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1、Tankertanker Design第一章第一章 绪论绪论1.1 什么是单片机1.2 单片机的发展历史及趋势1.3 单片机的特点及应用1.4 MCS-51系列与STC系列单片机1.5 其他常见系列单片机1.6 嵌入式系统定义及组成1.7 常见的各类嵌入式处理器Tankertanker Design1.1 什么是单片机什么是单片机单片机就是在一片半导体硅片上集成了中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入/输出接口及外围设备（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等）的微型计算机。这样一块集成电路芯片具有一台微型计算机的属性，因而被称为单片微型计算
2、机，简称单片机。在个人计算机上，这些部分被分成若干块芯片，安装在一个称之为主板的印刷线路板上。在单片机中，这些部分全部被做到一块集成电路芯片中了，所以被称为单片机。Tankertanker Design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。
3、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、可靠性和成本的最优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。Tankertanker Design1.2 单片机的发展历史及趋势单片机的发展历史及趋势1970年微型计算机研制成功后，随后就出现了单片机。尽管单片机出现的历史并不长，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。但以8位单片机的推出为起点，单片机的发展
4、史大致分为4个阶段。第一阶段（1976年-1978年）：初级单片机阶段。以1976年Intel公司推出的MCS-48为代表。这个系列的单片机内集成有8位CPU、I/O接口、8位定时器/计数器，寻址范围不大于4K字节，简单的中断功能，无串行接口。第二阶段（1978年-1982年）：单片机完善阶段。在这一阶段推出的单片机其功能有较大的加强，能够应用于更多的场合。这个阶段的单片机普遍带有串行I/O口、有多级中断处理系统、16位定时器/计数器，片内集成的RAM、ROM容量加大，寻址范围可达64K字节，一些单片机片内还集成了A/D转换接口。这类单片机的典型代表有Intel公司的MCS-51、Motoro
5、la公司的6801和Zilog公司的Z8等。Tankertanker Design第三阶段（1982年-1992年）：8位单片机巩固发展及16位高级单片机发展阶段。在此阶段，尽管8位单片机的应用已广泛普及，但为了更好满足测控系统的嵌入式应用的要求，单片机集成的外围接口电路有了更大的扩充。这个阶段单片机的代表为8051系列。许多半导体公司和生产厂以MCS-51的8051为内核，推出了满足各种嵌入式应用的多种类型和型号的单片机。典型代表有Intel公司的MCS-96系列的单片机。第四阶段（1993年-现在）：百花齐放阶段。现阶段单片机发展的显著特点是百花齐放、技术创新，以满足日益增长的广泛需求。T
6、ankertanker Design综观四十多年的发展过程，预计其今后的发展趋势主要体现在以下几方面：（1）CPU的改进（2）存储器的发展（3）片内I/O的改进（4）低功耗化（5）外围电路内装化综上所述，单片机正朝着多功能、高性能、高速度、大容量、低功耗、低价格和外围电路内装化的方向发展。Tankertanker Design1.3 单片机的特点及应用单片机的特点及应用单片机之所以能被广泛的应用，主要是因为其具有以下特点：（1）功能较齐全，抗干扰能力很强，使得应用可靠。（2）简单易学使用方便，使得易于普及。单片机技术是一门较易掌握的技术，应用系统设计、组装、调试已是一件容易的事情，工程技术人员
7、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。尤其是形式多样、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，配套的外围功能部件越来越完善，为应用系统向更高层次和更大规模的发展奠定了坚实的基础。（4）嵌入容易，用途广泛。在单片机出现以后，电路的组成和控制方式都发生了很大变化，因为单片机的体积小、性能价格比高、应用灵活性强等特点，使得制作一套测控系统不再需要大量的分立元件，简化线路的复杂性，提高了电路的可靠性，并且测控功能的绝大部分
8、都已经由单片机的软件程序实现，因此在嵌入式微控制系统中单片机具有十分重要的地位。Tankertanker Design1.4 MCS-51系列与系列与STC系列单片机系列单片机1.4.1 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（对应的低功耗型为80C31/80C51/87C51）和增强型8032/8052/8752。它们都是8
9、位单片机，兼容性强、性价比高，且软硬件应用设计资料丰富，已为我国广大技术人员所熟悉和掌握。Tankertanker Design（1）基本型的典型产品：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为用户烧制的，主要用在程序已定制好且批量大的单片机产品中。8751与8
10、051相比，片内集成的4KB EPROM取代了8051的4KB ROM来作为程序存储器。8031外扩一个4KB的EPROM就相当于8751。Tankertanker Design（2）增强型的典型产品：8032/8052/8752。它们是Intel公司在3种基本型产品的基础上推出的52子系列，其内部RAM增到256B，另8052、8752的片内程序存储器扩展到8KB，增强型产品的16位定时器/计数器也均增至3个，中断源增至6个，串行口通信速率提高了5倍。Tankertanker Design表1-1基本型和增强型的MCS-51系列单片机片内的基本硬件资源Tankertanker Design1
11、.4.2 STC系列单片机STC系列单片机是深圳宏晶科技公司研发的基于8051内核的新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统8051。相对于传统的8051内核单片机，STC系列单片机在片内资源、性能以及工作速度上都有很大的改进，有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰强。尤其采用了基于FLASH的在线系统编程（ISP）技术，使得单片机应用系统的开发变得简单了，无需仿真器或专用编程器就可进行单片机应用系统的开发了，同样也方便了单片机的学习。Tankertanker DesignSTC单片机产品系列化、种类多，现有超过百种的单片机产品，能满足不同单片机应用系统的控制需求。按照工作速度与片内资源配置的不同
