1、第第1章章 概论概论本章主要内容本章主要内容 1.1 1.1 微控制器概述微控制器概述 1.2 MCU1.2 MCU和和MPU MPU 1.3 1.3 微控制器和嵌入式系统微控制器和嵌入式系统 1.4 1.4 微控制器的应用开发微控制器的应用开发 1.4.1 1.4.1 硬件和软件的协同设计硬件和软件的协同设计 1.4.2 1.4.2 微控制器系统的设计方法微控制器系统的设计方法 1.5 1.5 微控制器的历史与发展微控制器的历史与发展1.1 微控制器概述微控制器概述 早期称为早期称为 Single-chip Microcomputer Single-chip Microcomputer（单片
2、机）（单片机） 现一般称为现一般称为 MCU, Microcontroller Unit (MCU, Microcontroller Unit (微控制器微控制器) ) 或或 Embedded Microcontroller Embedded Microcontroller （嵌入式微控制器）嵌入式微控制器） 微控制器定义：微控制器定义： 在一块芯片上集成了在一块芯片上集成了中央处理单元（中央处理单元（CPUCPU）、）、存储器存储器（RAM/ROMRAM/ROM等）及输入输出（等）及输入输出（I/OI/O）接口的比较完整的计算接口的比较完整的计算机系统。机系统。 优点：优点： 体积小，价格低
3、，稳定可靠，较高性价比和灵活性。体积小，价格低，稳定可靠，较高性价比和灵活性。代替模拟、数字电路实现大部分计算、控制功能代替模拟、数字电路实现大部分计算、控制功能。MCU 微计算机技术的发展，形成了两大分支：微控制器和微处微计算机技术的发展，形成了两大分支：微控制器和微处理器。理器。 微处理器微处理器MPU（Microprocessor Unit）是计算机的核）是计算机的核心部件，计算机系统的主要用途是科学计算、数据处理、心部件，计算机系统的主要用途是科学计算、数据处理、图像分析、数据库管理、人工智能、数字模拟和仿真等。图像分析、数据库管理、人工智能、数字模拟和仿真等。 微控制器微控制器MCU
4、主要用于控制目的。要求构成的检测控主要用于控制目的。要求构成的检测控制系统有实时、快速的外部响应，能迅速采集到大量数据，制系统有实时、快速的外部响应，能迅速采集到大量数据，做出逻辑判断与推理后实现对被控制对象的参数调整与控做出逻辑判断与推理后实现对被控制对象的参数调整与控制。制。1.3 微控制器和嵌入式系统微控制器和嵌入式系统 面向测控对象，嵌入到实际应用系统中，实现嵌入式应用面向测控对象，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，简称嵌入式系统的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统（Embedded System）。）。 微控制器是典型的嵌入式系统。它应嵌入
5、式计算机系统应微控制器是典型的嵌入式系统。它应嵌入式计算机系统应用的要求而生，并以嵌入式应用为唯一目的。用的要求而生，并以嵌入式应用为唯一目的。嵌入式系统的类型：嵌入式系统的类型： 从形式上可将嵌入式系统分为系统级、板级和器件级：从形式上可将嵌入式系统分为系统级、板级和器件级： 系统级为各种类型的工控机，包括通用机改装的工控机、系统级为各种类型的工控机，包括通用机改装的工控机、各种总线方式的工控机或模块组成的工控机如各种总线方式的工控机或模块组成的工控机如PC104等。等。 板级有各种类型的带板级有各种类型的带CPU的主板及的主板及OEM产品。产品。 器件级则以微控制器最为经典。器件级则以微控
6、制器最为经典。工控机机箱前面视图主板视图台湾研华6184奔腾四级工控主机http:/ Embedded Control Enginehttp:/ Intel 8051 Motorola 68HC908GP32CP Elan EM78M447BP1.4 微控制器的应用开发微控制器的应用开发1.4.1 1.4.1 硬件和软件的协同设计硬件和软件的协同设计 硬件和软件的协同设计在微控制器的应用开发中占有重硬件和软件的协同设计在微控制器的应用开发中占有重 要地位。要地位。 微控制器系统将硬件和软件结合起来，构成一个专门的计微控制器系统将硬件和软件结合起来，构成一个专门的计算装置，完成特定的功能或任务。
