第1章 单片机概述

1、自动化系自动化系单片机原理及应用单片机原理及应用2考试分数构成：n卷面：60%n实验：20%n平时：20%3n第第1章章 单片机概述单片机概述4u介绍单片机介绍单片机基基础知识、发展历史、应用领域及发展趋势础知识、发展历史、应用领域及发展趋势。u8 8位单片机的主流机型，较大市场份额的位单片机的主流机型，较大市场份额的MCS-51MCS-51系列单片系列单片机及其兼容的单片机（统称为机及其兼容的单片机（统称为5151系列单片机）系列单片机）u初步了解初步了解嵌入式处理器嵌入式处理器：单片机，数字信号处理器单片机，数字信号处理器（DSPDSP）、嵌入式微处理器）、嵌入式微处理器内容概要内容概要5

2、 51.1 1.1 什么是单片机什么是单片机一片半导体硅片集成一片半导体硅片集成：中央处理单元（中央处理单元（CPUCPU）、）、存储器（存储器（RAMRAM、ROMROM）、并行）、并行I/OI/O、串行、串行I/OI/O、定时器定时器/ /计数器、中断系统、系统时钟电路及系计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线统总线的微型计算机。的微型计算机。具有具有微型计算机微型计算机的属性的属性，被称为，被称为单片微型计算机，简称单片微型计算机，简称单片机单片机。6 6 单片机主要应用于单片机主要应用于测控领域测控领域。通常是。通常是处于处于测控系统的核心地位测控系统的核心地位并嵌入其中，所以国际上

3、并嵌入其中，所以国际上通常把单片机称为通常把单片机称为嵌入式控制器嵌入式控制器EMCUEMCU（Embedded MicroController UnitEmbedded MicroController Unit），），或或微控微控制器制器MCUMCU（MicroController UnitMicroController Unit）。 我国习惯于使用我国习惯于使用“单片机单片机”这一名称。这一名称。 7 单片机是计算机技术发展史上的一个单片机是计算机技术发展史上的一个重要里程碑，标志着计算机正式形成重要里程碑，标志着计算机正式形成通通用计算机系统用计算机系统和和嵌入式嵌入式计算机系统计算机系

4、统两大两大分支。分支。通用计算机：通用计算机：完成海量数据的计算，提完成海量数据的计算，提高计算速度高计算速度嵌入式嵌入式：嵌入控制系统（设备）中，完嵌入控制系统（设备）中，完成逻辑处理和工业控制成逻辑处理和工业控制81.2 1.2 单片机的特点单片机的特点 单片机是单片机是集成电路技术集成电路技术与与微型计算机技术微型计算机技术高速发展的高速发展的产物。体积小、价格低、应用方便、稳定可靠，因此，产物。体积小、价格低、应用方便、稳定可靠，因此，给给工业自动化等领域带来了一场重大革命和技术进步工业自动化等领域带来了一场重大革命和技术进步。 由于由于体积小，很容易地嵌入到系统体积小，很容易地嵌入到

5、系统之中，以实现各之中，以实现各种方式的检测、计算或控制。种方式的检测、计算或控制。 由于单片机本身就是一个微型计算机，因此只要在单由于单片机本身就是一个微型计算机，因此只要在单片机的外部适当增加一些必要的外围扩展电路，就可以灵片机的外部适当增加一些必要的外围扩展电路，就可以灵活地构成各种应用系统，活地构成各种应用系统，如工业自动检测监视系统、数据如工业自动检测监视系统、数据采集系统、自动控制系统、智能仪器仪表等。采集系统、自动控制系统、智能仪器仪表等。891.3 1.3 单片机的发展历史单片机的发展历史大致分为大致分为4 4个阶段个阶段：第一阶段第一阶段（19741974年年19761976

