一、单片机嵌入式系统概述.pdf

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1、一、单片机嵌入式系统概述一、单片机嵌入式系统概述一、一、一、一、嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统1、什么是嵌入式系统按计算机的非嵌入式应用和嵌入式应用将其分为通用计算机系统和嵌入式计算机系统。PC机电梯控制柜通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现，并应用在社会的各个方面。现在我们在办公室里、家庭中，最广泛普及使用的PC机就是通用计算机其最典型的代表。而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中的。在许多的应用领域中，如工业控制、智能仪器仪表、家用电器、电子通信设备等电子系统和电子产品中，对计算机的应用有着不同的要求。这些要求的主要特征

2、为：(1)面对控制对象。面对物理量传感器变换的信号输入；面对人机交互的操作控制；面对对象的伺服驱动和控制。(2)嵌入到应用系统。体积小、低功耗、价格低廉，可方便地嵌入到应用系统和电子产品中。(3)能在工业现场环境中可靠运行。(4)优良的控制功能。对外部的各种模拟和数字信号能及时地捕捉，对多种不同的控制对象能灵活地进行实时控制。我们将具备高速计算能力和海量存储，用于高速数值计算和海量数据处理的计算机称为通用计算机系统。而将面对工控领域对象，嵌入到各种控制应用系统、各类电子系统和电子产品中，实现嵌入式应用的计算机系统称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。2、嵌入式系统的特点与应用(1)嵌入式系统

3、就是指用于实现独立功能的专用计算机系统。(2)嵌入式系统是以应用为核心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、安全性、成本、体积、重量、功耗、环境等方面有严格要求的专用计算机系统。(3)嵌入式计算机系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机系统。(4)通用计算机系统和嵌入式计算机系统形成了计算机技术的两大分支。二、嵌入式系统的种类二、嵌入式系统的种类二、嵌入式系统的种类二、嵌入式系统的种类嵌入式计算机系统的构成，根据其核心控制部分的不同可分为几种不同的类型：(1)各种类型的工控机(2)可编程逻辑控制器PLC(3)以通用微处理器或数字信号处理器构成的嵌入式系统(4)单片嵌

4、入式系统(5)FPGA嵌入式系统以单片机作为控制核心的单片嵌入式系统大部分应用于专业性极强的工业控制系统中。其主要特点是：结构和功能相对单一、存储容量较小、计算能力和效率比较低，简单的用户接口。由于这种嵌入式系统功能专一可靠、价格便宜，因此在工业控制、电子智能仪器设备等领域有着广泛的应用。作为单片嵌入式系统的核心控制部件单片机，它从体系结构到指令系统都是按照嵌入式系统的应用特点专门设计的，它能最好地满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行和优良的控制功能要求。因此，单片嵌入式应用是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统，也有着广泛的应用前景。由于单片机具有嵌入式系统应用的专用体系结构

5、和指令系统，因此在其基本体系结构上，可衍生出能满足各种不同应用系统要求的系统和产品。用户可根据应用系统的各种不同要求和功能，选择最佳型号的单片机。三、三、三、三、单片机嵌入式系统的结构单片机嵌入式系统的结构单片机嵌入式系统的结构单片机嵌入式系统的结构仅由一片单片机芯片是不能构成一个应用系统的。系统的核心控制芯片，往往还需要与一些外围芯片、器件和控制电路机构有机的连接在一起，才构成了一个实际的单片机系统，进而再嵌入到应用对象的环境体系中，作为其中的核心智能化控制单元而构成典型的单片嵌入式应用系统。单片嵌入式系统的结构通常包括三大部分：既能实现嵌入式对象各种应用要求的单片机、全部系统的硬件电路和应

6、用软件。1单片机：单片机是单片嵌入式系统的核心控制芯片，由它实现对控制对象的测控、系统运行管理控制和数据运算处理等功能。2系统硬件电路：根据系统采用单片机的特性以及嵌入对象要实现的功能要求而配备的外围芯片、器件所构成的全部硬件电路。通常包括以下几部分：（1）基本系统电路。提供和满足单片机系统运行所需要的时钟电路、复位电路、系统供电电路、驱动电路、扩展的存储器等。（2）前向通道接口电路。这是应用系统面向对象的输入接口，通常是各种物理量的测量传感器、变换器输入通道。根据现实世界物理量转换成电量输出信号的类型，如模拟电压电流、开关信号、数字脉冲信号等的不同，接口电路也不同。常见的有传感器、信号调理器

