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单片机原理及应用,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,30,单 片 机 原 理 及 应 用,Principle and Application of Microcontroller,本课程是计算机、通信类专业的专业选修课。主要讲述单片机的工作原理及实际应用。,以高档8位,SOC,单片机,C8051F,系列为主线,，介绍单片机的原理、片内资源的使用方法、指令系统、程序设计及单片机应用系统的设计方法。,课程以目前流行的,C51,为主要编程语言，兼顾汇编语言。,该课程是,实践性很强,的课程，主要培养学生的动手能力、设计应用系统的能力。除课堂教学外，安排大量实验并配备专门的课程设计环节。,课程简介：,第一章 概述,第二章,C8051F,单片机的结构与原理,第三章,51,单片机的编程语言,第四章,C8051F,单片机,的片内功能部件,第五章 模/数和数/模转换器,第六章,C8051F020,单片机的其他资源,第七章,C8051F,系列单片机应用系统的开发,第八章 应用举例,课程主要内容：,实验内容：,熟悉开发系统及数据传送实验,（,2,学时）,编程（查表）实验,（,2,学时）,键盘实验,（,2,学时）,定时器及中断实验,（,2,学时）,步进电机实验,（,2,学时）,压力、温度、电压数据采集,（,2,学时）,直流电机转速测量和控制,（,3,学时）,汇编,C51,教学方法：,多媒体 + 板书,考核方法：,闭卷考试,最终成绩=卷面成绩70%+平时成绩（含实验）30%,学习方法：,利用接口课中已有的8086基础，但要注意与其区别。,1、鲍可进、赵念强等,。,C8051F,单片机原理及应用。中国电力出版社。（,教材,）,2、赵德安、鲍可进等。单片机原理与应用。机械工业出版社。（前,教材,）,2、张友德。单片微型机原理、应用与实验。复旦大学出版社。(,前教材,）,4、潘琢金等译。,C8051F,单片机应用解析。北京：北京航空航天大学出版社。,5、,徐爱钧、彭绣华编著.单片机高级语言,C51,序设计。电子工业出版社。,实验指导书：,鲍可进,C8051F,系列单片机实验机指导书,教材及主要教学参考书：,网络资源：,新华龙电子：, 共,30,学时,实验教学：,第,8,14,周，共,15,学时,答疑时间、地点：,第一章概述,1.1,单片机的发展概况,1.2,单片机的应用及发展趋势,1.1,单片机的发展概况,1971,年,Intel,公司制造出第一片微型机芯片,4004,之后，开始了微型机时代。将微处理器、存储器和外围设备集成到一块芯片上，这就是,单片微型计算机,（,Single Chip Microcomputer,）,，,简称,单片机,。,单片机是应工业测控而诞生的，它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故也叫,单片微控制器,（,SCM Single Chip Microcontroller,）,，,它在控制领域大显身手，装入到各种智能化产品之中，所以又称为,嵌入式微控制器,(Embedded Microcontroller),，,也有文献中称为,微控制器单元,（,MCU Microcontroller Unit,）。,Intel4004,和采用,4004,的计算器,一种,8,位嵌入式微控制器,C8051F020,实验设备,1.1.1,单片机的发展历史,(1),第一阶段,（,1974,年,-1976,年）,:,初级阶段,因受工艺技术水平的限制，单片机结构和功能都很简单。例如仙童公司生产,的,F8,单片机，内部仅有,8,位,CPU,，,64,字节,RAM,和,2,个并行口，还需一些其他芯片才能组合成一台完整的微型机。,第二阶段,（,1976,年,-1978,年）,:,低性能阶段,以美国,INTEL,公司,的,MCS-48,为代表。该系列单片机内集成有,8,位,CPU,、,并行,I/O,接口、一个,8,位的定时,/,计数器、片内,64,或,128,字节,RAM,，,程序存储空间最大,4KB,，,但无串行通信口，不宜多机使用。