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    第二版第1章.ppt

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    第二版第1章.ppt

    工程背景下的单片机原理及系统设计,Powerpoint 制作: 五邑大学信息工程学院 刘焕成 电话:3299035(O) 课程主讲:XXX,工程背景下的单片机原理及系统设计,第1讲内容提示 单片机是什么 单片机的基本结构 单片机的应用 单片机系统的开发过程,工程背景下的单片机原理及系统设计,本书内容分为上、下两篇。上篇由17章构成,讨论单片机基础知识内容。 下篇由811章构成,内容是关于单片机系统总线扩展与接口电路设计方面的知识。,工程背景下的单片机原理及系统设计,1.1 单片机是什么 世界上第一台单片机是什么时间由谁研制开发的? 单片机是计算机的一种。由于其特殊的结构将微处理器、存储器(RAM、ROM)、某些专用外围设备(硬件)及I/O接口等电路集成在一块芯片上,称为单片微型计算机,简称单片机。世界上第一台单片机是Texas仪器公司于1975年研制成功的。,工程背景下的单片机原理及系统设计,1.2 单片机的起源与发展现状 单片机是从早期计算机系统中分化出来的。 单片机是嵌入式微型计算机的一个大类。嵌入式计算机系统的定义是:一种内部包含微计算机,用于完成特定任务的电子系统,简称嵌入式系统。,工程背景下的单片机原理及系统设计,1.3 单片机的基本结构 问题:最简单的单片机应具备什么? (1)中央处理器(CPU):包括运算器、控制器和内部寄存器组; (2)存储器:包括ROM和RAM; (3)定时/计数器; (4)输入、输出(I/O)接口 单片机的基本结构如图1-1所示。,工程背景下的单片机原理及系统设计,工程背景下的单片机原理及系统设计,1.4.1.单片机的特点 根据单片机应用领域的要求,有以下特点: (1)集成度高,体积小,重量轻。 (2)面向控制,功能强。 (3)抗干扰、温度范围宽、电磁兼容性强. (4)使用方便。开发周期短。 (5)性/价比高。单片机内部资源广泛, (6)容易产品化,工程背景下的单片机原理及系统设计,1.4.2单片机的应用范围 1 工业过程控制 借助I/O接口多,位操作指令丰富,逻辑功能强的优势,单片机特别适用于工业过程控制,且开发周期短。,工程背景下的单片机原理及系统设计,2 智能仪表 单片机体积小、功耗低、适应能力及抗干扰能力强,足够的运算能力和运算速度,正在将传统的测量仪表向数字化智能仪表方向转变。 3 机电一体化产品 机电一体化产品是指集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体,具有智能特征的产品。是机械工业发展的方向,单片机与传统的机械产品相结合,使机械产品结构简化、控制智能化。,工程背景下的单片机原理及系统设计,4 汽车交通业 单片机对这个行业的发展起了具大的推动作用。在道路交通控制方面,单片机在重多交通设施中起核心作用。如交通信号控制器、智能交通信号器、倒计时器、交通流量检测器等。在汽车制造业,现代汽车中采用单片机的智能模块愈来愈多,ABS、EBD等相继走向实用。,工程背景下的单片机原理及系统设计,5 计算机网络及通信技术 现代实时检测、控制系统都离不开网络与通信技术。由于系统的节点数庞大,而每一个节点又由微型计算机(多数是单片机或PLC)为核心的智能系统,为在网络应用创造了条件。,工程背景下的单片机原理及系统设计,6 家用电器 由于单片机控制功能强、体积小、价格低,广泛用于家用电器。例如?。由于该领域生产规模大,前途广泛。,工程背景下的单片机原理及系统设计,1.4.3 单片机中常用的几类存储器 计算机的加工对象就是,也只有是数据。这些数据被安排在不同类型的存储器中。计算机中的全部信息,包括程序代码、中间运行结果和最终运行结果都需保存和记忆。并随时更新和取出使用。有了存储器,计算机才有记忆功能,才能正常工作。,工程背景下的单片机原理及系统设计,单片机的编程者必须对存储器、存储器单元及地址、地址中的数据及它们之间的关系有明确的概念。 存储器(Memory)是计算机系统中的记忆设备,用来存放程序和数据。 存储器的容量是以字节(Byte记为B)作为计量单位的,如128B、64KB、1GB等,字节是存储器的基本单元,就象学生生活区以宿舍为单元一样。