单片机和嵌入式系统概述

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1、第一章 单片机(和嵌入式系统)概述 1.1 单片机（和嵌入式系统）的发展 1.1.1 计算机发展的三个浪潮 第一种浪潮（19461975）, 大型机硬件导向：计算机只能由专家操作，把解决后的信息交顾客使用，信息解决与使用分离。集中解决时代 第二个浪潮（19761993）台式计算机导向：机普及，信息由解决者个人享有不能互发信息，难以共享。信息解决与使用者结合。分散解决时代 第三个浪潮（1994?）,网络导向：计算机通过网络互连进行全球通信，引入网络就是计算机的新概念。软件可以象数据同样驻留在网络上，软件程序可以实时执行，顾客可随时达到寄存所需程序的地址，而不受计算机类型和操作系统的限制。信息收集

2、、解决、分析和存储都商业化。网络解决时代 1.1.2 计算机发展简史 第一代到第四代计算机都是以电子器件的发展更新来划分的，而第五代后来的计算机则是以设计思想的更新来划分。 第一代电子管计算机（19461958） （）硬件 逻辑器件：电子管和继电器 内存：汞延迟线，静电存储管，年浮现磁芯（统治年） 外存：磁带机、穿孔纸带机和卡片机，年生产磁盘机 （）软件：年此前几乎没有软件，重要用机器语言-二进制代码指令 后期发展了汇编语言 （）性能 运算速度：几千次到几万次 平均稳定运营时间：几小时 （）特点 体积大、功耗大、价格大，速度慢、容量小、可靠性差 （）典型机器 1942年美籍保加利亚人，爱荷华州

3、立学院数学系文森特.阿培纳索夫（Vincent Atanasoff）与其助手克里夫德.贝利（Clifford Berry）研制成功世界上第一台数字电子计算机ABC。采用300个电子管，用电容器做存储器，穿孔卡片作为辅助存储器，运算速度为1次/s。用于解线性代数方程。1973年美国法院把发明权归属于阿培纳索夫。 由美国宾夕法尼亚大学的工程师埃克特（J.Presper Eckert）和物理学家毛希利（John.W.Mauchly）于1945年12月研制成功，于1946年2月正式公开表演数字式电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Compute

4、r）。1947年运到马里兰州陆军阿伯丁试炮场的弹道研究实验室正式使用。 用了只电子管、 bit字长、内存kB，300次乘法/s,5000次加法/s，占地165 m2，重量 T，耗电 kW。 年月 年月 年 （） （） 第二代晶体管计算机（19581964） （）硬件 逻辑器件：晶体管 内存：磁芯 外存：磁盘和磁带机 （）软件 汇编语言、高档语言FORTRAN、COBOL(59年开发，61年完毕)、ALGOL（1960年）的编译系统，管理/监控程序 （）性能 运算速度：几万到几十万次秒 平均稳定运营时间：数十小时 （）典型机器 年月 年月 乙（） 第三代集成电路计算机（19641971） （）硬

5、件 逻辑器件：中小规模集成电路 内存：磁芯存储器和磁膜存储器 年 部分采用半导体存储器 年 所有采用半导体存储器 外存：磁盘（机） （）软件 5年浮现高档语言，年代末发明高档语言PASCAL(67年开发，71年完毕)，并浮现多道、分时操作系统和网络系统软件 （）性能 运算速度：几十万到几百万次秒 平均稳定运营时间：几百小时 （）典型机器 年 年 （） （） （） 第四代大规模集成电路计算机（1971?） （）硬件 逻辑器件：大规模集成电路 内存： 大规模集成电路 外存：磁盘、光盘 （）软件 高档语言FORTH（70年）、（72年）、Ada（79年）、LOGO 人工智能语言LISP、Prolog

6、 操作系统、数据库管理系统、Windows （）性能 运算速度：几千万到几亿次/秒 （）典型机器 年 Cyber-205、Cray-1、（亿次秒） ILLIAC-IV（美宇航局阿姆斯中心）:64个解决机, 1.5亿亿次/秒 PEPE（美弹道导弹防御局）:256个解决机, 10亿次/秒 70年代计算机技术开始加速，80年代年就一种档次奔腾，90年代一年一种样，机器的生命周期仅.年。 Intel 8086/8088 IBM PC/RT 80286 IBM PC/AT 80386 80486 Pentium CPU 含310万个晶体管，速度可达1.12亿次秒 Pentium Pro CPU 含520

7、万1550万个晶体管 Motorola 6800068010680206803068040 Apple Macintosh 第五代人工智能计算机 这是面向知识解决的新型计算机，其目的是能通过推理做出判断，能听懂自然语言，能辨认印刷体和手写体字，能对语言的意义加以理解，能说自然语言，甚至也许在思考问题方面超过人类的个体。但是由于种种因素，日本实行的第五代计算机筹划未能成功。 第六代神经网络计算机 这是一种仿真人大脑构造的新型计算机。目的是可以对图形、图像直接解决，对非逻辑的复杂问题具有推断和知觉判断的能力，甚至还具有总结经验教训、归纳推理的能力。 95年11月中科院半导体所研制成功数字和模拟混合

8、电路的神经网络计算机“预言神一号”，万亿次秒，可用于图像、文字和语音辨认。 1.1.3 微解决器与微型计算机发展简况 1. 86系列 Intel 71 72 74 78 79 82 85 89 40408008808080858086808880186802868038680486 4bit 8bit 16bit准16bit 32bit 93.3 96 97 97 99.2 .11PentiumPentium ProMMX PentiumPentium Pentium Pentium 4 Merced(Intel+HP) 64bit AMD K5K6K6-2k6-3K7(Athlon) 2.其