6、年）：单片机年）：单片机初级阶段初级阶段。 1974 1974年年1212月，仙童公司推出了月，仙童公司推出了8 8位的位的F8F8单片机，实际上只包单片机，实际上只包括了括了8 8位位CPUCPU、64B RAM64B RAM和和2 2个并行口。个并行口。第二阶段第二阶段（19761976年年19781978年）：年）：低性能单片机阶段低性能单片机阶段。 1976 1976年年IntelIntel的的MCS-48MCS-48单片机（单片机（8 8位）极大地促进了单片位）极大地促进了单片机的变革和发展。机的变革和发展。910第三阶段第三阶段（19781978年年19831983年）：年）：高性

7、能单片机阶段高性能单片机阶段。 1980 1980年，年，IntelIntel公司公司在在MCS-48MCS-48系列系列基础上基础上推出推出MCS-51MCS-51系列系列，MortorolaMortorola推出推出68016801单片机单片机，使单片机的性能及应用跃上新的使单片机的性能及应用跃上新的台阶。台阶。 此后，此后，各公司推出的单片机普遍带有串行各公司推出的单片机普遍带有串行I/OI/O口、多级中口、多级中断系统、断系统、1616位定时器位定时器/ /计数器，片内计数器，片内ROMROM、RAMRAM容量加大，且寻容量加大，且寻址范围可达址范围可达64KB64KB，有的片内还带有

8、，有的片内还带有A/DA/D转换器。转换器。1011第四阶段第四阶段（19831983年现在）：年现在）：8 8位单片机巩固发展及位单片机巩固发展及1616位单位单片机、片机、3232位单片机位单片机推出阶段推出阶段。 20 20世纪世纪9090年代年代单片机制造业大发展时期，单片机制造业大发展时期，MortorolaMortorola、IntelIntel、ATMELATMEL、德州仪器（、德州仪器（TITI）、）、Microchip、NECNEC、飞利浦、飞利浦、ZilogZilog等公司开发一大批性能优越的单片机，极等公司开发一大批性能优越的单片机，极大推动单片机的应用。大推动单片机的应

9、用。 1616位典型产品位典型产品IntelIntel公司公司的的MCS-96MCS-96系列系列单片机。而单片机。而3232位单片机除了具有更高的集成度外，其数据处理速度比位单片机除了具有更高的集成度外，其数据处理速度比1616位单片机提高许多，性能比位单片机提高许多，性能比8 8位、位、1616位单片机更加优越。位单片机更加优越。11121.3.2 1.3.2 单片机的发展趋势单片机的发展趋势 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，外围电向大容量、高性能化，外围电路内装化等方面发展路内装化等方面发展。为满足不同用户的要求，各公司竞。为满足不同用户的要求，各公司竞相推出

10、能满足不同需要的产品。相推出能满足不同需要的产品。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位位单片机，数据处理能力要优于单片机，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位单片位单片机内部采用机内部采用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。12132 2存储器的发展存储器的发展（1 1）片内程序存储器普遍采用）片

11、内程序存储器普遍采用闪烁（闪烁（FlashFlash）存储器）存储器。可不。可不用外扩展程序存储器，简化系统结构。用外扩展程序存储器，简化系统结构。（2 2）加大存储容量加大存储容量。目前有的单片机片内程序存储器容量。目前有的单片机片内程序存储器容量可达可达128KB128KB甚至更多。甚至更多。3 3片内片内I/OI/O的改进的改进（1 1）增加并行口）增加并行口驱动能力驱动能力，以减少外部驱动芯片。有的单，以减少外部驱动芯片。有的单片机可以直接输出大电流和高电压，以便能直接驱动片机可以直接输出大电流和高电压，以便能直接驱动LEDLED和和VFDVFD（荧光显示器）。（荧光显示器）。（2 2

12、）有些单片机设置了一些）有些单片机设置了一些特殊的串行特殊的串行I/OI/O功能功能，为，为构成分构成分布式、网络化系统布式、网络化系统提供方便条件。提供方便条件。13144 4低功耗化低功耗化 CMOS CMOS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。消耗电流仅在等工作方式。消耗电流仅在A A或或nAnA量级，适于电池供电的量级，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。便携式、手持式的仪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