7、、模/数转换器ADC、开关输入、频率测量接口等。（3）后向通道接口电路。这是应用系统面向对象的输出控制电路接口。根据应用对象伺服和控制要求，通常有数/模转换器DAC、开关量输出、功率驱动接口、PWM输出控制等。（4）人机交互通道接口电路。人机交互通道接口是满足应用系统人机交互需要的电路，有键盘、拨动开关、LED发光二极管、数码管、LCD液晶显示器、打印机等多种输入输出接口电路。（5）数据通信接口电路。数据通信接口电路是满足远程数据通信或构成多机网络应用系统的接口。通常有RS232、PSI、I2C、CAN总线、USB总线等通信接口电路。3系统的应用软件：系统应用软件的核心就是下载到单片机中的系统

8、运行程序。整个嵌入式系统全部硬件的相互协调工作、智能管理和控制都由系统运行程序决定。它可认为是单片嵌入式系统核心的核心。一个系统应用软件设计的好坏，往往也决定了整个系统性能的好坏。系统软件是根据系统功能要求设计的，一个嵌入式系统的运行程序实际上就是该系统的监控与管理程序。对于小型系统的应用程序，一般采用汇编语言编写。而对于中型和大型系统的应用程序，往往采用高级程序设计语言如 C语言、Basic语言来编写。四、四、四、四、单片机嵌入式系统应用领域单片机嵌入式系统应用领域单片机嵌入式系统应用领域单片机嵌入式系统应用领域以单片机为核心构成的单片嵌入式系统已成为现代电子系统中最重要的组成部分。在现代的

9、数字化世界中，单片嵌入式系统已经大量地渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通信与数据传输，工业自动化过程的时实控制和数据处理，生产流水线上的机器人，医院里先进的医疗器械和仪器，广泛使用的各种智能IC卡，小朋友的程控玩具和电子宠物都是典型的单片嵌入式系统应用。由于单片机芯片的微小体积，极低的成本和面向控制的设计，使的它作为智能控制的核心器件被广泛地用于嵌入到工业控制、智能仪器仪表、家用电器、电子通信产品等各个领域中的电子设备和电子产品中，主要的应用领域有以下几个方面。家用电器。俗程带“电脑”的家用电器，如电冰箱、空调、

10、微波炉、电饭锅、电视机、洗衣机等。传统的家用电器中嵌入了单片机系统后使产品性能特点都得到很大的改善，实现了运行智能化、温度的自动控制和调节、节约电能等。机电一体化产品。单片机嵌入式系统与传统的机械产品相结合，使传统的机械产品结构简化，控制智能化，构成新一代的机电一体化产品。这些产品已在纺织、机械、化工、食品等工业生产中发挥出巨大的作用。仪表仪器。用单片机嵌入式系统改造原有的测量、控制仪表和仪器，能促使仪表仪器向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。由单片机系统构成的智能仪器仪表可以集测量、处理、控制功能与一体，赋予传统的仪器仪表以崭新的面貌。测控系统。用单片机嵌入式系统可以构成各种工业

11、控制系统、适应控制系统、数据采集系统等。例如，温室人工气候控制、汽车数据采集与自动控制系统。五、五、五、五、AVRAVRAVRAVR单片机的主要特点及与单片机的主要特点及与单片机的主要特点及与单片机的主要特点及与51515151的比较的比较的比较的比较1、ATMEL公司单片机产品ATMEL公司是世界上著名的生产高性能、低功耗、非易失性存储器和各种数字模拟IC芯片的半导体制造公司。在单片微控制器方面，ATMEL公司有基于8051内核、基于AVR内核和基于ARM内核的三大系列单片机产品。ATMEL公司把8051内核与其擅长的Flash存储器技术相结合，是国际上最早推出片内集成可重复擦写1000次以

