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单片机原理与应用 ( 主讲：吕辉）

单片机原理与应用 ( 主讲：吕辉）. 课程特点. ① 知识点既分散又连贯，结构和指令系统是基础； ② 与电子线路尤其是数字电子线路关系密切；. 学习方法. ① 预习、复习； ② 多动手（硬件、软件实验）； ③ 多看参考书 ( 包括利用网上资料 ) ； ④其它（上课、答疑）。. 参考书目：. 单片机原理与接口应用 兵器工业出版社 候紫达 智能化测量控制原理与设计 北京航空航天大学出版社 徐爱钧 MCS-51 系列单片机系统接口及应用 北京航空航天大学出版社 何立民 MCS-51 系列单片机实用接口技术 李华 主编 北京航空航天大学出版社.

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单片机原理与应用 ( 主讲：吕辉）

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  1. 单片机原理与应用(主讲：吕辉） 课程特点 ①知识点既分散又连贯，结构和指令系统是基础； ②与电子线路尤其是数字电子线路关系密切； 学习方法 ①预习、复习； ②多动手（硬件、软件实验）； ③多看参考书(包括利用网上资料)； ④其它（上课、答疑）。

  2. 参考书目： • 单片机原理与接口应用 兵器工业出版社 候紫达 • 智能化测量控制原理与设计 北京航空航天大学出版社 徐爱钧 • MCS-51系列单片机系统接口及应用 北京航空航天大学出版社 何立民 • MCS-51系列单片机实用接口技术 李华 主编 北京航空航天大学出版社

  3. 第1章 概 述

  4. 1.1 单片机的基本概念与发展概况 1.1.1 基本概念 计算机是应数值计算要求而诞生的。长期以来，电子计算机技术都是沿着满足海量高速数值计算要求的道路发展的。直到20世纪70年代，电子计算机在数字逻辑运算、推理、实际控制方面显露出非凡能力后，在工业控制领域才开始对计算机技术发展提出了与传统海量高速数值计算完全不同的要求。

  5. 微型计算机的应用形态: ◆多板机（系统机） 将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。 工业PC机 也属于多板机。

  6. 微机组成结构框图

  7. ◆单板机 将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。 单板机

  8. 单板机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统，现在已很少使用。单板机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统，现在已很少使用。

  9. ◆单片机 在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。 单片机组成框图

  10. 三种应用形态的比较 ： 单板机 单片机 系统机（多板机）

  11. 单片机的特点——与PC的区别 （1） 单片机小巧，灵活，易于组织成实用系统。 小巧在于单片机集成了微处理器的基本功能（而不是全部功能） （2） 特殊的单片机有专门的用途：如有用做控制的单片机，用做数据处理的单片机 （3）最主要的是：价格便宜

  12. 1.1.2 发展概况 1．第一代：单片机探索阶段(1974～1978年) 工业控制领域对计算机提出了嵌入式应用要求，首先是实现单芯片形态的计算机，以满足构成大量中小型智能化测控系统的要求。因此，这阶段的任务是探索计算机的单芯片集成。单片机(Single Chip Microcomputer)的定名即缘于此。 2．第二代：单片机完善阶段(1978～1983年) 计算机的单芯片集成探索，特别是专用CPU型单片机探索取得成功，肯定了单片微机作为嵌入式系统应用的巨大前景。典型代表是Intel公司将MCS-48迅速向MCS-51系列的过渡。

  13. 3．第三代：微控制器形成阶段 作为面对测控对象的计算机系统，不仅要求有完善的计算机体系结构，还要有许多面对测控对象的接口电路，如ADC、DAC、高速I/O接口、计数器的捕捉与比较，保证程序可靠运行的WDT(程序监视定时器)，保证高速数据传输的DMA等。这些为满足测控要求的外围电路，大多数已超出了一般计算机的体系结构。为了满足测控系统的嵌入式应用要求，这一阶段单片微机的主要技术发展方向是满足测控对象要求的外围电路的增强，从而形成了不同于单片微机特点的微控制器。微控制器MCU (MicroController Unit)一词缘于这一阶段，至今微控制器(MCU)仍是国际上对单片机的标准称呼。

  14. 4．第四代：微控制器百花齐放 第四代单片微机的百花齐放将单片微机用户带入了一个可广泛选择的时代。 (1) 电气商、半导体商的普遍投入。 (2) 满足各种类型要求的单片机种类繁多。 (3) 大力发展专用型单片机。 (4) 致力于提高单片微机综合品质。

