单片机原理及应用 第一章 绪论

1、单片机原理及应用北京化工大学信息科学与技术学院主讲教师：林伟国E-mail: ,cn课程内容硬件结构指令系统外部功能扩展编程技术应用基础第一章 绪论什么是嵌入式 系统国内外普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的发展虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来，但是 这个概念并不是新进才出现。从二十 世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了40年的发展。作为一个系统，往往是硬件和软件交替发展的，双

2、螺旋的支撑下逐渐趋于成熟和稳定的，嵌入式系统也不例外 。1）嵌入式系统的出现最初是基于单片机（70年代出现）的，此时的应用还只是执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念2）从80年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，“嵌入式系统”真正出现了。确切点说，这个时候的操作系统是一个实时核，这个实时核包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。 其中比较著名的有Ready System 公司的VRTX、Integrated System Incorporation (ISI)的PSOS和IMG的VxWor

3、ks、QNX公司的QNX 等。这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点：它们均采用占先式的调度，响应的时间很短，任务执行的时间可以确定；系统内核很小，具有可裁剪，可扩充和可移植性，可以移植到各种处理器上；较强的实时和可靠性，适合嵌入式应用。3）90年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时核逐渐发展为实时多任务操作系统（RTOS），并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。这时候更多的公司看到了嵌入式系统的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。除了上面的几家老牌公司以外，还出现了Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，Nucleux，以及国内的

4、Hopen，Delta Os等嵌入式操作系统。随着嵌入式技术的发展前景日益广阔，相信会有更多的嵌入式操作系统软件出现。常用的嵌入式系统(1) VxWorks VxWorks是Wind River System公司开发的具有工业领导地位的高性能实时操作系统内核，具有先进的网络功能。VxWorks的开放式结构和对工业标准的支持，使得开发人员易于设计高效的嵌入式系统，并可以以很小的工作量移植到其它不同的处理器上。其主要特点如下： 可裁剪微内核结构；高效的任务管理能力(多任务-具有256个优先级);具有内存共享技术。微秒级的中断处理能力。支持多种物理介质及标准和完整的TCP/IP网络协议。灵活的引导方

5、式(支持从ROM、U盘、本地盘、软盘、硬盘或网络中引导)。快速灵活的I/O系统管理能力。支持MS-DOS和RT-11等多种文件系统、支持本地盘、U盘、CD-ROM的使用。VxWorks是一个商用操作系统，用户需要购买licence。(2) QNX QNX是由QNX软件系统有限公司开发的一套实时操作系统，它是一个实时的、可扩展的操作系统，部分遵循了POSIX相关标准，可以提供一个很小的微核级及一些可选择的配合进程。其内核仅提供四种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理。其进程在独立的空间中运行，所有其它操作系统服务都实现为协作的用户进程，因此QNX内核非常小巧，大约几千字节，而且运行

6、速度极快。(3) Windows CE Microsoft Windows CE是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从PDA到专用的工业控制器用户的电子设备进行定制，操作系统的基本内核至少需要200KB。(4) uC/OS-II uC/OS-II系统源码开放，简单易学，提供了嵌入式系统的基本功能，其核心代码短小精悍，如果针对硬件进行优化，还可以获得更高的执行效率。当然，uC/OS-II相对于商用嵌入式系统来说还是过于简单，而且存在开发调试困难的问题。uC/OS-II的主要特点包括：公开源代码、可移植性很强(采用ANSI C编写)、可固化、

7、可裁剪、占先式、多任务、系统任务、中断管理、稳定性和可靠性都很强。(5) LinuxLinux是现在最为流行的一款开放源代码的操作系统。Linux从1991年问世到现在，短短10年的时间内已发展成为一个功能强大、设计完善的操作系统，伴随网络技术进步而发展起来的Linux OS已成为Microsoft公司的DOS和Windows 95/98的强劲对手。Linux系统不仅能够运行于PC平台，还在嵌入式系统方面大放光芒，在各种嵌入式Linux OS迅速发展的状况下，Linux OS逐渐形成了可与Windows CE等EOS进行抗衡的局面。目前正在开发的嵌入式系统中，49%的项目选择Linux作为嵌入

8、式操作系统。Linux现已成为嵌入式操作的理想选择。常用的嵌入式处理器嵌入式处理器种类繁多，有ARM,MIPS，PPC等多种架构1）POWERPC ： PowerPC 是一种精简指令集（RISC）架构的中央处理器（CPU），其基本的设计源自IBM的IBM PowerPC 601 微处理器POWER（Performance Optimized With Enhanced RISC；IBM Connect 电子报2007年8月号译为“增强RISC性能优化”）架构。二十世纪九十年代，IBM、Apple（和Motorola公司开发PowerPC芯片成功，并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。Po

9、werPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。2）MIPS：MIPS技术公司则是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商。在通用方面，MIPS R系列微处理器用于构建SGI的高性能工作站、服务器和超级计算机系统。在嵌入式方面，MIPS K系列微处理器是目前仅次于ARM的用得最多的处理器之一（1999年以前MIPS是世界上用得最多的处理器），其应用领域覆盖游戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑等各个方面。3） ARM (Advanced RISC Machines)应用最为广泛的嵌入式处理器ARM处理器概述ARM英文全称为Advanced RISC Machine，既可以认为是一

