单片机原理及应用 课件 【ch01】绪 论

第一章绪论工业和信息化部“十四五”规划教材单片机原理及应用01单片机技术的发展背景

而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力，技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。现代计算机技术的两大分支

通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算，技术发展方向是总线速度的无限提升、存储容量的无限扩大；单片机技术的发展背景单片机技术的发展背景单片机开创了嵌入式系统独立发展道路传统微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路，这条道路就是单芯片化道路：将计算机集成在一个独立芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。单片机时代的嵌入式系统，大多基于8位单片机，实现最底层的嵌入式应用。考虑到原来单片机的电子系统底层应用特点，可以把嵌入式系统应用分成高端与低端，把原来的单片机应用理解成嵌入式系统的低端应用。02单片机的组成微型计算机的组成

微型计算机(Microcomputer，简称微机)，是计算机的一个重要分支。微型计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成，微型计算机系统组成如图1-1所示。单片机的组成单片微型计算机单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、基本输入/输出接口电路、定时/计数器等部件制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机，从而实现微型计算机的基本功能。单片机内部结构示意图如图1-2所示。单片机的组成单片机应用系统及组成单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显示、控制等外围电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。单片机应用系统的组成如图1-3所示。单片机的组成03单片机的特点及应用单片机的特点及应用单片机的特点①小巧灵活、成本低、易于产品化，能组装成各种智能仪器仪表。②可靠性好，应用范围广。单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，抗干扰性强，能适应各种恶劣的环境，这是其他机种无法比拟的。③易扩展，容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能指令，可以对逻辑功能比较复杂的系统进行控制。④具有通信功能，可以实现多机和分布式控制，形成控制网络和远程控制。测控系统中的应用测控系统特别是工业控制系统的工作环境恶劣，各种干扰也强，而且往往要求实时控制，故要求控制系统工作稳定、可靠、抗干扰能力强。由单片机的特点可以看出，单片机很适宜于测控领域，如炉子恒温控制、电镀生产线自动控制等。智能仪表中的应用用单片机制作的测量、控制仪表，能使仪表向数字化、智能化、多功能化、柔性化发展，并使监测、处理、控制等功能一体化，使得仪表便于携带和使用，同时降低了成本，提高了性价比，如数字式RLC测量仪、智能转速表、计时器等。单片机的特点及应用20%30%40%50%智能产品中的应用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，构成新型的机、电、仪一体化产品，如数控车床、智能电动玩具、各种家用电器等。在智能计算机外设中的应用在计算机应用系统中，除通用外部设备(键盘、显示器、打印机)外，还有许多用于外部通信、数据采集、多路分配管理、驱动控制等的接口。单片机的特点及应用04单片机的发展历史单片机技术发展历程自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来，单片机经历了由4位机到8位机再到16位机的发展过程。它的发展到目前为止大致可分为5个阶段。①第1阶段(1971一1976年):单片机发展的初级阶段。②第2阶段(1976—1980年):低性能8位单片机阶段。③第3阶段(1980—1983年);高性能8位单片机阶段。④第4阶段(1983年至20世纪80年代末):16位单片机阶段。⑤第5阶段(20世纪90年代至今):单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。20%30%40%50%

单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer，SCM)阶段，主要寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。

微控制器(MicroControllerUnit，MCU)阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。

专用单片机的发展自然形成了(SystemonChip，SoC)化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。单片机技术的理解

05单片机分类按单片机功能分类

基本型该类型的典型产品是8051，其特性如下：8位CPU;片内RAM有128字节；片内ROM有4KB字节；21个特殊功能寄存器；4个并行8位并行I/O接口(也称为I/O口)，一个全双工串行口；两个16位定时/计数器；5个中断源、两个中断优先级；一个时钟振荡器和时钟电路。内部存储器增大的基本型此种单片机的内部RAM和ROM容量比基本型单片机增大一倍，产品有8052AH、8032AH、8752BH。20%30%40%50%低功耗基本型这类产品型号中带有“C”字的单片机，采用CHMOS工艺，其特点为低功耗，产品有80C51BH、80C31BH、87C51等。高级语言型如8052AH-BASIC芯片内固化有MCSBASIC52解释程序。按单片机功能分类可编程计数阵列(PCA)型该类产品具有两个特点：一个是有5个比较/捕捉模块；另一个是有一个增强的多机通信接口。该类产品有83C51FA、80C51FA、87C51FA、83C51FB等。A/D型该系列单片机带有8路8位A/D;半双工同步串行接口；拥有16位监视定时器；扩展了A/D中断和串行口中断，使中断源达到7个；具有振荡器失效检测功能。该类产品有83C51GA、80C51GA、87C51GA等。按单片机功能分类20%30%40%50%DMA型

