单片机原理及应用 第 1 章绪论

1. 单片机原理及应用第1章绪论 主讲教师：楼然苗 浙江海洋学院机电工程学院

2. 第1章 绪论 • 单片机的发展由来 • 单片机的定义特点及发展阶段 • 单片机的应用模式 • 单片机的主要应用领域 • 单片机主要厂商及产品 • 单片机的发展方向 • 单片机的开发过程

3. 我国在1958年研制成功第一台 电子管计算机 计算机软件 发展情况 1.1 单片机的发展由来----计算机的技术发展史 1. 始于微型机时代的嵌入式应用 按所采用的电子元件划分 第一代 电子管计算机 1946-1957 低级语言 第二代 晶体管计算机 1958-1964 高级语言 第三代 中、小型集成电路计算机 1964-1972 操作系统 第四代 超大规模集成电路计算机 1972-现在 数据库、网络 新一代 人工智能型的计算机、 神经网络计算机、 生物计算机等

4. 1.1 单片机的发展由来----计算机的技术发展史 1. 始于微型机时代的嵌入式应用 第一代计算机： 1946年美国的第一台电子管 “电子数字积分计算机” 占地170平方米，重达30多吨 缺点是存储容量太小，基本上不能存储程序，只能依靠线路连接的方法

5. 1.1 单片机的发展由来----计算机的技术发展史 1. 始于微型机时代的嵌入式应用

6. 嵌入式计算机系统－－ 　　将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制 1.1 单片机的发展由来----计算机的技术发展史 1. 始于微型机时代的嵌入式应用

7. 1.1 单片机的发展由来----计算机的技术发展史 嵌入式计算机系统－－ 将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制 1. 始于微型机时代的嵌入式应用

8. 1.1 单片机的发展由来----计算机的技术发展史 ２.现代计算机技术的两大分支 突出高速、海量的数值计算 通用计算机系统 嵌入式计算机系统 单片机 突出对象的智能化控制能力

9. 1.1 单片机的发展由来----计算机的技术发展史 3.两大分支发展的里程碑 通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展，导致20世纪末、21世纪初，计算机技术的飞速发展。 286、386、486到奔腾系列,操作系统则迅速扩张计算机基于高速海量的数据文件处理能力 通用计算机系统 嵌入式计算机系统 单芯片化将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代 现代计算机技术发展的两大分支的里程碑意义在于： 　　不仅形成了计算机发展的专业化分工，而且将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领域，使计算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具。

10. 1.1 单片机的发展由来----嵌入式系统的定义与特点 １.嵌入式系统的定义： ----“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。 ２. 嵌入式系统的特点： • 面向控制对象，嵌入到应用系统中的结构形态,可靠运行的品质。 • 必须满足如物理环境（小型）、电气环境（可靠）、成本（价廉）等要求。 • 突出控制功能。 • 　　计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路，有突出控制功能的指令系统（I/O控制、位操作等），软、硬件的可裁剪性；满足不同对象要求的最小软、硬件配置等。

11. 1.1 单片机的发展由来----嵌入式系统的定义与特点 ３.嵌入式系统的种类： 按形态可分为: 设备级（工控机）、通用CPU模块、嵌入式微处理器（MPU、SoC）、单片机（微控制器MCU） 。 （1）工控机：通用计算机经机械改造加固、电气加固构成，其特点是软件丰富、体积大。 （2）通用CPU模块：用CPU构成各种形式的主机板系统，一般用在大量数据处理的场合、体积较小。

12. 1.1 单片机的发展由来----嵌入式系统的定义与特点 ３.嵌入式系统的种类： 按形态可分为: 设备级（工控机）、通用CPU模块、嵌入式微处理器（MPU、SoC）、单片机（微控制器MCU） 。 （3）嵌入式微处理器：在通用微处理器（MPU）的基核上，增添一些外围单元和接口构成单芯片形态的计算机系统，如80386EX，它有定时器/计数器、DMA、中断系统、 串行口、并行口、看门狗WDT等集成在一个芯片上。 （4）单片机（微控制器）：单片机有唯一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入式应用要求。它是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，最能满足面对控制对象，应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。

