单片机单片机概述

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单片机单片机概述,2,第,1,章 目录,1.1,什么是单片机,1.2,单片机的发展历史,1.3,单片机的特点,1.4,单片机的应用,1.5,单片机的发展趋势,1.6 MCS-51,系列与,AT89C5x,系列单片机,1.6.1 MCS-51,系列单片机,1.6.2 AT89C5x,（,AT89S5x,）系列单片机,1.7,其他的,51,单片机,1.7.1 ADC812,单片机,1.7.2 C8051Fxxx,单片机,1.7.3,台湾华邦公司,W78,系列和,W77,系列单片机,1.8 AVR,系列单片机与,PIC,系列单片机,1.8.1 AVR,系列单片机,1.8.2 PIC,系列单片机,1.9,各类嵌入式处理器简介,1.9.1,嵌入式微控制器（单片机）,1.9.2,嵌入式,DSP,处理器,(DSP),1.9.3,嵌入式微处理器,1.9.4,嵌入式片上系统,SOC(System On Chip),介绍单片机,基础知识、发展历史、应用领域及发展趋势,。,8,位单片机的主流机型，较大市场份额的,MCS-51,系列单片机及其兼容的单片机（统称为,51,系列单片机）,对目前,流行的,51,单片机,的,代表性机型：,美国,ATMEL,公司的,AT89C5x/AT89S5x,系列单片机及代表性产品,AT89S51,详细介绍。,简要介绍,其他类型,的单片机。,初步了解,嵌入式处理器,：单片机，数字信号处理器（,DSP,）、嵌入式微处理器,内容概要,5,20,世纪,70,年代问世,，广泛地应用在工业自动化、自动检测与控制、智能仪器仪表、机电一体化设备、汽车电子、家用电器等各个方面。什么是单片机？,1.1,什么是单片机,一片半导体硅片集成,：,中央处理单元（,CPU,）、存储器（,RAM,、,ROM,）、并行,I/O,、串行,I/O,、定时器,/,计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线,的微型计算机。,具有,微型计算机,的属性,，因而被称为单片微型计算机，简称,单片机,。,6,主要应用于,测控领域,。单片机使用时，通常是,处于测控系统的核心地位,并嵌入其中，所以国际上通常把单片机称为,嵌入式控制器,（,EMCU,，,Embedded MicroController Unit,），,或,微控制器,（,MCU,，,MicroController Unit,）,。,我国习惯于使用,“单片机”,这一名称。,单片机是计算机技术发展史上的一个重要里程碑，标志着计算机正式形成了,通用计算机系统,和,嵌入式计算机系统,两大分支。,单片机,体积小,、,成本低,，嵌入到工业控制单元、机器人、智能仪器仪表、汽车电子系统、武器系统、家用电器、办公自动化设备、金融电子系统、玩具、个人信息终端及通讯产品中。,7,按照其用途可分为,通用型,和,专用型,两大类。,（,1,）通用型,单片机,就是其内部可开发的资源（如存储器、,I/O,等各种外围功能部件等）可以全部提供给用户。,用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心，再配以外围接口电路及其它外围设备，并编写相应的软件来满足各种不同需要的测控系统。通常所说的和,本书,介绍的是指,通用型单片机,。,（,2,）专用型,单片机是专门针对某些产品的,特定用途,而制作的单片机。,例如，,各种家用电器中的控制器等。由于用于特定用途，单片机芯片制造商常与产品厂家合作，设计和生产“专用”的单片机芯片。,由于在设计中，已经对“专用”单片机的系统,结构最简化,、,可靠性,和,成本的最佳化,等方面都做了全面的综合考虑，所以“专用”单片机具有十分明显的综合优势。,无论“专用”单片机在用途上有多么“专”，其基本结构和工作原理都是,以通用单片机为基础,的。,8,1.2,单片机的发展历史,单片机按其处理的,二进制位数,主要分为：,4,位,单片机、,8,位,单片机、,16,位,单片机和,32,位,单片机。,发展大致分为,4,个阶段,。,第一阶段,（,1974,年,1976,年）：单片机,初级阶段,。因工艺限制，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。,1974,年,12,月，仙童公司推出了,8,位的,F8,单片机，实际上只包括了,8,位,CPU,、,64B RAM,和,2,个并行口。,第二阶段,（,1976,年,1978,年）：,低性能单片机阶段,。,1976,年,Intel,的,MCS-48,单片机（,8,位）极大地促进了单片机的变革,9,和发展，,1977,年,GI,公司,推出了,PIC1650,，但这个阶段仍处于低性能阶段。,第三阶段,（,1978,年,1983,年）：,高性能单片机阶段,。,1978,年，,Zilog,公司,推出,Z8,单片机,，,1980,年，,Intel,公司,在,MCS-48,系列基础上,推出,MCS-51,系列,，,Mortorola,推出,6801,单片机。