单片机的概念及单片机的种类

第1章 概 述,1.1 单片机的概念及单片机的种类 1.2 单片机的类型、特点及用途 1.3 单片机的发展趋势 本章小结 练习与思考题,1.1 单片机的概念及单片机的种类1.1.1 单片机及单片机系统单片机是微型计算机发展的一个分支，是一种专门面向控制的微处理器件，故又称之为微控制器(Micro Controller Unit，MCU)。单片机通常以单一芯片的形式出现，但是它已具有了微型计算机所包含的基本组成结构和特有的控制应用功能，是一种芯片级的微型计算机。另外，由于单片机的体积、结构和功能特点，在实际应用中可以完全融入应用系统之中，故而也称为嵌入式微控制器(Embedded Micro-Controller)。,最基本的单片机系统由单片机芯片和软件程序共同组建而成，是用户为了实现某种控制用途的需要而设计的实际装置。在单片机系统中，单片机芯片内部的中央处理单元(CPU)处于核心地位，CPU通过执行软件程序调动硬件电路完成控制功能。根据这种工作方式，单片机系统可以划分为硬件和软件两个组成部分。,1. 硬件部分单片机系统的硬件部分是包括CPU在内的所有硬件电路，按照硬件电路的功能和配置大致可以分为以下3类,1) 基本功能类基本功能类硬件包括：CPU(用于运算、控制)、RAM(用于数据存储)、ROM(用于程序存储)、I/O设备(实现串行、并行输入/输出接口)及时钟电路(建立工作时序)。在微型计算机中，上述部件被分成若干块芯片，安装在一块称之为主板的印刷线路板上，在程序的指挥下完成计算机的基本运算操作功能。但是在单片机中，除了时钟电路之外，其余部分一般均被集成到一块半导体芯片上，所以被称为单片机，即单芯片微型计算机。,2) 控制功能类控制功能类硬件包括：定时器/计数器(用于时间设定/事件记录)和中断装置(实现实时处理)。使用这类硬件是为了实现单片机的控制功能，即定时控制、顺序控制和实时控制等基本控制功能。作为面向嵌入式控制的特色，这类部件通常也集成在单片机芯片内部。3) 辅助功能类辅助功能类硬件包括：A/D(模/数转换)和D/A(数/模转换，通常采用PWM形式)等部件。这类部件根据芯片的配置不同不一定集成在单片机芯片上，需要用户根据使用要求选择。,2. 软件部分与微型计算机的运行原理相似，单片机系统的运行也需要软件系统的支持，但是由于处理任务的不同，其复杂程度相对较低。根据单片机软件所要实现的功能，可以将软件划分为管理程序和应用程序两类。1) 管理程序管理程序是单片机系统的监控程序，主要用于控制过程复杂，控制量较大的装置，例如测控仪器、仪表等。对于仅完成简单控制任务的单片机系统一般可以相应简化。,2) 应用程序应用程序是针对具体的控制动作而编写的程序，是实现控制具体功能的程序基础，通常以子程序模块的形式出现，便于执行控制动作时调用。,1.1.2 单片机程序设计语言及开发环境简介单片机程序设计语言主要是指在开发系统中使用的语言。在单片机开发系统中可以使用机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言采用机器码，是单片机能够直接识别的程序语言，汇编语言是以助记符表示机器码的程序设计语言。机器语言和汇编语言都是高效的计算机语言，实时性较强，但它们都是面向机器的语言，通用性差，编程效率低。,单片机的开发过程涉及3项内容，即编程、纠错和仿真。一般采用PC机内安装的集成开发环境(IDE)软件进行开发调试。在集成开发环境内可以实现文本编程、编译纠错和仿真运行。其中仿真的形式又可以分为两种，即软件仿真和硬件仿真。软件仿真不必连接硬件应用系统，仿真结果在开发环境中模拟的单片机构造中得到体现；硬件仿真需要与用户控制系统配合，以集成开发环境的输出替代用户系统中原有的单片机，仿真过程真实、实时性强。另一种较新的开发形式采用具有ISP(In-System Programming，在系统可编程)功能的单片机，利用下载程序开发单片机系统。,1.1.3 单片机的使用环境及产品等级单片机用途广，使用环境差别大，如何保证单片机控制系统或装置的可靠性是设计者和使用者最为关注的问题。作为电子产品而言，其可靠性主要取决于半导体芯片的产品等级，根据运行温度范围，产品等级大致划分为3级，下面分别予以介绍。,1. 军用级运行温度范围为-50+125，适用于军用品要求苛刻的应用环境，芯片的价格比较昂贵。例如Intel公司的MCS-51系列单片机MD80C51FB。型号以MD表示开头的，M代表军品，D代表直插封装。,2. 商业级运行温度范围为070，主要限于机房、办公及住宅环境，适用于民用产品，例如家电、玩具等。商业级产品价格低廉，品种齐全，应用最为广泛。3. 工业级早期的单片机产品大多为工业级，运行温度范围为4585，介于商业级和军用级之间，适宜在工业生产环境下使用。其特点是可靠性远高于商业级，但价格远低于军用级。MCS-51系列单片机的普通产品均属于工业级。,1.2 单片机的类型、特点及用途1.2.1 单片机主要类型及其特点1. 