1、第二部分微机原理第二部分微机原理主讲教师：喻红主讲教师：喻红第第1章单片机概述章单片机概述华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院2主要内容主要内容w 单片机及其发展单片机及其发展w 单片机的结构及特点单片机的结构及特点w 单片机应用单片机应用华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院3单片机单片机：SCM（Single-Chip Microcomputer）单片微型计算机单片微型计算机单片机是把主要计算机功能部件都集成在一块芯片上的单片机是把主要计算机功能部件都集成在一块芯片上的微型计算机。微型计算机。华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续
2、教育学院4一、计算机一、计算机1计算机：计算机：不需要人工的直接干预，能够对各种数字信不需要人工的直接干预，能够对各种数字信息进行算术和逻辑运算的快速电子设备。息进行算术和逻辑运算的快速电子设备。2计算机的四个发展时期：计算机的四个发展时期：电子管计算机（电子管计算机（19451955年）年）晶体管计算机（晶体管计算机（19551965年）年）集成电路计算机（集成电路计算机（19651975年）年）大、超大规模集成电路计算机（大、超大规模集成电路计算机（1975今）今）1.1单片机及其发展概况单片机及其发展概况华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院53计算机分类：计算机分
3、类：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机4微型计算机：微型计算机：微型计算机是第四代计算机向微型化方向发展的结果。具有微型计算机是第四代计算机向微型化方向发展的结果。具有以下特点：以下特点：（1）体积小、重量轻、价格低；）体积小、重量轻、价格低；（2）结构灵活；）结构灵活；（3）应用面广，普及程度高。）应用面广，普及程度高。主机（主机（CPU+RAM+ROM+I/O+电源）电源）外设（键盘、外设（键盘、CRT、打印机、打印机）华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院6二、微处理器、微型计算机、微型计算机系统二、微处理器、微型计算机、微
4、型计算机系统1微处理器：微处理器：（简称（简称CPU、P）（1）定义：微型化的中央处理器，通常是由一片或少数几片）定义：微型化的中央处理器，通常是由一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理部件。大规模集成电路组成的中央处理部件。（2）功能）功能:1)实现算术和逻辑实现算术和逻辑运算运算，并具有逻辑判断能力，并具有逻辑判断能力 2)能对能对指令指令进行译码进行译码,并执行指令所规定的操作并执行指令所规定的操作 3)具有访问存储器和外设的能力具有访问存储器和外设的能力 4)提供整个系统所需要的定时和控制信号提供整个系统所需要的定时和控制信号 5)可响应中断请求可响应中断请求华中科技大学远程与继续
5、教育学院华中科技大学远程与继续教育学院7 （3）CPU内部结构上包含下列部分内部结构上包含下列部分 1）算术逻辑部件）算术逻辑部件 处理各种数据信息，进行算术运算和逻辑运算。处理各种数据信息，进行算术运算和逻辑运算。2）累加器和通用寄存器组）累加器和通用寄存器组 保存参与运算的数据、运算的中间结果和地址。保存参与运算的数据、运算的中间结果和地址。3）程序计数器、指令寄存器和指令译码器）程序计数器、指令寄存器和指令译码器 4）时序和控制部件）时序和控制部件产生相应的控制信号并送到时序和控制逻辑电路产生相应的控制信号并送到时序和控制逻辑电路中，形成外部电路所需要的控制信号，以控制整个系中，形成外部
6、电路所需要的控制信号，以控制整个系统协调工作统协调工作。华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院8（4）微处理器的发展）微处理器的发展 第一代微处理器：第一代微处理器：1971 1972年：处理字长年：处理字长4或或8位；集成度位；集成度2000管管/片；片；1MHz、20s；如；如Intel公司公司4004、8008；第二代微处理器第二代微处理器19731977年：年：8位；位；9000管管/片；片；24MHz；12s；如如Intel公司公司8080/8085、Zilog公司公司Z80、Motorola公司公司M6800；第三代微处理器第三代微处理器19771978年：年
