1、教师姓名：周淼磊 工作单位：通信工程学院控制科学与工程系 电子信箱： 学院网址：参考教材：薛涛等.单片机与嵌入式系统开发方法，清华大学出版社,College of Communication Engineering, Jilin University,单片机原理与应用,几个问题,1.关于教材、课时：机械工业出版社、38+16=542.关于课程内容改革：大学计划，知识更新3.关于如何学习：针对硬件编程，易学难精，学习态度4.关于成绩：总成绩=平时+期末5.关于实验：周一至周五选一个下午和周日全天做实验6.课程重要性：知识结构要求，找一个好工作7.代表人物：深圳周立功、清华邵贝贝、北航何立民,Mi
2、crocontroller Principles and Applications第一章 单片机概述及数字逻辑复习,College of Communication Engineering, Jilin University,单片机原理与应用,College of Communication Engineering, Jilin University,单片机，即：单片微型计算机，就是将微处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出（I/O）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：微处理器（Microprocessor）+存储器（Memor
3、y)+输入输出部件(Peripheral) 一个芯片 微处理器：CPU 存储器：RAM(Random access memory)+ROM(Read Only Memory) 输入输出部件：A/D、定时器、PWM、SCI、SPI（键盘、 拨位开关、LED灯、数码管显示、 液晶显示、蜂鸣器）,1.1 单片机概念微处理器、微控制器和单片机,单片机（中国） Single Chip Computer 微控制器（国外） Microcontroller (MCU-Micro Controller Unit) MPU-Micro Processor Unit (MCU=MPU？),1.微控制器，为什么俗称“
4、单片机”?2.微控器（MCU）和微处理器（MPU或CPU）的区别是什么？,College of Communication Engineering, Jilin University,Page 6,General CPU,CPU is the core of a computer/controller system. It performs arithmetic/logical calculation, data movement CPU can get very very powerful!486, Pentium, Xeon, Athlon, Turion, .Up to few Giga
5、 Hz, 64bit is popular now, CPU cant work alone! What else we still need?MemoryHard DiskMain boardVideo Adapter Card + CRT/LCD monitorKeyboard/MouseMicrocontroller is NOT just a simple CPU,College of Communication Engineering, Jilin University,Page 7,MPU vs MCU,Intel Nehalem 处理器版图,Intel Pentulum 处理器版
6、图,College of Communication Engineering, Jilin University,Page 8,MPU vs MCU,PowerPC Core + FP,Freescale PPC5554 微控制器版图,CPU is only a part of MCU,College of Communication Engineering, Jilin University,Why microcontrollers?,Smaller board areaLow costLow power consumptionHigh reliabilityDedicated for sp
7、ecial purpose applicationMicrocontrollers save time and money!,Page 9,College of Communication Engineering, Jilin University,片上系统 SoC（System on Chip)：提高可靠性、降低复杂性、 减少硬件尺寸、降低成本和功耗。 应用系统单片化：总有一款适合你！（几千种） 嵌入式微控制器（Embedded Micro Controller Unit, EMCU） (因为单片机使用时通常作为测控系统的核心地位并嵌入其中)单片机已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、
8、日常生活中最广泛使用的计算机。,1.微控制器，为什么俗称“单片机”?2.微控器（MCU）和微处理器（MPU）的区别是什么？,Page 10,College of Communication Engineering, Jilin University,单片机生产厂商,Page 11,College of Communication Engineering, Jilin University,Page 12,Page 13,1.2 单片机的广泛应用,汽车电子,无线通信,医疗器械,过程控制,智能机器人,高 铁,航 海,航 空,智能楼宇,Page 14,College of Communication
9、 Engineering, Jilin University,Freescale and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc. All other product or service names are the property of their respective owners. Freescale Semiconductor, Inc. 2005,汽车电子,消费电子,工业控制,网络应用,无线通讯,1.2 单片机的广泛应用,Page 15,College of Communication En
10、gineering, Jilin University,汽车电子,车身电子产品：接入与远程控制，车身控制，载荷控制安全：气囊，ABS，半主动悬挂，电子助力，轮胎压力监控，电能转向DIS：音响，语音控制，DIS车辆网络：LIN，CAN，蓝牙电话，声控传动控制：发动机，传动控制，燃油喷射,Page 16,College of Communication Engineering, Jilin University,Page 17,College of Communication Engineering, Jilin University,飞思卡尔车身电子产品,Page 18,College of C
