飞卡单片机与嵌入式系统实践PPT

2015年6月《单片机与嵌入式系统实践》第一章、单片机与嵌入式系统概述目录1.1单片机与嵌入式系统

1.1.1单片机的定义与特点

1.1.2嵌入式系统的定义与特点

1.1.3嵌入式技术的发展与应用

1.2嵌入式系统的开发

1.2.1嵌入式开发语言

1.2.2嵌入式操作系统

1.2.3嵌入式技术相关术语

1.3单片机中的数制与码制

1.3.1数制

1.3.2数制间的转换

1.3.3单片机中的码制11.1单片机与嵌入式系统1.1.1单片机的定义与特点单片机作为嵌入式硬件系统的核心之一，通常也会被成为微控制器(MCU，MicroControllerUnit)，它是把中央处理器(CPU，CentralProcessorUnit)、存储器、输入／输出接口、扩展功能模块等部分集成在一小块硅片上的集成电路(IC，IntegratedCircuit)。单片机片内含有CPU、ROM、RAM、中断控制、系统时钟、系统总线和各种外围模块，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机硬件系统集成到一个芯片上，它相当于一个微型的计算机系统。21.1单片机与嵌入式系统单片机片上外设资源一般比较丰富，适合于嵌入式控制领域，这也是它被称为微控制器的原因。一个单片机的典型内部结构通常包括：（1）中央处理器（CPU），包含算数逻辑运算单元（ALU）、控制器和寄存器等（2）存储器，包含ROM、RAM和FLASH等（3）功能模块，包括定时计数器、A/D和D/A转换、通信接口（UART、IIC、SPI）等（4）工作支撑模块，包含电源、时钟电路、复位控制、看门狗电路等31.1单片机与嵌入式系统

单片机具有功能多样、性价比高、体积小、功耗低、系统开发周期短等特点，可被广泛应用在工业控制、消费电子等领域。1、功能多样单片机利用当今先进的半导体器件制造技术，尽可能多地把各种计算机部件、存储器和各种类型的输入/输出端口都集成在一块芯片内。2、性价比高

单片机的性能要比同类微型计算机的性能有明显的优势。3、体积小

由于单片机的集成度高，可以将所有硬件集中在一块半导体芯片上，因而体积较之于同类微处理器小得多，进而使得系统中的控制部分体积也随之大大缩小。41.1单片机与嵌入式系统4、低功耗

目前，许多单片机都能在低电压、低功耗下工作，有的单片机可在3.3V，甚至能在1V下工作，电流也低到微安级，这就使得低功耗的单片机较一般的处理器具备更优秀的功耗，符合了当下的节能发展趋势。5、系统设计周期短

用单片机进行产品设计时，由于其功能强，体积小，因而能使硬件设计得到极大的简化；同时利用各种配套仿真器，使用户的编程和调试变的非常方便，大大减少了用户系统的软件设计和调试的时间，极大的降低了开发周期和成本。51.1单片机与嵌入式系统1.1.2嵌入式系统的定义与特点

嵌入式系统(embeddedsystem)是以应用为中心，以计算机技术为基础，对系统的功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求，可高度定制和裁剪软硬件资源的专用计算机系统。

这个定义主要包含两个信息：一是嵌入式系统是专用计算机系统，因此必须要有处理器，具备计算机系统的基本特征。二是嵌入式系统的功能是有严格要求并按照指定的应用而设计的。61.1单片机与嵌入式系统以MCU为核心的嵌入式系统应用框图71.1单片机与嵌入式系统嵌入式系统以下几个基本特征：1、具有特定功能，用于特定的任务

这个特点是嵌入式系统和通用计算机系统最本质的区别。当今，嵌入式系统的智能化程度越来越高，功能越来越强大，但是始终要以完成特定功能为重点。2、注重成本控制与功耗要求

对于很多嵌入式系统而言，由于功能比较单一、固定，资源比较有限，因而在规划嵌入式系统的结构设计时，对软硬件资源的设计通常是做到够用即可，只要能够满足嵌入式系统设计要求的特定应用，就不会随意增加资源，往往还要对系统进行优化和精简，从而达到控制成本的目的。

嵌入式系统的应用环境往往比较特殊，因而嵌入式系统更为关注功耗的要求，各种低功耗技术经常会出现在系统软硬件设计中。81.1单片机与嵌入式系统3、具有实时性的要求

对于一些对实时性要求非常严格的嵌入式系统而言，系统能够在规定时间内对外部事件作出反应是非常关键的。当然所谓的实时性也是相对而言，针对不同的应用自然有不同的标准。4、软硬件可靠性要求更高