13. 1.2 单片机的定义、特点及发展阶段 • 什么是单片机? • 单片机是单片微型计算机的简称。就是将CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。因此，一块芯片就构成了一台计算机。 • 　单片机经历了SCM、MCU、SoC三大阶段： • SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段。 • MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段。 • SoC即片上系统（System On Chip）阶段。单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。

14. 1.2 单片机的特点 • 单片机的特点: • 体积小、重量轻、功耗低、功能强、性价比高。可嵌入各种设备中组成以之为核心的嵌入式系统。 • 数据大都在单片机内部传送，运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高。 • 结构灵活，易于组成各种微机应用系统。 • 应用广泛，既可用于工业自动控制等场合，又可用于测量仪器、医疗仪器及家用电器等领域。

15. 1.2 单片机的发展阶段 • 第一阶段（1976~1978年）：低性能单片机的探索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表，8位CPU、定时/计数器、并行I/O口、RAM和ROM等。 • 第二阶段（1978~1982年）：高性能单片机(完善)阶段，这一类单片机带有串行I/O口，8位数据线、16位地址线可以寻址的范围达到64K字节、控制总线、较丰富的指令系统等。 • 第三阶段（1982~1990年）：微控制器（MCU）形成阶段(8031、8051，内有DAC、ADC、WDT)。 • 第四阶段（1990年~）：微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展

16. 1. 3 单片机的应用模式 单片机应用系统的三个层次关系 应用程序 前向通道 后向通道 人机交互接口 串行通信口

17. 单片机外形图

18. 单片机应用系统

19. 1. 3 单片机的应用模式 1.3.2 单片机的种类 （1）按应用领域分为： 家电类、工控类、通信类、个人信息终端等 （2）按通用性分为： 通用型和专用型（如计费率电表、电子记事簿） （3）按总线结构分为： 总线型和非总线型 如89Ｃ51为总线型。有数据总线、地址总线及相应的控制线（ WR 、RD、EA、 ALE 等），又如89C2051等为非总线型，外部引脚少，成本下降

20. 1.3.3 单片机的供应状态 按提供的存储器类型可分为五种状态 １、MASKROM类：程序在芯片封装过程中用掩膜工艺制作到ROM区中，如80C51，适合大批生产。 ２、EPROM类：紫外线可擦写存储器类，如87C51，价格较贵 ３、ROM less类：无ROM存储器，如80C31，电路扩展复杂，较少用 ４、OTPROM类：可一次性写入程序 ５、FlashROM（MTPROM）类：可多次编程写入的存储器如89C51、89C52，其成本低，开发调试方便，在恶劣环境下可靠性不及 OTPROM

21. 1.3.4 单片机的应用模式 通用模式 分为： 专用模式 总线模式 非总线模式 总线型的非总线模式

22. 总 线 应 用 模 式 8 DB 16 AB n CB 并行扩展 通过单片机 （总线型） 时钟 串行扩展 复位 I/O口

23. 总线型的非总线应用模式 8 DB 16 AB n CB I/O口 通过单片机 （总线型） 时钟 复位 I/O 串行扩展

24. 非总线型的应用模式 非总线 单片机 N I/O口 时钟 复位 I/O 串行扩展

25. 专用型的应用模式 专用 单片机 时钟 专用外围设备 复位 I/O口

26. 1.4 单片机应用领域 • 在智能仪器仪表上的应用 • 在工业控制中的应用 • 在家用电器中的应用 • 在计算机网络和通信领域中的应用 • 单片机在医用设备领域中的应用 • 单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途

27. 1.4 单片机应用领域 ⒈用图象传感器测量线材系统 ⒉卫星电视的串口模拟SPI、I2C的应用，如雷达录取的数据传送 ⒊直接与AD芯片配合进行各种数据传感器配合 ⒋利用单片机与PC机的232通讯进行控制，单片机为控制对象 ⒌通过IC卡、单片机、PC机构成的各种收费系统 ⒍通过单片机控制各种步进电机完成工控任务系统 ⒎通过单片机控制各种电磁设备完成工控任务系统（如程控交换系统） ⒏可应用在电机的变频技术上的控制领域中 ⒐各种测量工具如水位尺，它在水文上的应用很普及 ⒑大型指针钟控制器，主要根据时间控制电机带动指针 ⒒电子配料控制仪，基于小型生产的自动或半自动控制，如控制上料、搅拌等