  15. 新的发展——ARM • ARM公司是享誉全球的知识产权（IP）供应商，提供高性能低功耗IP设计的授权。 • 全球20家最大的半导体厂商中有19家是ARM的用户 • 发售了超过10亿个ARM微处理器内核 • 在2001年，全行业74.6%采用的是ARM的微处理器结构。 • ARM公司通过出售芯片技术授权，而非生产或销售芯片，建立起新型的微处理器设计、生产和销售商业模式。

  16. ARM的发展历史 • 1985年4月26日第一个ARM原型诞生在英国剑桥的Acorn公司 • 1990年成立了Advanced RISC Machines Limited • 20世纪90年代，ARM32位嵌入式RISC处理器占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位

  17. ARM处理器的3大特点： • 小体积、低功耗、成本低、高性能； • 16位/32位双指令集 • 全球众多的合作伙伴

  18. ARM（Advanced RISC Machines）是英国知识产权核（IP）设计公司，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 • ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可。

  19. ARM知识产权无处不在

  20. 几种单片机封装形式

  21. 5．单片机技术发展方向 1) 主流机型发展趋势 2) 全盘CMOS化趋势 3)RISC体系结构的大发展 4) 大力发展专用型单片微机 5)OTPROM、FlashROM成为主流供应状态 6)ISP及基于ISP的开发环境 7) 单片微机中的软件嵌入 8) 实现全面功耗管理 9) 推行串行扩展总线 10)ASMIC技术的启动与发展

  22. 1.2 单片机的特点及应用 1.2.1 单片机的特点 单片机作为微型计算机的一个分支，与一般的微型计算机没有本质上的区别，同样具有快速、精确、记忆功能和逻辑判断能力等特点。但单片机是集成在一块芯片上的微型计算机，它与一般的微型计算机相比，在硬件结构和指令设置上均有独到之处，主要特点有： (1) 目前大多数单片机采用哈佛(Harvard)结构体系，存储器ROM和RAM是严格区分、相互独立的。 (2)I/O引脚通常是多功能的。 (3) 有面向控制的指令系统。 (4) 外部扩展能力强。

  23. 1.2.2 单片机的应用 1．单片机的应用特点 (1) 体积小，成本低，运用灵活，性能价格比高，易产品化；研制周期短，能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器。 (2) 可靠性高，抗干扰性强：BUS大多在内部，易采取电磁屏蔽；适用温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作。 (3) 实时控制功能强：实时响应速度快，可直接操作I/O口。 (4) 可方便地实现多机和分布式控制，提高整个控制系统的效率和可靠性。

  24. 2．单片机的主要应用领域 单片机具有功能强、体积小、成本低、功耗小、配置灵活等特点，使其在工业控制、智能仪表、自动化装置、通信系统、信号处理等领域以及家用电器、高级玩具、办公自动化设备等方面均得到广泛的应用。 (1) 工业测控 (2) 智能设备 (3) 家用电器 (4) 商用产品 (5) 网络与通信的智能接口

  25. 1.3 常用单片机系列介绍 1.3.1 常用单片机产品系列及性能简介 1．8051单片机 2．WINBOND单片机 3．LG公司生产的GMS90系列单片机 4．MSP430单片机 5．Motorola单片机 6．MicroChip单片机 7．Atmel公司的AVR单片机 8．EM78系列OTP型单片机 9．Zilog单片机 10．EPSON单片机 11．东芝单片机 12．NS单片机 13．MDT20XX系列单片机 14．Scenix单片机

  26. MCS-51系列和AT89系列单片机 （1） MCS-51系列 MCS-51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8951，8032，8052，8752，8952等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS-51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。

  27. 20世纪80年代后期:Intel公司以专利的形式把 8051内核技术转让给厂家。 如：AMTEL、PHILIPS、ANALOG DEVICES、DALLAS公司。 这些厂家生产的兼容单片机，与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺。 8051系列：所有具有8051指令系统的单片机 不应直接称为MCS-51系列单片机，MCS只是Intel公司专用的单片机系列符号。