7、它是一个大系统或大的算装置，完成特定的功能或任务。它是一个大系统或大的电子设备中的一部分，工作在一个与外界发生交互电子设备中的一部分，工作在一个与外界发生交互 并受并受到时间约束的环境中，在没有人工干预的情况下进行实时到时间约束的环境中，在没有人工干预的情况下进行实时控制。其中，软件用以实现有关功能并使系统具有适应性控制。其中，软件用以实现有关功能并使系统具有适应性和灵活性；硬件（处理器、和灵活性；硬件（处理器、ASIC、存储器等）用以满足、存储器等）用以满足性能乃至安全的需要。性能乃至安全的需要。1.4.2 1.4.2 微控制器系统的设计方法微控制器系统的设计方法通常，设计微控制器系统的方法
8、有以下三种：通常，设计微控制器系统的方法有以下三种：1以印制板计算机辅助设计软件和在线仿真器为主要工具以印制板计算机辅助设计软件和在线仿真器为主要工具 硬件设计主要是根据性能参数要求对各功能模块所需要使硬件设计主要是根据性能参数要求对各功能模块所需要使用的元器件进行选择和组合，选择的基本原则就是选购性用的元器件进行选择和组合，选择的基本原则就是选购性价比最高的通用元器件。从模块到系统找到相对优化的方价比最高的通用元器件。从模块到系统找到相对优化的方案，画出电路原理图。硬件设计的关键是利用印制板案，画出电路原理图。硬件设计的关键是利用印制板（PCB）计算机辅助设计（）计算机辅助设计（CAD）软件
9、对系统的元器件）软件对系统的元器件进行布局和布线，然后加工印制板、装配和硬件调试。进行布局和布线，然后加工印制板、装配和硬件调试。 软件设计贯穿整个系统的设计过程，主要包括任软件设计贯穿整个系统的设计过程，主要包括任务分析、资源分配、模块划分、流程设计和细化、务分析、资源分配、模块划分、流程设计和细化、编码调试等。软件设计的工作量主要集中在程序编码调试等。软件设计的工作量主要集中在程序调试，在线仿真器（调试，在线仿真器（In-Circuit Emulator，ICE）对软件调试的作用非常重要。对软件调试的作用非常重要。2 2以嵌入式操作系统和电子设计自动化综合开发平台为主以嵌入式操作系统和电子
10、设计自动化综合开发平台为主要工具要工具 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 （Embedded Operating SystemEmbedded Operating System，EOSEOS）和高性能的电子设计自动化（）和高性能的电子设计自动化（EDAEDA）综合开发平台的）综合开发平台的推出，为开发复杂的微控制器系统应用软件提供了底层支推出，为开发复杂的微控制器系统应用软件提供了底层支持和高效率开发平台。持和高效率开发平台。EOSEOS是一种功能强大、应用广泛的是一种功能强大、应用广泛的实时多任务系统软件，与通用系统机中的实时多任务系统软件，与通用系统机中的OSOS相比，内核短相比，内核短小精悍
11、、开销小、实时性强和可靠性高，还提供各种设备小精悍、开销小、实时性强和可靠性高，还提供各种设备的驱动程序和的驱动程序和TCP/IPTCP/IP协议支持。用户可以通过应用程序接协议支持。用户可以通过应用程序接口（口（APIAPI）调用函数形式来实现各种资源管理，用户程序）调用函数形式来实现各种资源管理，用户程序可以在可以在EOSEOS的基础上开发并运行。的基础上开发并运行。 设计人员从过去选择和使用标准通用集成电路器设计人员从过去选择和使用标准通用集成电路器件，逐步转向利用各种件，逐步转向利用各种 EDA工具和标准的半定工具和标准的半定制逻辑器件，如复杂可编程逻辑器件（制逻辑器件，如复杂可编程逻
