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1. 1、计算机的发展过程？ 2、电子计算机的组成与各部分功能？ 3、计算机编程语言的发展阶段？ 新课引入

2. 第一章概述 • 单片机及其发展 • 单片机应用 • AVR系列单片机 • AVR单片机的系统结构

3. 1.1单片机及其发展 1946年，美国宾夕法尼亚大学制成世界上第一台电子计算机ENIAC以来，电子计算机的发展经历了电子管、晶体管、集成电路到大规模（超大规模）集成电路四个阶段，即通常所说的第一代、第二代、第三代和第四代计算机。现在广泛使用的微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，它属于第四代计算机，而单片机则是微型计算机的一个分支。 微型计算机 计算机 单片机

4. 各种单片机形状：

5. 1.1.1单片机的名称 CPU 输入设备 输入接口 运算器 控制器 输出设备 输出接口 存储器 单片机的构成 计算机的构成 单片机因将计算机的主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理单元CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要微型机部件集成在一块芯片上。

6. 虽然单片机只是一块芯片但从组成和功能上看，它已具有了计算机系统的属性，因此称它为单片微型计算机SCMC（Single Chip Microcomputer）简称单片机。 国际上常称为微控制器MCU（MicroController Unit）。

7. 1.1.2通用单片机和专用单片机 根据控制应用的需要，可以将单片机分成通用型和专用型两种类型： 通用型单片机是一种基本芯片，它的内部资源比较丰富、性能全面而且适用性强，能够覆盖多种应用需求。用户可以根据需要设计成各种不用应用的控制系统，即通用单片机有一个再设计的过程，通过用户的进一步设计，才能组建成一个以通用单片机芯片为核心再配以其他外围电路及应用程序的应用控制系统。 专用单片机芯片是针对一种产品或一种控制应用而专门设计的，设计时已经对系统结构的最简化、软硬件资源利用的最优化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了通盘的考虑和论证，所以专用单片机具有十分明显的综合优势。例如：电度表和IC卡读写器上的单片机等。

8. 1.1.3单片机与单片机系统 注意：单片机与单片机系统的区别。 单片机是一块芯片。

9. 单片机系统是在单片机芯片基础上扩展其他电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。单片机系统是在单片机芯片基础上扩展其他电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。 单片机系统 外部设备 单片机 输入\输入设备

10. 1.1.4单片机程序设计语言 机器语言：用二进制代码表示的单片机指令。用机器语言构成的程序称为目标程序。 汇编语言：用符号表示的指令。是对及其语言的改进，是单片机常用的程序设计语言。 上述两种语言效率高，但他们都是面向机器的低级语言，不便于记忆和使用，且均与单片机硬件关系密切，这就要求程序设计人员必须精通单片机的硬件系统和指令系统。 高级语言：例C语言。 AVR系列单片机的用C语言编程效率较高，从而可以取代难以上手的汇编语言。C语言功能丰富、表达能力强、使用灵活方便、应用广泛、可移植性好，既具有高级语言的优点，又具有低级语言的许多特点。许多原来用汇编语言编写的程序，可以用C语言编写，而学习和使用C语言要比学习和使用汇编语言容易得多。

11. 单片机应用实例 1、单片机外形 ATMEL公司的ATMEGA16L单片机

12. 单片机电路板:电路板以单片机为核心，外接各种器件.单片机电路板:电路板以单片机为核心，外接各种器件.

13. //C语言编程清单：使8个红发光管闪光// #include <mega16.h>;//文件头 #include <delay.h>;//延时函数 main() { DDRD = 0xff;//D口设置输出 ; PORTD=0xff; //D口输出高电平; while (1) { PORTD=0x00; //全亮 delay_ms(500) ;//全亮延时500毫秒 PORTD=0xff; //全灭 delay_ms(500) ;//全灭延时500毫秒 } }

14. 运行效果

15. 1.1.5单片机的发展 根据单片机发展过程中各个阶段的特点，其发展历史大概可划分为以下四个阶段： 第一阶段（1974～1976）：单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片的形式，而且功能简单。 第二阶段（1976～1978）：低性能单片机阶段。以Intel公司制造的MCS－48系列单片机为代表。 第三阶段（1978～1982）：高性能单片机阶段。这个阶段推出的单片机品种齐全，可以满足各种不同领域的需要。代表产品有Intel公司的MCS-51系列机、Motorola公司的6810等。 第四阶段（1983年以后），这是十六位单片机和八位高性能单片机并行发展的时代。