28. 1.4 单片机应用领域 ⒓用定时器和捕获功能进行某一系统的检测。可提供报警、控制等。如水位控制、温度控制，全自动洗衣机等 ⒔电子称重计 ⒕教学用仪器、医疗仪器 ⒖由单片机构成的霓虹灯控制器 ⒗在刚的热处理中采用热磁仪测量 ⒘各种金属探伤仪器 ⒙矿山生产智能监测仪 ⒚煤矿的产煤计数器 20.汽车安全系统 21.智能玩具 22.用超声波测量江河水位 23.交流电监测仪 24.消防系统报警监测仪 25.各类水表、电表 等等

29. 1.4 单片机应用领域 老师们做过的一些设计： 秒表/时钟计时器、超声波测距器、数字温度计、液晶GPS定位信息显示器、16×16点阵LED汉字显示屏、单片机红外线遥控系统、数控调频发射台、电子指南针、电话远程遥控器、数字语音录放器、正弦波发生器、数控直流电源、智能汽车控制器等等

30. 1.4 单片机应用领域 老师做过的一些设计：

31. 1.5 单片机的主要厂商及产品

32. 1.5 单片机的主要厂商及产品 Intel 8051单片机: 最早由Intel公司推出的8051/31类单片机也是世界上用量最大的几种单片机之一。8051单片机最早由Intel公司推出,由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC类兼容的高档芯片的开发上，8051类单片机主要由Philips、三星、华邦等公司接产。这些公司都在保持与8051单片机兼容的基础上改善了8051许多特性(如时序特性)。提高了速度、降低了时钟频率，放宽了电源电压的动态范围，降低了产品价格。使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大,应用也最广泛, 8051目前是事实上的标准MCU芯片。

33. 1.5 单片机的主要厂商及产品 ATMEL公司： 除51系列单片机外，ATMEL的AVR单片机,是增强型RISC内载Flash的单片机,芯片上的Flash存储器附在用户的产品中,可随时编程,再编程,使用户的产品设计容易,更新换代方便.AVR单片机采用增强的RISC结构,使其具有高速处理能力,在一个时钟周期内可执行复杂的指令,每MHz可实现1MIPS的处理能力.AVR单片机工作电压为2.7~6.0V,可以实现耗电最优化.AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备,工业实时控制,仪器仪表,通讯设备,家用电器,宇航设备等各个领域。

34. 1.5 单片机的主要厂商及产品 Motorola单片机: Motorola(现在为飞思卡尔)是世界上最大的单片机厂商。在8位机方面有三十多个系列，二百多个品种，产量已超过20亿片。16位机也有十多个品种。32位单片机的683XX系列也有几十个品种。近年来，将DSP做为辅助模块集成的单片机也纷纷推出。目前仍是单片机的首选牌品。Motorola单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较Intel类单片机 低很多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强,更适合用于工控领域及恶劣的环境。Motorola 8位单片机过去的策略是以掩膜为主的，最近推出OTP计划以适应单片机发展新趋势，在32位机上，M.CORE在性能和功耗方面都胜过ARM7。

35. 1.5 单片机的主要厂商及产品 Microchip单片机: Microship单片机是市场份额增长最快的单片机。它的主要产品是PIC 16C系列和17C系列8位单片机，CPU采用RISC结构，仅33条指令，运行速度快，且以低价位著称，一般单片机价格都在一美元以下。Microship单片机没有掩膜产品，全部是OTP器件，Microship强调节约成本的最优化设计，适于用量大、档次低、价格敏感的产品。根据2007.04.20 业界知名市场调查机构Gartner Dataquest 公布Microchip Technology Inc.（美国微芯科技公司）勇夺2006年全球8位单片机销售额冠军。

36. PHILIPS单片机： 除增强型51系列单片机外，也有 32位ARM微控制器－LPC2210/LPC2220系列。 PHILIPS公司的单片机在内部功能扩展、速度及低功耗方面很有特色。在国内周立功单片机有限公司的大力推行下，应用及销售量也较大。 1.5 单片机的主要厂商及产品