注意字节与位(bit)相区别,1字节由8个二进制位组成,即1B = 8b(bit)。这与1个宿舍住8个人一样。,工程背景下的单片机原理及系统设计,常用的几类存储器有: 1程序存储器:特点是“只读不写”,掉电后数据不丢失,数据一般可保护10年以上。只读存储器分类如下: (1)ROM:程序由厂家在出厂时固化,用户不能再改写,如8051单片机自带4KROM。 (2)OTP:只能写入一次的程序存储器,仅有一次,之后不能再改写。 (3)EPROM:可通过紫外线擦除后反复改写的程序存储器。如8751自带4K的EPROM。 (4)FLASH:可通过编程电压带电擦除,再改写的程序存储器。擦写次数在5万次以上,使用方便。正在取代EPROM。,工程背景下的单片机原理及系统设计,1.4.3 单片机中常用的几类存储器 2随机数据存储器 单片机在工作时,需要一定的存储器空间来存放临时数据。这类存储器我们称之为随机存储器,简写为RAM。 RAM的一个特点就是掉电后数据自然丢失。,工程背景下的单片机原理及系统设计,1.4.3 单片机中常用的几类存储器 3非易失性数据存储器 具有RAM的可读/写功能,同时又具有程序存储器“掉电不丢失性”特性的这类存储器,称为非易失性数据存储器。 这类存储器,用于存放单片机系统参数或工作信息等经常需要在单片机系统运行中改变的数据。,工程背景下的单片机原理及系统设计,1.4.4 单片机的几个概念 单片机内部的CPU是在时钟作用下有节律地工作的。时钟是CPU的心脏。 (1)时钟(振荡)周期 指单片机内部振荡源信号的周期,或外部时钟方式下在XTAL1引脚上输入的时钟信号的周期。,工程背景下的单片机原理及系统设计,(2)状态周期 又称S周期。是CPU工作的节拍。其周期是振荡周期的两倍。状态周期分两个节拍,即P1和P2节拍,每个节拍的周期即为振荡周期。 (3)机器周期 是标准51指令执行时间的基本单位。一个机器周期由6个状态周期或12个振荡周期组成。,工程背景下的单片机原理及系统设计,(4)指令周期 是指CPU执行一条指令所占用的全部时间。51指令系统共有111条,按执行的时间分,单周期指令有64条,双周期指令有45条,只有乘、除2条指令为4周期。在12MHz时钟条件下,执行时间分别为1s、2s、4s。,工程背景下的单片机原理及系统设计,一种简单的计算方法:以51机的最高振荡频率,即12MHz为参照数, (最好记机器周期为1s)。当为其他值时,可利用下式来计算机器周期。 例如,当 时,代入上式,可得:,工程背景下的单片机原理及系统设计,1.4.5 8位单片机简介 1MCS-51系列单片机 INTER公司产品,具有指令功能强,片内资源设置合理,如两个16位定时器,两个外部是断源、一个异步串行口,可以满足绝大多数应用场合,而从未感觉到多余。带外部总路线扩展功能,I/O操作方便灵活等特点。是本书将要学习的一类单片机。,工程背景下的单片机原理及系统设计,2 M68HC11系列单片机 M68HC11是Motorola 公司8位单片机产品中的最档产品。具有与51机类似的并行扩展功能,高速(总线速度4.0MHz)、高集成度、低功耗等特点。还在单片机中集成了串行I/O接口、串行通信接口和串行外围接口,并在芯片中集成了监视定时器WDT。,工程背景下的单片机原理及系统设计,3 PIC系列单片机 PIC系列单片机是Microchip公司产品,具有如下特点: 速度高:除分支指令是双周期外,其它均为单周期指令。指令周期为4个时钟周期。时钟频率范围DC20MHz。,工程背景下的单片机原理及系统设计,功能强:外围功能部件丰富,增加同步串行口、比较、捕捉功能、A/D及PWM输出等功能,某些高档型号还带有CAN总线控制器。均带有监视定时器WDT。 低功耗:具有省电的休眠方式,宽工作电压范围:3.06.0V。 除PIC17系列外,均不能进行总线扩展。,工程背景下的单片机原理及系统设计,4 AVR系列单片机 AVR系列是ATMEL公司产品,性能如下: 速度高:最先取消机器周期概念,以时钟周期为指令周期。大部分指令为单字节指令。而单指令周期既可执行本指令功能,又完成读取下一指令的操作。最高时钟频率20MHz。 功能强:外围功能部件丰富,增加同步串行口、A/D、模拟比较器等。其内部带有512B的EEPROM数据存储器,给应用带来更大的方便。均可进行总线扩展。 低功耗:具有多种休眠方式和多种复位源,可选择多种中断源唤醒微控制器。