7、：16 位；位；2000060000管管/片；片；48MHz；0.5s；如；如 Intel公司公司8086/8088、Zilog 公司公司Z8000;华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院9第四代微处理器第四代微处理器 1980年：年：16位；位；100000管管/片；片；10MHz；0.2 s；如；如Intel公司公司80186/80286；1985年：年：32位；位；150000200000管片；管片；1620MHz；0.1 s；如；如Intel公司公司80386；第五代微处理器第五代微处理器 1990年：年：64 位；位；3100000管管/片；片；66MHz；如；
8、如Intel公司公司80486、Pentium;华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院102微型计算机（微型计算机（C）（1）定义：）定义：以微处理器为核心，配上存储器、输入/输出接口电路和系统总线所组成的计算机。（2）基本结构：）基本结构：1)CPU 2)存储器 3)输入/输出接口电路 4)总线3微型计算机系统微型计算机系统微型计算机系统包括硬件和软件两大部分，它是以微微型计算机系统包括硬件和软件两大部分，它是以微型计算机为主体，配上系统软件和外部设备组成的。型计算机为主体，配上系统软件和外部设备组成的。华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院11三
9、、单片机及其发展三、单片机及其发展1单片机：单片机：单片机是将中央处理器单片机是将中央处理器(CPU)、随机存储器、随机存储器(RAM)、只读存储器只读存储器(ROM或或 EPROM)、定时器计数器芯片和一、定时器计数器芯片和一些输入输出接口电路集成在一个芯片上的微型计算机，些输入输出接口电路集成在一个芯片上的微型计算机，又称为又称为微控制器微控制器(Micro-controller)。它是专为工业控制和。它是专为工业控制和智能仪器设计的智能仪器设计的一种集成度很高的微型计算机一种集成度很高的微型计算机。单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地
10、完成现代控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的成现代控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。特征。华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院12 76年；年；Intel公司公司MCS-48；8位；位；78年；年；Intel公司公司MCS-51、Zilog公司公司Z8、Motorola公公司；司；6805；8位；位；83年；年；Intel公司公司MCS-96；16位位 88年；年；Intel公司公司9098；准；准16位位 90年；年；Intel公司公司80960；32位位2单片机的发展：单片机的发展：自自1974年美国仙童公司年美国仙童公司(Fairchild
11、)生产第一个单片机生产第一个单片机F8以来，以来，TI、Rockwell、Intel、Zilog、Motoro1a、NEC公司公司都纷纷推出自己的单片都纷纷推出自己的单片 机系列。出现了机系列。出现了4位、位、8位、位、16位、位、32位单片机。位单片机。华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院13（1）单片机初级阶段（）单片机初级阶段（19741976年）：年）：元件集成规模还比较小，功能较简单，一般均把元件集成规模还比较小，功能较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，如仙口集成到芯片上，如仙童公司的童公司的F8单片
12、机、单片机、Zilog公司的公司的Z80微处理器。微处理器。（2）低性能单片机阶段（）低性能单片机阶段（19761978年）：年）：采用了单片结构，如采用了单片结构，如Intel公司的公司的MCS-48系列，系列，8位位CPU、8位定时器、并行位定时器、并行I/O口、口、RAM和和ROM，ROM的容的容量小，寻址范围一般不超过量小，寻址范围一般不超过4K字节，中断处理较简单，无字节，中断处理较简单，无串行串行I/O口。口。MCS-48系列体积小、功能全、价格低，为单片机的发系列体积小、功能全、价格低，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。展奠定了基础，成为单片机发展史上重要
