《片机概要》PPT课件.ppt

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1、1,单片机原理及应用,教师：欧中华,电子科技大学光电信息学院,2,课时安排,总学时：64学时其中：课堂教学32学时 实验教学24学时 上机环节8 学时成绩比例分配：课堂50%；实验上机40%；平时10%。考试方式：开卷杨筱老师：,3,有关本课程学习的几点建议,本课程是一门实践性、应用性很强的学科仅仅听懂还不够,重在培养动手能力,硬件/软件同样重要、不可偏废 硬件是骨架，软件是皮肉器脏及思想,本课程的前期基础课程是数字电路这方面知识掌握得不够好的请自己补上,预习、听课、复习、作业、实验环环都重要用科学的方法学习,4,第一部分 单片机概论 2第二部分 单片机硬件基础知识 4第三部分 单片机软件基础

2、知识 8第四部分 单片机内部资源及应用 6第五部分 单片机外部扩展资源及应用 6第六部分 单片机C51程序的设计 6,课堂授课时间分配:(32学时),5,答疑安排,答疑时间：每周三下午3:00-5:00;答疑地点：光电楼三楼325联系方式：83204363,6,教材,单片机原理及应用 姜志海 主编 电子工业出版社，2005年7月,7,推荐参考书,硬件设计：MCS-51系列单片机应用系统设计 何立民，北京航空航天大学出版社软件设计：单片机的c语言应用程序设计 马忠梅等编著，北京航空航天大学出版社嵌入式系统设计：嵌入式系统构件 JEAN J.LABROSSE 机械工业出版社,8,网上资源,9,第一

3、讲 单片机概要,本讲重点：单片机的定义;单片机应用;常见的单片机类型;单片机应用系统的开发要点.,10,单片机概要,在工业、农业、军事、保安、金融、仪器仪表、航空航天、医疗、通讯、办公设备、娱乐休闲、健身、体育竞赛、服务领域,大量单片机-嵌入式技术已经无处不在。正迅速改变着人们传统的生产和生活方式。只要稍微留心一下我们的周围，几乎每天科技都存在着不同程度的变化。,11,单片机技术的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域,12,单片机与嵌入式技术 重要吗？有用吗？遥远吗？问题的答案是不言而喻的。,13,数字电路中由13片IC组成的数字钟,14,数字电路中由13片IC组成的数字钟,15,数字电路中由

4、13片IC组成的数字钟,16,单片IC（单片机）电子钟,单片机,17,难：1.单片机系统设计涉及到的知识面很广，包 括模电，数电和传感器技术等很多内容;2.软硬件协同设计，要求大家不仅要掌握硬件设计，更重要的是学会软件的编写。不难：单片机课程在中专学校也在开设，很多单 片机爱好者仅仅通过实践动手也能够学好 单片机。只要多实践，多动手就能很快进 入单片机学习的大门。,学习单片机难与不难的辩证思想,18,如果将运算器、控制器、数据与程序存储器、输入/输出接口集成在一块单硅片上，那么这种芯片就被称为单片机。,芯片,CPU,存储器,Soc系统：System On a Chip,定时/计算器,并行接口,

5、中断系统,串行通信接口,单片机的定义,19,单片机与嵌入式：单片微机（Single Chip Micro-computer）微控制器（Micro-Controller UnitMCU）嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller）,单片机应用领域：测控系统、智能仪表、智能接口、办公自动化、光机电一体化设备、通讯设备、网络设备、汽车电子、消费类电子产品、智能楼宇设备,单片机的多元化发展：Intel Motorola Philips Atmel Siemens NS LG Winbond Microchip EPSON NEC Cypress Dallas Oki Fairch

6、ild Fujitsu Hitachi SAMSUNG,20,单片机技术现状 4、8、16、32位单片机，8位占主流，32位有上升趋势。单片机的发展趋势1、CPU性能 速度、字长、流水线操作；2、存储器 容量、结构形式、安全性能；,21,3、I/O性能 驱动能力、总线类型（SPI，I2C、USB、CAN）、寻址方式；4、提高外围电路集成度 A/D、D/A、DMA、LCD接口5、低功耗,22,部分单片计算机实物图片,23,Intel 低性能单片机阶段,Intel MCS-48Introduced 19768048 8-bit microcontroller,Intels first C Vide

