第1章概 论

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1、主讲：主讲：盛朝强盛朝强Tel:13908312157Tel:13908312157嵌入式技术及应用嵌入式技术及应用主要参考书 单片机原理及应用单片机原理及应用 黄勤 李楠 编著 清华大学出版社第第1章章 概概 论论 主要内容主要内容 计算机的分类计算机的分类 嵌入式系统嵌入式系统 单片机单片机 单片机的结构特点单片机的结构特点 单片机的应用单片机的应用 单片机的发展趋势单片机的发展趋势 MCS-51系列系列单片机类型单片机类型 单片机应用系统的开发单片机应用系统的开发1.1 计算机的分类 长期以来人们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领长期以来人们按照计算机的体系结构、运算速度、

2、结构规模、适用领域，将其分为域，将其分为 大型计算机、中型机、小型机和微型计算机大型计算机、中型机、小型机和微型计算机。随着计算机技术的迅速发展，计算机技术和产品对其它行业的广泛渗随着计算机技术的迅速发展，计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透，人们以应用为中心、按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用进行新透，人们以应用为中心、按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用进行新的分类的分类,将其分为将其分为 嵌入式计算机嵌入式计算机 和和 通用计算机。通用计算机。通用计算机通用计算机 具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现，具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现，并

3、应用在社会的各个方面，其典型产品为并应用在社会的各个方面，其典型产品为PCPC机；机；嵌入式计算机嵌入式计算机 则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。嵌入式系统是嵌入式系统是以应用为中心以应用为中心、以计算机技术为基础、软件、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、针对具体应用系统、对功能、可靠性、成本、硬件可裁剪、针对具体应用系统、对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用

4、计算机的外部设备中就包含了一台通用计算机的外部设备中就包含了5-105-10个嵌入式微处个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、ModemModem、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USBUSB集线器集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、家电产品等方面无不是嵌入式计算机的应用领域。家电产品等方面无不是嵌入式计算机的应用

5、领域。1.2 嵌入式系统1.2.1 嵌入式系统的种类嵌入式系统的种类 嵌入式系统的核心部件有以下三类：嵌入式系统的核心部件有以下三类：（1 1）嵌入式微处理器嵌入式微处理器（Embedded Microprocessor Unit,EMPU）：功能同标准的功能同标准的CPUCPU，但在工作温度、，但在工作温度、电磁干电磁干扰、可靠性等方面做了各种增强。扰、可靠性等方面做了各种增强。（2 2）嵌入式微控制器嵌入式微控制器（Microcontroller Unit,MCU又称单又称单片机）片机）。（3 3）嵌入式嵌入式DSP处理器处理器（Embedded Digital Signal Proces

6、sor,EDSP）：）：DSPDSP处理器对系统结构和指令进处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行行了特殊设计，使其适合于执行DSPDSP算法，编译效率算法，编译效率较较高，指令执行速度也较高。高，指令执行速度也较高。1.2.2 1.2.2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 (1)(1)产品稳定性产品稳定性 不象不象PCPC机那样更新换代很快，机那样更新换代很快，5151单片机问世单片机问世2020多年，至多年，至今方兴未艾。今方兴未艾。(2)(2)不可垄断性不可垄断性 PCPC机垄断全世界，机垄断全世界，WindowsWindows垄断全世界垄断全世界,而单片机没有一而单片机没

7、有一个能垄断全世界，各种单片机各有自己的市场。个能垄断全世界，各种单片机各有自己的市场。(3)(3)产品的多样性、分散性、创新性产品的多样性、分散性、创新性 (4)(4)软件特性：不是以磁盘的形式存储，而是固化在芯片中软件特性：不是以磁盘的形式存储，而是固化在芯片中 (5)(5)嵌入式系统的开发需要开发工具嵌入式系统的开发需要开发工具 嵌入式系统自身无开发能力，需借助开发工具，如编程嵌入式系统自身无开发能力，需借助开发工具，如编程器、仿真器。器、仿真器。全称全称单片微型计算机单片微型计算机(Single ChipMicrocomputer)又称又称微控制器微控制器MCU(Micro Contr