11、ommunication Engineering, Jilin University,消费类电子,家用电器：洗碗机，洗衣机，电视.手持电子：游戏机，PDA，蓝牙耳机娱乐产品：数码音乐，CD，DC，DV计算机外围：LCD，Mouse，Keyboard,Page 19,College of Communication Engineering, Jilin University,工业控制,楼宇控制：三表，电力线载波，语音控制，电梯照明系统：荧光照明，固态照明制造：机械手，现场总线，不间断电源医疗器械：心电监护器械零售终端： 磁卡读卡器，ATM安全：指纹识别，OCR，语音识别,Page 20,Coll
12、ege of Communication Engineering, Jilin University,基于GPRS网络的水、电、气三表远程抄送系统,Page 21,College of Communication Engineering, Jilin University,机械手,Page 22,College of Communication Engineering, Jilin University,网络应用,路由器，IP电话，无线网关，接入设备，ATM交换机，光纤路由产品，,Page 23,无线通讯,Bluetooth 蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）无线电技术。能在包括移
13、动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑的、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。,Page 24,无线通讯,WiFi Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。Wi-Fi是一个无线网路通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)所持有。,Page 25,无线通讯,Zigbee Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。,Page 26,ZigBee读写器是短距离、多点无线通讯产品，能够简单、快速的为串口终端设备增加无线通讯的能力。产品有效识别距离
14、可达1500m，最高识别速度可达200公里/小时，同时识别200 张标签。性能稳定、工作可靠，信号传输能力强，使用寿命长等优势。该设备已广泛应用于门禁、考勤、会议签到、及高速公路、油站、停车场、公交等收费系统等各种领域。该产品的主要功能优势是防水、防雷、防冲击，满足工业环境要求。,Page 27,无线通讯,RFID RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器（或阅读器）和很多应答器（或标签）组成。 RFID的基本组成部分 标签（Tag）：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。 阅读器（Reader）：读
15、取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式RFID读写器（如：C5000W）或固定式读写器；,Page 28,Page 29,无线通讯,RFID,Page 30,无线通讯,GSM+CDMA+3G,Page 31,What is an embedded system?,嵌入式系统ES（ Embedded systems ）：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 Embedded systems (ES) = information processing systems embedded into a la
16、rger product,!,Page 32,Application areas,Automotive electronicsAircraft electronicsTrainsTelecommunication,Page 33,Application areas,Authentication,Military applications,Medical systemse.g. “artificial eye”,Page 34,Application areas,Consumerelectronics,Page 35,Application areas,Smart buildings,Fabri
17、cation equipment,Page 36,Application areas,Robotics,Pipe-climber“,Robot Johnnie“ (Courtesy and : H.Ulbrich, F. Pfeiffer, TU Mnchen),Page 37,Embedded systems from real life,Typical embedded solutionIntegrates several technologies:Radio transmissionsSensor technologyMagnetic inductance for powerComput
18、er used for calibrationImpossible without the computerMeaningless without the electronics,Page 38,Embedded systems from real life,1. Smart Beer Glass,Page 39,Multiprocessor8-bit/32-bit for UI; DSP for signals32-bit in IR port; 32-bit in Bluetooth8-100 MB of memoryAll custom chips,2. Mobile Phones an
19、d Base Stations,Embedded systems from real life,Massive signal processingSeveral processing tasks per connected callBased on DSPsStandard or custom100s of processors,Page 40,User interfaceEmbroidery patternsTouch-screen control”Smart”Sets pressure of foot depending on taskRaise foot when stoppedNew
20、functions added by upgrading the software,3. Sewing Machine,Embedded systems from real life,Page 41,Multiple networksBody, engine, telematics, media, safety,Multiple processorsUp to 100Networked together,4. Cars,Functions by embedded processing:ABS: Anti-lock braking systemsESP: Electronic stability