12、上Flash程序存储器、采用低功耗CMOS工艺的8051兼容单片机的生产商之一。市场上家喻户晓的AT89C51、AT89C52、AT89C1051、AT89C2051就是ATMEL公司生产的基于8051内核系列单片机中的典型产品（现在已升级换代为AT89Sxx系列，采用ISP在线编程技术）。该系列单片机一直在我国的单片机市场上占有相当大的份额。2、AVR单片机（1）CISC与RISC8051结构的单片机采用复杂指令系统CISC(Complex Instruction Set Computer)体系。由于CISC结构存在指令系统不等长，指令数多，CPU利用效率低，执行速度慢等缺陷，已不能满足和适

13、应设计中高档电子产品和嵌入式系统应用的需要。ATMEL公司发挥其Flash存储器技术的特长，于1997年研发和推出了全新配置采用精简指令集RISC(Reduced Instruction Set CPU)结构的新型单片机，简称AVR单片机。精简指令集 RISC结构是20世纪90年代开发出来的一种综合了半导体集成技术和提高软件性能的新结构，是为了提高CPU运行的速度而设计的芯片体系。它的关键技术在于采用流水线操作(Pipelining)，和等长指令体系结构，使一条指令可以在一个单独操作中完成，从而实现在一个时钟周期里完成一条或多条指令。同时RISC体系还采用了通用快速寄存器组的结构，大量使用寄存

14、器之间的操作，简化了CPU中处理器、控制器和其它功能单元的设计。因此，RISC的特点就是通过简化CPU的指令功能，使指令的平均执行时间减少，从而提高CPU的性能和速度。在使用相同的晶片技术和相同的运行时钟下，RISC系统的运行速度是CISC的24倍。正由于RISC体系所具有的优势，使得它在高端系统得到了广泛的应用。例如，ARM以及大多数32位的处理器都采用RISC体系结构。（2）流水线技术AVR采用流水线技术，在前一条指令执行的时候，就取出现行的指令，然后以一个周期执行指令。大大提高了CPU的运行速度。而在其它的CISC以及类似的RISC结构的单片机中，外部振荡器的时钟被分频降低到传统的内部指

15、令执行周期，这种分频最大达12倍（8051）。（3）快速存取寄存器组传统的基于累加器的结构单片机（如8051），需要大量的程序代码来完成和实现在累加器和存储器之间的数据传送。而在AVR单片机中，由于采用32个通用工作寄存器构成快速存取寄存器组，用32个通用工作寄存器代替了累加器，从而避免了在传统结构中累加器和存储器之间数据传送造成的瓶颈现象，进一步提高了指令的运行效率和速度。（4）程序存储器与编程AVR单片机采用低功率、非挥发的CMOS工艺制造，内部分别集成Flash、EEPROM和SRAM三种不同性能和用途的存储器。除了可以通过使用一般的编程器（并行高压方式）对AVR单片机的Flash程序存

16、储器和EEPROM数据存储器进行编程外，大多数的AVR单片机还具有ISP在线编程的特点以及IAP在应用编程的特点。这些优点为使用AVR单片机开发设计和生产产品提供了及大的方便。在产品的设计生产中，可以“先装配后编程”，从而缩短了研发周期、工艺流程，并且还可以节约购买开发仿真编程器的费用。同样，对于学习和使用AVR单片机的用户来说，也不必购买昂贵的开发仿真硬件设备，只需要具备一套好的AVR开发软件平台，就可以从事AVR单片机系统的学习、设计和开发工作了。3、AVR单片机的主要特点AVR单片机吸取了PIC及8051等单片机的优点，同时在内部结构上还作了一些重大改进，其主要的优点如下：程序存储器为价