12、，STC系列单片机有若干个系列产品。如按照工作速度可分为12T/6T和1T系列，其中12T/6T系列产品指一个机器周期可设置12个时钟或6个时钟，包括STC89和STC90两个系列；而1T系列产品是指一个机器周期仅为1个时钟，包括STC11/10系列和STC12/15等系列。STC89、STC90和STC11/10系列属于基本配置，而STC12/15系列产品则相应地增加了PWM、A/D和SPI等接口模块。在每个系列中包含若干个产品，其差异主要是片内资源数量上的差异。Tankertanker Design在应用选型时，应根据控制系统的实际需求，选择合适的单片机，即单片机内部资源要尽可能地满足控制
13、系统要求，而减少外部接口电路，同时，选择片内资源时遵循够用原则，极大地保证单片机应用系统的高性价比和高可靠性。Tankertanker Design1.5 其他常见系列单片机其他常见系列单片机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，他们生产的兼容机与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，被称其为增强型或扩展型子系列单片
14、机。Tankertanker Design1.5.1 ATMEL公司的AT89系列单片机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EEPROM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。Tankertanker Design1.5.2 AVR系列 除了51单
15、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。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(RISCReduced Instruction Set Computer)的高速8位单片机，简称AVR。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
16、期指令。Tankertanker Design1.5.3 PIC系列单片机美国Microchip公司的产品。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。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。Tankertanker Design1.6 嵌入式系统定义及组成嵌入式系统定义及组成1.6.1 嵌入式系统定义IEEE（国际电气和电子工程师协会）对嵌入式系统
17、的定义：“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。原文为：Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation of Equipment，Machinery or Plants）。国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。Tankertanker Design1.6.2 嵌入式系统组成一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，如图1-1所示。Tankertanker Design执行装置由传感器、驱动器和被
18、控对象组成，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如SONY智能机器狗。嵌入式计算机系统才是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用功能层组成。Tankertanker Design嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。例如Palm之所以在PDA领域占有70%以上的市场，就是因为其立足
19、于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理；而风河的VxWorks之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。实际上，嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难以给它下一个准确的定义。现在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热的具有操作系统的嵌入式系统。Tankertanker Design1.7 常见的各类嵌入式处理器常见的各类嵌入式处理器1.7.1 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
20、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。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。Tankertanker Design1.7.2 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。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。D
21、SP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。Tankertanker Design1.7.3 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CP
22、U。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。Tankertanker Design1.7.4 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
23、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。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。Tankertanker Design人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。Tankertanker Design