13、的里程碑。单片机的发展过程可划分为四个阶段：单片机的发展过程可划分为四个阶段：华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院14（3）高性能单片机阶段（）高性能单片机阶段（1978）：）：在在SFR（特殊功能寄存器）管理下的模块化结构，标（特殊功能寄存器）管理下的模块化结构，标准的外部三总线，有串行准的外部三总线，有串行I/O口、口、16位定时器、较高级的位定时器、较高级的中断处理，内中断处理，内RAM、ROM容量较大，寻址范围可达容量较大，寻址范围可达64K字节，有的还带有字节，有的还带有A/D等，如等，如Intel公司的公司的MCS-51系列单片系列单片机。机。（4）16位单
14、片机阶段（位单片机阶段（1982）：）：16位位CPU，内，内RAM、ROM的容量进一步增大，中断的容量进一步增大，中断处理能力更强、高速处理能力更强、高速I/O、多通道的、多通道的A/D转换器等转换器等,如如Intel公司的公司的MCS-96系列单片机系列单片机华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院15（1）第一代单片机：）第一代单片机：只是将只是将CPU及及RAM、ROM、I/O口、口、CTC等功能单元集成等功能单元集成在同一个芯片上。如在同一个芯片上。如Intel公司的公司的MCS-48系列单片机。系列单片机。（2）第二代单片机：）第二代单片机：具有模块化结构，标准
15、的外部三总线结构，及可用于多机具有模块化结构，标准的外部三总线结构，及可用于多机通信的全双工串行口。如通信的全双工串行口。如Intel公司的公司的MCS51系列单片机。系列单片机。（3）第三代单片机：）第三代单片机：大力发展控制功能，提高系统运行的可靠性，将测控系统大力发展控制功能，提高系统运行的可靠性，将测控系统中需要的外部接口电路，如高速中需要的外部接口电路，如高速I/O、ADC、PWM纳入片内，纳入片内，朝着微控制器的目标迈进。这一目标首先在朝着微控制器的目标迈进。这一目标首先在Intel公司的公司的MCS96单片机中得到体现。单片机中得到体现。从单片机的结构和功能分为三代：从单片机的结
16、构和功能分为三代：华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院16第三代单片机的技术特点：第三代单片机的技术特点：w 普遍采用普遍采用CMOS工艺，通常都能与工艺，通常都能与TTL电路兼容。电路兼容。w 提供不同类型的存储器，并不断扩展存储容量。提供不同类型的存储器，并不断扩展存储容量。w 大力提高运行速度，主要措施大力提高运行速度，主要措施是是提高时钟频率提高时钟频率。w 努力扩大接口功能努力扩大接口功能。w 采用多种措施，提高芯片及系统工作的可靠性采用多种措施，提高芯片及系统工作的可靠性。w 不断发展和完善串行总线不断发展和完善串行总线。华中科技大学远程与继续教育学院华中科
17、技大学远程与继续教育学院171大容量、高性能化；大容量、高性能化；2小容量、低价格化；小容量、低价格化；3外围电路内装化；外围电路内装化；4全盘全盘CMOS化，实现全面功耗管理。化，实现全面功耗管理。单片机的发展趋势单片机的发展趋势：华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院18单单片片机机系系统统硬件硬件部分部分软件软件部分部分单片单片机芯机芯片片外围外围器件器件CPU内存内存中断控制逻辑中断控制逻辑通用接口通用接口运算器运算器寄存器组寄存器组控制器控制器并行并行I/O口口串行串行UART定时定时/计数器计数器ADC0809、DAC0832825382518255A、815
18、52764、6264指令指令系统系统应用应用程序程序一、单片机的结构一、单片机的结构1.2单片机的结构及特点单片机的结构及特点华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院191集成度高；集成度高；2片内片内RAM采用寄存器结构形式，提高存取速度；采用寄存器结构形式，提高存取速度；3指令采用紧凑的格式；指令采用紧凑的格式；4片内有完善的输入片内有完善的输入/输出部件；输出部件；5存储结构上，把程序存储器与数据存储器分开。存储结构上，把程序存储器与数据存储器分开。二、单片机的结构特点二、单片机的结构特点华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院201小巧、灵活、成
19、本低，易于产品化；小巧、灵活、成本低，易于产品化；2面向各类控制任务，可选度大，能获得最佳的性价比；面向各类控制任务，可选度大，能获得最佳的性价比；3抗干扰能力强，适应温度范围宽；抗干扰能力强，适应温度范围宽；4可以方便地实现多机、分布式的集散控制。可以方便地实现多机、分布式的集散控制。1.3单片机的应用单片机的应用一、单片机的优点一、单片机的优点华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院21二、单片机的应用二、单片机的应用 1在智能仪器仪表上的应用在智能仪器仪表上的应用 单片机体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型单片机体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用