使单片机的性能及应用跃上新的台阶。,此后，,各公司的,8,位单片机迅速发展。推出的单片机普遍带有串行,I/O,口、多级中断系统、,16,位定时器,/,计数器，片内,ROM,、,RAM,容量加大，且寻址范围可达,64KB,，有的片内还带有,A/D,转换器。由于这类单片机的性能价格比高，所以被广泛应用，是目前应用数量最多的单片机。,10,第四阶段,（,1983,年现在）：,8,位单片机巩固发展及,16,位单片机、,32,位单片机,推出阶段,。,16,位典型产品,Intel,公司,的,MCS-96,系列,单片机。而,32,位单片机除了具有更高的集成度外，其数据处理速度比,16,位单片机提高许多，性能比,8,位、,16,位单片机更加优越。,20,世纪,90,年代,单片机制造业大发展时期，,Mortorola,、,Intel,、,ATMEL,、德州仪器（,TI,）、三菱、日立、飞利浦、,LG,等公司开发一大批性能优越的单片机，极大推动单片机的应用。近年，又有不少,新型的高集成度的单片机产品,涌现出来，出现了产品丰富多彩的局面。目前，除,8,位单片机得到广泛应用外，,16,位单片机、,32,位单片机也得到广大用户青睐。,11,1.3,单片机的特点,单片机是,集成电路技术,与,微型计算机技术,高速发展的产物。体积小、价格低、应用方便、稳定可靠，因此，,给工业自动化等领域带来了一场重大革命和技术进步,。,由于,体积小，很容易地嵌入到系统,之中，以实现各种方式的检测、计算或控制，这一点，一般微机根本做不到。,由于单片机本身就是一个微型计算机，因此只要在单片机的外部适当增加一些必要的外围扩展电路，就可以灵活地构成各种应用系统，,如工业自动检测监视系统、数据采集系统、自动控制系统、智能仪器仪表等。,12,为什么,应用广泛,？具有,以下优点,：,（,1,）功能齐全，应用可靠，抗干扰能力强。,（,2,）简单方便，易于普及。单片机技术是易掌握技术。应用系统设计、组装、调试已经是一件容易的事情，工程技术人员通过学习可很快掌握其应用设计技术。,（,3,）发展迅速，前景广阔。短短几十年，单片机经过,4,位机、,8,位机、,16,位机、,32,位机,等几大发展阶段。尤其是,集成度高、功能日臻完善的单片机,不断问世，使单片机在工业控制及工业自动化领域获得长足发展和大量应用。目前，单片机内部结构愈加完美，片内外围功能部件越来越完善，向,更高层次,和,更大规模,的发展奠定坚实的基础。,13,（,4,）,嵌入容易，用途广泛，体积小、性能价格比高，应用灵活性强,等特点在嵌入式微控制系统中具有十分重要的地位。,单片机出现前，,制作一套测控系统，大量的模拟电路、数字电路、分立元件完成，以实现计算、判断和控制功能。系统的体积庞大，线路复杂，连接点多，易出现故障。,单片机出现后,，测控功能的绝大部分由单片机的软件程序实现，其它电子线路则由,片内的,外围功能部件,来替代。,1.4,单片机的应用,软硬件结合、体积小，容易嵌入到各种应用系统中。得到广泛应用。,14,1,工业检测与控制,主要应用：,工业过程控制、智能控制、设备控制、数据采集和传输、测试、测量、监控等。在工业自动化的领域中，,机电一体化技术,将发挥愈来愈重要的作用，在这种集机械、微电子和计算机技术为一体的综合技术（如,机器人技术,）中，单片机发挥着非常重要的作用。,2,仪器仪表,目前对仪器仪表的,自动化,和,智能化,要求越来越高。单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减小体积而易于携带和使用，,加速仪器仪表向数字化、智能化、多功能化方向,发展。,15,3,消费类电子产品,例如，洗衣机、电冰箱、空调机、电风扇、电视机、微波炉、加湿机、消毒柜等。嵌入了单片机后，功能和性能大大提高，并实现智能化、最优化控制。,4,通讯,在调制解调器、各类手机、传真机、程控电话交换机、信息网络及各种通讯设备中，单片机也已经得到广泛应用。,5,武器装备,在,现代化的武器装备,中，如飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器装备、航天飞机导航系统，都有单片机嵌入其中。,16,6,各种终端及计算机外部设备,计算机网络终端（如银行终端）以及计算机外部设备（如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等）中都使用了单片机作为控制器。,7,汽车电子设备,已经广泛地应用在,各种汽车电子设备,中，,如,汽车安全系统、汽车信息系统、智能自动驾驶系统、卫星汽车导航系统、汽车紧急请求服务系统、汽车防撞监控系统、汽车自动诊断系统以及汽车黑匣子等。,8,分布式多机系统,在较复杂多节点的测控系统中，常采用,分布式多机系统,。,17,一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。在这种系统中，单片机往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。,从,工业自动化、自动控制、智能仪器仪表、消费类电子产品,等方面，,直到国防尖端技术领域,，单片机都发挥着,十分重要的作用,。