1、2022-5-1809:08:161单片机原理与应用第二部分第二部分微型机原理(含单片机) 主讲：陈春华 单位：信息学院自动化研究所办公室：主楼337Email：2022-5-1809:08:162主要内容主要内容l单片机的发展与特点 1学时l8051体系结构 3学时l指令系统与C51程序设计 2学时l中断系统与定时器 2学时l串行通讯接口 2学时l总线扩展 2学时l输入输出设计 2学时l抗干扰设计 2学时2022-5-1809:08:163第一章第一章 单片机发展与特点单片机发展与特点l电子计算机的发展概述l微型计算机的组成l微型计算机的分类l单片机的发展过程l单片机的产品近况l单片机的特点
2、l单片机的应用l单片机的开发2022-5-1809:08:1641.1 电子计算机的发展概述电子计算机的发展概述1946年年2月月15日日，第，第一台电子数字计算机一台电子数字计算机问世，这标志着计算问世，这标志着计算机时代的到来。机时代的到来。 （CALCULATOR） ENIACElectronic Numerical Integrator And Computer2022-5-1809:08:1651.1 电子计算机的发展概述电子计算机的发展概述ENIAC是电子管计算机，时钟频率仅有是电子管计算机，时钟频率仅有100KHz，但，但能在能在1秒钟的时间内完成秒钟的时间内完成5000次加法运
3、算。次加法运算。与现代的计算机相比，有许多不足，但与现代的计算机相比，有许多不足，但它的问世开创了计它的问世开创了计算机科学技术的新纪元，算机科学技术的新纪元，对人类的生产和生活方式产生了对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响巨大的影响 。2022-5-1809:08:1661.1 电子计算机的发展概述电子计算机的发展概述 匈牙利籍数学家匈牙利籍数学家冯冯诺依曼诺依曼在方案的设计上做出了重要的贡献。在方案的设计上做出了重要的贡献。1946年年6月，他又提出了月，他又提出了“程序存储程序存储”和和“二进制运算二进制运算”的思想，进的思想，进一步构建了一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入
4、设备和输出设备计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成组成这一计算机的经典结构。这一计算机的经典结构。 （EDVAC-ELECTRONIC DISCRETE VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER）冯诺依曼结构结构2022-5-1809:08:167电子计算机的发展电子计算机的发展 电子管计算机电子管计算机 晶体管计算机晶体管计算机 集成电路计算机集成电路计算机 大规模集成电路计算机大规模集成电路计算机 超大规模集成电路计算机超大规模集成电路计算机 计算机的结构仍然没有突破冯计算机的结构仍然没有突破冯诺依曼提出的计算机的经典结构框架。诺依曼提出的计算机的经典结构框
5、架。1.1 电子计算机的发展概述电子计算机的发展概述 2022-5-1809:08:1681.2 微型计算机的组成1971年年1月，月，INTEL公司的特公司的特德德霍夫在与日本商业通讯公霍夫在与日本商业通讯公司合作研制台式计算器时，司合作研制台式计算器时，将原始方案的十几个芯片压将原始方案的十几个芯片压缩成三个集成电路芯片。其缩成三个集成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存储中的两个芯片分别用于存储程序和数据，另一芯片集成程序和数据，另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄了运算器和控制器及一些寄存器，称为微处理器（即存器，称为微处理器（即Intel 4004）。）。4004微处理器微处理器202
6、2-5-1809:08:169微处理器、存储器加上微处理器、存储器加上I/O接口电路组成微型计算机。各部分通过接口电路组成微型计算机。各部分通过地址总线（地址总线（AB）、数据总线（）、数据总线（DB）和控制总线（）和控制总线（CB）相连。）相连。 1.2 微型计算机的组成2022-5-1809:08:16101.3 微型计算机的分类-表现形态多板机（系统机）多板机（系统机） 工业工业PC机机 也属于多板机。也属于多板机。将将CPU、存储器、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上机板（即微机主板）。各种
7、适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。统机）。 2022-5-1809:08:16111.3 微型计算机的分类将将CPU芯片、存储器芯片、芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了中），就构成了一台单板微型计算
8、机（简称单板机）。一台单板微型计算机（简称单板机）。单板机的单板机的I/O设备简单，软件资源少，设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微型计算使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统，现机原理的教学及简单的测控系统，现在已很少使用。在已很少使用。 单板机2022-5-1809:08:16121.3 微型计算机的分类在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。 系统机（多板机）系统机（多板机） 单板机单板机l单片机单片机单片机20
9、22-5-1809:08:1613应用领域应用领域系统机系统机（桌面应用桌面应用）属于通用计算机，主要应用）属于通用计算机，主要应用于数据处理、办公自动化及辅助设计。于数据处理、办公自动化及辅助设计。单片机单片机（嵌入式应用嵌入式应用）属于专用计算机，主要）属于专用计算机，主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。 单片机单片机体积小体积小、价格低价格低、可靠性高可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势