16. 纵观单片机近30年的发展历程，可以认为单片机今后将向多功能、高性能纵观单片机近30年的发展历程，可以认为单片机今后将向多功能、高性能 高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路内装化以及片内存储器容量 增加的方向发展，但其位数不一定会增加（尽管现在已出现了32位的单片机 ，但使用的并不多）。此外，专用化也是单片机的一个发展方向，针对单一 用途的专用单片机将会越来越多。

17. 1.2单片机的特点及应用 1单片机的特点： 1）小巧灵活、成本低、易于产品化。能组装成各种智能式测控设备及智能仪器仪表。（举例水箱水位控制：人、数模电路、电脑、单片机） 2）可靠性好，应用范围广。由于单片机的各种功能部件都集成在一个芯片上，特别是存储器也集成在芯片内部；布线短，数据大都在芯片内部传送，不易受到外部的干扰，增强了抗干扰能力，使系统运行更可靠。能适应各种恶劣的环境，这是其他机种无法比拟的。 3）速度快，单片机由于主要用于工业控制方面，一般都需要较大的程序存储器，用以固化已调好的控制程序；而数据存储器的容量相对较小，主要用来存放少量的随机数据。小容量随机存储器直接装在单片机内部，可使数据传送速度加快。 4）易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能指令，可以对逻辑功能比较复杂的系统进行控制。 5）具有通讯功能，可以很方便地实现多机和分布式控制，形成控制网络和远程控制。

18. 智能仪器仪表上的应用 机电一体化上的应用 实时控制系统上的应用 人们生活中的应用 计算机网络和通信领域上的应用 宣传指示应用 其他 2单片机应用（面广量大）

19. 在智能仪表中的应用 这是单片机应用最多最活跃的领域之一。在各类仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。 示波器 位移传感器 采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

20. 在机电一体化中的应用 机电一体化产品是指集机械技术，微电子技术，计算机技术于一体，使其产品具有智能化特征的电子产品。它是机械工业发展的方向。

22. 在实时控制系统中的应用 单片机广泛用于各种实时过程控制系统中，例如工业过程控制、过程监测、航空航天、尖端武器等各种实时控制系统。用单片机进行实时系统数据处理和控制，保证系统工作在最佳状态，有利于提高系统的工作效率和产品的质量。

23. 在人们生活中的应用 目前国内外各种家用电器已经普遍用单片机代替传统的控制电路，例如，洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭煲、收音机、音像、电风扇及许多高级电子玩具都配上了单片机。

24. 计算机网络和通信领域上的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制 • 手机 • 电话机 • 程控交换机 • 调制解调器 • 楼宇自动通信呼叫系统 • 列车无线通信 • 无线电对讲机等。

25. 宣传指示应用（电子显示屏、电子广告牌等）

27. 其他 单片机还广泛应用于办公自动化领域、商业营销领域、安全防卫、汽车及通信系统、计算机外部设备、模糊控制等领域。

28. 小结： 1.单片机的名称 2.通用单片机和专用单片机 3.单片机与单片机系统 4.单片机的程序设计语言 5.单片机的发展 6.单片机特点 7.单片机应用

29. 作业： P10 第一题：单片机主要应用在哪些领域？有 什么用途？

30. 1.3AVR系列单片机 一.AVR单片机的特点 AVR是ATMEL（中文名）公司的A先生和V先生1997年发明的基于精简指令集（RISC）的单片机系列。 ATMEL公司为美国的爱特梅尔公司，是全球著名的半导体公司之一，以生产高性能、低功耗、非易失性存储器和数字集成电路而著称。 20世纪90年代初，ATMEL公司率先把MCS-51内核与其擅长的Flash（闪存）技术相结合，推出了轰动业界的AT89系列单片机。1997年，推出了全新配置的精简指令集系列单片机，简称AVR。 几年来，AVR单片机已形成系列产品，其中Attiny，AT90及Atmega分别对应低、中、高档产品。根据用户的不同需要，现已推出了30多种型号，引脚为8～64脚，价格从几元到上百元人民币，内部配置也大不相同，但其基本结构和编程方法是一样的。

