1单片机嵌入式系统概述新课件

第第1 1篇篇 单片机嵌入式系统概述单片机嵌入式系统概述11单片机嵌入式系统概述新目录：目录：1.11.1、初识单片机、初识单片机1.21.2、AVRAVR单片机单片机1.31.3、ATmega16ATmega16单片机的上电、复位、时钟及中断单片机的上电、复位、时钟及中断1.41.4、ATmega16ATmega16单片机的程序设计单片机的程序设计1.51.5、ATmega16ATmega16单片机的程序下载单片机的程序下载21单片机嵌入式系统概述新1.11.1、初识单片机、初识单片机1.1.11.1.1、单片机的定义、单片机的定义1.1.21.1.2、单片机的发展历史、单片机的发展历史1.1.31.1.3、单片机的发展趋势、单片机的发展趋势1.1.41.1.4、单片机的基本结构、单片机的基本结构1.1.51.1.5、单片机嵌入式系统、单片机嵌入式系统1.1.61.1.6、单片机的应用领域、单片机的应用领域1.1.71.1.7、单片机使用步骤、单片机使用步骤31单片机嵌入式系统概述新1.1.1、单片机的定义 单片机的定义：单片机是一种集成的电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU，随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、AD转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。41单片机嵌入式系统概述新1.1.2、单片机的发展历史 单片机发展历史：第一代：七十年代后期，4 位逻辑控制器件发展到 8 位。使用NMOS（N沟道金属氧化物半导体）工艺 第二代：八十年代初，采用CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺，并逐渐被高速低功耗的HMOS（高速金属氧 化物半导体）工艺代替 51单片机嵌入式系统概述新第三代：近十年来，MCU的发展出现了许多新特点（1）在技术上，由可扩展总线型向纯单片型发展，即只 能工作在单片方式。（2）MCU的扩展方式从并行总线型发展出各种串行总线。（3）将多个CPU集成到一个MCU中。（4）在降低功耗，提高可靠性方面，MCU工作电压已降 至3.3V。第四代：FLASH的使用使MCU技术进入了第四代 61单片机嵌入式系统概述新1.1.3、单片机的发展趋势 单片机的发展趋势：随着电子集成化的不断发展，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。目前常用到的单片机有MSP430系列、PIC系列、STM系列、C8051系列，AVR系列等等。71单片机嵌入式系统概述新1.1.4、单片机的基本结构 单片机的基本结构：单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。如图1-1所示81单片机嵌入式系统概述新图1-1单片机基本结构91单片机嵌入式系统概述新1.1.5、单片机的嵌入式系统 单片机的嵌入式系统：单片嵌入式系统的结构如图1-2所示，通常包括三大部分：既能实现嵌入式对象各种应用要求的单片机、全部系统的硬件电路和应用软件 101单片机嵌入式系统概述新系统硬件电路单片机系统软件基本系统电路前向通道接口电路后向通道接口电路人机交互通道接口数据通信接口电路图图1-2 单片嵌入式系统结构单片嵌入式系统结构单片嵌入式系统111单片机嵌入式系统概述新1.1.6、单片机的应用领域 单片机的应用领域：作为一个典型的嵌入式系统单片嵌入式系统，在我国大规模应用已有几十年的历史。它不但是在中、小型工控领域、智能仪器仪表、家用电器、电子通信设备和电子系统中最重要的工具和最普遍的应用手段，同时正是由于单片嵌入式系统的广泛应用和不断发展，也大大推动了嵌入式系统技术的快速发展。121单片机嵌入式系统概述新1.1.7、单片机的使用步骤 单片机的使用步骤：1、全面了解课题的内容，搞清课题要解决的问题，制 定出设计方案 2、设计详细的电子硬件线路原理图、机械及其它各部 分的图纸以及软件详细流程图。3、设计电路PCB图制作线路板、完成机械结构等的加工 、具体软件的全面设计、采购元器件。