單片機的概念及單片機的種類

第1章 概 述,1.1 單片機的概念及單片機的種類 1.2 單片機的類型、特點及用途 1.3 單片機的發(fā)展趨勢 本章小結(jié) 練習(xí)與思考題,1.1 單片機的概念及單片機的種類1.1.1 單片機及單片機系統(tǒng)單片機是微型計算機發(fā)展的一個分支，是一種專門面向控制的微處理器件，故又稱之為微控制器(Micro Controller Unit，MCU)。單片機通常以單一芯片的形式出現(xiàn)，但是它已具有了微型計算機所包含的基本組成結(jié)構(gòu)和特有的控制應(yīng)用功能，是一種芯片級的微型計算機。另外，由于單片機的體積、結(jié)構(gòu)和功能特點，在實際應(yīng)用中可以完全融入應(yīng)用系統(tǒng)之中，故而也稱為嵌入式微控制器(Embedded Micro-Controller)。,最基本的單片機系統(tǒng)由單片機芯片和軟件程序共同組建而成，是用戶為了實現(xiàn)某種控制用途的需要而設(shè)計的實際裝置。在單片機系統(tǒng)中，單片機芯片內(nèi)部的中央處理單元(CPU)處于核心地位，CPU通過執(zhí)行軟件程序調(diào)動硬件電路完成控制功能。根據(jù)這種工作方式，單片機系統(tǒng)可以劃分為硬件和軟件兩個組成部分。,1. 硬件部分單片機系統(tǒng)的硬件部分是包括CPU在內(nèi)的所有硬件電路，按照硬件電路的功能和配置大致可以分為以下3類,1) 基本功能類基本功能類硬件包括：CPU(用于運算、控制)、RAM(用于數(shù)據(jù)存儲)、ROM(用于程序存儲)、I/O設(shè)備(實現(xiàn)串行、并行輸入/輸出接口)及時鐘電路(建立工作時序)。在微型計算機中，上述部件被分成若干塊芯片，安裝在一塊稱之為主板的印刷線路板上，在程序的指揮下完成計算機的基本運算操作功能。但是在單片機中，除了時鐘電路之外，其余部分一般均被集成到一塊半導(dǎo)體芯片上，所以被稱為單片機，即單芯片微型計算機。,2) 控制功能類控制功能類硬件包括：定時器/計數(shù)器(用于時間設(shè)定/事件記錄)和中斷裝置(實現(xiàn)實時處理)。使用這類硬件是為了實現(xiàn)單片機的控制功能，即定時控制、順序控制和實時控制等基本控制功能。作為面向嵌入式控制的特色，這類部件通常也集成在單片機芯片內(nèi)部。3) 輔助功能類輔助功能類硬件包括：A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換)和D/A(數(shù)/模轉(zhuǎn)換，通常采用PWM形式)等部件。這類部件根據(jù)芯片的配置不同不一定集成在單片機芯片上，需要用戶根據(jù)使用要求選擇。,2. 軟件部分與微型計算機的運行原理相似，單片機系統(tǒng)的運行也需要軟件系統(tǒng)的支持，但是由于處理任務(wù)的不同，其復(fù)雜程度相對較低。根據(jù)單片機軟件所要實現(xiàn)的功能，可以將軟件劃分為管理程序和應(yīng)用程序兩類。1) 管理程序管理程序是單片機系統(tǒng)的監(jiān)控程序，主要用于控制過程復(fù)雜，控制量較大的裝置，例如測控儀器、儀表等。對于僅完成簡單控制任務(wù)的單片機系統(tǒng)一般可以相應(yīng)簡化。,2) 應(yīng)用程序應(yīng)用程序是針對具體的控制動作而編寫的程序，是實現(xiàn)控制具體功能的程序基礎(chǔ)，通常以子程序模塊的形式出現(xiàn)，便于執(zhí)行控制動作時調(diào)用。,1.1.2 單片機程序設(shè)計語言及開發(fā)環(huán)境簡介單片機程序設(shè)計語言主要是指在開發(fā)系統(tǒng)中使用的語言。在單片機開發(fā)系統(tǒng)中可以使用機器語言、匯編語言和高級語言。