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单片机原理及应用
第1章绪论
主讲教师：楼然苗
浙江海洋学院机电工程学院
- 单片机的发展由来
- 单片机的定义特点及发展阶段
- 单片机的应用模式
- 单片机的主要应用领域
- 单片机主要厂商及产品
- 单片机的发展方向
- 单片机的开发过程
第1章 绪论
第一代 电子管计算机 1946-1957 低级语言
第二代 晶体管计算机 1958-1964 高级语言
第三代 中、小型集成电路计算机 1964-1972 操作系统
第四代 超大规模集成电路计算机 1972-现在 数据库、网络
新一代 人工智能型的计算机、 神经网络计算机、
生物计算机等
按所采用的电子元件划分
我国在1958年研制成功第一台
电子管计算机
1. 始于微型机时代的嵌入式应用
1.1 单片机的发展由来----计算机的技术发展史
计算机软件
发展情况
1. 始于微型机时代的嵌入式应用
1.1 单片机的发展由来----计算机的技术发展史
第一代计算机：
1946年美国的第一台电子管 “电子数字积分计算机”
占地170平方米，重达30多吨
缺点是存储容量太小，基本上不能存储程序，只能依靠线路连接的方法
1. 始于微型机时代的嵌入式应用
1.1 单片机的发展由来----计算机的技术发展史
1. 始于微型机时代的嵌入式应用
1.1 单片机的发展由来----计算机的技术发展史
嵌入式计算机系统－－
将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制
1. 始于微型机时代的嵌入式应用
1.1 单片机的发展由来----计算机的技术发展史
嵌入式计算机系统－－
将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制
1.1
单片机的发展由来----计算机的技术发展史
２.现代计算机技术的两大分支
通用计算机系统
嵌入式计算机系统
突出高速、海量的数值计算
突出对象的智能化控制能力
单片机
1.1
单片机的发展由来----计算机的技术发展史
现代计算机技术发展的两大分支的里程碑意义在于：
不仅形成了计算机发展的专业化分工，而且将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领域，使计算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具。
3.两大分支发展的里程碑
通用计算机系统
嵌入式计算机系统
286、386、486到奔腾系列,操作系统则迅速扩张计算机基于高速海量的数据文件处理能力
单芯片化将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代
通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展，导致20世纪末、21世纪初，计算机技术的飞速发展。
1.1
单片机的发展由来----嵌入式系统的定义与特点
１.嵌入式系统的定义：
----“嵌入到对象体系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。
２. 嵌入式系统的特点：
- 面向控制对象，嵌入到应用系统中的结构形态,可靠运行的品质。
必须满足如物理环境（小型）、电气环境（可靠）、成本（价廉）等要求。
- 突出控制功能。
计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路，有突出控制功能的指令系统（I/O控制、位操作等），软、硬件的可裁剪性；满足不同对象要求的最小软、硬件配置等。
1.1
单片机的发展由来----嵌入式系统的定义与特点
３.嵌入式系统的种类：
按形态可分为: 设备级（工控机）、通用CPU模块、嵌入式微处理器（MPU、SoC）、单片机（微控制器MCU） 。
（1）工控机：通用计算机经机械改造加固、电气加固构成，其特点是软件丰富、体积大。
（2）通用CPU模块：用CPU构成各种形式的主机板系统，一般用在大量数据处理的场合、体积较小。
３.嵌入式系统的种类：
按形态可分为: 设备级（工控机）、通用CPU模块、嵌入式微处理器（MPU、SoC）、单片机（微控制器MCU） 。
（3）嵌入式微处理器：在通用微处理器（MPU）的基核上，增添一些外围单元和接口构成单芯片形态的计算机系统，如80386EX，它有定时器/计数器、DMA、中断系统、 串行口、并行口、看门狗WDT等集成在一个芯片上。
（4）单片机（微控制器）：单片机有唯一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入式应用要求。它是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，最能满足面对控制对象，应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。
1.1 单片机的发展由来----嵌入式系统的定义与特点
1.2
单片机的定义、特点及发展阶段
什么是单片机?