21、 controlAirbagsEfficient automatic gearboxesTheft prevention with smart keysBlind-angle alert systems. etc .,Large diversity in processor types:8-bit door locks, lights, etc. 16-bit most functions32-bit engine control, airbags,Embedded systems from real life,Page 42,Functions requiring computers:Rad
22、arWeaponsDamage controlNavigationbasically everythingComputers:Large servers1000s of processors,5. Extremely Large,Embedded systems from real life,Page 43,Custom processorsGraphics, sound32-bit processorsIR, BluetoothNetwork, WLANHarddiskRAID controllers8-bit processorsUSBKeyboard, mouse,6. Inside Y
23、our PC,Embedded systems from real life,Page 44,Growing importance of embedded systems,Growing economical importance of embedded systems: www.itfacts.bizWorldwide mobile phone sales surpassed 156.4 mln units in Q2 2004, a 35% increase from Q2 2003. The worldwide portable flash player market exploded
24、in 2003 and is expected to grow from 12.5 mln units in 2003 to over 50 mln units in 2008.Global 3G subscribers will grow from an estimated 45 mln at the end of 2004 to 85 mln in 2005.The number of broadband lines worldwide increased by almost 55% to over 123 mln in the 12 months to the end of June 2
25、004.Todays DVR (digital video recorders) users - 5% of households - will grow to 41% within five years.79% of all high-end processors are used in embedded systemsThe future is embedded, Embedded is the future!,Page 45,Characteristics of Embedded Systems (1),Must be dependable,Reliability R(t) = prob
26、ability of system working correctly provided that is was working at t=0Maintainability M(d) = probability of system working correctly d time units after error occurred.Availability A(t): probability of system working at time tSafety: no harm to be causedSecurity: confidential and authentic communica
27、tion Even perfectly designed systems can fail if the assumptions about the workload and possible errors turn out to be wrong.Making the system dependable must not be an after-thought, it must be considered from the very beginning,Page 46,Characteristics of Embedded Systems (2),Must be efficientEnerg
28、y efficientCode-size efficient(especially for systems on a chip)Run-time efficientWeight efficientCost efficientDedicated towards a certain applicationKnowledge about behavior at design time can be used to minimize resources and to maximize robustnessDedicated user interface(no mouse, keyboard and s
29、creen)Hybrid systems (analog + digital parts).,Page 47,Characteristics of Embedded Systems (3),Many ES must meet real-time constraintsA real-time system must react to stimuli from the controlled object (or the operator) within the time interval dictated by the environment.For real-time systems, righ
30、t answers arriving too late are wrong.A real-time constraint is called hard, if not meeting that constraint could result in a catastrophe“ Kopetz, 1997.All other time-constraints are called soft.A guaranteed system response has to be explained without statistical argumentsFrequently connected to phy
31、sical environment through sensors and actuators,Page 48,Characteristics of Embedded Systems (4),Typically, ES are reactive systems:A reactive system is one which is in continual interaction with is environment and executes at a pace determined by that environment“ Berg, 1995Behavior depends on input