,1.5,单片机的发展趋势,单片机的发展趋势将是,向大容量、高性能化，外围电路内装化等方面发展,。为满足不同用户的要求，各公司竞相推出能满足不同需要的产品。,1,CPU,的改进,（,1,）增加,CPU,数据总线宽度,。例如，各种,16,位单片机和,32,位单片机，数据处理能力要优于,8,位单片机。另外，,8,位单片机内部采用,16,位数据总线,，其数据处理能力明显优于一般,8,位单片机。,（,2,）采用,双,CPU,结构，以提高数据处理能力。,19,2,存储器的发展,（,1,）片内程序存储器普遍采用,闪烁（,Flash,）存储器,。可不用外扩展程序存储器，简化系统结构。,（,2,）,加大存储容量,。目前有的单片机片内程序存储器容量可达,128KB,甚至更多。,3,片内,I/O,的改进,（,1,）增加并行口,驱动能力,，以减少外部驱动芯片。有的单片机可以直接输出大电流和高电压，以便能直接驱动,LED,和,VFD,（荧光显示器）。,（,2,）有些单片机设置了一些,特殊的串行,I/O,功能,，为,构成分布式、网络化系统,提供方便条件。,20,4,低功耗化,CMOS,化，功耗小，配置有,等待状态、睡眠状态、关闭状态,等工作方式。消耗电流仅在,A,或,nA,量级，适于电池供电的便携式、手持式的仪器仪表以及其它消费类电子产品。,5,外围电路内装化,众多外围电路全部装入片内，即,系统的单片化,是目前发展趋势之一。,例如，,美国,Cygnal,公司的,C8051F020,8,位单片机，内部采用流水线结构，大部分,指令的完成时间,为,1,或,2,个时钟周期，,峰值处理能力,为,25MIPS,。片上集成有,8,通道,A/D,、两路,D/A,、两路电压比较器，内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和,64,个通用,I/O,口、电源监测、,21,看门狗、多种类型的串行接口（两个,UART,、,SPI,）等。一片芯片就是一个“测控”系统。,综上所述，单片机正在,向多功能、高性能、高速度（时钟达,40MHz,）、低电压（即可工作）、低功耗、低价格（几元钱）、外围电路内装化以及片内程序存储器和数据存储器容量不断增大,的方向发展。,22,1.6 MCS-51,系列与,AT89C5x,系列单片机,20,世纪,80,年代以来，发展迅速，世界一些,著名厂商投放市场的产品就有几十个系列,，,数百个品种,，,Intel,公司的,MCS-48,、,MCS-51,，,Motorola,公司的,6801,、,6802,，,Zilog,公司的,Z8,系列，,Rockwell,公司的,6501,、,6502,等。此外，荷兰的,Philips,公司、日本的,NEC,公司、日立公司等也相继推出了各自的产品。,尽管机型很多，但是在,20,世纪,80,年代以及,90,年代，,在我国使用最多,的,8,位单片机还是,Intel,公司,的,MCS-51,系列,单片机以及与其兼容的单片机（称为,51,系列单片机,）。,23,1.6.1 MCS-51,系列单片机,MCS,是,Intel,公司单片机的系列符号，如,MCS-48,、,MCS-51,、,MCS-96,系列单片机。,MCS-51,系列是在,MCS-48,系列基础上于,20,世纪,80,年代初发展起来的，是,最早进入我国,，并在我国得到广泛应用的单片机主流品种。,MCS-51,系列单片机主要包括,基本型,：,8031/8051/8751,（低功耗型,80C31/80C51/87C51,）,增强型,：,8032/8052/8752,。已为我国广大技术人员所熟悉和掌握。在上世纪,80,年代和,90,年代，,MCS-51,系列是在我国应用最为广泛的单片机机型之一,。,MCS-51,系列品种丰富，经常使用的是,基本型,和,增强型,。,24,（,1,）基本型,典型产品：,8031/8051/8751,。,8031,内部包括,1,个,8,位,CPU,、,128B RAM,，,21,个特殊功能寄存器（,SFR,）、,4,个,8,位并行,I/O,口、,1,个全双工串行口，,2,个,16,位定时器,/,计数器，,5,个中断源，但,片内无,程序存储器,，需外扩程序存储器芯片。,8051,是在,8031,的基础上，片内又,集成有,4KB ROM,作为程序存储器。所以,8051,是一个程序不超过,4KB,的小系统。,ROM,内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的。,8751,与,8051,相比，片内集成的,4KB EPROM,取代了,8051,的,4KB ROM,来作为程序存储器。,25,（,2,）增强型,Intel,公司在基本型基础上，推出,增强型,-,52,子系列,，,典型产品,：,8032/8052/8752,。,内部,RAM,增到,256B,，,8052,、,片内程序存储器,扩展到,8KB,，,16,位定时器,/,计数器,增至,3,个，,6,个中断源，串行口通信速率提高,5,倍。,表,1-1,列出了基本型和增强型的,MCS-51,系列单片机片内的基本硬件资源。