13、系统的单片化系统的单片化是目前发展是目前发展趋势之一。趋势之一。例如，例如，美国美国CygnalCygnal公司的公司的C8051F020 C8051F020 8 8位单片位单片机，片上集成有机，片上集成有8 8通道通道A/DA/D、两路、两路D/AD/A、两路电压比较器，、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内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和6464个通个通用用I/OI/O口、电源监测、看门狗、多种类型的串行接口（两口、电源监测、看门狗、多种类型的串行接口（两个个UARTUART、SPISPI）等。一片芯片就是一个）等。一片芯片就是一个“测控测控”系统。系统

14、。14151.4 1.4 单片机的应用单片机的应用领域领域1 1）工业检测与控制工业检测与控制 工业过程控制、智能控制、设备控制、数据采集和传输、工业过程控制、智能控制、设备控制、数据采集和传输、测试、测量、监控等。测试、测量、监控等。2 2）仪器仪表仪器仪表 单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减小体积而易于携带和使用，结构，减小体积而易于携带和使用，加速仪器仪表向数字加速仪器仪表向数字化、智能化、多功能化方向化、智能化、多功能化方向发展。发展。15163 3）消费类电子产品消费类电子产品 洗衣机、电冰箱、空调机、电风扇、

15、电视机、微波炉、加洗衣机、电冰箱、空调机、电风扇、电视机、微波炉、加湿机、消毒柜等。嵌入了单片机后，功能和性能大大提高，湿机、消毒柜等。嵌入了单片机后，功能和性能大大提高，并实现智能化、最优化控制。并实现智能化、最优化控制。4 4）通讯通讯 在调制解调器、各类手机、传真机、程控电话交换机、信在调制解调器、各类手机、传真机、程控电话交换机、信息网络及各种通讯设备中，单片机也已经得到广泛应用。息网络及各种通讯设备中，单片机也已经得到广泛应用。5 5）武器装备武器装备 在现代化的武器装备中，如飞机、军舰、坦克、导弹、鱼在现代化的武器装备中，如飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器装备、航天飞机导

16、航系统，都有单片机雷制导、智能武器装备、航天飞机导航系统，都有单片机嵌入其中。嵌入其中。16176 6）各种终端及计算机外部设备各种终端及计算机外部设备 计算机网络终端（如银行终端）以及计算机外部设备（如计算机网络终端（如银行终端）以及计算机外部设备（如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等）中都打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等）中都使用了单片机作为控制器。使用了单片机作为控制器。7 7）汽车电子设备汽车电子设备 已经广泛地应用在已经广泛地应用在各种汽车电子设备各种汽车电子设备中，中，如如汽车安全系统、汽车安全系统、汽车信息系统、智能自动驾驶系统、卫星汽车导航系统、汽车信息系

17、统、智能自动驾驶系统、卫星汽车导航系统、汽车紧急请求服务系统、汽车防撞监控系统、汽车自动诊汽车紧急请求服务系统、汽车防撞监控系统、汽车自动诊断系统等。断系统等。171.4.2 典型的单片机应用系统n以单片机为核心，以单片机为核心，配以一定的外围电配以一定的外围电路和软件，能实现路和软件，能实现某种功能的应用某种功能的应用系统。系统。n应用系统：应用系统：硬件硬件和软件和软件18根据用途来分类根据用途来分类 2嵌入式微处理器嵌入式微处理器MPU（Micro Processor Unit）1嵌入式微控制器嵌入式微控制器MCU（Micro Controller Unit）3嵌入式数字信号处理器嵌入式

18、数字信号处理器DSP（Digital Signal Processor）4嵌入式片上系统嵌入式片上系统SoC（System on Chip）1.5 1.5 各类嵌入式处理器简介各类嵌入式处理器简介随着集成电路技术及电子技术的飞速发展，各类随着集成电路技术及电子技术的飞速发展，各类嵌入式处理器为嵌入式处理器为核心核心的嵌入式系统的应用，实现数据处理、数据传输和控制功能的嵌入式系统的应用，实现数据处理、数据传输和控制功能。n嵌入式微控制器嵌入式微控制器MCU 嵌入式微控制器又称嵌入式微控制器又称，它是将整个计算机系统集，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内成到

