嵌入式微控制器概述

嵌入式微控制器概述1第一页，共四十七页，编辑于2023年，星期六1.1嵌入式系统的含义与发展历史1.1.1嵌入式系统与单片机（1）嵌入式系统的由来

计算机产生：因科学家需要一个高速的计算工具而产生。

计算机应用领域的发展：数字计算→逻辑运算与推理→信息处理→通信→工业控制→家用电器……

嵌入式系统（EmbeddedSystem）含义：面向测控对象，嵌入到实际应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。2第二页，共四十七页，编辑于2023年，星期六（2）单片机的含义

单片机是单片微型计算机（SingleChipMicroComputer）的简称，也称之为微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）或嵌入式计算机(Embeddedcomputer)，即在一块芯片上集成了中央处理单元(CPU)、存储器(RAM/ROM等)、定时器/计数器及多种输入输出(I/O)接口的比较完整的数字处理系统。3第三页，共四十七页，编辑于2023年，星期六目前典型的MCU内部框图MCU内部总线（控制总线、数据总线、地址总线）CPURAMFlash存储器A/D转换接口工作支撑模块定时器接口串行通信接口其他I/O模块……一个典型的MCU内部框图4第四页，共四十七页，编辑于2023年，星期六（3）微控制器应用范围微控制器应用范围遍及航空航天、医疗、通讯、楼宇自动、网络通讯等各个领域，典型应用领域如下：测控领域

包括自动控制/装备控制/仪器控制/仪表控制等，该领域的应用是嵌入式系统最主要、最基本的应用形式，这种应用主要集中在生产领域，在该领域的应用已经持续了将近30年，并一直保持持续发展。消费领域

家用电器、家用视频音频、娱乐产品、数码相机、DVD、DV、MP3播放机、掌上电脑、游戏机、PDA、数字电视等。5第五页，共四十七页，编辑于2023年，星期六网络通信、移动通讯领域

交换机、嵌入式网关、路由器、防火墙、手机、网络电话、机顶盒等。办公自动化设备和微机周边设备传真机、复印机、打印机、鼠标、键盘、扫描仪、移动磁盘等。航空航天、武器装备医疗设备和仪器智能玩具6第六页，共四十七页，编辑于2023年，星期六微控制器应用领域嵌入式应用信息家电智能玩具军事电子通信设备移动存贮工控设备智能仪表汽车电子网络设备测控领域消费领域军事国防电子商务网络7第七页，共四十七页，编辑于2023年，星期六具体产品8第八页，共四十七页，编辑于2023年，星期六

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。

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。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。

1.1.2MCU的发展简史

9第九页，共四十七页，编辑于2023年，星期六1.1.3MCU在我国的应用与教学简况

二十世纪八十年代前后，单片机在我国开始应用，各理工科院校陆续开设了有关课程。在教学及应用上，Zilog公司生产的Z80CPU成为我国工业控制的主流，以Z80为CPU组成的TP801单板机在教学上及应用领域发挥过巨大作用。二十世纪八十年代末至九十年代初，我国的工业控制领域开始转向使用Intel公司生产的MCS-51。从1999年开始，Motorola公司及后来独立出来的Freescale公司在我国推广其新一代单片机HC08系列及增强型HCS08系列，已经对我国的单片机应用产生积极的影响。本书即以HC08系列单片机及HCS08系列单片机为蓝本学习嵌入式技术基础。

10第十页，共四十七页，编辑于2023年，星期六1.1.3

MCU的体系结构1：MCU至少由CPU，存储器与I/O端口组成，它们可以以不同的方式组合，形成不同的体系结构。A存储器分离编址哈佛结构生成双倍空间B存储器统一编址冯诺依蔓结构11第十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期六存储器的访问哈佛结构的存储器地址出现重叠,通过不同的控制线并配合不同的指令就可以区分开来.冯诺依曼结构可以使用同一指令访问两种存储器,仅由指令中的地址参数寻址不同的单元即可.哈拂结构地址重叠,用不同指令访问.用MOVC访问程序存储器,用MOVX访问数据存储器.冯-诺依曼结构可以用统一指令访问两种存储器,地址参数不同.12第十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期六13第十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期六I/O端口的编址分离编址方按:INTEL的MCU将I/O端口作为内部寄存器处理,独立与程序存储器和外部数据存储器空间,类似哈佛结构的分离编址MOTOROLA的MCU则将I/O地址与存储器地址统一在一个空间.仅分配不同单元14第十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期六寄存器编址INTEL的MCU使用内部的RAM作为寄存器用MOV指令访问,类似哈佛结构的存储器分离编址MOTOROLA的MCU的寄存器占用存储器资源15第十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期六统一编址体系结构程序存储器数据存储I/O端口寄存器CPU16第十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期六内存大、小端排序问题对于需要多于8位的数据，为其分配一组连续的存储空间，字节排序有两种方式：小端(littleendian)和大端(bigendian)。所谓大端是指高字节存储在低的地址中，而低字节则存在高地址中；小端则恰好相反。