32、 and current state. automata model appropriate, model of computable functions inappropriate.,Not every ES has all of the above characteristics.Def.: Information processing systems having most of the above characteristics are called embedded systems.Course on embedded systems makes sense because of t
33、he number of common characteristics.,Page 49,Quite a number of challenges, e.g. dependability,Dependability?Non-real time protocols used for real-time applications(e.g. Berlin fire department)Over-simplification of models(e.g. aircraft anti-collision system)Using unsafe systems for safety-critical m
34、issions(e.g. voice control system in Los Angeles; 800planes without voice connection to tower for 3 hrs,Page 50,1.1 计算机的分类与发展,世界上第一台(1946年or1939年？)电子数字计算机,1.3 单片机历史及新技术,计算机的发展,1.1 计算机的分类与发展,第一代(1946一1958年)电子管数字计算机,1.3 单片机历史及新技术,计算机的发展,Page 53,1.1 计算机的分类与发展,第二代(I958一1964年)晶体管数字计算机,1.3 单片机历史及新技术,计算机的发
35、展,1.1 计算机的分类与发展,第三代(1964一l971年)集成电路计算机,1.3 单片机历史及新技术,计算机的发展,1.1 计算机的分类与发展,第四代(197l年以后)大规模集成电路计算机,1.3 单片机历史及新技术,计算机的发展,1.1 计算机的分类与发展,计算机的发展动向 1.大型、巨型计算机 2.小型、微型计算机 CPU的集成度已达到千万只晶体管，时钟频率高达GHz,1.3 单片机历史及新技术,计算机的发展,Page 58,联想万亿次大型计算机,Page 59,中国超级计算机“天河一号”,Page 60,日本超级计算机“京”（K computer）,Page 61,中国超级计算机“天
36、河二号”,1.1 计算机的分类与发展,第一阶段(1976一1978年)单片机的探索阶段 MCS-48为代表第二阶段(I978一1982年)单片机的完善阶段 奠定了典型的通用总线型单片机体系结构第三阶段(1982一l990年)8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段 也是单片机向微控制器发展的阶段第四阶段(1990年以后)单片机的全面发展阶段 出现8/16/32位通用型单片机，以及专用型单片机,1.3 单片机历史及新技术,单片机的发展,Page 62,Page 63,MCS-51系列单片机,Page 64,STC89C52RC-40I-PDIP工业级 直插DIP40,Page 65,MC9S
37、12XS128MAA 最小系统板 80脚 带TF卡座 41mm*42mm,Page 66,Numbering and coding systems,1.4 数的表示 数制,1. 十进制： a.有10个数字符号0、1、2、8、9，注意!没有“十” b.逢10进位，既在较高位增1; c.同一数符在不同位置所代表数值不同,差10k倍 d.小数点向左/右移动一位数值缩小/扩大10倍。2.J进位计数的特点： a.有J个数字符号; 0、1、2、J-1，注意!没有“J”; b.逢J进位，既在较高位增1; c.同一数符在不同位置所代表数值不同,差Jk倍 d.小数点向左/右移动一位数值缩小/扩大J倍。,Page
38、 67,Numbering and coding systems,1.4 数的表示 数制,3.“权”和“基”（1）“基”：所使用的数字符号(简称数符)的个数 J 称为“基”（2） 数位：为方便描述多位数中各数字符号所在位置，现规定,自小数点开始向左各位称为第0位、第1位、 ；自小数点开始向右各位称为第-1位、第-2位、。（3）“权”：数字符号“1”在某位置所代表的数值称为该位的权。显然，在J进位计数制下，第k位的权为Jk。（4） J进制数所代表的数值-按权展开(以十进制表示) ： (DmD1D0.D-1D-2D-n)J= (Dm*Jm + + D1*J + D0 + D-1*J-1 + D-2
39、*J-2 + + D-n*J-n)10,Page 68,Numbering and coding systems,1.4.1 数的表示 数制,4.二进制(J=2) a.有二个数字符号0、1，注意!没有“2”; b.逢2进位，既在较高位增1; c.数字符号“1”在第k位代表的数值是2k。 d.小数点向左/右移动一位数值缩小/扩大2倍。 e.(110111)2=1*25+1*24+0*23+1*22+1*21+1*20=(55)105.八进制(J=8) a.有八个数字符号0、1、7，注意!没有“8”; b.逢8进位，既在较高位增1; c.数字符号“1”在第k位代表的数值是8k。 d.小数点向左/右
40、移动一位数值缩小/扩大8倍。 e.(103524)8=1*85+0*84+3*83+5*82+2*81+4*80=(34644)10,Page 69,Numbering and coding systems,1.4 数的表示 数制,6.十六进制(J=16) a.有十六个数字符号，除0、1、2、8、9外，还需借用六个英文字母A、B、C、D、E、F；它们所对应的十进值分别为10、11、15。注意!没有“16”！ b.逢16进位，既在较高位增1; c.数字符号“1”在第k位代表的数值是16k。 d.小数点向左/右移动一位数值缩小/扩大16倍。 e.(4A07F1)16=4*165+10*164+0*
41、163+7*162+15*161+1*160 =(4851679)10 进制后缀：B:2 H:16 Q或O:8 D或无:10 例：11100110B 3058H 3058,Page 70,Numbering and coding systems,1.4 数的表示 数制,常用各种进制数字符号对应关系,Page 71,Numbering and coding systems,1.4 数的表示 数制,7. J1（十）进制数 J2（二）进制数的转换算法 （1）整数部分：除(J2)取余。 （2）小数部分：乘(J2)取整。 （3）上述运算需要在J1进制下进行！ 例：(53.625) 10=(110101.