7、o game console IBM PC keyboard.64Byte RAM,1024bit ROM 11MHz 2Timer 3x8Ports8021 8035 8039 8049,24,Intel 低性能单片机阶段（续）,Intel MCS-41Introduced 1979keyboard control；simple tasks such as ADC control8741 microcontroller128Byte RAM 1024bit ROM；-6MHz 2Timer 3x8Ports 8742 microcontroller256Byte RAM 2048bit RO

8、M；-12.5MHz 2Timer,25,Intel 高性能单片机阶段,Intel MCS-51Introduced 1980 The 51 is one of the most popular MCUs on the market；Multi-Interrupt System,UART8751 microcontroller 128Byte RAM 4096bit ROM；-12MHz 2 Timer 3x8PortsMCS-51 Family Speed up to 100MHz by SiLabs；All told there are over 1000 versions of the

9、8051 core AMD Atmel Dallas-Maxim Infineon SiLabs Philips And many more.,26,Intel 高性能单片机阶段(续）,8031 8032,8744 8752,8754 8X251TB,27,Intel 16位单片机阶段,Intel MCS-96-Introduced 1982 16-bit embedded microcontrollers 120,000 transistors High Speed I/0 ADC87C196 232Byte RAM 8K ROM 16MHz 2Timer 48 I/O Lines 8bit

10、 ADCs80C196KC 87C196KD,28,Intel 32位单片机阶段,Intel i960Introduced 1988 32-bit RISC microprocessor speeds from 16-133MHz SCSI Controllers,Network Devices,PrintersIntel A80960CA-25 1 micron CHMOS IV process 600,000 transistors 168-pin ceramic PGA 25MHz Speed high-speed interrupt controller Bus controller

11、4 DMA channels,29,几种有特色的单片机单片机应用选择呈多元化趋势 高速度，宽电压，低功耗，大容量，大寻址，多功能，多接口，Flash ROM，Flash RAM等高技术成分下移至8位机80C51系列单片机已经成为单片机工业标准采用80C51核派生的单片机种类众多，各具特色软件开发工具以C取代单纯汇编语言的进程很快（Franklin C51，Keil C51）,30,Atmel89C系列：1051/2051/4051/51/52/58AVR系列：AT90S1200/S2313/S8515PhilipsP87LPC系列：760/761/762/764/769P89C系列：51RA/

12、RB/RC/RDWinbondW77系列，W78系列，LGGMS90系列，GMS97系列（OTP）,Siemens 80C系列：31/51/21/512/515/517/537；SAB系列：C501/502/503；AMD 80C系列：31/51/53/321/535/52T2；87系列：8751/8753/87C51,31,8051单片机,8051单片机 8051单片机最早由Intel公司推出，CISC(Complex Instruction Set Computer)复杂指令集，共具有111 条指令。其后，多家公司购买了8051的内核，使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大

13、，应用也最广泛。Atmel 公司 89C系列 90年代初，ATMEL率先将MCS-51内核与快闪存储器(FLASH)相结合，推出了倍受瞩目的AT89系列单片机。最常用的芯片。1051/2051/4051/51/52/58 89S系列支持ISP(In-System Programming)编程,32,RST VCC,(RxD)P3.0 P1.7,(TxD)P3.1 P1.6,XTAL2 P1.5,(T0)P3.4 P1.1(Ain1),GND P3.7,XTAL1 P1.4,(INT0)P3.2 P1.3,(INT1)P3.3 P1.2,(T1)P3.5 P1.0(Ain0),AT89C2051

14、 20脚DIP封装,AT89C51（40脚DIP封装）,ATMEL的AT89C1051/2051/4051,33,ATMEL的AT89C1051/2051/4051主要性能,20引脚封装（15条I/O线）片内精确的模拟比较器与MCS-51/AT89C51系列兼容可擦/写1000次，数据可保存10年PI型工作电压范围2.76V 全静态工作频率为024MHz两级程序存储器加密可直接驱动LED(IOL=20mA驱动能力)128x8位片内RAM1K/2K/4K片内ROM其他：时钟电路定时器，串行口，中断源，节电方式,34,8051单片机,WINBOND公司 W77，W78系列 与8051兼容，每个指令