由于嵌入式系统应用在各行各业，应用环境也复杂多变，在某些环境下一个很小的错误可能会导致灾难性的后果，因此无论是软硬件都具有很高的可靠性要求，尤其是在特殊的应用场合。5、具有较长的生命周期由于嵌入式系统是面向具体的应用的，它的升级换代也是和具体的应用同步进行，各个行业的应用系统和产品很少发生突然性的跳跃，因此嵌入式系统的发展也体现出相对的稳定性，嵌入式系统的相关产品的生命周期因此也要长的多。91.1单片机与嵌入式系统1.1.3嵌入式技术的发展与应用

嵌入式系统目前主要有SoC和MCU两种形态。

SoC即片上系统，是将电子系统的几乎全部功能集成在一块芯片上，从而使整机成本、体积都大大降低，顺应了现代通信、计算机、消费产品向高性能、低成本方向发展的趋势。SoC追求系统的最大包容性，是集成电路向超大规模集成电路发展而产生的，主要用于大批量特定产品的设计。

MCU组成的则是最经典的嵌入系统，其特点是使用MCU作为嵌入式系统中使用的最主要核心部件，通常用于中低端的应用系统中。101.1单片机与嵌入式系统1)1971年11月Intel公司首次宣布4004的4位微处理器，1974年12月Fairchild(仙童)公司即推出了8位MCUF8，开创了MCU的初级阶段。2)1978年，Zilog公司推出Z8MCU。1980年，Intel公司在MCS-48的基础上，推出了MCS-51，它使MCU的应用跃上了一个新台阶。

Motorola公司于1974年开始推出MC6800微处理器，在1979年开始生产MCUMC6801，在1983年前后发展成为较高性能的M68HC05系列。3)

二十世纪九十年代是MCU制造业大发展时期，这个时期的Motorola、Intel、ATMEL、德州仪器、三菱、日立、飞利浦、韩国LG等一批企业开发一批性能优越的MCU，极大地推动了MCU的应用。

目前MCU正向①大容量、高性能化；②小容量、低价格化；③外围电路内装化等几个方向快速发展，应用领域也不断地扩大。

111.1单片机与嵌入式系统51系列

51系列单片机是Intel公司在20世纪80年代初研制出来的，主要应用在教学、工业控制、仪器仪表和信息通信中PIC系列Microchip单片机是市场份额增长最快的单片机。强调节约成本的最优化设计，是使用量大、档次低、价格敏感的产品。

AVR系列AVR单片机是ATMEL公司于1997年研发并推出的增强型内置Flash程序存储器的精简指令集CPU(ReducedInstructionSetCPU，RISC)的新型高速8位单片机单片机HC（S）08系列

Motorola公司研制的单片机,特点之是：在同样的速度下所用的时钟较Intel类单片机低得多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合用于工控领域以及恶劣环境。

常用的单片机类型121.1单片机与嵌入式系统131.2嵌入式系统的开发1.2.1嵌入式开发语言

任何系统在开发时都要使用到开发工具，其中一个重要的内容就是开发语言。由于嵌入式系统紧凑的系统资源，故在一些简单的嵌入式系统中常采用汇编语言来编程，但随着嵌入式系统复杂性的增加，仅用汇编语言编程已很难胜任，并且高级语言与汇编语言相比，更具有通用性强、编程方便、易于移植及可维护等优点，如今在嵌入系统中已广泛采用高级语言进行开发。

常用的高级嵌入式开发语言有C/C++等141.2嵌入式系统的开发1.2.2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。151.2嵌入式系统的开发常见的嵌入式操作系统分类如下。（1）实时系统：

实时操作系统是嵌入式系统目前最重要的组成部分。实时操作系统把实时性作为第一要求，调度一切可利用的资源，以完成实时控制任务，其次才是提高整个嵌入式系统的使用效率。常见的实时操作系统有：μC/OS-IIμClinuxVxWorksRTXC等161.2嵌入式系统的开发（2）分时系统：