4、组装调试。131单片机嵌入式系统概述新21.21.2、AVRAVR单片机单片机1.2.11.2.1、AVRAVR单片机的简介单片机的简介1.2.21.2.2、AVRAVR单片机的选型单片机的选型1.2.31.2.3、ATmega16ATmega16单片机的特点单片机的特点 141单片机嵌入式系统概述新1.2.1、AVR单片机的简介 AVR的由来：“AVR单片机”名字的由来：1997年，由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术，共同研发出RISC(Reduced Instruction SetCPU)精简指令集的高速8位单片机，简称AVR单片机151单片机嵌入式系统概述新简 介：ATMEL公司是世界上著名的生产高性能、低功耗、非易失性存储器和各种数字模拟IC芯片的半导体制造公司。在单片微控制器方面，ATMEL公司有基于8051内核、基于AVR内核和基于ARM内核的三大系列单片机产品。161单片机嵌入式系统概述新1.2.2、AVR单片机的选型 选 型：AVR单片机采用低功率、非挥发的CMOS工艺制造，内部分别集成Flash、EEPROM和SRAM三种不同性能和用途的存储器。除了可以通过使用一般的编程器（并行高压方式）对AVR单片机的Flash程序存储器和EEPROM数据存储器进行编程外，大多数的AVR单片机还具有ISP在线编程的特点以及IAP在应用编程的特点。这些优点为使用AVR171单片机嵌入式系统概述新单片机开发设计和生产产品提供了及大的方便。在产品的设计生产中，可以“先装配后编程”，从而缩短了研发周期、工艺流程，并且还可以节约购买开发仿真编程器的费用。同样，对于学习和使用AVR单片机的用户来说，也不必购买昂贵的开发仿真硬件设备，只需要具备一套好的AVR开发软件平台，就可以从事AVR单片机系统的学习、设计和开发工作了 181单片机嵌入式系统概述新1.2.3、ATmega16单片机的特点 特 点：在AVR系列单片机中，ATmega16是一款中档功能的AVR芯片，它的引脚数为40(44 TQFP)，在片内集成了1K字节的SRAM、16K字节的Flash、512个字节的EEPROM，2个8位、1个16位共3个超强功能的定时器/计数器，以及USART、SPI、多路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、191单片机嵌入式系统概述新TWI（I2C）、片内高精度RC振荡器等多种功能的接口和特性，较全面的体现了AVR的特点，不仅适合对AVR了解和使用的入门起步学习，同时也满足一般的普通应用，在产品中得到了大量的使用。201单片机嵌入式系统概述新ATmega16 选型：211单片机嵌入式系统概述新1.31.3、ATmega16ATmega16单片机的上电、复位、单片机的上电、复位、时钟及中断时钟及中断3 31.3.11.3.1、ATmega16ATmega16单片机的上电单片机的上电1.3.21.3.2、ATmega16ATmega16单片机的复位单片机的复位1.3.31.3.3、ATmega16ATmega16单片机的时钟单片机的时钟1.3.41.3.4、ATmega16ATmega16单片机的中断单片机的中断1.3.51.3.5、ATmega16ATmega16最小工作系统最小工作系统221单片机嵌入式系统概述新1.3.1、ATmega16单片机的上电上 电：在设计单片机应用电路首先要引入电源，单片机对供电电源是有要求的，早期的芯片大部分是以5V供电的，要求电源在4.8V5.25V之间，可选用7805类的稳压块供电。后来的芯片供电范围较宽以2.7V3.6V者较多，可选用AS1117类的稳压块来供电。有的低功耗芯231单片机嵌入式系统概述新片考虑到有时要用3V干电池供电，具有更宽的电源范围，如TI公司的MSP430系列单片机电源范围为1.8V3.6V，深受用户喜爱。ATmega16单片机要求工作电压是：4.5V 5.5V，所以要想要单片机正常工作，必须给它提供合适的电源。241单片机嵌入式系统概述新1.3.2、ATmega16单片机的复位 复位对单片机来说可以理解为开始，这个开始包含两方面的含义：让程序从开始地址执行；所有内部时序电路的初态值设为默认状态。