单片机是单片微型计算机的简称。就是将CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。因此，一块芯片就构成了一台计算机。
单片机经历了SCM、MCU、SoC三大阶段：
- SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段。
- MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段。
- SoC即片上系统（System On Chip）阶段。单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。
1.2
单片机的特点
单片机的特点:
- 体积小、重量轻、功耗低、功能强、性价比高。可嵌入各种设备中组成以之为核心的嵌入式系统。
- 数据大都在单片机内部传送，运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高。
- 结构灵活，易于组成各种微机应用系统。
- 应用广泛，既可用于工业自动控制等场合，又可用于测量仪器、医疗仪器及家用电器等领域。
1.2
单片机的发展阶段
- 第一阶段（1976~1978年）：低性能单片机的探索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表，8位CPU、定时/计数器、并行I/O口、RAM和ROM等。
- 第二阶段（1978~1982年）：高性能单片机(完善)阶段，这一类单片机带有串行I/O口，8位数据线、16位地址线可以寻址的范围达到64K字节、控制总线、较丰富的指令系统等。
- 第三阶段（1982~1990年）：微控制器（MCU）形成阶段(8031、8051，内有DAC、ADC、WDT)。
- 第四阶段（1990年~）：微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展
1. 3
单片机的应用模式
单片机应用系统的三个层次关系
应用程序
后向通道
串行通信口
前向通道
人机交互接口
单片机外形图
单片机应用系统
1. 3
单片机的应用模式
1.3.2 单片机的种类
（1）按应用领域分为：
家电类、工控类、通信类、个人信息终端等
（2）按通用性分为：
通用型和专用型（如计费率电表、电子记事簿）
（3）按总线结构分为：
总线型和非总线型
如89Ｃ51为总线型。有数据总线、地址总线及相应的控制线（
WR 、RD、EA、 ALE 等），又如89C2051等为非总线型，外部引脚少，成本下降
1.3.3 单片机的供应状态
按提供的存储器类型可分为五种状态
１、MASKROM类：程序在芯片封装过程中用掩膜工艺制作到ROM区中，如80C51，适合大批生产。
２、EPROM类：紫外线可擦写存储器类，如87C51，价格较贵
３、ROM less类：无ROM存储器，如80C31，电路扩展复杂，较少用
４、OTPROM类：可一次性写入程序
５、FlashROM（MTPROM）类：可多次编程写入的存储器如89C51、89C52，其成本低，开发调试方便，在恶劣环境下可靠性不及
OTPROM
1.3.4
单片机的应用模式
通用模式
分为：
专用模式
总线模式
非总线模式
总线型的非总线模式
总 线 应 用
模 式
并行扩展
串行扩展
I/O口
时钟
复位
通过单片机
（总线型）
8
DB
16 AB
n CB
总线型的非总线应用模式
I/O口
串行扩展
时钟
复位
通过单片机
（总线型）
8
DB
16 AB
n CB
I/O
非总线型的应用模式
I/O口
串行扩展
时钟
复位
非总线
单片机
I/O
N
专用型的应用模式
I/O口
专用外围设备
时钟
复位
专用
单片机
1.4
单片机应用领域
- 在智能仪器仪表上的应用
- 在工业控制中的应用
- 在家用电器中的应用
- 在计算机网络和通信领域中的应用
- 单片机在医用设备领域中的应用
- 单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途
1.4
单片机应用领域
⒈用图象传感器测量线材系统
⒉卫星电视的串口模拟SPI、I2C的应用，如雷达录取的数据传送
⒊直接与AD芯片配合进行各种数据传感器配合
⒋利用单片机与PC机的232通讯进行控制，单片机为控制对象
⒌通过IC卡、单片机、PC机构成的各种收费系统
⒍通过单片机控制各种步进电机完成工控任务系统
⒎通过单片机控制各种电磁设备完成工控任务系统（如程控交换系统）
⒏可应用在电机的变频技术上的控制领域中
⒐各种测量工具如水位尺，它在水文上的应用很普及
⒑大型指针钟控制器，主要根据时间控制电机带动指针
