单片机接口及技术

1、1教材与参考书教材与参考书l单片机原理、接口及应用单片机原理、接口及应用嵌入式系统技术基础嵌入式系统技术基础，李，李群芳、肖看，清华大学出版社群芳、肖看，清华大学出版社l单片机及嵌入式系统单片机及嵌入式系统，李伯成，清华大学出版社，李伯成，清华大学出版社l单片机的单片机的C语言应用程序设计（第语言应用程序设计（第3版）版），马忠梅等，北，马忠梅等，北京航空航天大学出版社。京航空航天大学出版社。lKeil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与单片机高级语言编程与Vision2应用实践应用实践，徐爱钧、彭秀华，电子工业出版社。，徐爱钧、彭秀华，电子工业出版社。l Proteus在在MCS-51&

2、ARM7系统中的应用百例系统中的应用百例，周润景，周润景, 袁伟亭袁伟亭, 景晓松编著，电子工业出版社景晓松编著，电子工业出版社2本课程的主要内容本课程的主要内容单片机原理与接口技术单片机原理与接口技术l51系列单片机的基本结构及工作原理系列单片机的基本结构及工作原理l单片机的汇编语言、单片机的汇编语言、C51程序设计程序设计l单片机应用系统的设计（接口技术）单片机应用系统的设计（接口技术）相关课程相关课程l单片机与接口技术实验单片机与接口技术实验基础实验、综合实验基础实验、综合实验单独计算成绩单独计算成绩3绪绪 论论4微型计算机微型计算机 主机主机 音箱音箱 显示器显示器 键盘键盘 鼠标鼠标

3、从外部看到的微机系统从外部看到的微机系统 5微型计算机的基本部件微型计算机的基本部件CPU随机存随机存储器储器RAMI/O接口接口输出设备输出设备输入设备输入设备DMA微处理器微处理器地址总线地址总线AB只读存只读存储器储器ROM数据总线数据总线DB控制总线控制总线CB微处理器、存储器、微处理器、存储器、I/O接口及总线接口及总线6设想一下：设想一下：如果如果将将“微处理器、存储器、微处理器、存储器、I/O接口及总线接口及总线”集集成在一块芯片上成在一块芯片上，那将是什么？那将是什么？单片机单片机7单片机（单片机（MCU）l单片微型计算机，将计算机的基本部件微型化，使之集单片微型计算机，将计算

4、机的基本部件微型化，使之集成在一块芯片上的微机，片内含有成在一块芯片上的微机，片内含有CPU, ROM, RAM, 并行并行I/O,串行串行I/O,定时器定时器/计数器，中断控制，系统时钟计数器，中断控制，系统时钟及系统总线等。及系统总线等。单片机是嵌入式系统的重要成员！单片机是嵌入式系统的重要成员！8嵌入式应用嵌入式应用信息家电信息家电智能玩具智能玩具军事电子军事电子通信设备通信设备移动存贮移动存贮工控设备工控设备智能仪表智能仪表汽车电子汽车电子网络设备网络设备消费电子消费电子军事国防军事国防电子商务电子商务网络网络工业控制工业控制嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域9嵌入式系统？嵌入式

5、系统？10IEEE定义定义 根据根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置和设备的装置”（原文为（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。）。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。，还可以涵盖机

6、电等附属装置。 11一般定义一般定义 “以以应用应用为中心、以计算机技术为基为中心、以计算机技术为基础、础、软件硬件可裁剪软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求本、体积、功耗严格要求的的专用专用计算机系计算机系统。统。”12l嵌入式系统是以嵌入式系统是以嵌入式应用嵌入式应用为目的的计算机系为目的的计算机系统。可分为系统级、板级、片级统。可分为系统级、板级、片级l系统级：各种类型的工控器、系统级：各种类型的工控器、PC104PC104模块模块l板级：各种类型的带板级：各种类型的带CPUCPU的主板及的主板及OEMOEM产品产品l片级：各种以单片机、片级：各种以单片

7、机、DSPDSP、微处理器为核心、微处理器为核心的产品的产品微机学会的定义微机学会的定义13嵌入式系统的架构嵌入式系统的架构处理器处理器存储器存储器输入输入输出输出操作系统操作系统应用程序应用程序软件软件结构结构硬件硬件结构结构14嵌入式微处理器嵌入式微处理器全世界只有全世界只有4%的计算机处理芯片用于计算机中的计算机处理芯片用于计算机中Source: Embedded Systems Programming, May 1999Average car has about 15 microprocessors. Mercedes S-class: 63 microprocessors !32-b