,1.6.2 AT89C5x,（,AT89S5x,）系列单片机,20,世纪,80,年代中期以后，,Intel,精力集中在高档,CPU,芯片的开发、研制上，淡出单片机芯片的开发和生产。,26,28,MCS-51,系列,设计上的成功,，以及,较高的市场占有率,，已成为许多厂家、电气公司竞相选用的对象。,Intel,公司,以专利,形式把,8051,内核技术,转让给,ATMEL,、,Philips,、,Cygnal,、,ANALOG,、,LG,、,ADI,、,Maxim,、,DALLAS,等公司。,生产的兼容机与,8051,兼容，采用,CMOS,工艺，因而常用,80C51,系列,单片机来称呼所有这些具有,8051,指令系统的单片机，这些兼容机的各种衍生品种统称为,51,系列单片机,或简称为,51,单片机,，是在,8051,的基础上又,增加一些功能模块,（称其为,增强型,、,扩展型,子系列单片机）。,29,近年来，世界上单片机芯片生产厂商推出的,与,8051,（,80C51,）,兼容的主要产品,如,表,1-2,所示。,在众多的,衍生机型,中，,ATMEL,公司的,AT89C5x/AT89S5x,系列，尤其是,AT89C51/AT89S51,和,AT89C52/AT89S52,在,8,位单片机市场中,占有较大的市场份额,。,ATMEL,公司,1994,年以,E,2,PROM,技术与,Intel,公司的,80C51,内核的使用权进行交换。,ATMEL,公司的,技术优势是闪烁（,Flash,）存储器技术,，将,Flash,技术与,80C51,内核相结合，形成了片内带有,Flash,存储器的,AT89C5x/AT89S5x,系列单片机。,30,AT89C5x/AT89S5x,系列与,MCS-51,系列,在原有功能、引脚以及指令系统方面完全兼容,。,此外，某些品种,又增加了一些新的功能,，如,看门狗定时器,WDT,、,ISP,（在系统编程也称在线编程）及,SPI,串行接口,技术等。片内,Flash,存储器允许在线（,+5V,）电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。,另外，,AT89C5x/AT89S5x,单片机,还支持由软件选择的,两种,节电工作方式,，非常适于,低功耗的场合,。,与,MCS-51,系列的,87C51,单片机相比,，,AT89C51/AT89S51,单片机,片内的,4KB Flash,存储器,取代了,87C51,片内的,4KB EPROM,。,AT89S51,片内的,Flash,存储器可在线编程或使用编程器,31,重复编程，且价格较低。,因此,AT89C51/AT89S51,单片机作为,代表性产品,受到用户欢迎，,AT89C5x/AT89S5x,单片机,是目前取代,MCS-51,系列单片机的主流芯片之一,。,本书重点介绍,AT89S51,单片机,的原理及应用系统设计。,AT89S5x,的,“,S,”,档,系列机型是,ATMEL,公司继,AT89C5x,系列之后推出的新机型，,代表性产品为,AT89S51,和,AT89S52,。基本型的,AT89C51,与,AT89S51,以及增强型的,AT89C52,与,AT89S52,的硬件结构和指令系统完全相同。,使用,AT89C51,的系统，在保留原来软硬件的条件下，完全可以用,AT89S51,直接代换。,与,AT89C5x,系列相比，,AT89S5x,系列的,时钟频率以及运算速度有了较大的提高,，例如，,AT89S51,工作频率的上限为,24MHz,，而,AT89S51,则为,33MHz,。,AT89S51,片内集成有双数据指针,DPTR,，看门狗定时器、具有低功耗空闲工作方式和掉电工作方式。目前，,AT89S5x,系列已逐渐取代,AT89C5x,系列。,表,1-3,为,ATMEL,公司,AT89C5x/AT89S5x,系列单片机主要产品,片内硬件资源,。由于种类多，要依据实际需求来选择合适的型号。,33,34,表,1-3,AT89C1051,与,AT89C2051,为,低档机型，,均为,20,只,引脚。当低档机满足设计需求时，就不要采用较高档次的机型。,例如，,当系统设计时，,仅仅需要一个定时器和几位数字量输出,，那么选择,AT89C1051,或,AT89C2051,即可，不需选择,AT89S51,或,AT89S52,，因为后者要比前者的价格高，且前者体积也小。,如对,程序存储器和数据存储器的,容量要求较高,，还要单片机,运行速度尽量要快,，可考虑选择,AT89S51 /AT89S52,，因为它们的最高工作时钟频率为,33MHz,。当,程序需要多于,8KB,以上的空间,可考虑选用片内,Flash,容量,20KB,的,AT89C55,。,35,表,1-3,中，,“,LV,”,代表,低电压,，它与,AT89S51,的主要差别是其工作时钟频率为,12MHz,，,工作电压为,6V,，编程电压,V,PP,为,12V,。,AT89LV51,的低电压电源工作条件可使其在便携式、袖珍式、无交流电源供电的环境中应用，特别适于电池供电的仪器仪表和各种野外操作的设备中。