9、她系列 Motorola 68006800068010680206803068040 (Apple Macintosh) 6502 (Apple机) Zilog Z80Z8000Z80000 IBM+Apple+Motorola: Power PC 601602603e604620 3. 高品位解决器：用于工作站、服务器 DEC(Compaq): Alpha 2106421164212642136421464(5万亿次) Sun: SPARCUltra SPARC 可扩展性（1000多种p） （集成度达1600万T） MIPS:R4400R8000R10000 (用于SGI 图形工作站) AR

10、M: ARM7系列 低功耗 ARM9系列 ARM9E系列 ARMl0系列 SecurCoreSCl00 StrongARM XScale ARMl1系列 微解决器发展的另一种方向是小型化、面向控制，发展成微控制器 1.1.4 单片机（微控制器）的发展概况 71年 Intel:4040 p 74年 Fairchild:准单片机F8(需加一片3851-1k ROM+CTC+PIO2) 75年 TI:4位单片机TMS-1000 76年 Intel:MCS-48系列-8048（ROM）,8748(EPROM),8035(无ROM) 78年 Motorola:M6801 78年 Zilog:Z8系列，S

11、uper 8 80年 Intel:8位MCS-51系列-8051（ROM）,8751(EPROM),8031(无ROM) 82年 Intel:16位MCS-96系列 8096 88年 准16位8098 于98年停产 90年 Motorola:68HC0568HC1168HC1268HC16683 90年代后，微控制器的发展百花齐放、五彩缤纷，老公司不断推陈出新，新的公司鼎故革新，推出了诸多各具个性的微控制器。 1.Intel: 71 72 74 76 80 82 85 88 4040800880808085804880518096801968098 Philips 80C51(I2C) Atm

12、el AT89C51(Flash) AVR AT90S（高速） AVR AT91系列（ARM Core） Cygnal C8051F(高速，SoC) 2. TI： MSP430系列（低功耗） 3. SCENIX： SX系列 （极高速） 4. Microchip: PIC系列 （高性能价格比） 1.1.5 嵌入式系统的发展 1. 低中端嵌入式系统应用 面向控制的应用都采用微控制器（单片机）实现，过去都是采用汇编语言编程，用仿真器调试。没有开发平台，只能通过软硬兼施，从设计硬件电路原理图开始，印制板设计、加工、安装、焊接、编程、调试、测试都要熟悉。既难又繁，容易出错，需要慢慢积累经验才干得心应手。

13、 采用C-51高档语言编程，运用C编译器编译成机器码再下载执行，大大提高了开发效率. 2. 中高品位嵌入式系统应用 面向数字信号解决、通信、网络应用等复杂的应用，由于波及到TCP/IP等合同和顾客图形界面（GUI）的复杂性，一般都需要借助于嵌入式操作系统EOS平台，采用高档语言C/C+/Java进行开发。 1.2 嵌入式系统的技术特性 1. 专用计算机系统(非PC机形态)：看不到计算机的计算机应用系统 以应用为中心，量体裁衣定制。 以计算机技术为基本，硬件与软件紧密结合。 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格规定。 2. 知识集成系统 技术密集、资金密集。 高度分散、不可垄断。 面

14、向应用、不断创新。 1.3 嵌入式系统应用嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以涉及：1工业控制基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的发展空间，目前已有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等领域。就老式的工业控制产品而言，低端型往往采用的是8 位单片机，但是随着技术的发展，32 位、64 位的微解决器逐渐成为工业控制设备的核心，在将来几年内必将获得更大的发展。 2交通管理控制 在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS 模块、GSM 模块的移动定位终端

15、已经在多种运送行业获得了成功的使用。目前GPS 设备已经从尖端产品进入了一般百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随处找到你的位置。图1-11 即是GPS 手持机。图1-1 GPS 手持机3信息家电这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一种崭新的空间。虽然不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。图1-2 是信息家电的一种家庭网络视频电话。图1-2 信息家电:家庭网络视频电话4家庭智能管理系统水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌入的专用控制芯片将替代老式的人工检查，并实现更高、更精确和更安

16、全的性能。目前在服务领域中，某些手持设备已经体现出了嵌入式系统的优势。 5POS 网络公共交通无接触智能卡（CSC-Contactless Smart Card）发行系统、公共电话卡发行系统、自动售货机（如图1-3 所示）、多种智能ATM 终端将全面走入人们的生活，届时手持一卡就可以行遍天下。图1-3 智能售货机6环境监测环境监测涉及水文资料实时监测、防洪体系及水土质量监测、堤坝安全、地震监测网、实时气象信息网、水源和空气污染监测。在诸多环境恶劣、地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。7机器人嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、高智能方面优势更加明显，同步会大幅度减少机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。除了以上这些应用领域，嵌入式系统尚有其她方面的应用。可以毫不夸张地说，嵌入式系统已经进入到现代社会人们生活的方方面面，可是说是“无处不在”，特别是在控制方面的应用。就远程家电控制而言，除了开发出支持TCP/IP 的嵌入式系统之外，家电产品控制合同也需要制定和统一，这需要家电生产厂家来做。同样的道理，所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现接口，然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。因此，开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。