17、格低廉、可擦写1万次以上、指令长度单元为16位(字)的FlashROM（即程序存储器宽度为16位，按8位字节计算时应乘2）。而数据存贮器为8位。因此AVR还是属于8位单片机。采用CMOS技术和RISC架构，实现高速(50ns)、低功耗(A)、具有SLEEP(休眠)功能。AVR的一条指令执行速度可达50ns(20MHz)，而耗电则在1uA2.5mA间。AVR采用Harvard结构，以及一级流水线的预取指令功能，即对程序的读取和数据的操作使用不同的数据总线，因此，当执行某一指令时，下一指令被预先从程序存储器中取出，这使得指令可以在每一个时钟周期内被执行。（1）高度保密。可多次烧写的Flash且具有

18、多重密码保护锁定(LOCK)功能，因此可低价快速完成产品商品化，且可多次更改程序(产品升级)，方便了系统调试，而且不必浪费IC或电路板，大大提高了产品质量及竞争力。（2）工业级产品。具有大电流1020mA(输出电流)或40mA(吸电流)的特点，可直接驱动LED、SSR或继电器。有看门狗定时器(WDT)安全保护，可防止程序走飞，提高产品的抗干扰能力。（3）超功能精简指令。具有32个通用工作寄存器(相当于8051中的32个累加器)，克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象。片内含有128-4K字节SRAM，可灵活使用指令运算，适合使用功能很强的C语言编程，易学、易写、易移植。（4）程序写入器件时，可

19、以使用并行方式写入(用编程器写入)，也可使用串行在线下载(ISP)、在应用下载（IAP）方法下载写入。也就是说不必将单片机芯片从系统板上拆下拿到万用编程器上烧录，而可直接在电路板上进行程序的修改、烧录等操作，方便产品升级，尤其是对于使用SMD表贴封装器件，更利于产品微型化。（5）通用数字I/O口的输入输出特性与PIC的HI/LOW输出及三态高阻抗HI-Z输入类同，同时可设定类同与8051结构内部有上拉电阻的输入端功能，便于作为各种应用特性所需(多功能I/O口)，AVR的I/O口是真正的I/O口，能正确反映I/O口的输入/输出的真实情况。（6）单片机内集成有模拟比较器，可组成廉价的A/D转换器。

20、（7）像8051一样，有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断，而不是像PIC一样所有中断都在同一向量地址，需要以程序判别后才可响应，这会浪费且失去控制时机的最隹机会。（8）同PIC一样，带有可设置的启动复位延时计数器。AVR单片机内部有电源上电启动计数器，当系统RESET复位上电后，利用内部的RC看门狗定时器，可延迟MCU正式开始读取指令执行程序的时间。这种延时启动的特性，可使MCU在系统电源、外部电路达到稳定后再正式开始执行程序，提高了系统工作的可靠性，同时也可节省外加的复位延时电路。（9）具有多种不同方式的休眠省电功能和低功耗的工作方式。（10）许多AVR单片机具有内部的RC振荡器，提

21、供1/2/4/8MHz的工作时钟，使该类单片机无需外加时钟电路元器件即可工作，非常简单和方便。（11）有多个带预分频器的8位和16位功能强大的计数器/定时器（C/T），除了实现普通的定时和计数功能外，还具有输入捕获、产生PWM输出等更多的功能。（12）性能优良的串行同/异步通讯USART口，不占用定时器。可实现高速同/异步通信。（13）Mega8515及Mega128等芯片具有可并行扩展的外部接口，扩展能力达64KB。（14）工作电压范围宽2.7V6.0V，具有系统电源低电压检测功能，电源抗干扰性能强。（15）有多通道的10位A/D及实时时钟RTC。许多AVR芯片内部集成了8路10位A/D接口

22、，如：mega8、mega16、mega8535等。（16）AVR单片机还在片内集成了可擦写10万次的EEPROM数据存储器，等于又增加了一个芯片，可用于保存系统的设定参数、固定表格和掉电后的数据的保存。即方便了使用，减小了系统的空间，又大大提高了系统的保密性。4、AVR系列单片机简介ATMEL公司的AVR单片机有三个系列的产品。为满足不同的需求和应用，ATMEL公司对AVR单片机的内部资源进行了相应的扩展和删减，推出了tinyAVR、low power AVR和megaAVR，分别对应低、中、高三个不同档次数十种型号的产品(表1.1)。表1.1 AVR单片机分类表8位AVR单片机RISC结构

