1、第1章 单片机概述,1.1 什么是单片机 1.2 单片机的历史及发展趋势 1.3 MCS-51系列单片机 1.4 单片机的应用开发 思考题,1.1 什么是单片机,单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器 (CPU)，存储器（RAM，ROM，EPROM）和各种输入输出接口（定时器/计数器，并行I/O口，串行口，A/D转换器等），这样一块集成电路芯片具有一台计算机的属性，因而备称为单片微型计算机，简称单片机。,为了强调其控制属性，在国际上，多把单片机称为微控制器MCU（MicroController Unit）。,计算机发展的两个方向,高性能、高价格：超级计算机、微型个人计算机、服务器等用途：
2、科学计算、数据、通讯服务、办公领域、复杂工业控制特点：结构复杂、体积相对较大、能耗高、价格贵低价格、功能单一： 单片机用途：简单的工业、民用控制、大型控制系统中功能相对单一的控制单元特点： 结构简单、体积小、耗能低、价格低廉,计算机的组成,计算机：运算器、控制器、存储器、输入/输出接口,微型计算机：CPU、存储器、输入/输出口（外设）,把运算器与控制器集成在一个芯片上，组成单硅片的中央处理器CPU是微型计算机区别于大中小型计算机的主要结构特征。,主机,单板机：把中央处理器CPU、存储器、输入输出接口装在一块印刷电路板上（简单外设、键盘、LED显示）,单片机：在一个晶体芯片上，集成了计算机的全部
3、单元要素：CPU,ROM(EPROM),RAM 和I/O(有的集成A/D、CTC、串口、并口),同是一个芯片，CPU只是计算机的一个组成部分，而单片机是一个完整的计算机,.微型计算机的应用模式,微机用于,科学计算：,工业控制：基本计算机简单外设,基本计算机外设,LED、LCD、简易键盘,CRT、键盘、打印机等,应用举例,单板机 +,模入、模出,开入、开出,用户计算机 控制系统,工业控制计算机,基本计算机+,开入,开出,小型PLC,基本计算机+,模入、模出,开入、开出,STD总线控制机,PC总线控制机,单片机可以分为通用型和专用型两大类。,通用型单片机具有比较丰富的内部资源，性能全面而且适应性强
4、，可满足多种应用需求。通用型单片机是把可开发的内部资源，如RAM、ROM、I/O等功能部件全部提供给用户。用户可以根据具体需求，充分利用单片机内部资源，设计一个以通用单片机芯片为核心，再配以外部接口电路及其它外围设备，来满足不同需要的测控系统。,专用型单片是使用专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机。例如：打印机、家用电器、各种通信设备中的专用单片机。这种应用的最大特点是针对性强而且数量巨大。为此，单片机芯片制造商常与产品厂家合作，设计专用单片机芯片。,单片机和微处理器,微处理器MPU（Micro Processor Unit）是计算机的核心部件，计算机系统的主要用途是科学计算、数据处理、图
5、象分析、数据库管理、人工智能、数字模拟和仿真等。为了满足人们对海量数值运算的需求，8位、16位的MPU已被淘汰，32位机也以每两三年换代一次的速度发展。,单片机MCU主要用于控制目的。要求构成的检测控制系统有实时、快速的外部响应，能迅速采集到大量数据，做出逻辑判断与推理后实现对被控制对象的参数调整与控制。单片的发展方向现在仍是以8位为主，32为辅。,微计算机技术的发展，形成了两大分支：微处理器和单片机。,单片机和嵌入式系统,什么是嵌入式系统？,嵌入式系统是面向测控对象，嵌入到应用系统中的计算机系统的统称。嵌入式系统通常有工控计算机、通用CPU模块、嵌入式微处理器、嵌入式微控制器。前两者是基于通
6、用CPU的计算机系统，后两者是芯片形态的计算机系统。嵌入式微控制器则是嵌入式系统概念广泛使用后，给传统单片机定位的称呼。,为什么说单片机是典型的嵌入式系统？,单片机从体系结构到指令系统都是按照嵌入式应用特点专门设计的。它体积小、控制能力强、抗干扰能力强、指令丰富，并且包含位处理指令，等等这些特性都使得单片机能最好地满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行，以及非凡的控制品质要求。因此，单片机是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。,1.2 单片机的历史及发展趋势,第一阶段（19711976年）：单片机初级阶段。 1971年 Intel公司推出四位单片机4004, 因工艺限制，单片机