,尽管,AT89C5x/AT89S5x,系列单片机,有多种机型,，但掌握好,基本型,AT89S51,单片机,十分重要，因为它们是具有,8051,内核的各种型号单片机的基础，最具典型性和代表性，同时也是各种增强型、扩展型等衍生品种的基础。,本书,以,AT89S51,作为,51,单片机,的,代表性机型,来介绍单片机的原理及应用。,36,在我国，除,8,位单片机得到广泛应用外，,16,位单片机也得到了广大用户的青睐,，例如，美国,TI,公司,的,16,位单片机,MSP430,和台湾的,凌阳,16,位单片机,。本身带有,A/D,转换器，一片芯片就构成了一个数据采集系统。设计使用非常方便。尽管这样，,16,位,单片机还远远没有,8,位,单片机应用的那样广泛和普及，,因为目前的主要应用中，,8,位单片机的性能已能够满足大部分的实际需求，况且,8,位单片机的性能价格比也较好。,在众多厂家生产的各种不同的,8,位单片机中，,与,MCS-51,系列单片机兼容的各种,51,单片机,，目前仍然是,8,位单片机的,主流品种,，若干年内仍是自动化、机电一体化、仪器仪表、工业检测控制应用的,主角,。,37,1.7,其他的,51,单片机,世界各半导体器件厂家推出的以,8051,为内核的，各种集成度高、功能强的的增强型单片机。这些单片机目前也得到广大设计工程师的青睐。,1.7.1 AD,C812,单片机,美国,ADI(Analog Devicelnc),公司生产的高性能单片机，内部包含,高精度的自校准,8,通道,12,位,模数转换器,，,2,通道,12,位数模转换器,以及可编程的,8,位的与,8051,单片机兼容的,MCU,内核，指令系统与,MCS-51,系列兼容。片内有,8KB Flash,程序存储器,、,640B Flash,数据存储器,、,256B,数据,SRAM,(,支持可编程,),。,38,片内集成,看门狗定时器、电源监视器以及,ADCDMA,功能,。为多处理器接口和,I/O,扩展提供了,32,条可编程的,I/O,线、包含有与,I,2,C,兼容的串行接口,、,SPI,串行接口,和,标准,UART,串行接口,I/O,。,AD,C812,的,MCU,内核和模数转换器均设有正常、空闲和掉电工作模式，软件可控制从正常模式到空闲模式，也可切换到更省电的掉电模式。掉电模式，,消耗总电流约,5A,。,1.7.2 C8051Fxxx,单片机,美国,Cygnal,公司产品，集成度高，,8051,内核。,典型产品,为,C8051F020,。内部采用,流水线结构,，大部分指令的完成时间为,1,或,2,个时钟周期，,峰值处理能力,为,25MIPS,。,39,片内资源：,1,个,8,位,ADC,、,1,个,12,位,ADC,、,1,个双,12,位,DAC,；,64kB,片内,Flash,程序存储器，,256B RAM,，,128B SFR,；,8,个,I,O,端口共,64,根,I,O,口线；,5,个,16,位通用定时器；,5,个捕捉比较模块的可编程计数定时器阵列（,PCA,），,1,个,UART,串行口、,1,个,SMBus/ I,2,C,串口、,1,个,SPI,串行口；,2,路电压比较器，,VDD,监视器,(,电源监测,),，内置温度传感器。,C8051Fxxx,单片机,最突出的改进,是,引入了数字交叉开关。,数字交叉开关，改变以往内部功能与外部引脚的固定对应关系。它是一个大的数字开关网络，允许将内部数字系统,40,资源分配给端口,I/O,引脚。与具有标准复用数字,I/O,的单片机不同，该结构可支持所有功能组合。可,通过设置交叉开关控制寄存器,将片内计数器,/,定时器、串行总线、硬件中断、,ADC,转换启动输入、比较器输出及单片机内部的其它数字信号配置为出现在端口,I/O,引脚。允许用户根据自己的特定应用，选择通用端口,I/O,和所需数字资源的组合。,1.7.3,台湾华邦公司,W78,系列和,W77,系列单片机,台湾华邦公司,(Winbond),W78,系列,单片机与,AT89C5x,系列完全兼容，,W77,系列,为增强型。,W77,系列,对,8051,的时序作了改进：每个指令周期只需要,4,个,时钟周期，速度提高了三倍，工作频率最高可达,40MHz,。,W77,系列,增加看门狗,WatchDog,、两组,UART,、两组,DPTR,数据指针（编写程序非常便利）、,ISP,（在系统可编程）等功能。片内集成了,USB,接口，语音处理等功能，具有,6,组外部中断源。,华邦公司的,W741,系列,的,4,位单片机带,液晶驱动,，在线烧录，保密性高，低工作电压,(1.2V-1.8V),。,42,1.8 AVR,系列单片机与,PIC,系列单片机,除了,51,单片机外，目前某些,非,51,单片机,也得到了较为广泛的应用，目前应用较广泛是,AVR,系列,与,PIC,系列,单片机，它们博采众长，具独特技术，受到广大设计工程师的关注。,1.8.1 AVR,系列单片机,AVR,系列是,1997,年,ATMEL,公司挪威设计中心的,A,先生,与,V,先生,共同研发出的,精简指令集,(RISC,Reduced Instruction Set Computer),的,高速,8,位单片机，简称,AVR,。