12、辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（和现场可编程门阵列（FPGA）等，自己设计和）等，自己设计和制作部分专用的集成电路器件，然后把用户定义制作部分专用的集成电路器件，然后把用户定义的集成电路的集成电路CSIC（Customer Specified Integrated Circuit）、可编程外围器件、所选）、可编程外围器件、所选择的择的ASIC与微控制器在印制板上布局、布线构与微控制器在印制板上布局、布线构成系统。成系统。3 3以以IPIP（Intellectual PropertyIntellectual Property）内核库为设计基础，软）内核库为设计基础，软硬件协同设计单片系统硬
13、件协同设计单片系统 目前目前, ,集成设计已进入单片系统（集成设计已进入单片系统（System on a chip System on a chip ，SoCSoC）设计阶段，并开始实用。单片系统设计从整个系统）设计阶段，并开始实用。单片系统设计从整个系统性能要求出发，把微处理器、模型算法、芯片结构、外围性能要求出发，把微处理器、模型算法、芯片结构、外围器件各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，并通过建器件各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，并通过建立在全新理念上的系统软件和硬件的协同设计，在单个芯立在全新理念上的系统软件和硬件的协同设计，在单个芯片上完成整个系统的功能。达到高密度、高速度、
14、高性能、片上完成整个系统的功能。达到高密度、高速度、高性能、小体积和低电压等指标，特别是低功耗要求。小体积和低电压等指标，特别是低功耗要求。 PhilipsPhilips、AtmelAtmel和和TITI等厂商就是利用等厂商就是利用Intel MCS-5lIntel MCS-5l的的IPIP内内核模块，开发出了各具特长的与核模块，开发出了各具特长的与 Intel MCS-51Intel MCS-51兼容的微兼容的微控制器。控制器。 常用的常用的 IPIP内核模块有各种不同的内核模块有各种不同的 CPUCPU（32326464位位CPUCPU或或 8 81616位微控制器）、位微控制器）、 32
15、326464位位 DSPDSP、DRAMDRAM、RAMRAM、EEPROMEEPROM、FlashmemoryFlashmemory、 A AD D、 D DA A、MPEGMPEGJPEGJPEG、LJSBLJSB、PCIPCI、标准接口、网络单元、编译器、编码解码器和模拟器件标准接口、网络单元、编译器、编码解码器和模拟器件模块等。丰富的模块等。丰富的 IPIP内核模块库是快速地设计内核模块库是快速地设计ASICASIC和和SoCSoC从从而尽快占领市场的基本保证。而尽快占领市场的基本保证。结论：结论： 上述三种微控制器系统设计方法将会长期并存，各有各的上述三种微控制器系统设计方法将会长期
16、并存，各有各的应用范围。应用范围。 大多数应用开发人员在相当长的一段时间内，都会采用前大多数应用开发人员在相当长的一段时间内，都会采用前两种方法。第一种设计方法目前仍为电子系统设计人员广两种方法。第一种设计方法目前仍为电子系统设计人员广泛采用，并且比较适合于初级应用设计人员和小规模应用，泛采用，并且比较适合于初级应用设计人员和小规模应用，可以根据需要，逐步向第二种方法过渡和发展。可以根据需要，逐步向第二种方法过渡和发展。 第三种设计方法实现的第三种设计方法实现的SoC是具有一定规模、广泛使用的是具有一定规模、广泛使用的应用系统。复杂的应用系统。复杂的SoC需要大的半导体厂商才能设计和实需要大的