常用单片机的类型及特点Intel公司的MCS-51系列及其兼容产品是目前最常用的一种单片机类型，其引进历史较长，学习资料齐全，影响面较广、应用成熟，已被单片机控制装置的开发设计人员广泛接受。本书将以这种单片机产品为主介绍单片机的结构原理、指令系统、编程应用及接口电路等内容。MCS-51系列单片机及其兼容产品的生产厂家很多，以下仅列出具有代表性的3家公司的产品，其产品的型号及特点如表1-1所示。,表1-1 常用MCS-51系列单片机一览表,2常用单片机的更新及进步随着单片机技术的发展，高性能的新型单片机开始出现，其中美国Cygnal公司推出的C8051F系列单片机就是在MCS-51系列单片机基础之上进行更新开发的一种产品。C8051F实际上是一种以8051为内核集成的混合信号系统级芯片。熟悉MCS-51系列单片机的工程技术人员可以很容易地掌握C8051F的应用技术并能进行软件的移植。,C8051F系列单片机采用流水线结构，单周期指令运行速度是8051的12倍，全指令集运行速度是原来的9.5倍。C8051F系列单片机的内部资源非常丰富，例如C8051F020单片机内部除包含8051微控制器内核、RAM、ROM、I/O口、定时器/计数器等MCS-51 系列的配置之外，还具有ADC、DAC、PCA、SPI和SMBus等部件。这种将单片机的基本组成单元与模拟、数字外设集成在一个芯片上而组成的片上系统(SoC)，实质上已超出了以往单片机(MCU)的含义，代表了高性能单片机发展的一个方向。,3. 其他类型单片机及特点简介1) PIC系列单片机PIC系列单片机由美国Microchip公司设计生产，与MCS-51系列对应的产品有PIC16C系列和PIC17C系列8位单片机，广泛应用于消费电子产品、汽车电子及工业控制等领域，就产量和市场份额而言在世界单片机领域排名属于前列。,PIC系列单片机有如下特点：(1) 完全哈佛结构。指令和数据空间及传输路径完全分开，提高了数据吞吐率。程序和数据总线采用不同的宽度。数据总线为8位，指令总线根据单片机档次不同分为12、14、16位，指令均以单字节形式表示。(2) 流水线结构。取指令和执行指令采用流水线形式，执行一条指令时，同时允许取出下一条指令，从而实现了单周期指令。,(3) 寄存器组结构。RAM及寄存器，包括I/O口、定时器和程序计数器等都以寄存器方式工作和寻址，只需要一个指令周期就可以完成访问和操作。通常另辟堆栈RAM空间，不占用片内数据存储单元。(4) 精简指令系统。采用RISC(精简指令集计算机)结构，与传统的采用CISC(复杂指令集计算机)结构的单片机相比，其指令数量少，易学易记。此外，精简指令系统还具有较高的代码压缩能力，有利于提高程序执行速度。,(5) 种类齐全。不单纯追求功能堆积，从实际出发，以多种型号满足不同层次、不同用途的需求。在规模上既有84脚封装，多达66根I/O口线的型号，也有8脚封装，6根I/O口线的型号。功能较全的高档次单片机产品还配置了A/D(模/数转换)、CCP(捕捉/比较)或采用PWM(脉宽调制)的D/A转换单元。PIC系列单片机功能全、种类多，便于选择使用，开发者可以根据不同的用途和要求设计出性价比较高的单片机控制装置。,2) MSP430单片机MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)公司1996年开始推向市场的一种16位单片机，采用精简指令集，是一种超低功耗的混合型单片机。MSP430系列单片机的主要特点是，具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段。 MSP430单片机的主要优点描述如下：(1) 运算处理能力强。MSP430系列是16位单片机，采用了RISC结构，具有丰富的寻址方式和简洁的内核指令以及大量的模拟指令，在8 MHz时钟晶振的驱动下指令周期仅为125 ns。,(2) 超低功耗设计。采用1.83.6 V工作电压，在1 MHz的时钟条件下运行时，芯片取用电流在200400 A左右。在时钟关断模式运行时，最低维持电流只有0.1 A。具有独特的时钟系统设计，它有两个时钟，用以产生CPU和各功能单元所需的时钟，可以在指令控制下接通和关断时钟，实现对总体功耗的控制。MSP430系列单片机有5种不同的工作模式。在等待方式下，电流消耗为0.7 A。在节电方式下，最低可达0.1 A。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒的时间只需6 s。,(3) 丰富的片上外围模块。集成了较丰富的片内外设，其中包括看门狗(WDT)、模拟比较器A、硬件乘法器、液晶驱动器、10/12位ADC、I 2 C总线和直接数据存取(DMA)等。(4) 方便高效的开发环境。MSP430单片机有OPT、FLASH和ROM 3种类型，目前主要以FLASH型为主。片内有JTAG(Joint Test Action Group，联合测试行动小组)调试接口，通过PC机和JTAG调试器获取片内信息，从而使设计者在调试开发时，无需仿真器和编程器。开发工具简便，价格也相对低廉，可以实现在线编程。开发语言有汇编语言和C语言。