,工程背景下的单片机原理及系统设计,1.4.6增强型51系列单片机 在51系列单片机的发展历程有三次革命性变革。 一是ATMEL公司率先推出FLASH存储器的51单片机,使内嵌、廉价、可反复改写的程序存储器型单片机成为现实,大幅度缩短了51机的开发时间和成本。 二是51机的C编译调试软件C51的出现,人们可以避开复杂又难移植的汇编语言,而用容易理解、功能强大、可移植性强的C语言对51机系统编程,使51机在我国迅速推广。 三是持续至今的增强型51机的问世。,工程背景下的单片机原理及系统设计,1Philips公司系列单片机 Philips公司高档产品有P8XC591,在标准51的基础上增加的功能有: ·内部程序存储器和RAM容量均有较大增加。 ·芯片功能和片内外设模块大幅度增加,包括:A/D转换器,CAN控制器、监视定时器T3、32字节加密阵列、四个中断优先级,15个中断源(标准51为5个)、电源控制模式:时钟可停止和恢复;空闲模式;掉电模式、双DPTR、在线仿真功能等。,工程背景下的单片机原理及系统设计,2T89C51CC01单片机 ATMEL公司产品,在标准51的基础上增加的功能有: ·内部程序存储器和RAM容量均有较大增加。并有2K片内EEPROM。 ·芯片功能和片内外设模块大幅度增加,包括:A/D转换器,CAN控制器、21位监视定时器(WDT)、可选的12时钟周期/机器周期和双倍速方式、四个中断优先级,14个中断源、电源控制模式:时钟可停止和恢复;空闲模式;掉电模式、双DPTR、软件复位、上电检测复位、在线仿真功能、5通道16位可编程计数阵列, PWM、高速输出、时间和边沿捕捉等。,工程背景下的单片机原理及系统设计,3C8051F系列单片机 C8051F系列单片机是美国Silabs公司的产品,功能强大。 ·采用流水线结构,废除了机器周期的概念,指令以时钟周期为运行单位,70%的指令为12个时钟周期。在相同的时钟下,运行速度比标准51提高了近10倍。 ·内部程序存储器和RAM容量均有较大增加。 ·芯片功能包括:A/D转换器,CAN控制器、12位D/A转换器、多个时钟源,且时钟频率可编程、双异步串口、WDT、多种复位方式、集成SPI、I2C、USB等各种接口模块、可编程计数阵列、在线仿真功能等。,工程背景下的单片机原理及系统设计,4CC2430/2431单片机 CC2430/2431是Chipcon公司的嵌入式片上系统。它支持2.4GHz IEEE802.15.4/ZigBee协议。(Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。) CC2430/2431的主要特点是:8051内核及内嵌2.4GHz IEEE802.15.4RF收发器,并极高的接收灵敏度和抗干扰能力。是无线通信领域首选的单片机。,工程背景下的单片机原理及系统设计,5W7100单片机 W7100是WIZnet HK Ltd公司一款功能强大的网络微处理器。它内嵌了一个硬件的TCP/IP内核。其是是一个速率优化的、与51兼容的8位嵌入式控制器,使用片内存储器高速运行。硬件的TCP/IP协议栈支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE。,工程背景下的单片机原理及系统设计,1.5.1 STC90CXX系列单片机简介 2008年的后,STC89CXX升级为STC90CXX系列单片机产品。STC90CXX系列单片机,在标准51的基础上增加的功能有: ·内部程序存储器增至4KB61KB。 ·片内RAM增至5124352字节。 ·后缀为AD的产品片内集成8路10位ADC。 ·片内5KB45KB的EEPROM。 ·片内集成监视定时器。,工程背景下的单片机原理及系统设计,·特殊加密技术,无法解密。 ·四个中断优先级,8个中断源。 ·电源控制模式与功耗:掉电模式功耗0.1A;正常工作模式:功耗4mA7mA;空闲模式等。 ·双DPTR。 ·可禁止ALE实现低EMI。 ·具有ISP和IAP功能。IAP指的是在应用(过程中)编程。 ·可选的12时钟周期/机器周期和双倍速(6时钟周期/机器周期)方式。,工程背景下的单片机原理及系统设计,1.5.2 STC12系列单片机 STC12系列单片机,是宏晶公司的高档产品。具有高速、大容量、片内集成功能模块多、低价格、低功耗、不可解密等方面的特点。该产品系列从 STC12C5A08PWM到STC12C5A60S2多达30种产品,可以满足不同应用的要求。 