  28. 1.3.2 MCS-51系列单片机分类 1．按片内不同程序存储器的配置来分 MCS-51系列单片机按片内不同程序存储器的配置来分，可以分为以下3种类型。 (1) 片内带Mask ROM(掩膜ROM)型 (2) 片内带EPROM型 (3) 片内无ROM(ROMLess)型 2．按片内不同容量的存储器配置来分 (1)  51子系列型 (2)  52子系列型 3．按芯片的半导体制造工艺上的不同来分 (1)  HMOS工艺型 (2)  CHMOS工艺型

  29. Vcc P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA/Vpp ALE/PROG PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST/VPD RXD/ P3.0 TXD/ P3.1 INT0/ P3.2 INT1/ P3.3 T0/ P3.4 T1/ P3.5 WR/ P3.6 RD/ P3.7 XTAL2 XTAL1 Vss 8051 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21

  30. （1）基本型 典型产品：8031/8051/8751 （2）增强型 典型产品：8032/8052/8752 内部RAM增到256字节，8052、8752的内部程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个。 （3）低功耗型 典型产品：80C31/87C51/80C51。采用CMOS工艺 适于电池供电或其它要求低功耗的场合。 （4）专用型 8044/8744，用于总线分布式多机测控系统。美国Cypress公司的EZU SR-2100单片机－USB接口。

  31. 1.3.3 AT89系列单片机分类 INTEL公司将MCS-51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。

  32. 1.3.4 其他公司的51系列单片机 以下Philips、Dallas、Atmel、华邦、LG等大公司生产的系列单片机与Intel公司的MCS-51系列单片机具有良好的兼容性，包括指令兼容、总线兼容和引脚兼容。但各个厂家发展了许多功能不同、类型不一的单片机，给用户提供了广泛的选择空间，其良好的兼容性保证了选择的灵活性。 (1) Philips公司推出的含存储器的80C51系列和80C52系列单片机。 (2) 华邦公司推出的W78C××和W78E××系列单片机。 (3)  Dallas公司推出的Dallas HSM系列单片机。 (4)  LG公司推出的GMS90C××、GMS97C××和GMS90L××、GMS97L××系列单片机。此产品与MCS-51系列单片机相兼容。

  33. 教材为何选用8位单片机作讲解 近几年中国8位单片机的市场一直保持着30%的高增长速度，2006年8位单片机占中国单片机整体市场销量的一半以上。8位单片机应用的主力市场—汽车电子的高速增长也是带动这一市场保持主流地位的有力因素。随着供应商不断提高自身产品性能，丰富产品功能，8位单片机依靠价格优势、功耗低、尺寸小抢占了部分16位单片机的市场。更加巩固了其主流地位。

  34. MCS-51系列以及80C51系列单片机有多种类型， 但掌握好MCS-51的基本型（8031、8051、8751或80C31、80C51、87C51）是十分重要的。 它们是具有MCS-51内核的各种型号单片机的基础，也是各种增强型、扩展型等衍生品种的核心。

  35. 应用系统的开发 (1)总体方案设计 (2)系统硬件设计 (3)系统软件设计（监控程序设计）协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织调度的角色 (4)应用软件的编制（构造数据结构、建立逻辑/算术运算关系、绘制流程图）、调试 (5)仿真调试 (6)程序固化 (7)脱机运行 硬件实现：实时性强，响应速度快 软件实现：简化电路结构，降低成本，减少故障率，提高系统的灵活性与通用性,同时降低系统实时性，增加处理时间，增加软件设计费用，设计时间增加

  36. 单片机开发系统应具备的功能： • 1、系统硬件电路的诊断与检查 • 2、用户程序的输入修改 • 3、程序的运行调试 • 4、程序的固化

  37. 系统硬件设计（Protel原理图）

  38. Protel PCB图(硬制板图) 开 始 规划电路板 设置参数 装入网络表及封装 布置元件 自动布线 手工布线 存盘及打印输出

  39. 软件设计 • 汇编语言 • 高效率 • 精确可控（比如时序操作） • C语言

  40. KEIL uVISION2是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一，它支持众多不同公司的MCS51架构的芯片，它集编辑，编译，仿真等于一体，同时还支持，PLM，汇编和C语言的程序设计，

  41. 单片机微机仿真实验系统

  42. 仿真器和逻辑测试仪 返回

  43. 编程器和芯片座 返回

  44. 我的教学目的： • 考试及格？ • 学会某一本书上的东西？ • 会用51单片机搭建一个嵌入式系统？ • I can find something I need for the target as reference. And finally I could get something. • 闭卷考试

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