“分时”的含义是指多个用户分享使用同一台计算机，分时隙获取操作控制权，多个程序分时共享硬件和软件资源。分时系统追求系统资源总体利用率最高，其特点在于多任务的管理。分时系统是一个多用户交互式操作系统，现在PC机的操作系统绝大部分采用的是分时系统，而很少采用实时系统。171.2嵌入式系统的开发嵌入式系统常用术语（1）总线在嵌入式系统中，常包含以下3种总线：地址总线、数据总线和控制总线。地址总线(AddressBus，简称AB)：单向，用于传送地址信息。数据总线(DataBus，简称DB)：一般为双向，用于CPU与存储器、CPU与外设，或外设与外设之间传送数据信息。控制总线(ControlBus，简称CB)：是计算机系统中所有控制信号线的总称，在控制总线中传送的信息是控制信息。181.2嵌入式系统的开发嵌入式系统常用术语（2）时钟周期、机器周期及指令周期时钟周期：通常单片机在时钟信号的作用下都以节拍方式进行工作，因此，必须有一个时钟生发器电路，因而所以输入到MCU的时钟信号的周期就称为时钟周期。机器周期：机器完成一个动作所需的时间称为机器周期，一般由一个或一个以上的时钟周期组成。指令周期：执行一条指令所需时间称为指令周期，它由一个到数个机器周期组成。191.2嵌入式系统的开发嵌入式系统常用术语（3）中断与中断服务程序中断：是指CPU正在处理某件事情的时候，外部发生了某一事件，请求CPU迅速去处理，CPU暂时中断当前的工作，转入处理所发生的事件，处理完后，再回到原来中断的地方，继续原来的工作的过程。中断服务程序则是响应特定中断而运行的一段程序，其内容为该中断需要处理的具体操作，201.2嵌入式系统的开发嵌入式系统常用术语（4）存储器动态可读写随机存储器(DRAM，DynamicRandomAccessMemory)：静态可读写随机存储器(SRAM，StaticRandomAccessMemory)：只读存储器(ROM，ReadOnlyMemory)：ROM有固定ROM、可编程ROM(PROM)和可擦除ROM(EPROM)三种。闪速存储器(FlashMemory)：是一种快速的E2PROM。211.2嵌入式系统的开发嵌入式系统常用术语（5）模拟信号、数字信号模拟信号是时间连续、数值也连续的物理量，如温度、压力、流量、速度、声音等。在工程技术上，为了便于分析，常用传感器、变换器将模拟量转换为电流、电压或电阻等电学量。数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和低电平）分别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑0）。221.2嵌入式系统的开发嵌入式系统常用术语（6）并行通信和串行通信并行通信是指将数据的各位同时在多根并行传输线上进行传输。数据的各位同时由源到达目的地，适合近距离、高速通信。常用有4位、8位、16位、32位等同时传输。串行通信是指数据在单线上按时间先后一位一位地传送，其优点是节省传输线，但是数据传送速度较慢。在嵌入式系统中，串行通信一词一般特指用串行通信接口(serialcommunicationinterface，SCI)进行RS232/485通信方式。231.2嵌入式系统的开发嵌入式系统常用术语（7）看门狗看门狗(watchdog)是为了防止程序跑飞而设计的一种自动定时器，它可以产生一个脉冲，让单片机复位。当单片机的程序正常运行的时候，每隔一定的时间给看门狗电路发一个脉冲，使看门狗电路重新计时。当程序因为某种原因不正常运行时（死机），就不会发这个脉冲，看门狗电路计时时间到，就会复位单片机使其重新启动。241.3单片机中的数制与码制十进制和二进制（1）Humanbeingusebase10system(Decimal)0,1,2,3,4,5,6,7,8,9零，一，二，三，四，五，六，七，八，九Zero,One,two,three,four,five,six,seven,eight,nineI,II,III,IV,V,VI,VII,VIII,IX,X（2）Computersusebase2system(Binary)0,1YesNoTrueFalseHighLowOnOff每个二进制数字称为一个“位”或“比特”251.3单片机中的数制与码制16进制和8进制（1）Hexadecimalisbase16system（Hex）0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F（2）Octalisbase8system(Octal)0,1,2,3,4,5,6,716进制比二进制更易用易记

0xABCDvs.0b10101011110011018进制使用较少.261.3单片机中的数制与码制十进制->二进制将待转换数除以2记录余数，并将结果继续除以2持续上述过程，直到余数为0或1将每次的结果逆序记录得到转换的二进制数271.3单片机中的数制与码制二进制->十进制每个二进制的位对应一定的数值（权重）将每个二进制位对应的权重相加，即得到十进制数值

23 22 21 20(weight)

1 0 1 1

=1•(23) +0•(22)+1•(21)+1•(20)

=1•(8) +0•(4)+1•(2)+1•(1)

=8 +0+2+1

=11DecimalBinarybit76543210Weightnumber27262524232221201286432168421281.3单片机中的数制与码制二进制<->16进制Nibble–每4个二进制位合并成一个nibble每个nibble对应一个16进制数二进制到16进制从最低位（LSB）开始，将二进制数列划分成若干个nibble，将每个nibble用对应的16进制数替换

Binary1100010110110110 Hex=C5B