17、半导体厂商才能设计和实现，对应用人员来说主要是选用问题。现，对应用人员来说主要是选用问题。1.5 微控制器的历史与发展微控制器的历史与发展1.5.1 微控制器的发展历史微控制器的发展历史 第一代：第一代： 20 20世纪世纪7070年代年代 初级阶段初级阶段 Intel MCS-48 Intel MCS-48 将将CPUCPU、串并行口、定时器和串并行口、定时器和 128 128字节字节 RAM RAM 集成在一个芯片内集成在一个芯片内 ，使用，使用NMOSNMOS工艺工艺 第二代：第二代：2020世纪世纪8080年代年代 发展阶段发展阶段 Intel MCS-51 Intel MCS-51、
18、96 96 使用使用CMOSCMOS、CHMOSCHMOS工艺工艺 第三代：第三代：2020世纪世纪9090年代至今年代至今 高速发展阶段高速发展阶段 采用采用OTPROMOTPROM、FlashROMFlashROM等工艺等工艺1.5.2 1.5.2 微控制器的种类微控制器的种类 按位数分按位数分 4、8、16、32位等位等 按结构分按结构分 CISC CISC（繁杂指令集微电脑）架构繁杂指令集微电脑）架构 Intel MCS-51 MCS-96 Intel MCS-51 MCS-96 Motorola 68 Motorola 68系列系列 ATMEL 89C51 89C52 ATMEL 8
19、9C51 89C52 RISC RISC（精简指令集微电脑）架构精简指令集微电脑）架构 Microchip PIC16F87 Microchip PIC16F87系列系列 ElanElan EM78 EM78系列系列 ZilogZilog Z86HC Z86HC 1.1.5.3 5.3 微控制器的主要应用领域微控制器的主要应用领域一、微控制器的应用特性一、微控制器的应用特性 体积小体积小 可靠性高可靠性高总线在芯片内，不易受干扰总线在芯片内，不易受干扰 功能强功能强面向控制，实时控制功能强面向控制，实时控制功能强 使用方便使用方便应用系统的硬件设计非常简单应用系统的硬件设计非常简单 性能价格比
20、高性能价格比高 容易产品化容易产品化二、微控制器的主要应用领域二、微控制器的主要应用领域工业：电机控制、物理量测量处理、机器人、过程控工业：电机控制、物理量测量处理、机器人、过程控 制、数学控制、智能传感器、数据传送制、数学控制、智能传感器、数据传送 仪器仪表：智能仪器仪表、医疗器械、色谱仪、示波仪器仪表：智能仪器仪表、医疗器械、色谱仪、示波 器器 民用：玩具、字典、冰箱、洗衣机、消毒柜民用：玩具、字典、冰箱、洗衣机、消毒柜 电讯：调制解调器、智能线路运行控制、程控电话交换电讯：调制解调器、智能线路运行控制、程控电话交换 机机 导航控制：鱼雷制导、智能武器装置、导弹控制、导导航控制：鱼雷制导、
21、智能武器装置、导弹控制、导 航、电子干扰系统航、电子干扰系统 数据处理：图形终端、复印机、硬盘驱动器、磁带机、数据处理：图形终端、复印机、硬盘驱动器、磁带机、 打印机打印机 汽车：点火、变速、汽车：点火、变速、1.1.5.4 5.4 微控制器发展的新特点微控制器发展的新特点价格更低价格更低 使用更加方便使用更加方便 功耗更低功耗更低 OTP OTP型型( (One Time Programmable)One Time Programmable) 低电压型低电压型 Flash Flash型型习题与思考题习题与思考题1.1 微控制器（微控制器（MCU）和微处理器（）和微处理器（MPU）有何不同）有
22、何不同? 为什么说微控制器是典型的嵌入式系统为什么说微控制器是典型的嵌入式系统?1.2 简述微控制器的发展历史和主要技术发展方向。简述微控制器的发展历史和主要技术发展方向。1.3 微控制器的应用开发有什么特点微控制器的应用开发有什么特点?1.4 为什么在未来较长一段时期内，为什么在未来较长一段时期内，8位微控制器仍将是位微控制器仍将是主流机型？主流机型？1.5 你的身边有哪些设施应用了嵌入式控制技术？分析微你的身边有哪些设施应用了嵌入式控制技术？分析微控制器在其中的作用。控制器在其中的作用。1.6 你认为在哪个领域中微控制器的应用将得到较大发展？你认为在哪个领域中微控制器的应用将得到较大发展？简述该领域的现状和技术发展趋势。简述该领域的现状和技术发展趋势。