例如：将0x1234写入到以0x0000开始的内存中，则结果为：

地址大端方式小端方式

0x00000x120x340x00010x340x1217第十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期六1.2嵌入式系统的基本概念

1.2.1嵌入式系统的定义及内涵

广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己的操作系统，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系统。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。简而言之，它是完成特定任务的专用计算机系统。它是“嵌入到对象中的专用计算机系统”，“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素，对象体是嵌入式系统所嵌入的宿主系统。18第十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期六1.2.2嵌入式系统的特点软硬件一体化需要实时操作系统（RTOS）支持实时性：代码小、执行速度快专用紧凑：用途固定、成本敏感可靠性高多样性：应用广泛、种类繁多技术密集：集计算机技术、微电子技术、行业技术为一体19第十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期六1.2.3嵌入式系统的构成

嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统及上层应用软件系统等组成，它是集软件、硬件于一体的可独立工作的系统。（1）嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。目前，世界上嵌入式处理器的种类已经超过1000种，流行的体系结构包括MCU、MPU等30多个系列，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。嵌入式处理器可以分为：嵌入式微处理器(MPU)、嵌入式微控制器(MCU)、嵌入式DSP处理器(DSP)和嵌入式片上系统(SOC)。20第二十页，共四十七页，编辑于2023年，星期六①嵌入式微处理器(EmbeddedMicroProcessorUnit，EMPU)MPU是由通用计算机中的CPU演变而来的，它与CPU的关系是专用和通用的关系。MPU只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他冗余功能部分，配上了必要的扩展外围电路，如存储器的扩展电路、I/O的扩展电路和一些专用的接口电路等，以最低功耗和资源满足嵌入式应用的特殊要求。MPU目前流行体系有ARM、MIPS、PowerPC、68000、Am186/88等系列。处理能力和速度通常按字长划分为8位(仍然存在!)、16位(主流)和32位(开始流行)。21第二十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期六②嵌入式微控制器(MicroControllerUnit，MCU)

MCU就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。MCU的典型代表是单片机。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Flash、RAM、EEPROM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口等各种必要功能模块。MCU目前的品种和数量最多。比较有代表性的有51系列和非51系列，51系列包括：1980年Intel公司推出MCS-51、Philips公司从Intel公司获得授权开始生产80C51单片机、Atmel公司推出的Flash型51单片机以及后来，欧美、日本、台湾、韩国等很多厂商从Intel公司获得51专利，结合自己的技术优势，生产兼容型或增强型51核单片机，51逐渐成为业界的一个事实标准（非垄断性）。22第二十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期六目前，除了Philips和Atmel的51核单片机外，市场上还有大量的51核单片机产品：Infineon的C500系列；台湾华邦的W77、W78、W79系列；Maxim（Dallas）的的DS80C320系列；OKI的MSM80C系列；HYUNDAI的GMS90/97系列；ST的uPSD系列；ADI的μC8XX系列；TI的MSC1211、TUSB系列；上海新茂公司的SM系列；SST公司的89E系列；Silabs的C8051F系列；23第二十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期六在51得到广泛应用的同时，其他一些非51单片机由于具有某些特色各自具有一定的市场份额：Microchip的PIC系列单片机；摩托罗拉08系列单片机；Zilog公司的Z8/Z86系列单片机；ST的ST系列8位单片机；Atmel的AVR系列单片机；NS（美国国家半导体）的COP8系列单片机；三星的KS86/KS88系列单片机；Scenix公司的SX系列单片机；NEC公司的78K系列8位单片机；富士通的MB8900系列单片机；东芝的970/90系列单片机；Epson的带LCD驱动的S1C88系列单片机；瑞萨（日立、三菱）的H8系列、740系列等；cypress的CG/CY系列PSoC混合信号阵列。24第二十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期六其中，飞思卡尔公司（Freescale）以其丰富多彩的单片机系列（8位、16位和32位）在移动通信、PDA、汽车、网络通信、工业控制等方面均获得成功。飞思卡尔微控制器的有着51单片机不可比拟的特点：技术成熟，可靠性高，抗干扰和电磁兼容性强，内部资源丰富，品种齐全，选择余地大，新产品多。更重要的是飞思卡尔单片机的调试方式有了根本性的变革，与过去的调试方式不同，不再需要仿真器，调试是通过BDM头直接对MCU中的程序进行调试。BDM头除实现Flash写入、擦除功能外，还可以在应用程序运行时，动态地获取CPU、存储器等瞬态信息。BDM调试工具与单片机的通信通过双向的BKGD引脚实现。调试模式有两种：单步调试和断点调试。25第二十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期六③嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP)DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器。DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法。DSP核心代码使用汇编，有较高的执行效率，指令执行速度也较快。在数字滤波、语音处理和编码解码、谱分析等方面有着广泛的应用。比较有代表性的产品是TI公司的TMS320系列和Motorola公司的DSP56000系列等。26第二十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期六④嵌入式片上系统(SystemOnChip，SOC)