42、101) 2 （4）这种方法是普遍适用的，无论机器中还是书面上！8.书面上不同进制数之间的转换算法： （1）当J1进运算较易人工完成时，可用机器中相同的算法 （2）当运算不易人工完成时，可先用十进运算按“权”展开为十进数，再由十进数转换为J2进。 例：(11001.1001)2 =(25.5625)10,Page 72,Numbering and coding systems,1.4 数的表示 数制,9. 二进制数与十六进制数之间的转换算法 由于恰好 24=16，所以有以下变换方法。这种方法不仅可以在书面上进行，也可以在机器中完成。 （1）二进制数 十六进制数的方法 a.将二进制数自小数点开始
43、向左/右按 4位一节分组，末端不足4位的部分用“0”补足为4位。 b.将每4位二进制数写成1位十六进制数。 c.例：(000101101101.01001010)2 =(16D.4A)16 （2） 十六进制数 二进制数的方法 a.将每1位十六进制数写成4位二进制数。 b.例：(1863.5B) 16 = (0001100001100011.01011011)2,Page 73,Numbering and coding systems,1.4 数的表示 数制,10.,Using windows - accessories - calc to practice with different num
44、ber systems,Page 74,Numbering and coding systems,1.4 数的表示 有符号数,非数值信息在计算机中的表达-编码非二进数字符号在机器中的表达-编码带符号二进数的符号的表达-编码(符号位)机器数： 1. 一个数在机器中的表示形式称为机器数(实质即编码) 2. 不仅符号部分是编码表达的；为应用方便，数值部分也常按某种方法编码表达。真值：机器数所代表的真实数值本身称为真值。有符号数和无符号数：有些问题中没有负数问题。此时全部编码长度都只用来表达数值，此称无符号数。 相反为有符号数。,Page 75,Numbering and coding systems
45、,1.4 数的表示 有符号数,带符号数的符号的表达方法：属于非数值信息，只能通过二进编码表达。符号位： 1. 因为数的符号只有“+”和“-”二种情况，所以编码时只需使用一个二进位即可。此称“符号位”。 2.一般来说，用“0”表示“+”，用“1”表示“-”；或相反均可。但一经约定就要一以贯之地使用到底，不能中途再改变。另外，为与其他人交流之便，这种约定一定要与大多数人一致。 3.目前，普遍采用的编码方法是用“0”表示“+”，用“1”表示“-”。因此，我们也采用这种约定。,Page 76,Numbering and coding systems,1.4 数的表示 有符号数,带符号数的原码表示：在其
46、绝对值前冠以符号位。带符号数的反码表示：正数的反码与其原码相同； 负数的反码是将其原码除符号位外逐位取反带符号数的补码表示：正数的补码与其原码相同； 负数的补码是其原码除符号位外逐位取反，末位加 1,Page 77,Numbering and coding systems,1.4 数的表示 有符号数,补码减法 1. X - Y补= X补 + -Y补 采用补码可将减法变为加法 X补 + -Y补 = 2n+X + (2n-Y) = 2n + (X-Y) = X-Y补 (mod 2n) 例：X= - 11 1000 = (- 56)10 ; Y= - 1 0001 = (- 17)10 ; X - Y= - 11 1000 - (- 1 0001) = - 10 0111 = (- 39)10 X补 = 1100 1000 X补 = 1100 1000 -Y补 = + 0001 0001 Y补 = - 1110 1111 (进位) 0 0000 0000 (借位) 1 1111 1110 - - 39补 = 1101 1001 - 39补 = 1101 1001,