⒒电子配料控制仪，基于小型生产的自动或半自动控制，如控制上料、搅拌等
1.4
单片机应用领域
⒓用定时器和捕获功能进行某一系统的检测。可提供报警、控制等。如水位控制、温度控制，全自动洗衣机等
⒔电子称重计
⒕教学用仪器、医疗仪器
⒖由单片机构成的霓虹灯控制器
⒗在刚的热处理中采用热磁仪测量
⒘各种金属探伤仪器
⒙矿山生产智能监测仪
⒚煤矿的产煤计数器
20.汽车安全系统
21.智能玩具
22.用超声波测量江河水位
23.交流电监测仪
24.消防系统报警监测仪
25.各类水表、电表 等等
1.4
单片机应用领域
老师们做过的一些设计：
秒表/时钟计时器、超声波测距器、数字温度计、液晶GPS定位信息显示器、16×16点阵LED汉字显示屏、单片机红外线遥控系统、数控调频发射台、电子指南针、电话远程遥控器、数字语音录放器、正弦波发生器、数控直流电源、智能汽车控制器等等
1.4
单片机应用领域
老师做过的一些设计：
1.5
单片机的主要厂商及产品
Intel公司
Atmel
Microchip(中国)
Philips
Texas
Instruments(TI德州仪器)
东芝单片机
Freescale(原Motorola现在为飞思卡尔)
Holtek(盛群)
Winbond(华邦)
STC(宏晶科技)
Keil
Software
Zilog
NEC单片机
Fujitsu
富士通
EPSON
威利姆
周立功单片机
三星单片机
双龙电子
1.5
单片机的主要厂商及产品
Intel 8051单片机:
最早由Intel公司推出的8051/31类单片机也是世界上用量最大的几种单片机之一。8051单片机最早由Intel公司推出,由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC类兼容的高档芯片的开发上，8051类单片机主要由Philips、三星、华邦等公司接产。这些公司都在保持与8051单片机兼容的基础上改善了8051许多特性(如时序特性)。提高了速度、降低了时钟频率，放宽了电源电压的动态范围，降低了产品价格。使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大,应用也最广泛, 8051目前是事实上的标准MCU芯片。
1.5
单片机的主要厂商及产品
ATMEL公司：
除51系列单片机外，ATMEL的AVR单片机,是增强型RISC内载Flash的单片机,芯片上的Flash存储器附在用户的产品中,可随时编程,再编程,使用户的产品设计容易,更新换代方便.AVR单片机采用增强的RISC结构,使其具有高速处理能力,在一个时钟周期内可执行复杂的指令,每MHz可实现1MIPS的处理能力.AVR单片机工作电压为2.7~6.0V,可以实现耗电最优化.AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备,工业实时控制,仪器仪表,通讯设备,家用电器,宇航设备等各个领域。
1.5
单片机的主要厂商及产品
Motorola单片机:
Motorola(现在为飞思卡尔)是世界上最大的单片机厂商。在8位机方面有三十多个系列，二百多个品种，产量已超过20亿片。16位机也有十多个品种。32位单片机的683XX系列也有几十个品种。近年来，将DSP做为辅助模块集成的单片机也纷纷推出。目前仍是单片机的首选牌品。Motorola单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较Intel类单片机 低很多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强,更适合用于工控领域及恶劣的环境。Motorola 8位单片机过去的策略是以掩膜为主的，最近推出OTP计划以适应单片机发展新趋势，在32位机上，M.CORE在性能和功耗方面都胜过ARM7。
1.5
单片机的主要厂商及产品
Microchip单片机:
Microship单片机是市场份额增长最快的单片机。它的主要产品是PIC 16C系列和17C系列8位单片机，CPU采用RISC结构，仅33条指令，运行速度快，且以低价位著称，一般单片机价格都在一美元以下。Microship单片机没有掩膜产品，全部是OTP器件，Microship强调节约成本的最优化设计，适于用量大、档次低、价格敏感的产品。根据2007.04.20 业界知名市场调查机构Gartner Dataquest 公布Microchip Technology Inc.（美国微芯科技公司）勇夺2006年全球8位单片机销售额冠军。
1.5
单片机的主要厂商及产品
PHILIPS单片机：
除增强型51系列单片机外，也有 32位ARM微控制器－LPC2210/LPC2220系列。 PHILIPS公司的单片机在内部功能扩展、速度及低功耗方面很有特色。在国内周立功单片机有限公司的大力推行下，应用及销售量也较大。