在一个硅片上实现多个更为复杂的系统。随着EDA的推广和VLSI设计的普及，以及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现多个更为复杂的系统的时代已来临，这就是片上系统SoC(SystemonChip)。它结合了许多功能模块，将整个系统做在一个芯片上。SOC（片上系统）是IC设计的发展趋势。27第二十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期六（2）外围设备外围设备是嵌入式处理器的辅助部件。外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以下3类：

①存储器：

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(FlashMemory)作为存储介质。其中，Flash以可擦写次数多、存储速度快、容量大及价格低等优点在嵌入式领域得到了广泛的应用。28第二十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期六②接口：

应用最为广泛的包括并口、RS－232串口、IRDA红外接口、SPI串行外围设备接口、I2C(InterIC)总线接口、USB通用串行总线接口、Ethernet网口等。③人机交互：

包括LCD、键盘和触摸屏等人机交互设备。29第二十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期六（3）嵌入式操作系统随着嵌入式系统越来越复杂，嵌入式操作系统就显得越来越有必要。使用嵌入式操作系统有以下优点：①操作系统能有效管理越来越复杂的系统资源，而且提高了系统的可靠性。②提高了开发效率，缩短了开发周期。操作系统能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来。③操作系统能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。30第三十页，共四十七页，编辑于2023年，星期六从某种意义上说，没有配备操作系统的嵌入式处理器是不能真正称之为嵌入式系统的，在嵌入式应用中，只有把CPU嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算机嵌入式应用。常用嵌入式操作系统大体上可分为两种，商用型和免费型。商用型：商用型的嵌入式操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。有代表性的产品主要有WindowsCE、PalmOS、VxWorks等。免费型：免费型的嵌入式操作系统在价格方面具有优势，是学习和实践的理想选择。目前主要有μC/OS-II和嵌入式Linux。31第三十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期六嵌人式实时操作系统（RTOS）应用无处不在32第三十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期六（4）嵌入式应用层软件①嵌入式软件是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期任务的计算机软件。②嵌入式软件的特点要求软件代码高质量、高可靠性，要尽可能地优化。对嵌入式应用软件的要求也与通用计算机有所不同。为减少系统成本，除了精简每个硬件单元的成本外，应尽可能地减少应用软件的资源消耗。存储空间仍然是宝贵的。为此，程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码的长度，提高执行速度。开发模式，需要用交叉编译开发环境。简单地讲交叉编译就是在一个平台上生成可以在另一33第三十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期六个平台上执行的代码。使用交叉编译是因为在嵌入式硬件板上无法安装所需的编译器，只好借助于宿主机（即通用的PC机），在宿主机上对即将运行在嵌入式系统上的应用程序进行编译，生成可在嵌入式系统上运行的代码文件。嵌入式应用软件的开发与通用计算机软件开发不同，由于受资源约束，嵌入式软件开发一般需要在专门的开发平台上进行交叉开发(crossdeveloping)。同时，由于嵌入式系统的开发及嵌入式软件的调试也非常复杂，因而迫切需要强有力的集成开发平台(IntegratedDevelopmentEn-vironment，IDE)作为支持，以保证程序执行的实时性、可靠性，保障软件质量，并缩短开发时间。操作系统与用户软件没有明显的界线34第三十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期六1.3嵌入式系统常用术语1.3.1与硬件相关的术语封装：封住集成电路所用的塑料、金属或陶瓷包装。常用的封装形式可分为通孔封装和贴片封装两大类。通孔封装有：单列直插(SIP)、双列直插(DIP)、Z字型直插式(ZIP)等。贴片封装主要有：小外形封装(SOP)、紧缩小外形封装(SSOP)、四方扁平封装(QFP)、薄方封装(LQFP)等。印刷电路板(PCB，Printedcircuitboard)：印刷电路板是组装电子元件用的基板，是在通用基材上按预定设计形成点间连接及印制元件的印制板。它的主要功能是提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑；实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接（信号传输）或电绝缘；为自动装配提供阻焊图形，为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。