复位是靠硬件电路来保证的，必须可靠。复 位：251单片机嵌入式系统概述新复位电路：图1-3 高电平复位图1-4 低电平复位图1-5 外部复位261单片机嵌入式系统概述新ATmega16单片机共有5个复位源，它们是：1、上电复位。当系统电源电压低于上电复位门限Vpot时，MCU复位。2、外部复位。当外部引脚RESET为低电平，且低电平持续时 间大于1.5us时，MCU复位。3、掉电检测（BOD）复位。BOD使能时，且电源电压低于掉 电检测复位门限（4.0v或2.7v）时，MCU复位。4、看门狗复位。WDT使能时，并且WDT超时溢出时，MCU复位。5、JTAG AVR复位。当使用JTAG接口时，可由JTAG口控制MCU 复位。271单片机嵌入式系统概述新1.3.3、ATmega16单片机的时钟时 钟：时钟就是连续不断的脉冲，对计算机来讲时钟相当于心脏。时钟的频率决定了单片机的运行速度，而运行速度又决定了系统的电能消耗，因此时钟频率的选择应根据实际应用需要来选择。一般来说，单片机的一个时钟周期可以运行一条单周期指令，但早期的单片机往往需要很多时钟周期才能运行一条单周期指令。281单片机嵌入式系统概述新时钟周期、指令周期、机器周期的区别：时钟周期：时钟周期=振荡周期，都是等于单片机晶振频 的倒数，如常见的外接12M晶振，那它的时钟周 期=1/12M。机器周期:8051系列单片机的机器周期=12*时钟周期，之 所以这样分是因为单个时钟周期根本干不了一 件完整的事情（如取指令、写寄存器、读寄存 器等），而12个时钟周期就能基本完成一项基 本操作了。指令周期：一个机器周期能完成一项基本操作，但一条指 令常常是需要多项基本操作结合才能完成，完 成一条指令所需的时间就是指令周期，当然不 同的指令，其指令周期也就不一样了。291单片机嵌入式系统概述新ATmega16的时钟：ATmega16提供系统时钟源时，有三种主要的选择：（1）直接使用片内的1/2/4/8M的RC振荡源；（2）在引脚XTAL1和XTAL2上外接由石英晶体和电容组 成的谐振回路，配合片内的OSC（Oscillator）振 荡电路构成的振荡源；（3）直接使用外部的时钟源输出的脉冲信号。301单片机嵌入式系统概述新 图1-6 方式2 图1-7 方式3 方式2和方式3的电路连接见图1-6、图1-7所示311单片机嵌入式系统概述新ATmega16的系统时钟框图：图1-8 时钟框图321单片机嵌入式系统概述新ATmega16的熔丝位：在AVR内部有多组与器件配置和运行环境相关熔丝位，这些熔丝位非常重要，用户可以通过设定和配置熔丝位，使AVR具备不同的特性，以更加适合实际的应用。熔丝位一经选择在程序中已不能修改，对熔丝位的修改须连接一定的设备在相关软件上完成，通常使用Atmel公司提供的IAR软件或者AVRstudio软件进行熔丝位的设置。熔丝实质上是非易失的存储器，mega16的熔丝除了控制时钟外，还有FLASH存储器分区和调试功能控制等方面的作用。熔丝位由低字节、高字节和扩展字节三个字节组成，其中低字节的低四位用于配置芯片所要使用的系统时钟源，对于熔丝位的高字节以及扩展字节可以使用芯片出厂默认值。331单片机嵌入式系统概述新ATmega16的熔丝位：341单片机嵌入式系统概述新ATmega16的熔丝位：位3:0：CKSELx时钟源选择位351单片机嵌入式系统概述新1.3.4、ATmega16单片机的中断中 断：中断是指计算机（MCU）自动响应一个“中断请求”信号，暂时停止（中断）了当前程序的执行，转而执行为外部设备服务的程序（中断服务程序），并在执行完服务程序后自动返回原程序执行的过程。361单片机嵌入式系统概述新单片机一般都具有良好的中断系统，它的优点有：1、实现实时处理2、实现分时操作，提高了MCU的效率 3、进行故障处理 4、待机状态的唤醒 371单片机嵌入式系统概述新中断处理过程：执行主程序主程序继续执行主程序断点中断请求中断响应执行中断处理程序中断返回中断系统框图381单片机嵌入式系统概述新ATmega16的中断：AVR一般拥有数十个中断源，每个中断源都有独立的中断向量。