,1.1.1,单片机的发展历史,(2),第三阶段,（,1978,年,-1983,年）,:,高性能阶段,仍采用,8,位,CPU,，,但有多级中断功能、串行通信接口、,16,位的定时,/,计数器，片内,ROM,、,RAM,容量加大，寻址空间范围可达,64KB,，,有的片内还带有,A/D,转换器接口。,生产厂家众多，产品系列也特别多，主要有,INTEL,公司的,MCS-51,，,MOTOROLA,公司的,6801,和,ZILOG,公司的,Z8,等。,具有优异的性价比，获得了广泛应用。尤其是,MCS-51,系列，特别适合于控制应用，在我国教育和经济建设等各个领域大显身手，经久不衰，是我国单片机应用的主流系列。,1.1.1,单片机的发展历史,(3),第四阶段,（,1983,年,）,:,新一代阶段,单片机的含义已发生了根本改变。目前仍然保留单片机这一习惯叫法，但实际是指“,Single-chip Microcontroller”,。,新一代单片机有如下几方面特点：,1,CPU,仍以,8,位为主流，并不断完善。另一方面发展了,16,位、,32,位的单片机。早期多使用,CISC,（,Complex Instruction Set Computer,）,系统结构，近来,RISC,（,Reduced Instruction Set Computer,）,单片机已大力发展。,RISC,单片机中，除指令集精简外，一般都用,单字长,指令和,流水线,操作方法，大大加快了指令的运行速度。,1.1.1,单片机的发展历史,(4),2,按片内程序存储器的类型不同分为：,ROM,型、,EPROM,型、无,ROM,（,Romless,）,型和低成本的,OTP,（,One Time Programmable ROM,）,型、,E,2,PROM,型。近年来，,Flash ROM,已获得了普遍发展。由于,Flash ROM,可在线多次写入，有些公司称之为,MTP,（,M-Time Programmable ROM,）,型。,Flash ROM,的普遍使用，也导致了,ISP,（,In-System,Progammable,）,技术的迅速发展。可扩展容量有的已,突破,64KB,，,达到,2MB,以上。片内,RAM,已有,2KB,以上的产品，可扩展容量也可达到,2MB,以上。,1.1.1,单片机的发展历史,(5),3,产品日趋复杂化、多样化、专用化。,在原来微型机结构的基础上，集成嵌入了一些外设与一些外设驱动单元，如通用接口、看门狗（,Watchdog,）、,A/D,和,D/A,、,LCD,驱动单元、遥控键盘、语音接口、串行总线,I,2,C,，,甚至通用串行总线,USB,（,Universal Serial Bus,）、,控制器局域网,CAN,（,Controller Area Network,）,等。某些公司把数字信号处理器,DSP,（,Digital Signal Processor,）,也嵌入了单片机内。,1.1.1,单片机的发展历史,(6),4.,多采用,CMOS,工艺，出现双时钟、低电压单片机，大大降低了系统功耗。时钟速度大幅提高，有的已达,100MHz,以上。引脚数过去多为,40PIN,，,现在已向两个方向发展,多引脚（,100PIN,以上）和少引脚（,20PIN,以下）。封装形式多样化，有,DIP,、,SH-DIP,、,OFP,、,SQFP,、,HQFP,、,TQFP,、,PGA,、,BGA,、,PLCC,等。,1.1.2,典型的,8,位单片机产品,(1),1,Intel,公司的单片机,其产品有,MCS-48,、,MCS-51,和,MCS-96,三大系列几十个型号的单片机。,MCS-51,系列单既包括,三个基本型号,8031,（无,ROM,型）、,8051,（,ROM,型）、,8751,（,EPROM,型）,8051,是世界上产量排名第二的著名单片机,CPU,。,2,ATMEL,公司的单片机,ATMAL,公司在,1994,年以,E,2,PROM,技术和,Intel,公司的,80C31,单片机核心技术进行交换，从而取得,80C31,核的使用权。先进的,Flash,技术和,80C31,核相结合，生产出具有,8051,结构的,Flash,型和,EEPROM,型,单片机（尤其是,89C51,和,89C52,）,1.1.2,典型的,8,位单片机产品,(2),3,SiliconLaboratories,公司的单片机,C8051F,系列是一种典型的高性能单片机,完全集成,混合信号,系统级芯片（,SOC System of Chip,），,完全兼容,MCS-51,。