,特点如下：,（,1,）高速、高可靠性、功能强、低功耗和低价位。,43,早期单片机,采取稳妥方案,：即采用,较高的分频系数,对,时钟分频,，使,指令周期长,，执行,速度慢,。,以后的单片机虽采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被彻底改观,(,例如,51,单片机,),。虽有某些精简指令集单片机问世，但,依旧沿袭对时钟分频的作法,。,AVR,单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，,废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机,(CISC),追求指令完备的做法,。采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将操作数与操,44,作码,安排在一字之中，指令长度固定、指令格式与种类相对较少、寻址方式也相对较少，绝大部分指令都为单周期指令,。,取指周期短,，,又可预取指令,，实现,流水作业,，故可高速执行指令。当然这种“高速度”是以高可靠性来保障的。,（,2,）采用,片内,Flash,存储器,给用户的开发带来方便。片内大容量的,RAM,不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并可像,MCS-51,单片机那样扩展外部,RAM,。,（,3,）丰富的片内外设,。定时器,/,计数器、看门狗电路、低电压检测电路,BOD,，多个复位源,(,自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、,BOD,复位,),，可设置的启动后延时运行程序，增强了单片机应用系统的可靠性。,多种串口：,如通用的异步串行口（,UART,），面向字节的高速硬件串行接口,TWI,（与,I,2,C,接口兼容）、,SPI,。此外还有,ADC,、,PWM,等部件。,46,（,4,）,I/O,口功能强、驱动能力大,。,AVR,的,工业级产品,，具有,大电流,(,最大可达,40mA),，,驱动能力强，可省去功率驱动器件,，直接驱动可控硅,SSR,或继电器。,AVR,单片机的,I/O,口,能正确反映,I/O,口输入,/,输出的真实情况,。,I/O,口的输入可设定为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，以便于,满足各种多功能,I/O,口应用的需要,，具备,10mA-20mA,灌电流,的能力。,（,5,）低功耗。,具有省电功能,(Power Down),及休眠功能,(Idle),的低功耗的工作方式。一般耗电在,1,2.5 mA,；典型功耗，,WDT,关闭时为,100nA,，更适用于,电池供电。,47,有的器件,最低,即可工作。,（,6,）支持程序的,在系统编程,（,ISP,In System Program,）即在线编程，开发门槛较低。只需一条,ISP,并口下载线，就可以把程序写入,AVR,单片机，所以使用,AVR,门槛低、花钱少,。其中,MEGA,系列还支持,在线应用编程,（,IAP,，可在线升级或销毁应用程序,）。,（,7,） 程序保密性好，不可破解的位加密锁,Lock Bit,技术，且具有多重密码保护锁死,(Lock),功能，使得用户编写的应用程序不被读出。,AVR,单片机系列全，,3,个档次,，适于各种不同要求：,（,1,）低档,Tiny,系列,:,Tiny11/12/13/15/26/28,等；,（,2,）中档,AT90S,系列,:,AT90S1200/2313/8515/8535,等；,（,3,）高档,ATmega,系列,:,有,ATmega8/16/32/64/128,（ 存储容量为,8/16/32/64/128 KB,）以及,ATmega8515/8535,等。,1.8.2 PIC,系列单片机,美国,Microchip,公司的产品。特性如下：,（,1,）最大的特点是从实际出发，重视性能价格比，已经开发出多种型号来满足应用需求。,例如，,一个摩托车的点火器需要一个,I/O,较少、,RAM,及程序存储空间不大、可靠性,49,较高的小型单片机，若用,40,脚功能强的单片机，投资大，使用也不方便。,PIC,系列,从低到高有,几十个型号,。其中，,PIC12C508,单片机,仅有,8,个引脚,，是,世界最小的单片机,。有,512,字节,ROM,、,25,字节,RAM,、一个,8,位定时器、一根输入线、,5,根,I/O,线,，价格非常便宜。用在,摩托车点火器,非常适合。,PIC,的高档型，,如,PIC16C74,（尚不是最高档型号）有,40,个引脚，其内部资源为,ROM,共,4K,、,192,字节,RAM,、,8,路,A/D,、,3,个,8,位定时器、,2,个,CCP,模块、,3,个串行口、,1,个并行口、,11,个中断源、,33,个,I/O,脚,。可以和其他品牌的高档型号媲美。,50,（,2,）,精简指令集,使执行效率大为提高。