【大学课件】单片机 综述

单片机综述本课程将深入探讨单片机的基本原理、应用和发展趋势，并介绍嵌入式系统及其相关技术。单片机的定义与特点定义单片机是将中央处理器(CPU)、存储器(RAM和ROM)和输入/输出(I/O)接口集成在一个芯片上的微型计算机。特点体积小巧、功耗低、价格低廉、可编程性强、可靠性高、功能丰富。单片机的组成结构中央处理器(CPU)负责执行程序指令，控制整个系统的运行。存储器存储程序和数据，包括RAM和ROM。输入/输出(I/O)接口连接单片机与外部器件，实现数据输入和输出。单片机的分类8位单片机体积小、功耗低，常用于简单控制应用。16位单片机功能更强大，应用范围更广，常用于工业自动化控制。32位单片机性能更强，适用于复杂控制应用，如嵌入式系统。微处理器的工作原理1取指从存储器中读取指令。2译码将指令转换为CPU可识别的操作码。3执行执行指令操作，处理数据。存储器的分类及其特点RAM随机存取存储器，用于存储程序和数据，断电后数据丢失。ROM只读存储器，用于存储程序和常量数据，断电后数据不会丢失。输入/输出接口并行接口同时传输多位数据，速度快，用于连接外部器件。串行接口逐位传输数据，速度慢，用于连接通信设备。定时/计数器1定时产生精确的定时信号，用于控制系统运行时间。2计数对外部事件进行计数，用于统计事件发生的次数。中断系统1中断源外部事件或内部异常情况。2中断处理程序响应中断源，处理中断事件。3中断向量表存放中断服务程序的入口地址。模数转换1模拟信号来自传感器或其他模拟设备。2模数转换器(ADC)将模拟信号转换为数字信号。3数字信号被单片机处理和控制。数模转换数字信号来自单片机或其他数字设备。数模转换器(DAC)将数字信号转换为模拟信号。模拟信号用于控制执行机构或其他模拟设备。串行通信1同步通信发送方和接收方使用相同的时钟信号，用于高速数据传输。2异步通信发送方和接收方使用不同的时钟信号，用于低速数据传输。单片机的编程方法汇编语言面向机器指令，效率高，但编程难度大。高级语言(C语言)易于理解和维护，效率稍低。单片机的编程语言单片机的开发环境编辑器编写和编辑程序代码。编译器将高级语言代码转换为机器指令。调试器调试程序，查找并修复错误。仿真器模拟单片机运行环境，测试程序功能。单片机程序的设计流程1需求分析确定系统功能和性能需求。2系统设计设计硬件和软件架构。3程序编码编写程序代码。4程序测试测试程序功能和性能。5程序调试修复程序错误。6程序维护更新和维护程序代码。单片机程序的调试方法1断点调试在程序中设置断点，暂停程序执行，查看变量值和寄存器状态。2单步调试逐条执行程序代码，观察程序运行过程。3逻辑分析仪用于查看单片机内部信号波形，分析程序运行逻辑。单片机的片外扩展扩展存储器增加单片机的存储空间，存储更多数据和程序。扩展I/O接口增加单片机的输入/输出能力，连接更多外部器件。单片机的应用领域工业控制自动化控制生产过程，提高效率和精度。家用电器控制各种家电设备，提高生活便利性。医疗设备用于医疗诊断和治疗，提高医疗水平。嵌入式系统简介嵌入式系统是指以应用为中心、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、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的硬件组成处理器执行程序指令，控制系统运行。存储器存储程序和数据，包括RAM和ROM。I/O接口连接外部器件，实现数据输入和输出。外设与系统功能相关的外部设备。嵌入式系统的软件组成操作系统管理系统资源，提供系统服务。驱动程序控制外设，实现外设功能。应用程序实现系统具体的功能需求。嵌入式系统的开发流程1需求分析确定系统功能和性能需求。2系统设计设计硬件和软件架构。3程序编码编写程序代码。4程序测试测试程序功能和性能。5程序调试修复程序错误。6系统集成将硬件和软件集成到一起。7系统测试测试整个系统的功能和性能。8系统部署将系统部署到实际应用环境中。9系统维护更新和维护系统软件和硬件。嵌入式系统的实时性实时性是指系统对事件的响应速度，要求系统在规定的时间内完成任务，保证系统正常运行。实时操作系统简介实时操作系统(RTOS)是专门为实时应用设计的操作系统，它具有高效、可靠、可预测的特点，能够满足实时应用对时间敏感性的要求。实时操作系统的特点1高实时性能够快速响应事件，保证系统在规定时间内完成任务。2高可靠性系统运行稳定可靠，不易出现故障。3可预测性系统的行为可预测，能够保证系统运行的确定性。4可裁剪性可以根据应用需求，裁剪系统功能和性能。实时操作系统的调度算法先来先服务(FCFS)按照任务到达时间的顺序进行调度。优先级调度根据任务优先级进行调度，高优先级任务优先执行。轮询调度以时间片为单位，轮流执行各个任务。实时操作系统的同步机制1信号量用于控制对共享资源的访问，保证资源的互斥访问。2互斥锁用于保护临界区，保证临界区内代码的原子操作。3事件标志用于通知任务，等待特定事件的发生。实时操作系统的内存管理分区分配将内存分成多个分区，每个分区分配给一个任务。分页管理将程序和数据分成多个页面，每个页面分配到不同的物理内存块。段页管理将程序和数据分成多个段，每个段又分成多个页面。实时操作系统的应用案例工业自动化控制生产