,采用,流水线,（,pipeline,）,技术，不再区分时钟周期和机器周期，提高了指令执行效率。,具备控制系统所需的模拟和数字外设，包括看门狗、,ADC,、,DAC,、,电压比较器、电压基准输出、定时器、,PWM,、,定时器捕捉和方波输出等，并具备多种总线接口，包括,UART,、,SPI,、,SMBUS,（与,I,2,C,兼容）总线以及,CAN,总线。,C8051F,系列单片机采用,FlashROM,技术，集成,JTAG,，,支持在线编程。,1.1.2,典型的,8,位单片机产品,(3),4. Motorola,公司的单片机,8,位机有,68HC05,、,68HC08,和,68HC11,几种。,68HC05,是,Motorola,公司推出的一种采用,HCMOS,技术的,8,位单片机，是世界上产量,排名第一,的著名单片,机,CPU,。,5. TOSHIBA,公司的单片机,具有功能强、可靠性高、价格低等特点，特别适合于空调、电冰箱等家电产品。,Philips,公司的单片机,Philips,公司生产,8051,结构的,80C51,系列,8,位单片机、采用,8051,结构的,16,位单片机、以,68000,为核的,16,位单片机。,1.1.2,典型的,8,位单片机产品,(4),除此以外，著名的单片机厂商还有,HITACHI,、,SIEMENS,、,NS,、,三菱、,Microchip,、,Zilog,等公司，产品型号众多，并不断有新产品问世。可用于各种不同应用场合和不同的应用需求。如今，凡是读者能想到的行业和领域都能看到单片机的应用例子，科技的发展和社会的需求促使计算机的嵌入式应用在近年来得到迅速发展，并且这种发展的势态将越来越迅猛。,1.2,单片机的应用及发展趋势,1.2.1,单片机的应用,1.2.2,单片机的发展趋势,1.2.1,单片机的应用,1,在智能仪表中的应用,广泛地应用于电力系统、交通运输工具、计量等各种仪器仪表之中，使仪器仪表智能化。,2,在机电一体化中的应用,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,体，具有智能化特征的机电产品。,3,在实时控制中的应用,如对工业上各种窑炉的温度、酸度、化学成分的测量和控制。汽车电子中微型控制器的使用越来越多。,1.2.1,单片机的应用,(2),4,单片机在分布式多机系统中应用,分布式多机系统具有功能强、可靠性高的特点。在比较复杂的系统中，都采用分布式多机系统。,5,单片机在家用电器等消费类领域中的应用,目前家用电器几乎都是单片机控制的电脑产品例如：空调、冰箱、洗衣机、微波炉、彩电、音响、家庭报警器、电子宠物、手机、,MP3,等。,1.2.2,单片机的发展趋势,(1),低成本高度集成的单片机片上系统（,SOC,）,重要发展趋势，是寻求应用系统在芯片上的最大化解决方案。因此，专用单片机的发展自然形成了,SoC,化趋势。,8,位单片机的市场份额依然领先,“让事情尽可能简单”的原则有助于更快地完成系统设计、验证并投入生产，同时减少潜在问题。, 处器理的多核结构,在数字通信和网络中的应用， 对处理器提出了更高的要求。为适应这种情况，现在已出现多核结构的处理器。,1.2.2,单片机的发展趋势,(2),功耗更低,新推出的单片机的功耗越来越小，很多单片机都有多种工作方式，包括等待、暂停、休眠、空闲、节电等工作方式。,电压范围更宽,扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是现在新推出的单片机的一个特点。,6,工艺更先进和封装更小,现在单片机的封装水平已大大提高， 有越来越多的单片机采用了各种贴片封装形式，以满足便携式手持设备的需要。,1.2.2,单片机的发展趋势,(3),7,开发形式、手段和工具,目前借助于,JTAG,接口构成,JTAG,调试器，直接从,CPU,获取调试信息而使得产品的设计简化，从而使得开发工具的价格反而要低于,ICE,。,用高级语言代替汇编语言也渐成趋势，典型的单片机都推出了自己的,C,编译器。其中,Keil,C51,的编译效率已达到很高水平 。,RTOS,的引入解决了嵌入式软件开发标准化的难题，促进嵌入式开发软件的模块化和可移植化，为软件工程化管理打下基础。,
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