第二版第1章.ppt
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1、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(RA
2、M、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、(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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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WD
12、T。 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
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