该产品分为两类：一类是DMA、GSC型，产品有83C152JA、80C152JA、80C152B等；另一类是DMA、FIFO型，产品有83C452、80C452、87C452P等。按单片机功能分类此类单片机是在80C51的基础上，新增了和P1口相同的8位准双向P4口和P5口，还增加了在内部具有上拉电阻的8位双向口P6口。该类产品有83C451、80C451等。多并行口型尽管单片机品种繁多，但无论是从世界范围或是从国内范围来看，使用最为广泛的应属MCS-51单片机。MCS-51系列单片机共有十几种芯片，如表1-1所列。MCS-51系列单片机MCS-51系列又分为51和52两个子系列，并以芯片型号的最末位数字作为标志。其中51子系列属基本型，而52子系列则属增强型。从表1-1可以看出，52子系列相比51子系列增强了很多功能，具体体现在以下几方面：●片内ROM从4KB增加到8KB;●片内RAM从128字节增加到256字节；●定时/计数器从2个增加到3个；●中断源从5个增加到6个。MCS-51系列单片机单片机芯片半导体工艺

MCS-51系列单片机采用两种半导体工艺生产。一种是HMOS工艺，即高速度高密度短沟道MOS工艺。另外一种是CHMOS工艺，即互补金属氧化物的HMOS工艺。表1-1中芯片型号中带有字母“C”的，为CHMOS芯片，其余均为一般的HMOS芯片。片内ROM存储器配置形式

MCS-51单片机片内程序存储器有三种配置形式，即掩膜ROM、EPROM和无ROM。这三种配置形式对应三种不同的单片机芯片，它们各有特点，也各有其适用场合，在使用时应根据需要进行选择。MCS-51系列单片机

06单片机发展趋势20%30%40%50%

内部结构的进步在单片机内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，如定时器、比较器、A/D转换器、D/A转换器、串行通信接口、Watchdog电路、LCD控制器等。

功耗、封装及电源电压的进步现在，新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，包括等待、暂停、睡眠、空闲、节电等，如Philips公司的P87LPC762就是一个很典型的例子。

工艺上的进步现在的单片机基本上采用CMOS技术，大多数加工工艺采用了0.6μm以下的光刻技术。单片机的技术发展

以单片机为核心的嵌入式系统单片机的另外一个名称就是嵌入式微控制器，原因在于它可以嵌入到任何微型或小型仪器或设备中。目前，把单片机嵌入式系统和Internet连接已是一种趋势。为了把以单片机为核心的嵌入式系统和Internet相连，已有多家公司在这方面进行了深入研究，如EmWare公司和TASKING公司。EmWare公司提出了嵌入式系统入网的方案——EMIT技术。这个技术包括三个主要部分：EmMicro，EmGateway和网络浏览器。TASKING把EmWare的EMIT软件包和有关的软件配套集成，形成了一个集成开发环境，向用户提供了一个方便的开发环境。

EFT(EllectricalFastTransient)技术

EFT技术是一种抗干扰技术，它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时，其波形上会迭加各种毛刺信号，如果使用施密特电路对其整形，则毛刺会成为触发信号，干扰正常的时钟。采用低频时钟

高频外时钟是噪声源之一，它不仅能对单片机应用系统产生干扰，还会对外界电路产生干扰，使系统的电磁兼容性不能满足要求。低噪声布线技术及驱动技术

在传统的单片机中，电源及地线在集成电路外壳的对称引脚上，一般在左上、右下或右上、左下的两对对