8、oller Unit)，是将计算机是将计算机的基本部分微型化，使之集成在一块芯片上的微机。片内含的基本部分微型化，使之集成在一块芯片上的微机。片内含有有CPU、ROM、RAM、并行并行I/0I/0、串行串行I/OI/O、定时器定时器/计数计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等，它本身就是一个嵌器、中断控制、系统时钟及系统总线等，它本身就是一个嵌入式系统，同时它也可作更大的嵌入式系统的核心。入式系统，同时它也可作更大的嵌入式系统的核心。单片机的特点是小而全，即体积小、功能全、功耗低、单片机的特点是小而全，即体积小、功能全、功耗低、性能价格比高。性能价格比高。1.3 单片机单片机1.3.1 单片机

9、的结构特点单片机的结构特点控制性能和可靠性高控制性能和可靠性高 实时实时控制功能特控制功能特别别强强，其，其CPUCPU可以可以对对I/OI/O端口直接端口直接进进行操行操作，作，位操作能力位操作能力更是其它更是其它计计算机无法比算机无法比拟拟的。另外，由于的。另外，由于CPUCPU、存、存储储器及器及I/OI/O接口接口集成在同一芯片内集成在同一芯片内，各部件，各部件间间的的连连接接紧紧凑，数据在凑，数据在传传送送时时受干受干扰扰的影响的影响较较小小，且不易受，且不易受环环境条件境条件的影响，所以的影响，所以单单片机的片机的可靠性非常高可靠性非常高。近期推出的近期推出的单单片机片机产产品，内

10、部集成有高速品，内部集成有高速I/OI/O口、口、ADCADC、PWMPWM、WDTWDT等部件，并在低等部件，并在低电压电压、低功耗、串行、低功耗、串行扩扩展展总线总线、控、控制网制网络总线络总线和开和开发发方式（如在系方式（如在系统编统编程程ISPISP和在和在应应用用编编程程IAPIAP）等方面都有了）等方面都有了进进一步的增一步的增强强。体积小、价格低、易于产品化体积小、价格低、易于产品化 单单片机芯片即是一台完整的微型片机芯片即是一台完整的微型计计算机算机，对于批量大的，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配选择；专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配

11、选择；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方面，有的单片机好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到引脚已减少到8个或更少。个或更少。从而使应用系统的从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、安装印制板减小、接插件减少、安装简单简单方便方便。由于单片机小而全，易于推广应用等显著优点，在自由于单片机小而全，易于推广应用等显著优点，在自动化装置，智能化仪器仪表和家用电器等领域得到日益广泛动化装置，智能化仪器仪表和家用电器等领域得到日益广泛的应用。下面仅列举一些典型的应用领域。

12、的应用。下面仅列举一些典型的应用领域。（1 1）工业控制）工业控制 数控机床，电机控制，工业机器人，自动控制等数控机床，电机控制，工业机器人，自动控制等 （2 2）仪器仪表）仪器仪表 智能仪器，医疗智能仪器，医疗器械器械，数字示波器等。，数字示波器等。（3 3）电信技术）电信技术 调制解调器，声像处理，数字滤波，通信设备等。调制解调器，声像处理，数字滤波，通信设备等。（4 4）办公自动化和计算机外部设备）办公自动化和计算机外部设备 传真机，复印机，打印机，绘图仪，扫描仪等传真机，复印机，打印机，绘图仪，扫描仪等1.3.2 1.3.2 单片机的应用单片机的应用 （5 5）汽车与节能）汽车与节能