35第三十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期六1.3.2与硬件相关的术语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。模拟信号：时间连续、数值也连续的物理量，如温度、压力、流量等。数字信号：是一种二值信号，用两个电平（来表示两个逻辑值)。36第三十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期六1.3.3与通信相关的术语并行通信：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：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SCI（SerialCommunicationInterface）与RS232芯片连接的通信方式。I2C、USB等也是串行通信，但它们有专用名词。串行外设接口(SPI，SerialPeripheralInterface)I2C(InterIntegratedCircuit)：I2C总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接MCU及其外围设备。37第三十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期六通用串行总线(USB，UniversalSerialBus)控制器局域网(CAN，ControlAreaNetwork)：它是一种全数字、全开放的现场总线控制网络。背景调试模式(BDM，BackgroundDebugMode)：背景调试模式是Freescale半导体公司提出的一种调试接口，开创了片上集成调试资源的趋势。边界扫描测试协议(JTAG，JointTestActionGroup)：该协议由国际联合测试行动组开发，提供一种串行扫描路径。JTAG能获取芯片寄存器等内容，或者测试遵守IEEE规范的器件之间引脚连接情况。38第三十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期六1.3.4与功能模块相关的术语普通输入/输出(GPIO，GeneralPurposeI/O)A/D与D/A：A/D转换模块的功能是将电压信号转换为对应的数字信号。D/A转换则是将数字信号转换为电压信号。

脉冲宽度调制器(PWM，PulseWidthModulator)：PWM是一个D/A转换器，可以产生一个高电平和低电平之间重复交替的输出信号，这个信号就是PWM信号。看门狗(WatchDog)：为防止程序跑飞而设计的一种自动定时器。当程序跑飞时，由于无法正常执行清看门狗定时器，定时器会溢出使系统程序复位。液晶显示(LCD，LiquidCrystalDispaly)发光二极管(LED，LightEmittingDiode)39第三十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期六中断：指中央处理器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，这样的过程称为中断。

实时操作系统RTOS(RealTimeOperatingSystem)：指的是一种操作环境，运行于嵌入式系统上，并在可预测的时间间隔内，程序能对特定的事件做出反应。中断服务程序：响应特定中断而运行的一段程序。这段程序所在的地址称为中断向量。µC/OS-II：是一个可移植和可裁剪的抢占式多任务实时操作系统，并且开放源代码，在嵌入式系统中得到广泛的应用。

临界区(CriticalSection)：RTOS中使用的一个术语，它是指一段必须按次序执行的代码，并且不能被中断，否则程序有可能无法正常运行。1.3.5与嵌入式软件相关的术语40第四十页，共四十七页，编辑于2023年，星期六1.4嵌入式系统开发方法导引

1.4.1嵌入式产品的一般构成

一个以MCU为核心的比较复杂嵌入式产品或实际嵌入式应用系统，包含模拟量的输入、模拟量的输出，开关量的输入、开关量的输出及数据通信的部分。

41第四十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期六嵌入式应用系统框图

放大器：将微弱电信号放大成MCU可接受的电信号传感器：将实际物理信号转换为微弱电信号实际模拟信号MCUD/A转换接口I/0接口A/D转换接口将实际开关信号转换成MCU可接受的电信号实际开关信号模拟量驱动机构：将MCU送出的信号放大模拟量执行机构通信接口开关量驱动机构：将MCU送出的信号放大开关量执行机构通信信号匹配电路其他通信设备图一个典型的嵌入式应用系统框图MCU工作支撑电路其他输入信号其他输出信号42第四十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期六1．基本输入/输出分析

2．MCU的选择

3．选择评估系统并对与MCU相关的硬件进行初步评估

4．设计并制作硬件系统

5．进行硬件系统的模块测试

6．软件系统设计

7．系统测试

8．进一步工作

1.4.2嵌入式产品的一般开发方法

43第四十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期六

认识嵌入式系统的特点有助于学习嵌入式系统。嵌入式系统最主要特点是软件与硬件的结合，只有充分认识这个特点，才能学好嵌入式系统。

1．嵌入式系统资源受限嵌入式系统通常专用于某一特定应用领域，其硬件资源不会像普通计算机一样丰富，MCU的处理能力也比不上通用CPU。

2．嵌入式系统开发需要专用工具和特殊方法嵌入式系统不像通用计算机那样有了计算机就可以进行应用开发。其芯片本身不具备开发功能，必须要有一套与该MCU相配套的开发工具和开发软件。

3．嵌入式系统要求较高可靠性和稳定性嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起，与产品关系密切，升级换代也是和具体产品同步进行。而应用于一些关键性产品的嵌入式系统要求具有很高的可靠性和稳定性。1.5嵌入式系统的特点与学习建议

1.5.1嵌入式系统的特点44第四十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期六4．嵌入式系统有实时约束嵌入式系统有比较严格的实时性要求，对于外部事