缺省情况下，AVR的程序存储区的最低端，即从Flash地址的0 x0000开始用于放置中断向量 ATmega16共有21个中断源，由于ATmega16片内的Flash为8K字，因此每个中断向量占据了两个字（4个字节）在这21个中断中，包含1个非屏蔽中断（RESET）3个外部中断（INT0、INT1、INT2）和17个内部中断，这些中断的优先级按照向量号排列，向量号越小优先级越高。391单片机嵌入式系统概述新1.3.5、ATmega16单片机的最小工作系统最小工作系统：一个单片嵌入式系统的核心，其实就是一个单片机最小系统。它仅仅由一片单片机芯片、两个电阻、一个石英晶体和两个电容构成。如图1-9所示401单片机嵌入式系统概述新图1-9 ATmega16单片机的最小工作系统411单片机嵌入式系统概述新1.41.4、ATmega16ATmega16单片机的程序设计单片机的程序设计1.4.11.4.1、程序的实质、程序的实质1.4.21.4.2、程序设计语言、程序设计语言1.4.31.4.3、C C语言的编写语言的编写1.4.41.4.4、单片机程序开发平台、单片机程序开发平台421单片机嵌入式系统概述新1.4.1 程序的实质单片机的最小工作系统系统，已具备了单片嵌入式系统完整的心脏和大脑，它就可以工作了，具体要做什么工作，还需要大脑来支配，那么大脑的思维从哪里来?程序 程序的实质：431单片机嵌入式系统概述新1.4.2 程序的设计语言程序的设计语言：机器语言机器语言 汇编语言汇编语言 高级语言高级语言程序设计语言程序设计语言441单片机嵌入式系统概述新机器语言：机器语言是完全面向芯片的语言，由二进制码“0”和“1”组成。在单片机的程序存储器中存放就是以“0”和“1”构成的二进制序列指令字，它是单片机CPU直接识别和执行的语言。用机器语言表示的程序称为机器语言程序或目标程序。451单片机嵌入式系统概述新采用机器语言编程不仅难学、难记，而且也不易理解和调试，因此人们不直接使用机器语言来编写系统程序，往往使用汇编语言或高级语言编写程序。不过，无论使用汇编语言还是高级语言来编写系统程序，最终都需要使用相应的开发软件系统将其编译成机器语言，生成目标程序的二进制代码文件（.bin或.hex），然后再把目标代码写入（编程下载）单片机的程序存储器中，最后由单片机的CPU执行。461单片机嵌入式系统概述新汇编语言：汇编语言是一种符号化的语言，它使用一些方便记忆特定的助记符（特定的英文字符）来代替机器指令。用汇编语言编写的程序称为汇编语言程序，显然，它比机器语言易学、易记。但是，汇编语言也是面向机器的，也属于低级语言。由于各种单片机的机器指令不同，每一类单片机的汇编语言也是不同的，如8051的汇编语言同AVR的汇编语言是完全不一样的。由于汇编语言编写的程序可读性、可移植性和结构性都较差，因此采用汇编语言编来开发单片机应用系统程序的比较麻烦，调试和排错也比较困难，产品开发周期长，同时要求软件设计人员要具备相当高的能力和经验。471单片机嵌入式系统概述新高级语言：高级语言是一种“基本”不依赖硬件的程序设计语言。这里的“基本”是指编写在通用计算机系统上运行的系统软件。由于高级语言具有面向问题或过程，其形式类似自然语言和数学公式，结构性、可读性、可移植好的特点，所以为了提高编写系统应用程序的效率，改善程序的可读性和可移植性，缩短产品的开发周期，采用高级语言来开发单片机系统已成为当前的发展趋势。481单片机嵌入式系统概述新1.4.3 C语言的编写常用变量描述常用变量描述 常用运算符描述常用运算符描述 常用语句描述常用语句描述 C语言的编写语言的编写 491单片机嵌入式系统概述新常用变量描述501单片机嵌入式系统概述新常用运算符-算术运算符511单片机嵌入式系统概述新常用运算符-逻辑、关系运算符521单片机嵌入式系统概述新常用语句描述（一）531单片机嵌入式系统概述新常用语句描述（二）541单片机嵌入式系统概述新1.4.4 单片机程序开发平台单片机开发软件的功能1、单片机系统程序编写和运行代码的生成。（编辑、编译功能）2、软件模拟仿真。3、在线仿真功能。4、程序下载烧入功能。551单片机嵌入式系统概述新单片机开发软件1、IAR开发平台的介绍2、IAR软件下载地址、安装3、IAR中对位的操作、使用561单片机嵌入式系统概述新1、IAR开发平台的介绍：IAR出品的软件能支持绝大部分微控制器的开发，软件操作界面及程序编辑都比较人性化，不同系列的微控制器必须选用不同软件版本和相应的许可（License）。