15、周期只需要4个时钟周期，速度提高了三倍，工作频率最高可达40MHz。WatchDog，Timer，6组外部中断源，2组UART。AD(ANALOG DEVICES)公司 ADC8xx系列 8052内核，12位ADC多路通道，双12位DAC通道，片内62kB FLASH程序存储器，片内8kB FLASH数据存储器、256Byte RAM 和2kB扩展RAM。2个16位-双输出16位PWM(Pulse Width Modulation)主要用于数据采集系统,35,ADI ADC8xx系列微控制器,36,8通道12位高精度ADC;2个12位电压输出DAC;双输出PWM/-DACs；片内温度传感器3C

16、；片内电压参考：+3V/+5V DC性能:1 LSB INL;AC性能:71 dB SNR;高速ADC-to-RAM捕获 DMA 控制器;62 kB 片内闪速/电擦除程序存储器;4 kBytes片内闪速/电擦除数据存 储器,存储保持100年,重复擦写10万次;2304 B 片内数据 RAM 基于8051的内核：与8051兼容的指令集(最大16 MHz)；12个中断源，2个优先级；双数据指针；扩展的 11位 堆栈指针 片内外围设备：时间间隔计数器(TIC)；UART,I2C,和 SPI 串行接口 I/O；看门狗定时器(WDT),电源监视器(PSM)电源：使用指定的 3 V 和 5 V 电压工作；

17、正常、空闲和掉电模式；掉电功耗:20A 3 V应用领域：光纤网络激光电源控制；基站系统精密仪器,智能传感器DAS和通信系统,ADC832特性:,37,8051单片机,Philips公司 P8XC系列 80C51内核，HCMOS技术，低功耗静态设计。宽工作频率(DC-33MHz)，宽工作电压范围(2.7-5.5V)。Silicon Lab公司 C8051F系列 8051兼容的高速CIP-51内核 完全集成的混合信号系统级芯片SOC(System On Chip)常用的模拟、数字外设及其他功能部件；内置大容量FLASH程序存储器、数据存储器；JTAG(Joint Test Action Group

18、)调试。,38,新华龙推出美国Silicon Lab公司的C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SoC),具有与8051兼容的高速CIP-51内核，与MCS-51指令集完全兼容，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件；内置FLASH程序存储器、内部RAM，大部分器件内部还有位于外部数据存储器空间的RAM,即XRAM。C8051F单片机具有片内调试电路,通过4脚的 JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试。,Silicon Lab公司的C8051F系列单片机,39,20MIPS 8051 CPU 32k 字节Flash ROM 256 字节RAM

19、UART,SPI,I2C 4 个16位定时器 可编程计数器阵列（PCA）32个I/O 口 10位ADC;100ksps;电压基准;12位DAC 比较器;温度传感器 JTAG 非侵入式在系统调试-40 到+85;TQFP-64 封装IO端口可以重新配置,C8051F010特征：,40,PIC单片机,PIC(Peripheral Interface Controller)单片机 美国Microchip公司1994年发布的完全不兼容MCS-51的新一代单片机，CPU采用RISC(Reduced Instruction Set Computer)精简指令结构，仅33条指令。适合控制关系简单的外围设备，

20、多用于用量大,档次低,价格敏感的产品。Microchip公司:PIC 16C系列、17C系列 PIC 8位单片机，分别仅有33、35、58条指令 采用Harvard双总线结构，运行速度快，价格低，体积小。Microchip PIC单片机产量已跃居世界第二位(仅次于Motorola公司)。目前提供超过285种PIC单片机Micon公司：MDT20XX系列 工业级OTP单片机，与PIC单片机管脚完全一致。海尔集团的电冰箱控制器，TCL通信产品，长安奥拓铃木小轿车功率分配器,41,MicroChip PIC系列RISC单片机(pic16c84),42,仅有35条14位RISC指令,全部指令为单周期(

21、跳转2T)1K Flash ROM（x 14bit）1000次擦/写，可存40年64 RAM（x 8bit）64 EEPROM（x 8bit）1000000次擦/写寿命15 特殊功能寄存器（SFR）允许4个中断源在电路中串行可编程（ICSP）片上WDT，低电平复位，可编程振荡电路8位定时器+8位定标器13条I/O脚，均有25mA驱动能力宽工作电压范围2.05.5V 全静态工作频率为024MHz多种节电方式,MicroChip PIC系列 RISC单片机PIC16C84,43,AVR单片机,AVR单片机 1997年由Atmel公司研发出的增强型内置Flash的RISC高速8位单片机。硬件采用哈佛