19、一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成核为核心，芯片内部集成ROM/EPROMROM/EPROM、RAMRAM、总线、总线逻辑、总线、总线逻辑、定时定时/ /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、Flash RAMFlash RAM、EEPROMEEPROM等各种必要功能和外设。等各种必要功能和外设。微微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上微微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称外设资源一般比较丰富，适

20、合于控制，因此称。 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括表性的通用系列包括80518051、P51XAP51XA、MCS-251MCS-251、MCS-MCS-96/196/29696/196/296、C166/167C166/167、MC68HC05/11/12/16MC68HC05/11/12/16、6830068300、数目、数目众多众多ARMARM芯片等。目前芯片等。目前MCUMCU占嵌入式系统约占嵌入式系统约7070的市场份额。的市场份额。复位部件看门狗部件晶振部件I/O部件中断部件ROM部件SRAM部件定时器部件

21、CPU核n嵌入式微处理器嵌入式微处理器MPU 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPUCPU。在应用中，将微。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。 代表性产品为代表性产品为ARMARM系列系列，ARMARM是是Advanced RISC Machines Advanced RISC Machines 的的缩写，其中缩写，其中RISCRISC是精简指令集计算机的缩写。同时是精简指令集

22、计算机的缩写。同时ARMARM也是也是设计设计ARMARM处理器的美国公司的简称。处理器的美国公司的简称。ARMARM家族家族主要有主要有5 5个产品个产品系列：系列：ARM7ARM7、ARM9ARM9、ARM9EARM9E、ARM10ARM10和和SecurCoreSecurCore。22由于能由于能运行实时多任务操作系统运行实时多任务操作系统，所以能处理复杂的系统管，所以能处理复杂的系统管理任务和处理工作。因此，理任务和处理工作。因此，在移动计算平台、媒体手机、工在移动计算平台、媒体手机、工业控制和商业领域（例如，智能工控设备、业控制和商业领域（例如，智能工控设备、ATMATM机等）、电子

23、机等）、电子商务平台、信息家电（机顶盒、数字电视）商务平台、信息家电（机顶盒、数字电视）、军事军事等等。n嵌入式嵌入式DSP处理器处理器 DSPDSP（Digital Signal Processor)Digital Signal Processor)，非常擅长于非常擅长于高速实现各种数字信号处理运算（如数字滤波、高速实现各种数字信号处理运算（如数字滤波、FFTFFT、频谱分析频谱分析等）等）。由于硬件结构和指令。由于硬件结构和指令的的特殊设计，特殊设计，使其能够高速完成各种数字信号处理算法使其能够高速完成各种数字信号处理算法，正在大正在大量进入嵌入式领域。量进入嵌入式领域。 嵌入式嵌入式DS

24、PDSP处理器比较有代表性的产品是德州仪器处理器比较有代表性的产品是德州仪器（Texas InstrumentsTexas Instruments）的）的TMS320TMS320系列和系列和MotorolaMotorola的的DSP56000 DSP56000 系列。系列。24嵌入式片上系统嵌入式片上系统SOCSOCn片上系统片上系统System On Chip(SOC)System On Chip(SOC)，其其核心思想核心思想是把整个电子系是把整个电子系统全部集成在一个芯片中统全部集成在一个芯片中。根据系统的固件特性和功能要求根据系统的固件特性和功能要求，把各种通用处理器内核及各种外围功能

25、部件模块作为把各种通用处理器内核及各种外围功能部件模块作为SOCSOC设计设计公司的标准库公司的标准库，成为成为VLSIVLSI设计中设计中的的标准器件，标准器件，用用VHDLVHDL等语言等语言描述描述，存储在器件库中。，存储在器件库中。n用户只需定义整个应用系统，仿真通过后就可以用户只需定义整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图将设计图交交给给半导体器件厂商制作样品。半导体器件厂商制作样品。n避免大量避免大量PCBPCB板设计及板板设计及板级级的调试工作。的调试工作。24嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义 IEEE（美国电气和电子工程师协会）的定义是：嵌（美国电气和电子工程师协会）的定义是：