13、点火控制，变速控制，防滑车控制，排气控制，计点火控制，变速控制，防滑车控制，排气控制，计费器，交通控制等。费器，交通控制等。（6 6）导弹）导弹 导弹控制，鱼雷制导，智能武器装置，航天导弹系导弹控制，鱼雷制导，智能武器装置，航天导弹系统等。统等。（7 7）商用产品）商用产品 电子收款机，电子秤，银行统计机等。电子收款机，电子秤，银行统计机等。（8 8）家用电器）家用电器 微波炉，电视机，录像机，音响设备，游戏机等微波炉，电视机，录像机，音响设备，游戏机等 以上可见它无处不有、无时不在，像个万能以上可见它无处不有、无时不在，像个万能的螺丝钉。的螺丝钉。（1 1）单片机的字长由）单片机的字长由4

14、4位、位、8 8位、位、16 16 位发展到位发展到3232位。位。这几种字长的这几种字长的MCUMCU目前同时存在于市场，由于单片机主目前同时存在于市场，由于单片机主要用于控制，目前要用于控制，目前8 8位的位的MCU MCU 仍然占主流地位，只有在精度仍然占主流地位，只有在精度要求特别高的场合如图像处理等，才采用要求特别高的场合如图像处理等，才采用1616位的位的MCU,MCU,用户用户可以根据产品的需要进行选择。可以根据产品的需要进行选择。（2 2）运行速度不断提高。）运行速度不断提高。单片机的使用最高频率由单片机的使用最高频率由6MHz、12MHz、24MHz、33MHz、发展到、发展

15、到 40MHz。（3 3）单片机内的存储容量越来越大。）单片机内的存储容量越来越大。由由1KB、2KB、4KB、8KB、16KB、32KB、发展、发展到到 64KB 等。等。1.3.3 1.3.3 单片机的发展趋势单片机的发展趋势（4 4）ROMROM存储器的编程也越来越方便存储器的编程也越来越方便 有有 ROMROM型（掩模型）、型（掩模型）、OTPOTP型（一次性编程）、型（一次性编程）、EPROMEPROM（紫外线擦除编程）、紫外线擦除编程）、EEPROMEEPROM（电擦除编程）及电擦除编程）及FLASHFLASH（闪速闪速编程）。编程（烧录）方式也越来越方便，目前有脱机编程、编程）。

16、编程（烧录）方式也越来越方便，目前有脱机编程、在系统编程（在系统编程（ISPISP）、）、在应用编程（在应用编程（IAPIAP）。）。各类产品并存，各类产品并存，可供用户选择。可供用户选择。（5 5）I/OI/O端口多功能化端口多功能化 单片机内除集成有并行接口、串行接口外，还集成有单片机内除集成有并行接口、串行接口外，还集成有A/D、D/A、LED/LCD显示驱动、显示驱动、DMA控制、控制、PWM（脉宽（脉宽调制输出）、调制输出）、PLC（锁相环控制）、（锁相环控制）、PCA(逻辑阵列）逻辑阵列）WDT（看门狗）等。（看门狗）等。（6 6）功耗越来越低）功耗越来越低 采用采用CHMOSCH

17、MOS制作工艺使单片机集制作工艺使单片机集HMOSHMOS的高速、高集成度和的高速、高集成度和CMOSCMOS的低功耗技术为一体，使单片机的功耗进一步降低，适的低功耗技术为一体，使单片机的功耗进一步降低，适应的电压范围更宽（应的电压范围更宽（2.62.66V6V）。）。（7 7）结合专用集成电路结合专用集成电路ASICASIC、精简指令集和、精简指令集和RISCRISC技术，使技术，使单片机发展成为嵌入式的处理器，深入到数字信号处理、图单片机发展成为嵌入式的处理器，深入到数字信号处理、图象处理、人工智能、机器人等领域。象处理、人工智能、机器人等领域。单片机的主要品种及系列单片机的主要品种及系列

18、v5151系列系列ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列；Philips公司的80C51、80C552系列；华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列；ADI公司的ADC8xx高精度ADC系列；LG公司的GMS90/97低压高速系列；Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机。v非非5151系列系列Intel的MCS-96系列16位单片机；Microchip的PIC和dsPIC系列RISC单片机；TI的MSP430F系列16位低功耗单片机 和32位TMS320系列DSP。Freescale的MCS68系列8位