,PIC,系列,8,位单片机采用精简指令集（,RISC,），数据总线和指令总线分离的哈佛总线（,Harvard,）结构，指令单字长，且允许指令代码的位数可多于,8,位的数据位数，这与传统的采用复杂指令结构（,CISC,）结构的,8,位单片机相比，可以达到,2:1,的代码压缩，速度提高,4,倍。,（,3,）,优越的开发环境,。,51,单片机的开发系统大都采用高档型仿真低档型，实时性不理想。,PIC,推出一款新型号单片机的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。,51,（,4,）其引脚具有防瞬态能力,，通过限流电阻可以接至,220V,交流电源，可直接与继电器控制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。,（,5,）保密性好,。,PIC,以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。目前，,PIC,采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。,（,6,）片内集成了看门狗定时器,，可以用来提高程序运行的可靠性。,（,7,）设有休眠和省电工作方式,。可大大降低系统功耗并可采用电池供电。,PIC,单片机分,低档型、中档型,和,高档型,：,（,1,）低档,8,位单片机,PIC12C5XXX,16C5X,系列,。,PIC16C5X,系列,最早在市场上得到发展，价格低，有较完善的开发手段，,因此在国内应用最为广泛,；而,PIC12C5XX,是,世界第一个,8,脚低价位单片机,可用于简单的智能控制等要求体积小的场合，前景广阔。,53,（,2,）中档,8,位单片机,PIC12C6XX/PIC16CXXX,系列。,PIC,中档产品,是,Microchip,公司,近年来重点发展的系列产品，品种最为丰富，其性能比低档产品有所提高，增加了中断功能，指令周期可达到,200ns,，带,A,D,，内部,E2PROM,数据存储器，双时钟工作，比较输出，捕捉输入，,PWM,输出，,I,2,C,和,SPI,接口，异步串行接口（,UART,），模拟电压比较器及,LCD,驱动等等，其封装从,8,脚到,68,脚，可用于高、中、低档的电子产品设计中，价格适中，广泛应用在各类电子产品中。,54,（,3,）高档,8,位单片机,PIC17CXX,系列,。适合高级复杂系统开发的产品，,在中档位单片机的基础上,增加了硬件乘法器，指令周期可达成,160ns,，它是目前世界上,8,位单片机中性价比最高的机种，可用于高、中档产品的开发，如电机控制等。,1.9,各类嵌入式处理器简介,随着集成电路技术及电子技术的飞速发展，,各种体系结构的处理器品种繁多,，且都,嵌入到系统中,实现数据处理、数据传输和控制功能，各类,嵌入式处理器为核心,的嵌入式系统的应用，是,当今电子信息技术应用的,一大热点,。,具有各种不同体系结构的处理器，构成了,嵌入式处理器家族,，是嵌入式系统的核心。全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过,1000,多种，按,体系结构主要分为如下几类,：,嵌入式微控制器（,单片机,）、嵌入式数字信号处理器（简称,DSP,）、,嵌入式微处理器,以及片上系统（,SOC,）等。,56,1.9.1,嵌入式微控制器（单片机）,将用于测控目的的计算机小系统集成到一块芯片中。,一般以某一种微处理器内核为核心,，片内集成,ROM/EPROM,、,RAM,、总线及总线控制逻辑、定时,/,计数器、,WatchDog,、,I/O,、串行口、脉宽调制输出、,A/D,、,D/A,、,Flash,存储器等各种必要的功能部件和外设。,一个系列的单片机具有,多种衍生产品,，每种衍生产品的,处理器内核都是一样,的，不同的是存储器和外设的配置及封装。使单片机与需求相匹配，减少功耗和成本。,单片机最大特点是,单片化，价廉,，,功耗和成本下降、可靠性提高,。,是目前嵌入式系统工业的主流。,57,1.9.2,嵌入式,DSP,处理器,(DSP),DSP,（,Digital Signal Processor),，,非常擅长于高速实现各种数字信号处理运算（如数字滤波、,FFT,、频谱分析,等）,。由于硬件结构和指令的特殊设计，使其能够高速完成各种数字信号处理算法。,1981,年，,TI,公司,研制出,TMS320,系列的,首片,低成本、高性能,DSP,处理器芯片，使,DSP,技术向前跨出意义重大的一步。,上世纪,90,年代，,由于无线通信、各种网络通信、多媒体技术的普及和应用，高清晰度数字电视的研究，极大地刺激了,58,DSP,在工程上的推广应用。,DSP,大量进入,嵌入式领域,。推动,DSP,快速发展的是,嵌入式系统的智能化，,例如,各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，实时语音压解系统、数字图像处理等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是,DSP,的长处所在。,但在一些实时性要求很高的场合,，,单片,DSP,的处理能力还是,不能满足要求,。