专业导论单片机

1、专 业 导 论 -单片机与嵌入式系统 范 莉 莉学科体系结构数字电路基础模拟电路基础信号与系统计算机技术基础电路分析原理计算机接口技术数据库技术操作系统计算机网络光纤通信移动通信程控交换技术多媒体技术语音信号处理数字图象处理微机原理与应用高频电子线路通信原理数字信号处理信息论与编码微机技术的两大分支： 微控制器MCU： 把微型计算机的各个功能部件，如中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器及串行通信接口集成到一块芯片中，构成一个完整的微型计算机，称为单片微型计算机，简称单片机。MCU的发展是为了满足被控制对象的要求，向高可靠性、低功耗、低成本发展 ，

2、一般MCU的引脚数在60以下，MCU以8位机为主、32位机为辅。有趋势提高MCU的运算功能，将DSP集成到MCU中，比如32位的MC68356集成了Motorola的DSP56002。微处理器MPU： MPU的发展动力是人类对无止境的海量数值运算的需求，速度越来越快 。DSP（Digital Signal Processor） ：是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的CPU还快1050倍，DSP是MCU的一种特殊变形 。单片机的发展历史第一阶段(19711974年)：1971年11月美国Intel公司首先设计成集成度为2000只晶体管片的4位微处理器In

3、tel4004，并目配有随机存取存储器RAM，只读存储器ROM和移位寄存器等芯片，构成第一台MCS-4微型计算机。1972年4月Intel公司又研制成了功能较强的8位微处理器-Intel8008，在此期间Fairchjld公司也研制成F8微处理器； 第二阶段(19741978年)：初级单片机阶段。以Intel公司的MCS-48为代表，这个系列的单片机内集成有8位CPU、并行IO、8位定时器计数器，寻址范围不大干4K，且无串行口；第三阶段(1978一l 983年)：高性能单片机阶段。在这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、76位定时器计数器。片内RAM、ROM容量加大，旦寻址范

4、围可达64K字节，有的片内还带有AD转换器接口。这类单片机有Intel公司的MCS-5l，Motorola公司的680I和zilog公司的z8等；第四阶段(1983年至今)：8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。此阶段主要特征是一方面发展16位单片机及专用单片机；另一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，以满足不同的用户需要。单片机的应用领域1、单片应用 （1）测控系统。用单片机可以构成各种工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等。 （2）智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。如温度、压力、流量、浓度显示、控制仪表等。通

5、过采用单片机软件编程技术，使长期以来测量仪表中的误差修正、线性化处理等难题迎刃而解。 （3）机电一体化产品。单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化，构成新一代的机、电一体化产品。例如，在电传打字机的设计中由于采用了单片机，取代了近干个机械部件；在数控机床的简易控制机中，采用单片机可提高可靠性及增强功能，降低控制机成木。 （4）智能接口：在计算机系统，特别是较大型的工业测、控系统中，如果用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机可并行工作，从而大大提高系统的运行速度。例如，在大型数据采集系统中，使用单片机对模数转换接口进行控制不仅可提高采集速度，还可对数据进行预处理如数字

6、滤波、线性化处理、误差修正等。2、多机应用 单片机的客机应用系统可分为功能集散系统、并行客机处理及局部网络系统。 （1）功能集散系统。多功能集版系统是为了满足工程系统多种外围功能要求而设置的多机系统。例如一个加工中心的计算机系统除完成机床加工运行控制外，还要控制对刀系统、坐标指示、刀库管理、状态监视、伺服驱动等机构。 （2）并行多机控制系统。并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速性问题，以便构成大型实时工程应用系统，典型的有快速并行数据采集、处理系统、实时图像处理系统等。（3）局部网络系统。目前单片机构成网络系统主要是分布式测、控系统，单片机主要用于系统中的通信控制，以及构成各种测、控系统

7、。DSP的发展历程分为三个阶段：第一阶段：70年代，有人提出了DSP的理论和算法基础。但那时的DSP仅仅停留在教科书上，即使是研制出来的DSP系统也是由分立元件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航天部门；第二阶段：1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比MPU快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP芯片的问世是个里程碑，它标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步； 第三阶段：90年代DSP发展最快，相继出现了第四代和第五代DSP器件。现在的DSP属于第五代产品，它与第四代相比，系统集成度

8、更高，将DSP芯核及外围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们日常消费领域；DSP的应用领域 数字蜂窝电话 数字蜂窝电话是DSP最为重要的应用领域 ：如GSM、CDMA等全数字蜂窝电话网； 调制解调技术（Modem） 如ADSLModem，其传输速率已高达6.3Mbps ；个人电脑（PC机） 可编程多媒体DSP是PC领域的主流产品 ，以XDSLModem为代表的高速通信技术与MPEG图像技术相结合，使得高品位的音频和视频形式的计算机数据有可能实现实时交换； 消费类电子产品 如数字音响设备，一种是JPEG标准的静态图像数据处理DSP

9、；另一种是用于动态图像数据处理的DSP。 DSP技术发展 系统级集成DSP是潮流 TI公司的TMS320C80代表当今DSP领域中的最高水平，它在一块芯片上集成了4个DSP、1个RISC处理器、1个传输控制器、2个视频控制器，这样的芯片通常称之为MVP（多媒体视频处理器），它可支持各种图像规格和各种算法，功能相当强。 可编程DSP是主导产品 可编程DSP给生产厂商提供了很大的灵活性。生产厂商可在同一个DSP平台上开发出各种不同型号的系列产品，以满足不同用户的需求。同时，可编程DSP也为广大用户提供了易于升级的良好途径。 追求更高的运算速度 目前一般的DSP运算速度为100MIPS，即每秒钟可运

10、算1亿条指令。按照CMOS的发展趋势，DSP的运算速度再提高100倍（达到1600GIPS）是完全有可能的。 定点DSP是主流 嵌入式系统 定义： 嵌入式系统一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。嵌入式系统的应用： 嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上PDA、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电 视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自

11、动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。嵌入式系统结构嵌入式硬件平台嵌入式操作系统嵌入式应用软件软件硬件 嵌入式系统的硬件部分： 包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用EPROM、EEPROM或闪存(Flash Memory)作为存储介质。 嵌入式软件部分： 操作系统软件：控制着应用程序编程与硬件的交互作用； 应用程序软件：嵌入式应用程序控制着系统的运作和行为；嵌入式处理器嵌入式微处理器一般具备4个特点：(1) 对实时和多任务

12、有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度；(2)具有功能很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断；(3) 可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器；(4) 嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为mW甚至W级。 嵌入式操作系统嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统(包括硬、软件系

13、统)极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等Browser。特点：具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 嵌入式操作系统的发展 第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段，是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能； 第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统； 第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段，是以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统；第四阶段是以基于Internet为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段；嵌入式操作系统的种类按照功能可以分为两类：1