10、。需求具有独特的优势。1.3 微型计算机的分类2022-5-1809:08:16141.4 单片机的发展过程形成阶段形成阶段 1976年，年，Intel公司推出了公司推出了MCS-48系列单系列单片机片机 。8位位CPU、1K字节字节ROM、64字节字节RAM、27根根I/O线和线和1个个8位定时位定时/计数器计数器。特点是特点是：存储器容量较小，寻址范围小（不大于：存储器容量较小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。），无串行接口，指令系统功能不强。 2022-5-1809:08:1615 1980年，年，Intel公司推出了公司推出了MCS-51系列单片机：系列单片机：
11、8位位CPU、4K字节字节ROM、128字节字节RAM、4个个8位并口、位并口、1个个全双工串行口、全双工串行口、2个个16位定时位定时/计数器。寻址范围计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。并有控制功能较强的布尔处理器。特点是特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机已成为公认的单片机经典机种经典机种 。性能完善提高阶段性能完善提高阶段 1.4 单片机的发展过程2022-5-1809:08:1616微控制器化阶段微控制器化阶段特点是特点是：片内面向测控系统
12、外围电路增强，使单片机可以：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。 “微控制器微控制器”的称谓更能反应单片机的本质的称谓更能反应单片机的本质。 1982年，年，Intel推出推出MCS-96系列单片机。系列单片机。 芯片内集成：芯片内集成：16位位CPU、8K字节字节ROM、232字节字节RAM、5个个8位并口、位并口、1个全双工串行口、个全双工串行口、2个个16位定时位定时/计数器。寻址范围计数器。寻址范围64K。片上还有。片上还有8路路10位位ADC、1路路PWM输出及高速输出及高速I/O部件等。部件等。1
13、.4 单片机的发展过程2022-5-1809:08:16171.5 单片机的产品近况 80C51系列系列单片机产品繁多，主流地位已经形成，近单片机产品繁多，主流地位已经形成，近年来推出的与年来推出的与80C51兼容的主要产品有：兼容的主要产品有： ATMELATMEL公司融入公司融入FlashFlash存储器技术的存储器技术的AT89AT89系列；系列； Philips公司的公司的80C51、80C552系列；系列； 华邦公司的华邦公司的W78C51、W77C51高速低价高速低价系列；系列；ADI公司的公司的ADC8xx高精度高精度ADC系列；系列； LG公司的公司的GMS90/97低压高速低
14、压高速系列；系列； Maxim公司的公司的DS89C420高速（高速（50MIPS）系列；系列； Cygnal公司的公司的C8051F系列高速系列高速SOC单片机。单片机。 2022-5-1809:08:1618非非80C51结构单片机新品结构单片机新品不断推出，给用户提供了不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间更为广泛的选择空间 ，近年来推出的非，近年来推出的非80C51系列的主要产品有：系列的主要产品有：Intel的的MCS-96系列系列16位单片机位单片机 ； Microchip的的PIC系列系列RISC单片机单片机 ； TI的的MSP430F系列系列16位位低功耗低功耗单片机单片机
15、。1.5 单片机的产品近况2022-5-1809:08:16191.6 单片机的特点 实时控制功能特别强，其实时控制功能特别强，其CPU可以对可以对I/O端口直接进行操作，端口直接进行操作，位操作能力位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外，由于更是其它计算机无法比拟的。另外，由于CPU、存、存储器及储器及I/O接口接口集成在同一芯片内集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数，各部件间的连接紧凑，数据在传送时据在传送时受干扰的影响较小受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所，且不易受环境条件的影响，所以单片机的以单片机的可靠性非常高可靠性非常高。近期推出的单片机产品，内部集成有高速近期推出
16、的单片机产品，内部集成有高速I/O口、口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式（如在系统编程线和开发方式（如在系统编程ISP）等方面都有了进一步的增强。）等方面都有了进一步的增强。 控制性能和可靠性高控制性能和可靠性高 2022-5-1809:08:1620单片机芯片即是一台完整的微型计算机单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于批量大，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择；同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能配选
17、择；同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少。从而使应用个或更少。从而使应用系统的系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。印制板减小、接插件减少、安装简单方便。1.6 单片机的特点体积小、价格低、易于产品化体积小、价格低、易于产品化 2022-5-1809:08:16211.7 单片机的应用 智能仪器仪表智能仪器仪表 单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使