22、(Harvard)结构，达到一个时钟周期可以执行一条指令。而PIC单片机要4个时钟周期执行一条指令，MSC-51要12个时钟周期执行一条指令。AVR 单片机支持ISP编程，具有丰富的外设。开发软件：AVR Studio，包括了AVR Assembler编译器、AVR Studio调试功能、AVR Prog串行、并行下载功能和JTAG ICE仿真等功能。应用于计算机外部设备，工业实时控制，仪器仪表，通讯设备，家用电器，宇航设备等各个领域。,44,AVR单片机,Atmel公司 低档Tiny系列AVR单片机:Tiny11/12/13/15/26/28等；中档AT90S系列AVR 单片机:AT90S1

23、200/2313/8515/8535等；高档ATmega系列AVR单片机:ATmega8/16/32/64/128（存储容量为8/16/32/64/128 KB）ATmega8515/8535等。,45,ARM单片机,ARM单片机：ARM(Advanced RISC Machine)，是一家英国电子公司的名字。该公司成立于1990年11月，是苹果电脑，Acorn电脑集团和VLSI Technology的合资企业。32位嵌入式RISC芯片内核 ARM的产品是IP（Intelligence Property）Core ARM7,ARM9,ARM9E-S，Strong ARM和ARM10系列 适用于

24、系统复杂度较大的高级产品，如PDA、手机等应用SAMSUNG PHILIPS ATMEL,46,PHILIPS LPC2xxx系列32位ARM微控制器,LPC2100系列基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU，并带有 128/256k 字节(kB)嵌入的高速Flash存储器。由于LPC2100系列采用非常小的64脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、4路10位ADC、PWM输出以及多达9个外部中断，使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机(POS)等应用领域。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器

25、以及其它各种类型的应用。后续的器件还将提供以太网、802.11以及USB功能。,47,LPC21xx LQFP48封装与引脚,48,LPC2100主要特性:16/32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP和HVQFN封装；16/32/64kB片内SRAM；128/256kB片内Flash程序存储器；通过片内boot装载程序实现在系统编程(ISP)和在应 用编程(IAP)；10位A/D转换器，转换时间低至2.44s；CAN接口，带有先进的验收滤波器；多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、高速 I2C接口(400 kHz)和2个SPI接口。,49,部分知名公司的单片机,TI(Texa

26、s Instruments)公司 MSP430系列 1996 年问世，16位RSIC单片机，27 条内核指令 在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。(89C51单片机在12MHz工作频率下指令周期为1s)先进的JTAG 技术和Flash 在线编程技术 1.83.6V 电压。1MHz 时钟，芯片电流200400A，时钟关断模式,0.1A。(89C51 单片机电源电压是5 V，正常工作电流24mA，在掉电状态下，电流3mA)适合应用于使用电池供电的仪器、仪表类产品中,50,TI MSP430系列微控制器,1 16位精简指令结构 2 内含10,12,14位快速ADC/SLOP ADC 3 内含F

27、LASH ROM多致60K字节,多致2K RAM 4 片内资源丰富,有ADC,PWM,若干TIME,串行口，WATCHDOG,比较器,模拟信号 5 有多种省电模式，功耗特别省，一颗电池可工作10年,在液晶显示时也能达到0.8uA的低电源消耗 6 开发简单，仿真器价格低廉，不需昂贵的编程器。7 供电电压为：，与5V器件接口时要外加接口芯片,51,MSP430系列微控制器相关图片,52,部分知名公司的单片机,Motorola公司 世界上最大的单片机厂商。8位机M6805、M68HC05系列，16位机M68HC16，32位机M683XX。适合于工控领域及恶劣的环境。Scenix公司 SX系列单片机，

28、8位RISC结构 与Intel 的Pentium II等一起被评选为1998年世界十大处理器 SX系列双时钟设置,指令运行速度可达50/75/100 MIPS(每秒执行百万条指令,Million Instruction Per Second),53,部分知名公司的单片机,Zilog公司 Z8单片机 采用多累加器结构，有较强的中断处理能力，开发工具价廉物美。Z8单片机以低价位面向低端应用。EPSON公司 4位机SMC62系列，SMC63系列，SMC60系列 8位机SMC88系列 以低电压,低功耗和内置LCD驱动器特点著名于世，尤其是LCD驱动部分做得很好。广泛用于工业控制，医疗设备，家用电器，仪