7、采用双片的形式而且功能简单。,第二阶段（19761978年）：低性能单片机阶段。以Intel公司制造的MCS-48单片机为代表，集成了8位CPU、并行I/O口、8位定时器/计数器、RAM、ROM，但无串口，中断处理比较简单，片内RAM和ROM容量较小。,第三阶段（19781982）：高性能单片机阶段。典型代表有Intel公司制造的MCS-51系列单片机、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。带有串口，多级中断系统， 16位定时器/计数器、片内RAM、ROM容量加大，寻址范围可达64KB。,第四阶段（1982现在）：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。此阶段
8、的主要特征是一方面发展16位单片机、32位单片机及专用型单片机；另一方面不断完善高档8位单片机，以满足不同的用户需求。16位单片机的典型产品如Intel公司生产的MCS-96系列单片机。,单片机的发展趋势将是向大容量、高性能、外围电路内装化等方面发展，满足不同用户的需求。,二、单片机的发展趋势,1、CPU的改进采用双CPU 结构，增加数据总线宽度，串行总线结构。,3、片内I/O的改进增加并行口的驱动能力，增加I/O口的逻辑控制功能，设置一些特殊的串行接口，为构成网络化系统提供条件。,4、外围电路内装化随着集成度的不断提高，有可能把众多的外围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的ROM、RAM、
9、定时器/计数器、中断系统外，还可能集成A/D转换器、D/A转换器、DMA控制器、中断控制器、频率合成器、字符发生器、声音发生器、CRT控制器等。,5、低功耗化8位单片机中有二分之一的产品已CMOS化，CMOS芯片的单片机具有功耗小的优点。例如采用CHMOS工艺的MCS-51系列单片机80C31/80C51/87C51在正常运行时，工作电路为16mA，Wait方式工作时，工作电路为3.7mA，Stop方式时，工作电路仅为50nA。,1.3 MCS-51系列单片机,MCS 是 Intel 公司产生的单片机的系列符号，例如 Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCS-96系列单片机。MCS-
10、51系列单片机既包括三个基本型8031、8051、8751，也包括低功耗型80C31、80C51、87C51，因而MCS-51系列特指Intel公司的这几种型号的单片机。,常用的51x单片机产品,1.6 单片机的应用开发,1、工业自动化在自动化技术中，无论是过程控制技术、数据采集还是测控技术，都离不开单片机。机电一体化技术（例如机器人技术）将发挥愈来愈重要的作用。,2、智能仪器仪表在智能仪器仪表中，单片机应用十分普及。单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度，减小体积而易于携带。,3、消费类电子产品主要反映在家电领域，目前家电产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度。例如，洗衣机、电冰箱、空调
11、、电视机、微波炉、手机、MP3、IC卡、汽车电子设备等。,4、通信方面在调制解调器、程控交换技术，以及各种通信设备（如MODEM、路由器、交换机等），单片机都得到了广泛的应用。,5、武器装备在现代化的武器装备中，如飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器、航天飞机导航系统等领域都有单片机深入其中。,6、终端及外部设备控制计算机网络中断设备，银行中断及计算机外部设备，如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等设备中，都使用了单片机。,7、多机分布式系统可用多片单片机构成分布式测控系统，它使单片机的应用进入了一个新的水平。,二、单片机的开发,单片机应用系统所需要的一般配置： 单片机。 人机交
12、流设备。输入设备有键盘和按键，输出设备有数码管、液晶显示模块和指示灯等。 信号采集的输入通道。如出租车的测距、测速装置，温控系统，温度计的温度传感器、洗衣机的水位测量设备。 向操作对象发出各种控制信号的输出通道。如空调启动压缩机的开关电路，控制彩电的频道切换、颜色、音量等的接口电路。 如果需与其他计算机系统或智能设备实现信息交换，还需配置通信接口电路。 有时还需扩展外部RAM、EEPROM用于存放数据。如彩电遥控系统中存放系统数据的存储器。,单片机典型应用系统的结构,单片机应用系统的设计方法,单片机应用系统的技术要求各不相同，针对具体的任务，设计方法和步骤也不完全相同。这里我们只能讨论单片机应