8、it嵌入式微处理器16-bit8-bit4-bit250 million1 billion1 billion1 billion125 million PCsIntel, AMDMotorola,ARM,MIPS,i960,x86,其中只有其中只有4%4%的的微处理器微处理器15嵌入式微处理器分类嵌入式微处理器分类16（1）嵌入式微控制器）嵌入式微控制器l嵌入式微控制器的典型代表是单片机嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这种位的电子，这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。l单片机芯片内部集成单片机芯片内部集成ROM/EPROMRO

9、M/EPROM、RAMRAM、总线、总线逻辑、总线、总线逻辑、定时、定时/ /计数器、看门狗、计数器、看门狗、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、Flash RAMFlash RAM、EEPROMEEPROM等各种必要功能和外设等各种必要功能和外设。17l微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。而使功耗和成本下降、可靠性提高。l微控制器是目前嵌入式系统工业的主流微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此的片上外

10、设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。称为微控制器。18（2）嵌入式）嵌入式DSP处理器处理器lDSPDSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFTFFT、谱、谱分析等各种仪器上分析等各种仪器上DSPDSP获得了大规模的应用。获得了大规模的应用。lDSPDSP的理论算法在的理论算法在7070年代就已经出现，但是由于专门的年代就已经出现，但是由于专门的DSPDSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过处理器还未出现，所以这种理论算法只

11、能通过MPUMPU等由分立等由分立元件实现。元件实现。 19821982年世界上诞生了首枚年世界上诞生了首枚DSPDSP芯片。在语音合芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。成和编码解码器中得到了广泛应用。 DSPDSP的运算速度进一的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。面。l 目前最为广泛应用的嵌入式目前最为广泛应用的嵌入式DSPDSP处理器是处理器是TITI的的TMS320C2000/C5000/C6000TMS320C2000/C5000/C6000系列，另外如系列，另外如IntelIntel的的MCS

12、-296MCS-296和和SiemensSiemens的的TriCoreTriCore也有各自的应用范围。也有各自的应用范围。19lMPUMPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPUCPU演变而来的演变而来的。l与计算机处理器不同，在实际嵌入式应用中，与计算机处理器不同，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。（3 3）嵌入式微处理器（）嵌入式微处理器（Micr

13、o Processor Unit)Micro Processor Unit)20l和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有处理器类型有Am186/88Am186/88、386EX386EX、SC-400SC-400、Power PCPower PC、6800068000、MIPSMIPS、ARM/StrongARMARM/StrongARM系列等系列等21lSoC SoC 就是就是System on Chip System on C

14、hip ，SoCSoC嵌入式系统微处理器就嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。是一种电路系统。l它它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是，像是ARM RISCARM RISC、MIPS RISCMIPS RISC、DSPDSP或是其他的微处理器核心，或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，如通用串行端口（加上通信的接口单元，如通用串行端口（USBUSB）、）、TCP/IPTCP/IP通信单元、通信单元、GPRSGPRS通信接口、通信接口、GSMGSM通信接口、通信接口、IEEE1394IEEE1394、蓝、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是

15、依照各单元的功能牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。做成一个个独立的处理芯片。lSoCSoC是追求产品系统最大包容的集成器件，是追求产品系统最大包容的集成器件，SOCSOC最大的特最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。入操作系统的代码模块。（4）嵌入式片上系统）嵌入式片上系统(System On Chip) 22l运用运用VHDLVHDL等硬件描述语言不需要再像传统的系统设计一样，等硬件描述语言不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，绘制庞

16、大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产生产。 l由于由于SOCSOC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，如往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，如 PhilipsPhilips的的Smart XASmart XA。SiemensSiemens的的TriCoreTriCore，MotorolaMotorola的的M-M-CoreCore，某些，某些ARMARM系