10、个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的统称，还可以认为是一种技术的名字。 ARM体系架构的版本就是它所使用的指令集的版本。ARM架构支持32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集，后者使得代码的存储空间大大减小。还提供了一些扩展功能，比如Java加速器、用以提高安全性能的TrustZone技术、智能能源管理（Intelligent Energy Manager）、SIMD和NEONTMD等技术。目前应用比较广泛的ARM系列处理器有ARM7,ARM9等。其三大特点：耗电少功能强，16/32位双指令集，众多合作伙伴应用最广泛嵌入式系统开发1.嵌入式交叉编译环境搭建和Qt编程采用宿主机目标机

11、开发模式宿主机：普通PC机，安装UBUNTU8.10目标机：ARM9开发板（1）搭建ARMLinux交叉编译环境是在LINUX系统下开 发ARM体系结构运行代码的前提使用crosstool编译arm-linux交叉编译工具链装载Qt库和触摸屏库（2）NFS网络文件系统用于在线调试程序，需要安装NFS服务，连上网线（3）Qt是一个C+的图形库图形界面友好 良好的跨平台性2.在ARM板上安装LINUX系统（1）移植Bootloader 系统上电开始执行，初始化硬件设备，准备好软件环境，最后调用系统内核，相当于WINDOWS启动时的BIOS (2) 移植linux内核 完成进程管理，设备驱动程序，中

12、断管理，内存管理，进程间通信，网络管理和系统启动等操作系统功能的实现 （3）烧写文件系统 目录结构遵循FHS（Filesystem Hierachy Standard）标准配置编译内核时需要配置USB驱动Linux系统对硬件设备的操作需要通过设备 驱动程序一、什么是单片机 利用大规模集成电路技术将计算机的主要部件，如：CPU、存储器、定时/计数器、I/O接口等，集成在一块芯片上，构成芯片级的微型计算机，称单片微型计算机。二、特点1) 功能全2) 体积小，成本低3) 可靠性高4) 面向实时控制适应温度范围宽：工业级：-40+85OC军事级：-65+125OC三、应用工业方面：电机控制、工业机器人

13、、过程控制仪器仪表：智能仪表民用方面：家用电器、掌上电脑、IC卡军事装置：导弹控制、智能武器装置通讯技术四、MCS-51系列单片微机生产厂家：Intel主要产品：8051、80C51、8751、8031、8052、8032等特点：八位单片微机，引脚及指令系统兼容支持厂商：ATmel，Philip,东芝，三星，华邦等五、当今世界著名单片机简介C8051F系列8位单片机SILICON LAB公司出品主要特点：高速8位CIP-51内核，最高可达100MHz集成多种模拟数字片内外设，如DAC、ADC、比较器、CAN控制器、USB控制器等代表型号：C8051F020 C8051F350等。五、当今世界著

14、名单片机简介AVR8bit系列8位单片机ATMEL公司出品主要特点：内置低温漂时钟电路，可配置熔丝位进行时钟设置。内置I2C、SPI总线、10位ADC新型号内置CAN控制器。代表型号：ATMEGA128 ATTINY13 AT90CAN128等。五、当今世界著名单片机简介MSP430系列16位超低功耗单片机Texas Instrument公司出品主要特点：超低功耗，可以用在多种对功耗要求苛刻的场合，内部集成ADC、DAC、SPI、I2C、DMA、比较器等片内外设。全系列工业级要求封装。代表型号：MSP430F149 MSP430F169 MSP430F5438等。五、当今世界著名单片机简介ds

15、PIC系列16位数字处理单片机Microchip公司出品主要特点：结合了DSP的强大数字处理、浮点运算能力和MCU的强大控制能力，组成了全新的DSC（数字处理控制器），适合于对运算和控制要求均很严格的应用场合。代表型号：dsPIC30F5013等。五、当今世界著名单片机简介LPC2xxx32位单片机NXP公司出品主要特点：ARM7TDMI内核，封装形式多样，有多种不同型号供高中低端应用选择，集成多种片内外设，可以跑较小的C-OS、Clinux 等操作系统，目前应用较为广泛。代表型号：LPC2103 LPC2148等。五、当今世界著名单片机简介STM32系列32位单片机ST公司出品主要特点：最新

16、ARMv7架构ARM Cortex-M3内核，集成12位ADC、DAC、多路UART、SPI、I2C、USB、CAN控制器等。性价比很高，全系列工业级要求封装。代表型号：STM32F103C8T6 STM32F103ZET6等。应用举例磁记忆检测原始电路 在原始电路基础上改进而成的第二版电路基于CPLD的多路并行采样电路第三版电路基于CPLD和单片机的磁记忆检测第三版电路（反面）基于ARM处理器的触摸屏磁记忆检测系统实物展示系统组成结构润滑油油品监测系统现场仪表润滑油油品监测系统监测系统基于MSP430F149单片机的数据采集通信模块系统应用GPS信号RTUGPS天线无线网络或有线网络监控主机RTUGPS天线首站输油/输气管道末站举一个例子学到的知识能做些什么系统组成 1）现场仪表 2）RTU（Remote Terminal Unit 现场终端 单元） 3）监控工业控制计算机 4）控制机构（阀门定位器）现场仪表（变送器） 现场仪表主要涉及：传感器、微处理器（微型计算机）和电子电路设计。在该应用例子中，主要完成信号的放大、采样、数据通信（RS-485通信）或信号