31. 精简指令集RISC: Reduced Instruction Set Computing，中文即“精简指令集”。是相对于CISC（复杂指令系统计算机）而言的。RISC 并非只是简单地去减少指令，而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的。RISC 优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令：并固定指令宽度，减少指令格式和寻址方式的种类，从而缩短指令周期，提高运行速度。由于 AVR 采用了 RISC 的这种结构，使AVR系列单片机都具备了1MIPS/MHz（百万条指令每秒/兆赫兹）的高速处理能力。

32. 下面，以AT90S（AVR单片机的中档产品）为例来介绍AVR单片机的优点：下面，以AT90S（AVR单片机的中档产品）为例来介绍AVR单片机的优点： 1.程序存储器采用FLASH（闪存）技术：擦写可达1000次以上，不再有报 废产品。内部含电可擦数据EEPROM存储器。

33. ROM:只读存储器(Read-Only Memory)。一次性制造，其中的代码与数据将永久保存，除非坏掉，不能进行修改。 PROM:可编程的只读存储器（Programmable Read-Only Memory）。 这样的产品只允许写入一次，所以也被称为“一次可编程只读存储器”，PROM在出厂时，存储的内容全为1，用户可以根据需要将其中的某些单元写入数据0，以实现对其“编程”的目的。 EPROM:可擦除可编程的存储器（Erasable Programmable Read-Only Memory）。它的特点是具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程，但是缺点是擦除需要使用紫外线照射一定的时间。这一类芯片特别容易识别，其封装中包含有“石英玻璃窗”，一个编程后的EPROM芯片的“石英玻璃窗”一般使用黑色不干胶纸盖住， 以防止遭到 阳光直射。EEPROM:电可擦除可编程存储器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）。它的最大优点是可直接用电信号擦除，也可用电信号写入。 FLASH memory:闪存。它也是一种非易失性的内存，属于EEPROM的改进产品。它的最大特点是必须按块(Block)擦除(每个区块的大小不定，不同厂家的产品有不同的规格)，而EEPROM则可以一次只擦除一个字节(Byte)。目前“闪存”被广泛用在PC机的主板上，用来保存BIOS程序，便于进行程序的升级。其另外一大应用领域是用来作为硬盘的替代品，具有抗震、速度快、无噪声、耗电低的优点，

34. 2.运行速度快、低功耗、具有休眠功能及CMOS技术：AVR单片机采用Harvard结构，程序与数据存储空间分开，各有独立的地址总线和数据总线，取指和读数可以同时进行，从而提高速度。且具有预取指令的功能（当执行某一指令时，下一条指令被预先从程序存储器中取出），这使得指令可以在每一个时钟周期内被执行。2.运行速度快、低功耗、具有休眠功能及CMOS技术：AVR单片机采用Harvard结构，程序与数据存储空间分开，各有独立的地址总线和数据总线，取指和读数可以同时进行，从而提高速度。且具有预取指令的功能（当执行某一指令时，下一条指令被预先从程序存储器中取出），这使得指令可以在每一个时钟周期内被执行。 3.高度保密性：不象Mask ROM那样可通过电子显微镜破解–Flash单元深藏于芯片内部 –可多次烧写的Flash且具有多重密码保护锁死(LOCK)功能,因此可快速完成产品商品化,并可多 次更改程序(产品升级)而不必浪费IC或电路板,大大提高产品质量及竞争力。。 4.工业级产品：输入输出口电流较大：10～20mA，很多设备不加驱动可以直接带动；有看门狗定时器，安全保护，防止程序走飞，提高产品的抗干扰能力。 5.具有休眠省电功能(POWER DOWN)及闲置(IDLE)低功耗功能。一般耗 电在1～2.5mA,典型功耗情况,WDT关闭时为100nA 。 6. AVR内带模拟比较器：I/O口可作A/D转换用,可组成廉价的A/D转换器。

