1、1,单片机与接口技术,2,第1章 概述,1.1 单片机的发展历史 1.2 单片机的发展趋势 1.3 单片机的典型产品 1.4 嵌入式系统 1.5 单片机的应用,3,单片机：将微处理器、半导体存储器、I/O接口和中断系统集成在一块 硅片上的具有完整功能的微型计算机。 1974年12月，美国仙童（Fairchild）公司推出了世界上第一台8位单片机F8。单片机的发展过程分为以下几个发展阶段。单片机的发展可以分为三个阶段：1. 20世纪70年代为单片机发展的初级阶段。典型代表: Intel公司的MCS-48系列单片机。例如：Motorola公司的MC6801、6805，Zilog公司的Z8系列，Ro
2、ckwell公司的6500/1系列等。2. 20世纪80年代为高性能单片机的发展阶段。典型代表:Intel公司的MCS-51、MCS-96系列单片机。例如：Motorola公司的MC68HC05，MOSTEK公司的68200以及NS公司的HPC16040等。 “嵌入式”芯片。3. 20世纪90年代至今为单片机的高速发展阶段。世界上著名的半导体厂商都重视新型单片机的研制、生产和推广。,11 单片机的发展历史,4,单片机发展可归结为以下几个方面:,1. 增加字长，提高数据精度和处理的速度2. 改进制作工艺，提高单片机的整体性能 CMOS、HCMOS型；FLASH存储器； ISP（In System
3、 Program）；IAP（In Application Program）3.由复杂指令集CISC （Complex Instruction Set Computer）转向简单指令集RISC（Reduced Instruction Set Computer）技术4.多功能模块集成技术，使一块“嵌入式”芯片具有多种功能5. 微处理器与DSP技术结合6. 融入高级语言的编译程序 支持C语言等 7. 低电压、宽电压、低功耗,ISP-是指用户可把已编译好的用户代码直接写入目标电路板上的器件，并且不管器件是空白的还是被编程过的。而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。I
4、SP技术是未来仪器仪表的发展方向。,ISP的实现相对要简单一些，一般通用做法是内部的存储器可以由上位机的软件（比如针对AVR单片机的AVR Studio）通过串口来进行改写。对于单片机来讲可以通过SPI或其它的串行接口接收上位机传来的数据并写入存储器中。所以即使我们将芯片焊接在电路板上，只要留出和上位机接口的这个串口，就可以实现芯片内部存储器的改写，而无须再取下芯片。,IAP技术是从结构上将Flash存储器映射为两个存储体，当运行一个存储体上的用户程序时，可对另一个存储体重新编程，之后将程序从一个存储体转向另一个。,IAP的实现更加灵活，通常可利用单片机的串行口接到计算机的RS232口，通过专
5、门设计的固件程序来编程内部存储器，可以通过现有的INTERNET或其它通讯方式很方便地实现远程升级和维护。,5,目前，单片机正朝着高速度、高性能和多品种方向发展，单片机的发展趋势具体体现在以下四个方面：1CPU功能增强2内部资源增多 3引脚的多功能化 4低电压和低功耗,12 单片机的发展趋势,13 单片机的典型产品,1八位低档系列机 MCS-48系列是Intel公司1976年后推出的八位系列机单片机2八位高档系列机 MCS-51系列单片机是Intel公司1980年以后推出的8位高档机 3十六位单片机系列 Intel公司从1984年开始推出高性能的十六位MCS-96系列单片机,6,7,8,几个概
6、念的理解1.微处理器 中央处理单元CPU-控制器和运算器-集成在一片半导体芯片上，称MPU或MP。2.微型计算机 （1）多板微型计算机 （2）单板微型计算机 （3）单片微型计算机3.微型计算机系统,9,（1）多板微型计算机也称系统机，把微处理器芯片、存储器芯片、各种I/O接口芯片和驱动电路、电源等装配在不同的印刷电路板上，各印刷电路板插在主机箱内标准的总线插槽上，通过系统总线相互连接起来，就构成了一个多插件板的微型计算机。目前广泛使用的微型计算机系统（如IBM PC/XT，PC/AT，PC386，PC484，PC586等）就是用这种方式构成的。多板微型计算机也称单机系统，所有的系统软件和应用程
7、序都在系统内的硬盘上或内存中。它功能强、组装灵活。选择不同的功能部件适配卡（如主机板、内存条、显示卡、声卡、软、硬盘驱动器、光驱、打印机、键盘、鼠标等）就可以构成不同功能和规模的微型计算机。,10,（2）单板微型计算机-单板机：将CPU芯片、存储器芯片、IO接口芯片及简单的输入、输出设备（如小键盘、数码显示器LED（Light Emitting Diode, 发光二极管）装配在同一块印刷电路板上，这块印刷电路板就是一台完整的微型机，称为单板微型计算机，简称单板机。单板机具有完全独立的操作功能，加上电源就可以独立工作。但由于它的输入、输出设备简单、存储容量有限，故通常只能应用于一些简单控制系统和