1.5
单片机的主要厂商及产品
华邦(winbond)单片机：
华邦单片机属8051类单片机，它们的W78系列与标准的8051兼容，W77系列位增强型51系列，对8051的时序作了改进。同样时钟频率下速度提高2.5倍，FLASH容量从4K到64K，有ISP功能。在4位单片机方面华邦有921系列和带LCD驱动的741系列。在32位机方面，华邦使用惠普公司PA－RISC单片机技术，生产低位的32位RISC单片机。
1.5
单片机的主要厂商及产品
宏晶(ＳＴＣ)单片机：
宏晶科技现已成长为全球最大的8051单片机设计公司之一, 它的ＳＴＣ系列与标准的8051兼容，品种众多，首创１Ｔ时钟处理速度，同样时钟频率下速度提高１２倍左右，有在线编程功能，网上提供免费下程序下载工具。
1.6
单片机的发展方向
单片机的技术发展反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。
1、内部结构的进步
单片机在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，例如：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, CAN,脉宽调制控制电路,等。特别引人注目的是：现在有的单片机已采用所谓的三核（TrCore）结构。这是一种建立在系统级芯片（System on a chip）概念上的结构。这种单片机由三个核组成：一个是微控制器和DSP核，一个是数据和程序存储器核，最后一个是外围专用集成电路（ASIC）。
1.6
单片机的发展方向
2、功耗、封装及电源电压的进步
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，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等工作方式。Philips公司的单片机P87LPC762是一个很典型的例子，在空闲时，其功耗为1.5 mA，而在节电方式中，其功耗只有0.5mA。
单片机的封装水平已大大提高，随着贴片工艺的出现，单片机也大量采用了各种合符贴片工艺的封装方式出现，以大量减少体积。在这种形势中，Microchip公司推出的8引脚的单片机特别引人注目。
2.2～6V的条件下工作的单片机 。
1.6
单片机的发展方向
3、 RISC体系结构的发展
早期CISC指令较复杂，指令代码周期数不统一，难以实现流水线（单指仅为1MIPS），通过精简指令系统，极大部分为单周期指令，可实现流水线作业（单周期指令可达12MIPS）
4、
AＳMIC技术的发展
如以MCU为核心的专用集成电路（ASIC）。
5、单片机的软件嵌入
目前的单片机只提供程序空间，没有驻机软件。ROM空间足够大后可装入如平台软件、虚拟外设软件、用于系统诊断管理的软件等，以提高开发效率。
1.6
单片机的发展方向
6、工艺上的进步
单片机基本上采用CMOS技术，但已经大多数采用了0.6μm以上的光刻工艺，有个别的公司，如Motorola公司则已采用0.35μm甚至是0.25μm技术。这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性。
1.6
单片机的发展方向
总的来说，单片机在目前的发展形势下，表现出二大趋势：
·可靠性及应用越来越高水平,和互联网连接已是一种明显的走向
·所集成的部件越来越多
随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化和进步，最终人们可能发现：单片机与微机系统之间的距离越来越小，甚至难以辨认。
1.7
单片机的应用开发过程
单片机的应用开发可分为以下四个过程：
1、硬件系统设计调试。如电路设计、PCB印制板绘制等.
2、应用程序的设计。如编写源程序、编译调试等。
3、应用程序的仿真调试。指用仿真器对硬件进行在线调试或软件仿真调试，在调试中不断修改、完善硬件及软件。
4、系统脱机运行检查。进行全面检查，针对出现的问题修正硬件、软件或总体设计方案。
1.7
单片机的应用开发过程
学习单片机所需的准备工作
- 硬件准备
计算机：普通计算机一台。安装WIN98或WIN_XP操作系统。
编程器：用于对单片机进行编程。（使用STC或S51芯片可以使用下载线）
实验板：用来进行单片机开发设计实践，能完成的项目较多为好。
仿真器：进行较复杂设计时用来调试单片机。方便实用，但价高。
- 软件准备
集成开发软件：伟福软件WAVE6000，Keil C51等。
其它工具软件：参数计算设置软件、串口调试、PCB设计等软件。