26、嵌入式系统是入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置运行的装置” 。从中可以看出嵌入式系统是软件和。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。 国内最常见、最通用的一个定义是：嵌入式系统是以应嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。严格要求的专用计算机系统。 n现实中的嵌入式系统马达控制

27、器车灯n嵌入式系统示例汽车控制系统尾灯控制系统后车门控制系统前车门控制系统座椅控制系统发动器控制系统所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统嵌入式系统组成嵌入式系统组成 嵌入式系统是专用计算机应用系统，它具有一般计算机嵌入式系统是专用计算机应用系统，它具有一般计算机组成的共性，也是由组成的共性，也是由硬件和软件硬件和软件组成的。组成的。 硬件硬件驱动操作系统用户程序 操作系统是计算机中最基本的程序。操作系统负责计算机系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动；操作系统提供用户接口，使用户获得良好的工作环境；操作系统为用户扩展新的系统功能提供软件平台。 n系统程序：即操作系统系统程序：

28、即操作系统使用嵌入式操作系统的优缺点使用嵌入式操作系统的优缺点优点：优点：在嵌入式操作系统环境下开发应用程序，可以使程序的设计和扩展变得容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。 缺点：缺点：需要占用嵌入式处理器的硬件资源和部分内存，另外还需支付操作系统内核费用嵌入式操作系统分类嵌入式操作系统分类实时操作系统，如C/OS-II、VxWorks、Nucleus、QNX、pSOS等 非实时操作系统非实时操作系统，如WinCE、Linux等。 ucLinuxucLinux（微控制器领域的（微控制器领域的linuxlinux）是一个完全符）是一个完全符合合GNU/GPLGNU/GPL公约的操作系统，公约

29、的操作系统，完全开放代码完全开放代码。 适用于没有虚拟内存或内存管理单元适用于没有虚拟内存或内存管理单元(MMU)(MMU)的处理器，的处理器，例如例如ARM7TDMIARM7TDMI。它通常用于具有很少内存或。它通常用于具有很少内存或FlashFlash的嵌的嵌入式系统。它保留了入式系统。它保留了LinuxLinux的大部分优点：的大部分优点：稳定、良好稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的的支持、以及标准丰富的APIAPI等等。 n常见的嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统嵌入式嵌入式Linuxn常见的嵌入

30、式操作系统常见的嵌入式操作系统是微软开发的一个开放的、可升级的是微软开发的一个开放的、可升级的3232位位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作，嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作，Win CEWin CE具有模块化、结构化和基于具有模块化、结构化和基于Win32Win32应用程序接口以应用程序接口以及与处理器无关等特点。及与处理器无关等特点。Win CEn常见的嵌入式操作系统常见的嵌入式操作系统 C/OS-IIC/OS-II是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪、是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统。其绝大部分源码是用占先式的实时多任务操

31、作系统。其绝大部分源码是用ANSI ANSI C C写的，使其可以方便的移植并支持大多数类型的处理器。写的，使其可以方便的移植并支持大多数类型的处理器。C/OS-II1、Proteus-设计硬件电路工具设计硬件电路工具课堂教学和实验中使用的工具软件课堂教学和实验中使用的工具软件ProteusProteus，可以对基于微控制器的设计连同所有的周，可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真，用户甚至可以实时采用诸如围电子器件一起仿真，用户甚至可以实时采用诸如LED/LCDLED/LCD、键盘、键盘、RS-232 RS-232 终端等动态外设模型来对终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。设计进行交互仿真。ProteusProteus支持的微处理芯片（支持的微处理芯片（Microprocessors IcsMicroprocessors Ics）包括）包括80518051系列、系列、AVRAVR系列、系列、PICPIC系列、系列、HC11HC11系列、系列、ARM7/LPC2000ARM7/LPC2