8、教学中。国内曾经最流行的单板机是TP801（CPU为Z-80），现已被单片机、系统机（PC机）淘汰。,11,（3）单片微型计算机单片机：如果将构成微型计算机的各功能部件（CPU，RAM，ROM及IO接口电路）集成在同一块大规模集成电路芯片上，一个芯片就是一台微型机，则该微型机就称为单片微型计算机，简称单片机。,单片机的特点是集成度高、体积小、功耗低、可靠性高、使用灵活方便、控制功能强、编程保密化、价格低廉、利用单片机可较方便地构成一个控制系统。因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信和分布式控制系统、家用电器等领域的应用日益广泛。典型产品有：Intel公司的MCS8051、8096
9、（16位单片机），Motorola公司的MC68HC05，MC68HC11等。,12,一般单片机本身没有软件开发功能，因为单片机内无监控程序或系统通用管理软件，只放置有用户事先调试好的应用程序，不过随着单片机技术的迅速发展，目前也有部分高档单片机内可固化部分系统软件。,13,1.4 嵌入式系统（Embedded System ）IEEE对于嵌入式系统的定义是：- An Embedded system is the devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants
10、.-嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：-嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。,14,嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。 -硬件包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。-软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计
11、人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 免费 操作系统 Linux、uc/os,15,嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下4个特点：,1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。,2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。,3）可扩展的处理器结构，能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。
12、,4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至W级。,16,嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：,3.嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。,2.嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。,1.嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU，与通用型的最大不同就是
13、嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。,17,-4.嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 -5.为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 -6.嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开
14、发工具和环境才能进行开发。,18,单片机具有集成度高、结构简单、可靠性高、控制功能强、应用灵活方便和价格低等优点，因此广泛应用于国民经济的各个领域。单片机的应用提高了机电设备的技术水平和自动化程度，对各行各业的技术改造和产品更新换代起到了重要的推动作用。1. 单片机在智能仪表中的应用2.单片机在机电一体化中的应用3.单片机在实时控制中的应用4.单片机在分布式多机系统中的应用5.单片机在家用电器等消费类领域中的应用,15 单片机的应用,19,单片机成功地应用于玩具、游戏机、无绳电话、充电器、按摩器、IC卡电话、IC卡水表、IC卡煤气表、IC卡电度表、流量温控仪表、家庭自动化、电子锁、电子秤、步进电机、防盗报警、电子日历时钟等日常生活的产品中。 图形终端、彩色黑白复印机、软盘及硬盘驱动器、磁带机、打印机的内部都采用单片机进行控制。 在各类仪器仪表中（包括医疗器械、色谱仪、温度、湿度、流量、流速、电压、频率、功率、厚度、角度、长度、硬度、元素测定等）引入单片机，使仪器仪表数字化、智能化、微型化，功能大大提高。 工业自动化设备中，许多控制装置都有“嵌入式”单片机参与控制。,