19、单片机和 MC9S12系列16位单片机。ARM的ARM架构 32位单片机，包括Samsung、TI、Philips、Intel等。MCS-51MCS-51系列单片机优点系列单片机优点 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-51MCS-51系列，因为世界上很多知系列，因为世界上很多知名的名的ICIC生产厂家都生产生产厂家都生产5151兼容的芯片。目前为止，兼容的芯片。目前为止，MCS-MCS-5151单片机已有数百个品种，还在不断推出功能更强的新单片机已有数百个品种，还在不断推出功能更强的新产品

20、。近年来产品。近年来PHILIPSPHILIPS公司又推出了指令和公司又推出了指令和MCS-51MCS-51兼容兼容的的1616位单片机，这样保证了位单片机，这样保证了MCS-51MCS-51单片机的先进性，同单片机的先进性，同时，很多专用芯片以它作为控制核心，可以预言，几十时，很多专用芯片以它作为控制核心，可以预言，几十年内不会淘汰。因此，年内不会淘汰。因此，MCS-51MCS-51单片机成为教学的首选机单片机成为教学的首选机型型。1.3.4 MCS-511.3.4 MCS-51系列单片机类型系列单片机类型 MCS-51MCS-51系列单片机品种很多，如果按照存储器系列单片机品种很多，如果按

21、照存储器ROMROM配置状态配置状态,可划分为：可划分为：l片内无片内无EPROMEPROM型，如型，如80(C)3X;80(C)3X;l片内片内EPROM,EPROM,如如87(C)5X87(C)5X；l片内片内FLASH EEPROMFLASH EEPROM型，如型，如89C5X;89C5X;l片内片内EEPROM ISPEEPROM ISP型型(可在系统编程）如可在系统编程）如89S5X89S5X。如果按照其功能，则可划分以下一些类型如果按照其功能，则可划分以下一些类型:(1)(1)基本型基本型 基本型有基本型有80318031、80518051、87518751、89C51/S5189

22、C51/S51等。等。基本型的代表产品是基本型的代表产品是8051，其基本特性如下：，其基本特性如下：一个一个8 8位位CPUCPU和指令系统。和指令系统。128128字节的片内字节的片内RAMRAM。2121个特殊功能寄存器。个特殊功能寄存器。3232线并行线并行I/OI/O口。口。2 2个个1616位定时位定时/计数器。计数器。一个全双工串行口。一个全双工串行口。5 5个中断源、个中断源、2 2个中断优先级的中断结构。个中断优先级的中断结构。4KB4KB片内片内ROMROM。一个片内时钟振荡器和时钟电路一个片内时钟振荡器和时钟电路.片外可扩展片外可扩展64KBROM64KBROM和和64K

23、BRAM.64KBRAM.由此可见，它本身就是一个功能相当强的由此可见，它本身就是一个功能相当强的8位微型机。位微型机。(2)2)增强型增强型 有有8052AH8052AH、8032AH8032AH、8752BH,8752BH,此类型单片机的内此类型单片机的内ROMROM和和RAMRAM容量比基本型的增大一倍容量比基本型的增大一倍,同时把同时把1616位计数增为位计数增为3 3个个.87C54.87C54内部内部ROMROM增加到增加到16KB,87C5816KB,87C58增加到增加到32KB.32KB.(3)(3)(3)(3)低功耗低功耗型型型型 有有有有80C5XBH80C5XBH、80

24、C31XBH80C31XBH、87C5X.87C5X.这类型号带有这类型号带有这类型号带有这类型号带有“C”C”字字字字的单片机采用的单片机采用的单片机采用的单片机采用CHMOSCHMOS工艺工艺工艺工艺,其特点是功耗低，另外其特点是功耗低，另外其特点是功耗低，另外其特点是功耗低，另外,87C51,87C51还还还还有两级程序存储器保密系统有两级程序存储器保密系统有两级程序存储器保密系统有两级程序存储器保密系统,可防止非法拷贝程序可防止非法拷贝程序可防止非法拷贝程序可防止非法拷贝程序.此外还有内含此外还有内含DMADMA、PCA(PCA(可编程计数阵列可编程计数阵列)、A/DA/D、多并行口、