20、方便等优点，结合不同类型的传感器，可实现电压、化和使用方便等优点，结合不同类型的传感器，可实现电压、频率、温湿度、速度、长度、压力等物理量的测量。采用单频率、温湿度、速度、长度、压力等物理量的测量。采用单片机控制实现仪器仪表的数字化、智能化、微型化。片机控制实现仪器仪表的数字化、智能化、微型化。2军事上在一些新式武器装备控制方面的应用。军事上在一些新式武器装备控制方面的应用。华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院223在工业控制中的应用在工业控制中的应用用单片机构成形式多样的控制系统、数据采集系统。实用单片机构成形式多样的控制系统、数据采集系统。实现分布式、嵌入式控制。现
21、分布式、嵌入式控制。4在家用电器中的应用在家用电器中的应用现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，洗衣机、现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、音响视频器材、电子秤量设备，无电冰箱、空调机、彩电、音响视频器材、电子秤量设备，无所不在。所不在。华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院235在计算机网络和通信领域中的应用在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用
22、提供了极好的物质条件。好的物质条件。现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，手机，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信等。通信等。华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院246在汽车工业中应用在汽车工业中应用显示系统、动力测控系统、运行监视器（黑匣子）等。显示系统、动力测控系统、运行监视器（黑匣子）等。7单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途相当广泛，例如医用呼吸机，单片机在医用设备中的用途相当广泛，例如
23、医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院25一、三个系列产品一、三个系列产品w MCS-48系列单片机：系列单片机：Intel公司早期产品，主要用于简单公司早期产品，主要用于简单的应用系统。的应用系统。w MCS-51系列单片机：采用系列单片机：采用HMOS技术，高性能技术，高性能8位机。位机。我国应用最广泛。我国应用最广泛。w MCS-96系列单片机：功能强大的系列单片机：功能强大的16位或准位或准16位单片机。位单片机。1.4Intel单片机系列单片机系列
24、华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院26l以上单片机各种发展系列并非一代淘汰一代，用户根以上单片机各种发展系列并非一代淘汰一代，用户根据产品要求、性价比等情况选择。据产品要求、性价比等情况选择。目前市面上较有影响的单片机厂家有：目前市面上较有影响的单片机厂家有：lINTEL：MCS-51、MCS-96系列。系列。lMOTOROLA：68HCXX系列。系列。lMICROCHIP：16C5X/6X/7X/8X系列。系列。lZILOG：Z86EXXXPSC系列。系列。lTEXAS：MSP430FXX系列。系列。各厂家单片机的指令系统各不相同，功能各有所长，各厂家单片机的指令系
25、统各不相同，功能各有所长，其中市场占有最高的是其中市场占有最高的是MCS-51系列。系列。华中科技大学远程与继续教育学院华中科技大学远程与继续教育学院27 因为世界上很多知名的因为世界上很多知名的IC生产厂家都生产生产厂家都生产51兼容的芯兼容的芯片。目前为止，片。目前为止，MCS-51单片机已有数百个品种，还在不断单片机已有数百个品种，还在不断推出功能更强的新产品。近年来推出功能更强的新产品。近年来PHILIPS公司又推出了指公司又推出了指令和令和MCS-51兼容的兼容的16位单片机，这样保证了位单片机，这样保证了MCS-51单片单片机的先进性，因此机的先进性，因此MCS-51单片机成为教学的首选机型。单片机成为教学的首选机型。