23、存储器配备（Bytes）系列封装FlashSRAME2PROMtinyAVR8-32 pin1-2K可达 128可达 128low power AVR8-44 pin1-8K可达 1K可达 512megaAVR28-100 pin8-128K可达 4K可达 4K三个系列的所有型号的AVR单片机，其内核都是相同的，指令系统兼容。只是在内部资源的配备（存储器容量的大小等）、以及片内集成的外围接口的数量和功能上有所不同。这些不同型号AVR单片机的封装形式也不一样，引脚数从8到100脚，价格从几元到几十元，可以满足不同场合、不同应用的需求，用户可以根据需要选择。表1.2至1.4为AVR三个系列单片机的

24、选型表。目前tinyAVR和mega系列的单片机已成为了AVR的主流。tinyAVR系列的AVR内部的资源相对少一些，引脚也少。适合应用在家用电器、简单的控制方面的应用，如：空调、冰箱、微波炉、烟雾报警器等(见表1.2)。mega系列单片机的性能不仅优越，同时也有非常好的性能价格比。引脚数最少(28个引脚)的ATmega8，目前在我国国内市场上的价格不超过10元人民币，却有1K的SRAM、8K的Flash、512个字节的E2PROM，2个8位和1个16位共3个超强功能的定时器/计数器，以及USART、SPI、8路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI（I2C）、片内高精度RC振荡

25、器等多种功能的接口和特性(表1.3)。ATmega2560是目前AVR中配置最全、功能最强的一款。它的引脚数最多(100个引脚)，在片内集成了8K字节的SRAM、256K字节的Flash、4K字节的EEPROM，支持64K空间的外部并行扩展，2个8位和4个16位共6个超强功能的定时器/计数器，以及4路USART、SPI、多路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI（I2C）、片内高精度RC振荡器等多种功能的接口和特性，适合高档电子产品的应用（表1.4）。在AVR系列单片机中，ATmega16是一款中档功能的AVR芯片，它的引脚数为40(44 TQFP)，在片内集成了1K字节的SRA

26、M、16K字节的Flash、512个字节的EEPROM，2个8位、1个16位共3个超强功能的定时器/计数器，以及USART、SPI、多路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI（I2C）、片内高精度RC振荡器等多种功能的接口和特性，较全面的体现了AVR的特点，不仅适合对AVR了解和使用的入门起步学习，同时也满足一般的普通应用，在产品中得到了大量的使用。1.2 tinyAVR系列单片机(部分)ATtiny11ATtiny12ATtiny13ATtiny15LATtiny24ATtiny26ATtiny28LATtiny85ATtiny2313Flash(KB)111122282E2P

27、ROM(B)-646464128128-512128快速寄存器323232323232323232SRAM(B)00001281280512128I/O Pins6666121611618中断数目459817115158外部中断口1161（+5）1212（+8）72SPI-USIUSI-USIUSIUSART-1TWI-USI-USI-硬件乘法器-8位定时器11121212116位定时器-1-1PWM通道-2142-44模拟比较器YYYYYYYYY10位A/D通道-44811-4-掉电检测BOD-YYYYY-YYWatchdogYYYYYYYYY片内系统时钟YYYYYYYYY在线编程ISP-Y

28、YYYY-YY自编程SPM-Y-YdebugWIRE-Y-YVcc(V)最低最高2.75.51.85.51.85.52.75.51.85.52.75.52.75.51.85.51.85.5系统时钟(M)0-60-80-201.60-200-80-40-10-20封装形式PDIP8SOIC8PDIP8SOIC8PDIP8SOIC8PDIP8SOIC8PDIP14SOIC14MLF20PDIP20SOIC20MLF32PDIP28TQFP32MLF32PDIP8SOIC8MLF20PDIP20SOIC20MLF32表 1.3 megaAVR系列单片机(低配置部分)ATmega8ATmega48AT