因此，又研制出了多总线、多流水线和并行处理的包含多个,DSP,处理器的芯片，大大提高了系统的性能。,与单片机相比，,DSP,的,高速运算能力,和,多总线,，,处理的算法的复杂度,和,大的数据处理流量,是,单片机,不可企及的。,DSP,的主要厂商,有美国,TI,、,ADI,、,Motorola,、,Zilog,等公司。,TI,公司,位居榜首,，占全球,DSP,市场,约,60,左右,。,DSP,代表性的产品,是,TI,公司的,TMS320,系列,。,TMS320,系列处理器包括用于控领域的,C2000,系列，移动通信的,C5000,系列，以及应用在通信和数字图像处理的,C6000,系列等。,今天，随着全球信息化和,Internet,网的普及，多媒体技术的广泛应用，尖端技术向民用领域迅速的转移，数字技术大范围进入消费类电子产品，使,DSP,不断更新换代，性能指标不断提高，价格不断下降，已成为,新兴科技：通信、多媒体系统、消费电子、医用电子等飞速发展,的推动力量，,60,力，据国际著名市场调查研究公司,Forward Concepts,发布的一份统计和预测报告显示，目前,世界,DSP,产品市场每年正以,30,的增幅,大幅度增长，是目前最有发展和应用前景的嵌入式处理器之一。,1.9.3,嵌入式微处理器,嵌入式微处理器,(Embedded MicroProcessor Unit,，,EMPU),的,基础是通用计算机中的,CPU,。,与单片机相比，单片机本身（或稍加扩展）就是一个小的计算机系统，可独立运行，具有完整的功能。而嵌入式微处理器仅仅相当于单片机中的,CPU,。,61,在应用设计中，将,嵌入式微处理器,装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能,，可大幅减小系统体积和功耗。为满足嵌入式应用的特殊要求，,嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的,，但在,工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面,一般都做了各种增强。,代表性产品为,ARM,系列,，,ARM,是,Advanced RISC Machines,的缩写，其中,RISC,是精简指令集计算机的缩写。同时,ARM,也是设计,ARM,处理器的美国公司的简称。,ARM,家族,主要有,5,个产品系列：,ARM7,、,ARM9,、,ARM9E,、,ARM10,和,SecurCore,。,62,下面以,ARM7,为说明,嵌入式微处理器基本性能,。,嵌入式处理器的,地址线为,32,条,，能扩展较大的存储器空间，所以,可配置实时,多任务操作系统,(RTOS),。,RTOS,是嵌入式应用软件的基础和开发平台。,常用的,RTOS,为,Linux,（数百,KB,）和,VxWorks,（数,MB,）以及,C-OS,。由于嵌入式实时多任务操作系统具有高度灵活性，可很容易地对它进行定制或作适当开发，即对它进行,“裁减”、“移植”和“编写”,，从而设计出用户所需的应用程序，来满足需要。,63,由于能,运行实时多任务操作系统,，所以能处理复杂的系统管理任务和处理工作。因此，,在移动计算平台、媒体手机、工业控制和商业领域（例如，智能工控设备、,ATM,机等）、电子商务平台、信息家电（机顶盒、数字电视）、军事,等，已成为继单片机、,DSP,之后的电子信息技术应用的,又一大热点,广义上讲，,凡是系统中,嵌入了,“嵌入式处理器”,，如单片机、,DSP,、嵌入式微处理器，,都称为“嵌入式系统”,。,也有仅把,“嵌入”嵌入式微处理器,的系统，称为“嵌入式系统”,。还没有,严格的定义,。目前的“嵌入式系统”，多指后者。,64,1.9.4,嵌入式片上系统,SOC(System On Chip),随着超大规模集成电路设计技术发展，一个硅片上实现一个复杂的系统，即,System On Chip(SOC),，即,片上系统,。,核心思想,是把整个电子系统全部集成在一个芯片中,。避免大量,PCB,板设计及板级的调试工作。,设计者,面对的不再是,电路及芯片,，而是,根据系统的固件特性和功能要求,，把各种通用处理器内核及各种外围功能部件模块作为,SOC,设计公司的标准库，成为,VLSI,设计中的标准器件，,用,VHDL,等语言描述,，存储在器件库中。用户只需定义整个应用系统，仿真通过后就可以,将设计图,交给,半导体器件厂商制作样品。,65,除无法集成的器件外，整个系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，系统电路板简洁，,对减小体积和功耗、提高可靠性非常有利,。,SOC,使系统设计技术发生革命性变化,，标志着一个全新时代到来。,至此，已介绍了嵌入式处理器家族的各成员。由于,单片机,体积小、价格低、很容易嵌入到系统中，应用十分广泛，且易掌握和普及，市场占有率最高。据统计，,8051,体系结构的单片机的用量占全部嵌入式处理器总用量的,50%,以上。因此，,8051,体系结构,的,单片机技术,是首先要掌握的,。,66,谢谢！,