13、用系统的一般设计方法。 为完成某一任务的单片机应用系统需要包含硬件和软件系统。硬件和软件必须紧密结合，协调一致才能正常工作。在系统研制过程中，硬件设计和软件设计不能截然分开。硬件设计时应考虑软件设计方法，而软件也一定是基于硬件基础上进行设计的。这就是所谓的“软硬结合”。 单片机应用系统的研制过程包括确定任务、总体设计、硬件设计、软件设计、系统调试、产品化等几个阶段。它们不是绝对分开的，有时是交叉进行的。,单片机应用系统的开发工具,单片机应用系统开发必须经过调试阶段，只有经过调试才能发现问题，改正错误，最终完成开发任务。实际上，对于较复杂的程序，大多数情况下都不可能一次性就调试成功，即使是资深程
14、序员也是如此。 单片机只是一块芯片而已，本身并无开发能力，要借助开发工具才能实现系统设计。开发工具主要包括电脑、编程器(又称写入器)、仿真机。如果使用EPROM作为存储器还要配备紫外线擦除器。其中必不可少的工具是电脑和编程器(当然对于在线可编程的单片机，如89S51，也可以不用编程器，而通过下载电缆下载)。,单片机应用系统的开发工具,1. 仿真机及其使用 (1) 开发环境 单片机程序的编写、编译、调试等都是在一定的集成开发环境下进行的。 集成开发环境仿真软件(ICE)将文件的编辑，汇编语言的汇编、连接，高级语言的编译、连接高度集成于一体，能对汇编程序和高级程序进行仿真调试。 单片机程序如果是汇
15、编编写的，文件名后必须加后缀名“.ASM”。如果是C51编写的，必须加后缀名“.C”。,单片机应用系统的开发工具,(2) 仿真机的使用 为了实现目标系统的一次性完全开发，必须用到仿真机(也称在线仿真机)。在线仿真机的主要作用是能完全“逼真”地扮演用户单片机的角色，且能在集成开发环境中对运行程序进行各种调试操作，即时发现问题，即时修改程序，从而提高工作效率，缩短开发周期。 仿真机的种类很多，如南京伟福系列仿真机、南京万利MPE5103仿真机等，价格通常在千元以上。每个仿真机都配有使用说明书详细介绍其使用方法，故在这里将不对仿真机进行详细介绍。,单片机应用系统的开发工具,(2) 仿真机的使用 使用
16、时，在线仿真机通过RS-232插件与电脑的COM1或COM2端口相连。在断电情况下，拨下用户系统的单片机和EPROM，代之以仿真头，如下图所示。 运行仿真调试程序，通过跟踪执行，能即时发现软硬件方面的问题并进行修正。当设计达到满足系统要求后，将调试好的程序编译时形成的二进制文件用编程器烧写到芯片中，一个应用系统就调试成功了。,单片机的在线仿真,单片机应用系统的开发工具,2. 编程器 当我们编写好的程序在集成开发环境编译通过后，会形成一个二进制文件(文件名与源程序文件名相同，后缀名为“.BIN”)或十六进制文件(后缀名为“.HEX”)，即形成所谓的目标程序。这个目标程序必须利用编程器才能将目标文
17、件烧写到单片机的程序存储器中，从而让单片机系统的硬件和软件真正结合起来，组成一个完整的单片机系统。 编程器的主要功能是将目标程序烧写到芯片中，其与电脑的连接如下图所示。编程器的使用比较简单，读者只要有机会使用，在非常短的时间内就能学会。,编程器与计算机的连接,单片机应用系统的开发工具,2. 编程器 编程器的种类也很多，不同档次的编程器价格相差很大，从150元到7000多元不等；档次的差别在于烧写可编程芯片的类型的多少。目前巿面上常见的有台湾河洛生产的ALLXX系列、南京西尔特公司的SP系列、北京润飞的RF系列，广州升洪的TOP系列等。如果仅仅是用于学习或是仅针对常用单片机的开发，一般买较低档的
18、编程器就可以，价格大概在200元左右。 仿真器和编程器是单片机开发的重要工具，熟练使用这些工具是每个单片机开发人员必备的基本技能，而这些工具的使用只有通过实践才能掌握。,单片机应用系统的结构,1、基本系统,2、扩展系统,单片机+输入/输出设备无扩展的ROM，RAM，I/O等。,单片机内部资源有限，要求较高的单片机系统需外扩展ROM、RAM、I/O，甚至A/D、D/A等。,1.已知原码如下，写出其反码和补码（最高位是符号位）（1）X 01011001， （2）X 00111110（3）X 11011011， （4）X 11111100,原,原,原,原,2. 当微机把下列数看成无符号数时，它们相应
19、的十进制为多少？若把它们看出是补码，最高位为符号位，它们相应的十进制数又是多少？（1）10001110 （2）10110000 （3）00010001 （4）01110101,思 考 题,2、答: 当把(1)(4)的数看成无符号数时，它们相应的十进制数如下： (1)10001110142 (2)10110000176(3)0001000117 (4)01110101117当把它们看成是补码，最高位为符号位时，它们相应的十进制数如下: (1)10001110-114 (2)10110000-80(3)0001000117 (4)01110101117,3、单片机（MCU）和微处理器（MPU）有何不同？为什么说单片机是典型的嵌入式系统？,4、你认为在哪个领域中单片机的应用将得到较大发展？简述该领域的现状和技术发展趋势。,