18、仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如代。如各种智能电气测量仪表、智能传感器各种智能电气测量仪表、智能传感器等等2022-5-1809:08:1622机电一体化产品机电一体化产品机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可
19、以发挥巨大的作用。挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机机等。等。1.7 单片机的应用2022-5-1809:08:1623实时工业控制实时工业控制单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据
20、被控对象的不同特征采用不同的智能算法，制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线电机转速控制、温度控制、自动生产线等等 。1.7 单片机的应用2022-5-1809:08:1624分布式系统的前端模块分布式系统的前端模块 在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模
21、块，系统具有作为分布式系统的前端采集模块，系统具有运行可靠，数运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉据采集方便灵活，成本低廉等一系列优点。等一系列优点。1.7 单片机的应用2022-5-1809:08:1625家用电器家用电器 家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。备、高档玩具等。 另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测均有单片机的
22、广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等控系统、黑匣子等 。1.7 单片机的应用2022-5-1809:08:16261.8 单片机系统开发 正确无误的正确无误的硬件设计硬件设计和良好的和良好的软件功能设计软件功能设计是一个实用的单是一个实用的单片机应用系统的设计目标。片机应用系统的设计目标。完成这一目标的过程称为单片机应完成这一目标的过程称为单片机应用系统的开发用系统的开发。单片机作为一片集成了微型计算机基本部件的集成电路芯片，单片机作为一片集成了微型计算机基本部件的集成电路芯片，与通用微机相比，它自身没有开发功能，必须借助开发机（一与通用微机相比，它自身没有开发功能，必须借助开
23、发机（一种特殊的计算机系统）来完成如下任务：种特殊的计算机系统）来完成如下任务： 排除排除应用系统的应用系统的硬件故障硬件故障和和软件错误软件错误； 程序固化程序固化到内部或外部程序存储器芯片中到内部或外部程序存储器芯片中2022-5-1809:08:1627u开发语言开发语言汇编汇编PL/MPL/MC C语言语言1.8 单片机系统开发2022-5-1809:08:1628利用独立型仿真器开发 1.8 单片机系统开发2022-5-1809:08:1629u在系统编程（在系统编程（ISP）和在应用编程（）和在应用编程（IAP）SST公司推出的公司推出的SST89C54和和SST89C58芯片分别
24、有芯片分别有20KB和和30KB的的SuperFLASH存储器，利用这种存储存储器，利用这种存储器可以进行高速读写的特点，能够实现器可以进行高速读写的特点，能够实现ISP和和IAP功功能。首先在能。首先在PC机上完成应用程序的编辑、汇编（或机上完成应用程序的编辑、汇编（或编译）、模拟运行，然后实现目标程序的串行下载。编译）、模拟运行，然后实现目标程序的串行下载。 1.8 单片机系统开发2022-5-1809:08:1630MicrochipMicrochip公司推出的公司推出的RISCRISC结构单片机结构单片机PIC16F87XPIC16F87X中内置有在线调试器中内置有在线调试器ICDIC
25、D（In-Circuit In-Circuit ProgrammingProgramming）功能；）功能； 该公司还配置了具有该公司还配置了具有ICSPICSP（In-Circuit In-Circuit Serial ProgrammingSerial Programming）功能的简单仿真器和烧写）功能的简单仿真器和烧写器。通过器。通过PCPC机串行电缆就可以完成对目标系统的机串行电缆就可以完成对目标系统的仿真调试仿真调试 。u在线调试器在线调试器ICD1.8 单片机系统开发2022-5-1809:08:1631CygnalCygnal公司推出的公司推出的80C51F80C51F系列单片
26、机内置有系列单片机内置有JTAGJTAG接接口，方便调试、程序烧写口，方便调试、程序烧写（Joint Test Action Group ）JTAG是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持JTAG协议,如DSP、FPGA、SOC器件等。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO,分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。uJTAG接口接口1.8 单片机系统开发2022-5-1809:08:1632思考题与习题 1.第一台计算机的问世有何意义？第一台计算机的问世有何意义？2.计算机由哪几部分组成？计算机由哪几部分组成？ 3.微型计算机由哪几部分构成？微型计算机由哪几部分构成？4.微处理器与微型计算机有何区别？微处理器与微型计算机有何区别？5.什么叫单片机？其主要特点有哪些？什么叫单片机？其主要特点有哪些？ 6.微型计算机有哪些应用形式？各适于什么场合？微型计算机有哪些应用形式？各适于什么场合？7.当前单片机的主要产品有哪些？各有何特点？当前单片机的主要产品有哪些？各有何特点？8.简述单片机的开发过程。简述单片机的开发过程。 9.常用的单片机应用系统开发方法有哪些？常用的单片机应用系统开发方法有哪些？