35. 7.可重设启动复位：AVR系列有内部电源开关启动计数器,可将低电平复 位(/RESET)直接接到Vcc端。当电源开时,由于利用内部RC的看门狗定时器,可延迟MCU启动执行程 序。这种延时使I/O口稳定后执行程序,以提高单片机工作可靠性。有的还有内部复位电压检测电路BOD,而检测电压可调。

36. 二、AVR单片机的选型 前面讲过AVR单片机有高中低三种档次产品，虽内部配置不大相同，但其基本结构和编程方法是一样 的。而ATMEGA16单片机在AVR系列中功能全、接口丰富，具有较好的代表性和广泛的应用，所以本 教材选此型号的单片机讲解。

37. 三、AVR单片机的系统结构 AVR单片机的总体结构可用右图来描述：

38. 1.中央处理器（CPU） 中央处理器简称CPU，是单片机的核心，完成运算和控制操作。 按其功能，CPU包括运算器和控制器两部分电路。 运算器电路：一个8位的运算器用于实现算术和逻辑运算。ALU（算术逻辑单元）、32个通用寄存器等属于运算电路。 控制器电路：控制电路是单片机的指挥控制部件，保证单片机各部分能自动协调的工作。程序计数器、命令寄存器、命令译码器（图中未画出）等均属于控制电路。 单片机执行命令过程： 单片机执行命令是在控制电路的控制下进行的。首先从程序存储器（FLASH）中读出指令，送指令寄存器保存，然后送命令译码器进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号，再送到系统的各个部件去进行相应的操作。这就是执行一条指令的全过程，执行程序就是不断重复这一过程。

39. 2.内部数据存储器 RAM和EEPROM为内部数据存储器。RAM随机存储器，是一种在正常工作可读可写的存储器，通常用来存放计算过程中的原始数据、中间结果、最终结果和实时数据等。RAM中存入的信息不能长久保存，停电后便立即消失，故它又称为易失性存储器。 EEPROM为电可擦除可编程存储器。为了弥补RAM的不足，避免因掉电而丢失重要数据，可在掉电前，将需保存的数据写入EEPROM，这样，上电后数据即可恢复。因为EEPROM的特点是掉电后，存入的数据仍然保存着。应该说EEPROM是RAM的一种补充，但因EEPROM存储速度慢，EEPROM不能代替RAM。

40. 3.内部程序存储器 内部程序存储器指FLASH（闪速存储器，简称闪存）。FLASH用于存放应用程序和原始数据，因此称之为程序存储器。芯片型号不同，AVR系列单片机片内的FLASH大小1K~128KB。程序存储器FLASH可反复擦写并可在线调试，修改程序至少1000次以上不损坏。 4.定时器/计数器 出于控制应用的需要，AVR系列单片机有多个定时器/计数器以及实时时钟RTC，以实现定时或计数功能，在控制应用中较为广泛。 5.并行I/O口 AVR系列单片机有多个8位的I/O口，以实现数据的并行输入输出。 6.串行口 带有一个或两个全双工的通用串行异步收发器UART和一个全双工的同步串行接口SPI，以实现单片机和其他数据设备以及几个单片机的串行数据传送。

41. 7.中断控制系统 AVR系列单片机具有较强的中断功能，丰富的中断源，用以满足控制应用的需要。 8.时钟电路 AVR系列单片机有晶体振荡器电路和实时时钟振荡器电路。时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。单片机本身是一个复杂的同步时序电，为了保证同步工作方式的实现，电路应在位移的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。实时时钟振荡器电路是为定时器异步操作而设置的。在该模式下，实时时钟振荡电路独立于系统时钟电路，从而定时器可作为实时时钟RTC。 9.总线 上述部件都是通过总线连接起来，才能构成一个完整的单片机系统。总线在图中以带箭头的粗线表示，系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的。总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。 从上述内容可以看出来，虽然AVR单片机只是一块芯片，但“麻雀虽小五脏惧全”，作为计算机应该具有的基本部件在单片机中基本都包括，因此它已经是一个简单的为计算机系统了。

42. 小结： 1.AVR单片机的特点 2. AVR单片机的选型 3. AVR单片机的系统结构

43. 作业： P16 第二题：AVR系列单片机的FLASH存储器、SRAM存储器、EEPROM存储器各作什么用途？