IAR的软件版本非常之多，但每种版本的使用大同小异，从工程的建立到程序的编辑调试基本相同，这从某种意义上降低了其软件被解密的风险，但同时也使软件的流行受到了限制。IAR软件虽然在我国的用户可能不及Keil的用户广，作为单片机及微控制器的开发IAR软件也是不错的选择。571单片机嵌入式系统概述新用于AVR单片机系统的开发。采用高级程序语言C的开发平台有：1、AVR Studio（http:/）。2、ICCAVR（http:/software）3、CodeVision AVR（）4、IAR Systems（）5、AVR GCC（http:/）采用高级程序语言BASIC的开发平台有：1、BASIC AVR（http:/）2、FastAVR Basic（http:/）3、BASCOM-AVR（http:/）。581单片机嵌入式系统概述新2、IAR软件下载地址、安装建议大家使用正版的IAR软件，网上流传的IAR软件破解版不多，在决定购买IAR软件之前可以登录IARSystems的官方网站(http:/)免费下载所需要专用软件，可以选择程序大小不限制但使用时间限制的30天试用版，也可选择程序大小受限制而时间不受限制的评估版。无论是正版的还是破解的IAR软件，其文件包里都会有详细的安装说明,如何安装本软件这里不再赘述。591单片机嵌入式系统概述新IAR中对位的操作方法一 PORTB|=（12）;/置PORTB的第2位=1PORTB&=（12）;/置PORTB的第2位=0PORTB|=（12）;/取反PORTB的第2位 方法二（IAR软件特有）PORTB_ Bit2=1;/置PORTB的第2位=1PORTB_ Bit2=0;/置PORTB的第2位=0 PORTB_ Bit2=PORTB_ Bit2;/取反PORTB的第2位 601单片机嵌入式系统概述新IAR的使用用具体事例演示。611单片机嵌入式系统概述新1.51.5、ATmega16ATmega16单片机的程序下载单片机的程序下载 1.5.11.5.1、JTAGJTAG介绍介绍1.5.21.5.2、JTAGICE mkIIJTAGICE mkII介绍介绍1.5.31.5.3、程序下载步骤、程序下载步骤621单片机嵌入式系统概述新1.5.1 JTAG介绍JTAG介绍JTAG硬件调试接口符合IEEE1149.1标准。JTAG的基本原理，是采用了一种应用于对集成电路芯片内部进行检测的“边界扫描”技术实现的。使用该技术，当芯片在工作时，可以将集成电路内部的各个部分的状态以及数据，组成一个串行的移位寄存器链，并通过引脚送到芯片的外部。所以通过JTAG硬件调试接口，用户就能了解芯片在实际工作过程中，各个单元的实际情况和变化，进而实现跟踪和调试。JTAG硬件调试接口采用4线的串行方式传送数据，占用MCU的引脚比较少。631单片机嵌入式系统概述新1.5.2 JTAGICE mkII介绍JTAGICE mkII：1、特点 2、支持软件3、支持型号4、硬件接口5、接口定义图1-10 JTAGICE mkII641单片机嵌入式系统概述新特 点：651单片机嵌入式系统概述新支持软件：1、直接支持AVRStudio、AVR32 Studio、WINAVR(GCC)、IAR2、支持ICCAVR、CVAVR、IAR等生成的调试文件与烧写文件支持型号：1、支持所有具备debugWIRE接口、JTAG、PDI接口的AVR2、支持AVR32661单片机嵌入式系统概述新硬件接口：支持型号：图1-12图1-11 671单片机嵌入式系统概述新接口定义：支持型号：681单片机嵌入式系统概述新1.5.3 程序下载步骤创建工程691单片机嵌入式系统概述新创建工程701单片机嵌入式系统概述新创建工程711单片机嵌入式系统概述新创建工程721单片机嵌入式系统概述新创建工程731单片机嵌入式系统概述新创建工程741单片机嵌入式系统概述新创建工程751单片机嵌入式系统概述新编辑程序761单片机嵌入式系统概述新编辑程序771单片机嵌入式系统概述新编译程序781单片机嵌入式系统概述新编译程序791单片机嵌入式系统概述新下载程序801单片机嵌入式系统概述新下载程序811单片机嵌入式系统概述新