分工的是严格分工的。（2 2）采用面向控制的指令系统采用面向控制的指令系统。在实时控制方面，尤其。在实时控制方面，尤其是在位操作方面单片机有着不俗的表现。是在位操作方面单片机有着不俗的表现。（3 3）输入）输入/输出（输出（I/OI/O）端口）端口引脚通常设计有多种功能引脚通常设计有多种功能。在设计时，究竟使用多功能引脚的哪一种功能，则可以由在设计时，究竟使用多功能引脚的哪一种功能，则可以由用户编程确定。用户编程确定。n （4 4）品种规格的系列化品种规格的系列化。属于同一个产品系列、不。属于同一个产品系列、不同型号的单片机，通常具有相同的内核、相同或兼容的同型号的单片机，通常具有相同的内核、相同或兼容的指令系统。其主要的差别仅在片内配置了一些不同种类指令系统。其主要的差别仅在片内配置了一些不同种类或数量的功能部件，适用不同的被控对象。或数量的功能部件，适用不同的被控对象。（5 5）单片机的硬件功能具有广泛的通用性单片机的硬件功能具有广泛的通用性。同一种单。同一种单片机可以用在不同的控制系统中，只是其中所配置的软片机可以用在不同的控制系统中，只是其中所配置的软件不同而已。换言之，给单片机固化上不同的软件，便件不同而已。换言之，给单片机固化上不同的软件，便可形成用途不同的专用智能芯片。有时将这种芯片称为可形成用途不同的专用智能芯片。有时将这种芯片称为固件（固件（FirmwareFirmware）。）。MCS-51MCS-51系列系列nIntel公司的高性能公司的高性能8位单片机，该系列机有位单片机，该系列机有8051、8031、8751。80C51系列是其兼容系列是其兼容性单片机，与性单片机，与8051系统结构相同，但采用系统结构相同，但采用CMOS工艺，对工艺，对8051做了一些扩充，更有做了一些扩充，更有特点，功能更强。特点，功能更强。MCS51单片机和单片机和8051、8031、89C51等的关系等的关系这一系列单片机包括了好些品种，如这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼来称呼MCS51系列单片机，而系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到机，所以很多场合会看到8031的名称。的名称。INTEL公司将公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。公司开发生产的。MCS-51系列又分为系列又分为51和和52两个子系列，并以芯片型号的最末位数两个子系列，并以芯片型号的最末位数字作为标志。其中，字作为标志。其中，51子系列是基本型，而子系列是基本型，而52子系列则属增强型。子系列则属增强型。52子系列功能增强的具体方面，从表所列内容中可以看出：子系列功能增强的具体方面，从表所列内容中可以看出：表表1.1 MCS-511.1 MCS-51系列单片机分类表系列单片机分类表子系列片内ROM形式片内ROM容量片内RAM容量寻址范围I/O特性中断源无ROMEPROM计数器并行口串行口51子系列8031805187514 KB128 B264 KB216481580C3180C5187C514 KB128 B264 KB216481552子系统8032805287528 KB256 B264 KB316481680C3280C5287C528 KB256 B264 KB3164816MC68MC68系列系列nMotorola公司的8位单片机qM6801qM6804qMC6805qMC68HC05qMC58HC11速度更快，功耗更低、功能更强约占8位机市场的30%份额PICPIC系列系列n美国美国Microchip公司生产，价格低、体积小、公司生产，价格低、体积小、速度高、功耗低、速度高、功耗低、C语言编程、程序保密性强、语言编程、程序保密性强、开发方便，率先采用开发方便，率先采用RISC（精简指令集），（精简指令集），现已成为嵌入式单片机的主流产品之一。现已成为嵌入式单片机的主流产品之一。MSP430MSP430系列系列nTI（德州仪器）公司推出的新型高性能单片机。（德州仪器）公司推出的新型高性能单片机。n16位精简指令结构可确保运行速度、带位精简指令结构可确保运行速度、带FLASH的微控制器可将功耗降低的微控制器可将功耗降低5倍、具有多倍、具有多种省电模式、型号相当丰富。种省电模式、型号相当丰富。AVRAVR系列系列n美国美国ATMEL公司推出的全新配置精简指令集公司推出的全新配置精简指令集（RISC）的单片机系列。高速度、高保密性、低功耗。）的单片机系列。高速度、高保密性、低功耗。n片内程序存储器采用片内程序存储器采用Flashn大多数指令仅用大多数指令仅用1个晶振周期个晶振周期n采用采用C语言编程和语言编程和CMOS工艺生产工艺生产nATMEL公司的单片机可分为公司的单片机可分为AT89、AT90、AT91和智和智能能IC卡等系列，卡等系列，AT90系列属于增强型系列属于增强型RISC内载内载Flash新型嵌入式新型嵌入式8位单片机，通常简称为位单片机，通常简称为AVR单片机。单片机。五、单片机应用系统及应用领域五、单片机应用系统及应用领域 n应用于应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域专用设备的智能化管理及过程控制等领域。n 单片机智能化产品包括单片机智能化产品包括智能仪表、可编程序控制器、智能仪表、可编程序控制器、空调控制器、全自动洗衣机控制器、空调控制器、全自动洗衣机控制器、DVDDVD控制器、数据控制器、数据采集系统、金融采集系统、金融POSPOS机、移动电话机芯机、移动电话机芯等。等。n单片机技术无疑将是单片机技术无疑将是2121世纪最为活跃的新一代电子世纪最为活跃的新一代电子应用技术。随着微控制技术（以应用技术。随着微控制技术（以软件代替硬件软件代替硬件的高性能的高性能控制技术）的发展，单片机的应用必将导致传统控制技控制技术）的发展，单片机的应用必将导致传统控制技术发生巨大变革。术发生巨大变革。单片机应用实列1数字式测角仪数字式测角仪交直流电压电流表交直流电压电流表位移传感器位移传感器单片机应用实列2数控车床数控车床数控线切割机床数控线切割机床单片机应用实列3医用呼吸机各种分析仪监护仪超声诊断设备病床呼叫系统等等电池分析仪医用呼吸机医用呼吸机单片机应用实列4作业1-1 微型计算机通常由哪些部分组成？各有哪些微型计算机通常由哪些部分组成？各有哪些功能？功能？1-2 单片微型计算机与一般微型计算机相比较有单片微型计算机与一般微型计算机相比较有哪些区别？有哪些特点？哪些区别？有哪些特点？1-3 简述计算机的工作过程。简述计算机的工作过程。1-4 单片机的几个重要指标的定义。单片机的几个重要指标的定义。1-5 单片微型计算机主要应用在哪些方面？单片微型计算机主要应用在哪些方面？1-6 为什么说单片微型计算机有较高的性能价格为什么说单片微型计算机有较高的性能价格比和抗干扰能力？比和抗干扰能力？1-7 简述单片机应用系统的基本组成。简述单片机应用系统的基本组成。