该系列单片机在标准51主要改进如下:,工程背景下的单片机原理及系统设计,·采用流水线结构,废除了机器周期的概念,指令以时钟周期为运行单位,多数指令为12个时钟周期。在相同的时钟下,运行速度比标准51提高了612倍。 ·工作频率035MHz,相当于标准51机0420MHz。 ·内部程序存储器增至8KB62KB。 ·片内RAM均为256(片内)+1024(片内外扩)字节。 ·后缀为AD及S2的产品片内集成8路10位ADC。采样速率有250ksps。,工程背景下的单片机原理及系统设计,·后缀为PWM的产品有2路8位PWM输出,可作D/A使用。 ·内置可编程计数阵列(PCA)。两个通道的捕捉/比较单元(PWM/PCA/CCP),也可用于定时器或外部中断,支持上升和下降沿触发中断。 ·可编程时钟输出:P3.4、P3.4和P1.0。,工程背景下的单片机原理及系统设计,·可编程I/O模式:复位后为准双向口的普通51模式,可分别编程为推挽的强上位模式、仅为输入的高阻模式和开漏模式。每个I/O口驱动能力均可达到20mA,但整个芯片限制下100 mA以下。 ·时钟系统更加完善,有多个时钟源,且时钟振荡频率可编程。 ·具有独立的波特率发生器,使得串行通信时不占用宝贵的定时器,非常实用。后缀为S2的产品具有双异步串口。 ·片内集成监视定时器。,工程背景下的单片机原理及系统设计,·特殊加密技术,无法解密。 ·四个中断优先级,10个中断源。 ·电源控制模式与功耗:掉电模式功耗0.1A;正常工作模式:功耗4mA7mA;空闲模式等。 ·双DPTR。 ·可禁止ALE实现低EMI。 ·具有ISP和IAP功能。 STC12C5AXX系列单片机的5V工作电压范围为3.5V5.5V。 STC12CLEXX系列单片机的工作电压范围在2.2V3.6V之间。,工程背景下的单片机原理及系统设计,1.5.3 STC15系列单片机 STC15系列单片机,是宏晶公司2010年推出的,与STC12系列的产品相比,有如下如不同: (1)STC15F1XX、2XX系列产品,省略了外部时钟输入、输出端,而在片内集成了高精度RC时钟。产品成本降低,又为单片机增加了2个I/O。 (2)省略了硬件串行口,但可用P3.0和P3.1,结合定时器,用软件实现串口功能。 (3)程序存储器容量均不大。例如,程序存储器从0.5K5K。产品应用领域瞄准低价格、用量大、附加值低、用量大的低端智能产品。 由于以上3条节约成本措施,使STC15F1XX、2XX系列产品价格定位在13元/片之间,真可谓廉价了。,工程背景下的单片机原理及系统设计,1.6.1单片机选型要点 系统性能是单片机选型的首要因素。选型不当,可能造成系统设计失败,至少是系统运行状态不佳。 从系统的任务看,根据应用体会和工程经验,建议单片机选型应从以下几方面考虑: (1)单片机的资源,如I/O口、定时器、中断源的数目,串行口的数目与等,原则是:满足不需外扩资源能满足系统需求者优先。,工程背景下的单片机原理及系统设计,(2)开发周期最短原则:是否可用高级语言编程?设计者对该型单片机的硬件与软件是否较熟?有无产品开发成功经验等。在同等条件下选用自己最拿手的一款单片机,可大幅度缩短开发周期。 (3)价格、封装形式、体积、货源、性价比等。它们关系到产品的经济性和在市场中的优势。,工程背景下的单片机原理及系统设计,1.6.2单片机系统的开发过程 以单片机为核心的产品或项目,系统开发一般经历以下过程: 1系统硬件设计 开发者先要设计并制做出实现系统功能的电路板,我们称为目标板。 2编程与调试 (1)编写源程序。 (2)对源程序进行编译和连接。 (3)调试源程序,排除程序中的逻辑错误。 (4)程序执行代码写入系统。,工程背景下的单片机原理及系统设计,(5)系统脱机运行。 (6)系统优化:对所开发的产品,要求精益求精,反复修改,使之不断完善。 (7)完成:事情总有完成的一天,且说是阶段性完成吧!,工程背景下的单片机原理及系统设计,1.7 本章要点 本章对单片机的概念和相关术语做了概要的介绍。要分清标准51和增强型51单片机之间的包含关系,并加以区别。本章介绍的存储器类型、机器周期等概念,是后续学习内容的基础,要特别重视。阅读单片机应用系统的开发过程,并注意在后面的学习中体会和实践。,工程背景下的单片机原理及系统设计,本章作业(建议) 习题1:1-3 1-7,本章结束,

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