37. 华邦(winbond)单片机： 华邦单片机属8051类单片机，它们的W78系列与标准的8051兼容，W77系列位增强型51系列，对8051的时序作了改进。同样时钟频率下速度提高2.5倍，FLASH容量从4K到64K，有ISP功能。在4位单片机方面华邦有921系列和带LCD驱动的741系列。在32位机方面，华邦使用惠普公司PA－RISC单片机技术，生产低位的32位RISC单片机。 1.5 单片机的主要厂商及产品

38. 1.5 单片机的主要厂商及产品 宏晶(ＳＴＣ)单片机： 宏晶科技现已成长为全球最大的8051单片机设计公司之一, 它的ＳＴＣ系列与标准的8051兼容，品种众多，首创１Ｔ时钟处理速度，同样时钟频率下速度提高１２倍左右，有在线编程功能，网上提供免费下程序下载工具。

39. 1.6 单片机的发展方向 单片机的技术发展反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。 1、内部结构的进步 单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，例如：定时器，比较器，A/D转换器，D /A转换器，串行通信接口，Watchdog电路，LCD控制器, CAN,脉宽调制控制电路,等。特别引人注目的是：现在有的单片机已采用所谓的三核（TrCore）结构。这是一种建立在系统级芯片（System on a chip）概念上的结构。这种单片机由三个核组成：一个是微控制器和DSP核，一个是数据和程序存储器核，最后一个是外围专用集成电路（ASIC）。

40. 1.6 单片机的发展方向 2、功耗、封装及电源电压的进步 新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等工作方式。Philips公司的单片机P87LPC762是一个很典型的例子，在空闲时，其功耗为1.5 mA，而在节电方式中，其功耗只有0.5mA。 单片机的封装水平已大大提高，随着贴片工艺的出现，单片机也大量采用了各种合符贴片工艺的封装方式出现，以大量减少体积。在这种形势中，Microchip公司推出的8引脚的单片机特别引人注目。 2.2～6V的条件下工作的单片机 。

41. 1.6 单片机的发展方向 3、 RISC体系结构的发展 早期CISC指令较复杂，指令代码周期数不统一，难以实现流水线（单指仅为1MIPS），通过精简指令系统，极大部分为单周期指令，可实现流水线作业（单周期指令可达12MIPS） 4、 AＳMIC技术的发展如以MCU为核心的专用集成电路（ASIC）。 5、单片机的软件嵌入 目前的单片机只提供程序空间，没有驻机软件。ROM空间足够大后可装入如平台软件、虚拟外设软件、用于系统诊断管理的软件等，以提高开发效率。

42. 1.6 单片机的发展方向 6、工艺上的进步 单片机基本上采用CMOS技术，但已经大多数采用了0.6μm以上的光刻工艺，有个别的公司，如Motorola公司则已采用0.35μm甚至是0.25μm技术。这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性。

43. 1.6 单片机的发展方向 总的来说，单片机在目前的发展形势下，表现出二大趋势： ·可靠性及应用越来越高水平,和互联网连接已是一种明显的走向 ·所集成的部件越来越多 随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化和进步，最终人们可能发现：单片机与微机系统之间的距离越来越小，甚至难以辨认。

44. 1.7 单片机的应用开发过程 单片机的应用开发可分为以下四个过程： 1、硬件系统设计调试。如电路设计、PCB印制板绘制等. 2、应用程序的设计。如编写源程序、编译调试等。 3、应用程序的仿真调试。指用仿真器对硬件进行在线调试或软件仿真调试，在调试中不断修改、完善硬件及软件。 4、系统脱机运行检查。进行全面检查，针对出现的问题修正硬件、软件或总体设计方案。

45. 1.7 单片机的应用开发过程 学习单片机所需的准备工作 • 硬件准备 计算机：普通计算机一台。安装WIN98或WIN_XP操作系统。 编程器：用于对单片机进行编程。（使用STC或S51芯片可以使用下载线） 实验板：用来进行单片机开发设计实践，能完成的项目较多为好。 仿真器：进行较复杂设计时用来调试单片机。方便实用，但价高。 • 软件准备 集成开发软件：伟福软件WAVE6000，Keil C51等。 其它工具软件：参数计算设置软件、串口调试、PCB设计等软件。