25、及内含多并行口、及内含BASICBASIC高级语言型等多类产品高级语言型等多类产品。1.3.5 1.3.5 单片机应用系统的开发单片机应用系统的开发程序的输入与编译程序的输入与编译 将将符号指令转换成计算机所能执行的机器码符号指令转换成计算机所能执行的机器码，这种转换，这种转换称为称为汇编汇编。常用的汇编方法有三种：。常用的汇编方法有三种：手工汇编；手工汇编；利用开发机的驻留汇编程序进行汇编；利用开发机的驻留汇编程序进行汇编；交叉汇编。交叉汇编。现在人们还可以常常采用高级语言（如现在人们还可以常常采用高级语言（如C51）进行单片）进行单片机应用程序的设计。这种方法具有周期短、移植和修改方便机应

26、用程序的设计。这种方法具有周期短、移植和修改方便的优点，适合于较为复杂系统的开发。的优点，适合于较为复杂系统的开发。将将高级语言语句转换成计算机所能执行的机器码高级语言语句转换成计算机所能执行的机器码，这，这种转换称为种转换称为编译编译。程序的下程序的下载载与与执执行行v利用独立型仿真器开发利用独立型仿真器开发v利用非独立型仿真器开发利用非独立型仿真器开发 SSTSST公司推出的公司推出的SST89C54SST89C54和和SST89C58SST89C58芯片分芯片分别别有有20KB20KB和和30KB30KB的的SuperFLASHSuperFLASH存存储储器，利用器，利用这这种存种存储储

27、器可以器可以进进行高速行高速读读写的特点，能写的特点，能够实现够实现在系在系统编统编程程（ISPISP）和在和在应应用用编编程程（IAPIAP）功能。首先在功能。首先在PCPC机上完成机上完成应应用程序的用程序的编辑编辑、汇编汇编（或（或编译编译）、模）、模拟拟运行，然后运行，然后实现实现目目标标程序的串行下程序的串行下载载。v单单片机开片机开发发方式的方式的发发展展 MicrochipMicrochip公公司司推推出出的的RISCRISC结结构构单单片片机机PIC16F87XPIC16F87X中中内内置置有有在在线线调调试试器器ICDICD（In-Circuit In-Circuit Deb

28、ugDebug）功功能能；该该公公司司还还配配置置了了具具有有ICSPICSP（In-In-Circuit Circuit Serial Serial ProgrammingProgramming）功功能能的的简简单单仿仿真真器器和和烧烧写写器器。通通过过PCPC机机串行串行电缆电缆就可以完成就可以完成对对目目标标系系统统的仿真的仿真调试调试 。FreescaleFreescale公公司司推推出出的的BDMBDM（background background debug debug modemode）调调试试器器，可可实实现现程序下程序下载载、实时实时跟踪和跟踪和实时调试实时调试。主主要要用用于

29、于ARMARM芯芯片片的的JTAG(JointJTAG(Joint Test Test Action Action Group)Group)调调试试器器，JTAG JTAG 主要应用于：电路的边界扫描测试和可编程芯片的在线系统编程。主要应用于：电路的边界扫描测试和可编程芯片的在线系统编程。PIC16F877PIC16F877PIC16F72PIC16F72ATMEGA8LATMEGA8LPIC18F452PIC18F452dsPIC30F4011-DSPdsPIC30F4011-DSPSTC89LE516ADSTC89LE516ADST62T32BST62T32BMC9S12DG128BMC9S12DG128BLPC2132FBD64-ARM7LPC2132FBD64-ARM7MSP430F2001MSP430F2001TMS320F2812PGFA-DSPTMS320F2812PGFA-DSP