,(5) 运行环境。MSP430系列单片机产品均为工业级，运行环境温度为-40+85，适合工业环境下使用。3) 单片机品种及主流单片机概况单片机品种繁多，各具特色。其中Intel公司推出的MCS-51系列单片机及与其兼容的Philips、Atmel、Winbond等公司的产品应用非常广泛。目前单片机入门教材大多以MCS-51系列单片机作为学习基础，所以被普遍接受，堪称主流。而Microchip公司的PIC精简指令集单片机产品也有着强劲的发展势头。就产量而言，在可供二次开发的单片机产品中PIC单片机居全球之首。,1.2.2 常用单片机的应用领域单片机的特点是集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便及价格低廉。单片机的应用几乎是无处不在，已经渗透到我们生活中的各个领域。目前单片机已经在工业控制、仪器仪表、家用电器、办公自动化、医用设备、信息和通信产品、航空航天、专用设备的智能化管理等领域中得到了广泛的应用，其应用形式体现如下。,1. 在工业控制中的应用工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一，在测控系统、过程控制、机电一体化设备中主要利用单片机实现逻辑控制、数据采集、运算处理、数据通信等用途。单独使用单片机可以实现一些小规模的控制功能，作为底层检测、控制单元与上位计算机结合可以组成大规模工业自动化控制系统。特别在机电一体化技术中，单片机的结构特点使其更容易发挥其集机械、微电子和计算机技术于一体的优势。,2. 在智能仪器中的应用内部含有单片机的仪器统称为智能仪器，也称为微机化仪器。这类仪器大多采用单片机进行信息处理、控制及通信，与非智能化仪器相比，功能得到了强化，增加了诸如数据存储、故障诊断、联网集控等功能。以单片机作为核心组成智能仪表已经是自动化仪表发展的一种趋势。,3. 在家用电器中的应用 单片机功能完善、体积小、价格廉、易于嵌入，非常适用于对家用电器的控制。嵌入单片机的家用电器实现了智能化，是传统型家用电器的更新换代，现已广泛应用于洗衣机、空调、电视机、视盘机、微波炉、电冰箱、电饭煲以及各种视听设备等。,4. 在信息和通信产品中的应用信息和通信产品的自动化和智能化程度很高，其中许多功能的完成都离不开单片机的参与。这里最具代表性和应用最广的产品就是移动通信设备，例如手机内的控制芯片就属于专用型单片机。另外在计算机外部设备中，如键盘、打印机中也离不开单片机。新型单片机普遍具备通信接口，可以方便地与计算机进行数据通信，为计算机和网络设备之间提供连接服务创造了条件。,5. 在办公自动化设备中的应用现代办公自动化设备中大多数嵌入了单片机控制核心。如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机及电话等。通过单片机控制不但可以完成设备的基本功能，还可以实现与计算机之间的数据通信。 6. 在商业营销设备中的应用在商业营销系统中单片机已广泛应用于电子秤、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等。,7. 在医用设备领域中的应用单片机在医疗设施及医用设备中的用途亦相当广泛，例如在医用呼吸机、各种分析仪、医疗监护仪、超声诊断设备及病床呼叫系统中都得到了实际应用。8. 在汽车电子产品中的应用现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器等装置中都离不开单片机。特别是采用现场总线的汽车控制系统中，以单片机担当核心的节点通过协调、高效的数据传送不仅完成了复杂的控制功能，而且简化了系统结构。,1.3 单片机的发展趋势目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，将会进一步实现低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等要求。单片机的发展将主要以满足在嵌入式应用前提下与控制对象的最佳结合，突显其智能化控制能力。并在此基础上寻求应用系统在芯片上的最大化解决方式，即形成了SoC化趋势。在微电子技术、IC设计、EDA工具发展的推动下，基于SoC的单片机应用系统将会得到较快的发展。,本 章 小 结本章简要介绍了关于单片机及单片机系统的基本概念、结构特点和发展历程，并且对单片机的应用开发方式及应用环境进行了简介。通过对常用单片机系列、型号和各生产厂家的产品特点的介绍，使我们对单片机的种类及性能有一个初步的了解，便于在今后的应用中能够选择合适的单片机类型，满足具体用途的需要。另外，本章还从开拓视野的角度列举了单片机在各个领域的应用，以及单片机今后的发展趋势。,练习与思考题1作为计算机家族的一员，单片机与其他成员之间有何关系？单片机具备哪些特色？2组成单片机系统的软、硬件包括哪些类型？如何进行划分？3试列举出常用的单片机的型号、制造厂家及资源配置。4你对单片机的应用知道多少？试举例说明。5单片机作为一种半导体产品，其产品的等级是如何划分的？,