29、mega88ATmega168Flash(KB)84816E2PROM(B)512256512512快速寄存器32323232SRAM(B)1K5121K1KMax I/O Pins23232323中断数目18262626外部中断口2262626SPI11+USART1+USART1+USARTUART1111TWI1111硬件乘法器YYYY8位定时器222216位定时器1111PWM通道3333实时时钟RTCYYYY10位A/D通道8888模拟比较器YYYY掉电检测BODYYYYWatchdogYYYY片内系统时钟YYYYdebugWIRE-YYY在线编程ISPYYYY自编程SPMYYYYV

30、cc(v)(最低)(最高)2.75.51.85.51.85.51.85.5系统时钟(MHz)0-160-200-200-20封装形式PDIP28MLF32TQFP32PDIP28MLF32TQFP32PDIP28MLF32TQFP32PDIP28MLF32TQFP32表 1.4 megaAVR系列单片机(中高部分)ATmega8515ATmega8535ATmega16ATmega32ATmega64ATmega162ATmega165ATmega169ATmega128ATmega2560LFlash(KB)88163264161616128256E2PROM(B)5125125121K2K

31、5125125124K4K快速寄存器32323232323232323232SRAM(B)5125121K2K4K1K1K1K4K8KI/O Pins35323232533554545386中断数目16202019342823233457外部中断口3323831717832SPI1111111+USI1+USI11+USARTSUART1111221124TWI-YYYY-YYYY硬件乘法器YYYYYYYYYY8位定时器122222222216位定时器1111221124PWM通道34348444816实时时钟RTCYYYYYYYY10位A/D通道-8888-88816模拟比较器-YYYYYY

32、YYY掉电检测BODYYYYYYYYYYWacthdogYYYYYYYYYY片内系统时钟YYYYYYYYYYJTAG接口-YYYYYYYY在线编程ISPYYYYYYYYYY自编程SPMYYYYYYYYYYVcc(v)(最低)(最高)2.75.52.75.52.75.52.75.52.75.52.75.52.75.52.75.52.75.51.85.5系统时钟(MHz)0-160-160-160-160-160-160-160-160-160-16封装形式TQFP44PDIP40MLF44PLCC44TQFP44PDIP40MLF44PLCC44PDIP40MLF44TQFP44PDIP40ML

33、F44TQFP44PDIP40MLF44TQFP44TQFP64MLF64TQFP1005、AVR与51单片机在单片机发展的历程中，51单片机做出了非常重要的贡献。今天的所谓的51单片机实际上是一个总概念，泛指所有的采用了Inter公司的MCS-51内核结构，或称为与MCS-51兼容的那些单片机。典型的代表为Inter公司生产的8051系列单片机。目前国际上仍有许多半导体公司和生产厂以MCS-51为内核，推出了经过改进和扩展的，满足各种嵌入式应用的多种类型和型号的51兼容单片机。所以51单片机还是在单片嵌入式系统的应用中占有着非常主要的地位。从应用和市场的角度看，51单片机仍旧能够满足许多应用

34、系统的需求，并且有着价格最低廉、最多的参考资料和例程等许多优点。除此之外，现在许多半导体公司和生产厂也不断的在继续推出多种类型和型号的，以MCS-51为内核、经过比较大的改进和扩展的51兼容SOC单片机，其性能比标准的8051单片机要高的多，能够满足许多更高需求应用。但是由于MCS-51本身的内核结构的局限性，51单片机，尤其是标准51架构的单片机，在性能、技术和硬软件设计理念等多方面已经落后了。尤其是标准51架构的单片机，从技术角度看，已经跟不上单片机流行和发展的趋势了。随着单片机系统技术的发展，目前市场上出现了许多新型的8位芯片。其中ATMEL公司的AVR发展尤为引人注目。AVR采用了RISC结构，其在速度、内存容量、外围接口的集成化程度、以及向串行扩展，更适合使用高级语言编程的等众多的特性，以及其所使用的开发技术和防真调试技术等方面，都充分体现出和代表了当前单片嵌入式系统发展的趋势。也正是由于这些显著特点，和具有极高的性价比，使得AVR得到广泛的应用，在短时间内成为市场上的主流芯片之一。