17、列器件，系列器件，EchelonEchelon和和MotorolaMotorola联合研制的联合研制的NeuronNeuron芯片等。芯片等。lSOCSOC芯片在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域芯片在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。中发挥重要作用。23新的发展方向：新的发展方向：SOCSOCASIC CoreMemoryEmbedded ProcessorCoreAnalogFunctionsCommunicationSensorInterface24嵌入式系统的架构嵌入式系统的架构处理器处理器存储器存储器输入输入输出输出操作系统操作系统应用程序应用程序软件

18、软件结构结构硬件硬件结构结构25RTOS是是32位嵌入式位嵌入式CPU的软件基础的软件基础lRTOSRTOS内核内核 提供提供CPUCPU的管理的管理l硬件初时化，硬件初时化，MMUMMU，定时器，中断，定时器，中断lRTOSRTOS内核提供任务，内存管理内核提供任务，内存管理lRTOSRTOS提供设备管理，文件和网络的支持提供设备管理，文件和网络的支持lRTOSRTOS提供提供C/C+C/C+，JAVAJAVA，图形模块等编程接口，图形模块等编程接口26常见的嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统 实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种：种：商

19、用型和免费型商用型和免费型。l商用型的实操作系统功能稳定、可靠，有完善的技商用型的实操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。术支持和售后服务，但往往价格昂贵。l免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有主要有LinuxLinux和和C/OSC/OS，稳定性与服务性存在挑战。，稳定性与服务性存在挑战。27第第1 1章章 MCS-51MCS-51单片机基础单片机基础 单片机与嵌入式单片机与嵌入式：单片微机（单片微机（Single Chip Micro-computerSingle Chip Micro-computer

20、）微控制器（微控制器（Micro-Controller UnitMicro-Controller UnitMCUMCU）嵌入式微控制器（嵌入式微控制器（Embedded MicrocontrollerEmbedded Microcontroller） 单片机应用领域单片机应用领域：测控系统、智能仪表、智能接口、办公自动化、测控系统、智能仪表、智能接口、办公自动化、光机电一体化设备、通讯设备、网络设备、汽车光机电一体化设备、通讯设备、网络设备、汽车电子、消费类电子产品、智能楼宇设备电子、消费类电子产品、智能楼宇设备 单片机的多元化发展单片机的多元化发展：Intel Motorola Philip

21、s Atmel Siemens NS LG Intel Motorola Philips Atmel Siemens NS LG Winbond Microchip EPSON NEC Cypress Dallas Winbond Microchip EPSON NEC Cypress Dallas Oki Oki Fairchild Fujitsu Hitachi SAMSUNGFairchild Fujitsu Hitachi SAMSUNGSST SST 28组成组成： CPU(CPU(进行运算、控制进行运算、控制) RAM() RAM(数据存储器数据存储器) ) I/O I/O口口(

22、(串口、并口等串口、并口等) ROM() ROM(程序存储器程序存储器) ) PC PC机：机： 上述部件以芯片形式安装在主板上。上述部件以芯片形式安装在主板上。 单片机：上述部件被集成到单芯片中。单片机：上述部件被集成到单芯片中。通用通用PCPC包括：键盘、显示器、鼠标、硬包括：键盘、显示器、鼠标、硬/ /软软/ /光驱、光驱、音箱、打印机、扫描仪音箱、打印机、扫描仪等外设。等外设。单片机单片机则只是一片集成电路。（则只是一片集成电路。（100100、4848、4040、3232、2828、2020、1616、8 8条引脚）。条引脚）。单片机与计算机之异同单片机与计算机之异同（1 1）29功

23、能功能：PCPC机：机： 数据运算、采集、处理、存储、传输；数据运算、采集、处理、存储、传输；单片机：单片机：控制（或受控于）外设。控制（或受控于）外设。通用计算机擅长于数据运算、采集、处理、存储通用计算机擅长于数据运算、采集、处理、存储和传输；和传输；单片机的专长则是测控，往往嵌入某个仪器单片机的专长则是测控，往往嵌入某个仪器/ /设备设备/ /系统中，使其达到智能化的效果。系统中，使其达到智能化的效果。单片机与计算机之异同单片机与计算机之异同（2 2）30应用特点应用特点：个人计算机（微机）：个人计算机（微机）：体积大，功耗大，价格高，用途较固定，属通用计体积大，功耗大，价格高，用途较固定，属通用计算机。易于学习掌握和使用，但用于控制时必须制算机。易于学习掌握和使用，但用于控制时必须制作或购买专用的接口卡，并编制专门的应