29、器仪表，通信设备和手持式消费类产品等领域。,54,部分知名公司的单片机,LG公司 GMS90系列单片机 与Intel MCS-51系列单片机兼容，CMOS技术，高达40MHZ的时钟频率。应用于:多功能电话，智能传感器，电度表，工业控制，防盗报警装置，各种计费器，各种IC卡装置，DVD，VCD，CD-ROM。日本的单片机一般均用于专用系统，很少投放市场形成通用单片机,55,单片机系统是嵌入式系统1.单片机专用于控制目的，嵌入到被控对象中，具有计算机的特点。注重小型化，功能上具有明确目的。发展方向是SOC片上系统。而PC机专用于多功能、海量运算。,自己编写全部控制程序 底层应用。利用实时多任务操作

30、系统RTOS，在操作系统中添加具有 针对性的控制任务（程序）高层应用。“单片机原理”课程教会我们底层应用RTOS 是“微控制器操作系统”，它将教会我们高层应用。,嵌入式系统的两个层次,2.单片机与PC机是计算机发展史中的两个不同分支。,56,组成：CPU(进行运算、控制)RAM(数据存储器)I/O口(串口、并口等)ROM(程序存储器)PC机：上述部件以芯片形式安装在主板上。单片机：上述部件被集成到单芯片中。,通用PC包括：键盘、显示器、鼠标、硬/软/光驱、音箱、打印机、扫描仪等外设。单片机则只是一片集成电路。（100、48、40、32、28、20、16、8条引脚）。,单片机与计算机之异同（1）

31、,57,功能：PC机：数据运算、采集、处理、存储、传输；单片机：控制（或受控于）外设。,通用计算机擅长于数据运算、采集、处理、存储和传输；单片机的专长则是测控，往往嵌入某个仪器/设备/系统中，使其达到智能化的效果。,单片机与计算机之异同（2）,58,应用特点：个人计算机（微机）：,体积大，功耗大，价格高，用途较固定，属通用计算机。易于学习掌握和使用，但用于控制时必须制作或购买专用的接口卡，并编制专门的应用软件。,单片机：,体积小，功耗小，价格低，用途灵活，无处不在，属专用计算机。是一种特殊器件，需经过专门学习方能掌握应用，应用中要设计专业的硬件和软件。,单片机与计算机之异同（3）,59,单片机

32、应用系统设计与开发,1、设计方案的确定2、硬件设计 绘制完整的硬件电路图 设计印刷电路制版图 制作印刷电路板 焊接安装3、软件设计 规划各功能模块，画出流程图 确定程序结构 编写代码 软件仿真4、软硬件调试 传统的编程器编程和仿真器进行仿真 现在的ISP和IAP编程方式以及JATG的在线仿真,对常见的编程器和仿真器以及开发板有一定的了解,60,系统设计应当考虑的主要技术性能速度 精度 功耗 可靠性 驱动能力,基本设计原则应当考虑：功能需求，应用需求，开发条件，市场情况，可靠性需求，成本需求，尽量以软代硬,61,基本设计原则从系统功能需求出发设计功能模块 显示，键盘，数据采集，检测，通信，控制，

33、驱动，供电方式从系统应用需求定位元器件资源分配 定时/计数器，中断，串口，I/O引脚，A/D，D/A，信号调理，晶振频率从开发条件与市场情况出发选择元器件 仿真机，编程器，元器件，熟悉程度，编程 语言从系统可靠性需求确定系统设计工艺 去耦，光隔，屏蔽，印制板，低功耗，散热，传输距离/速度，节电方式，掉电保护，软件 措施,62,基本设计原则（续）从系统成本需求选择合理电路方案 元器件，外壳，面板，键盘，显示，单/双面 PCB，驱动功能满足系统要求的前提下尽量以软代硬 滤波功能，动态显示，模拟I2C、SPI总线，加密,63,单片机的定义:如果将运算器、控制器、数据与程序存储器、输入/输出接口集成在一块单硅片上，那么这种芯片就被称为单片机。单片机和PC的三个区别：组成区别;功能区别;应用区别；单片机应用系统开发特点:软硬件协同设计,重难点,64,请查阅相关资料，从以下几方面简述自己对单片机的认识：1单片机的基本含义及主要特点；2单片机和PC机之间的异同；3单片机应用系统的开发方式；4单片机的应用。不少于800字!本次作业请于第二周上课时交。,作业,65,OVER!,