機器語言采用機器碼，是單片機能夠直接識別的程序語言，匯編語言是以助記符表示機器碼的程序設(shè)計語言。機器語言和匯編語言都是高效的計算機語言，實時性較強，但它們都是面向機器的語言，通用性差，編程效率低。,單片機的開發(fā)過程涉及3項內(nèi)容，即編程、糾錯和仿真。一般采用PC機內(nèi)安裝的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)軟件進行開發(fā)調(diào)試。在集成開發(fā)環(huán)境內(nèi)可以實現(xiàn)文本編程、編譯糾錯和仿真運行。其中仿真的形式又可以分為兩種，即軟件仿真和硬件仿真。軟件仿真不必連接硬件應(yīng)用系統(tǒng)，仿真結(jié)果在開發(fā)環(huán)境中模擬的單片機構(gòu)造中得到體現(xiàn)；硬件仿真需要與用戶控制系統(tǒng)配合，以集成開發(fā)環(huán)境的輸出替代用戶系統(tǒng)中原有的單片機，仿真過程真實、實時性強。另一種較新的開發(fā)形式采用具有ISP(In-System Programming，在系統(tǒng)可編程)功能的單片機，利用下載程序開發(fā)單片機系統(tǒng)。,1.1.3 單片機的使用環(huán)境及產(chǎn)品等級單片機用途廣，使用環(huán)境差別大，如何保證單片機控制系統(tǒng)或裝置的可靠性是設(shè)計者和使用者最為關(guān)注的問題。作為電子產(chǎn)品而言，其可靠性主要取決于半導(dǎo)體芯片的產(chǎn)品等級，根據(jù)運行溫度范圍，產(chǎn)品等級大致劃分為3級，下面分別予以介紹。,1. 軍用級運行溫度范圍為-50+125，適用于軍用品要求苛刻的應(yīng)用環(huán)境，芯片的價格比較昂貴。例如Intel公司的MCS-51系列單片機MD80C51FB。型號以MD表示開頭的，M代表軍品，D代表直插封裝。,2. 商業(yè)級運行溫度范圍為070，主要限于機房、辦公及住宅環(huán)境，適用于民用產(chǎn)品，例如家電、玩具等。商業(yè)級產(chǎn)品價格低廉，品種齊全，應(yīng)用最為廣泛。3. 工業(yè)級早期的單片機產(chǎn)品大多為工業(yè)級，運行溫度范圍為4585，介于商業(yè)級和軍用級之間，適宜在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下使用。其特點是可靠性遠高于商業(yè)級，但價格遠低于軍用級。MCS-51系列單片機的普通產(chǎn)品均屬于工業(yè)級。,1.2 單片機的類型、特點及用途1.2.1 單片機主要類型及其特點1. 常用單片機的類型及特點Intel公司的MCS-51系列及其兼容產(chǎn)品是目前最常用的一種單片機類型，其引進歷史較長，學(xué)習(xí)資料齊全，影響面較廣、應(yīng)用成熟，已被單片機控制裝置的開發(fā)設(shè)計人員廣泛接受。本書將以這種單片機產(chǎn)品為主介紹單片機的結(jié)構(gòu)原理、指令系統(tǒng)、編程應(yīng)用及接口電路等內(nèi)容。MCS-51系列單片機及其兼容產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家很多，以下僅列出具有代表性的3家公司的產(chǎn)品，其產(chǎn)品的型號及特點如表1-1所示。,表1-1 常用MCS-51系列單片機一覽表,2常用單片機的更新及進步隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，高性能的新型單片機開始出現(xiàn)，其中美國Cygnal公司推出的C8051F系列單片機就是在MCS-51系列單片機基礎(chǔ)之上進行更新開發(fā)的一種產(chǎn)品。C8051F實際上是一種以8051為內(nèi)核集成的混合信號系統(tǒng)級芯片。熟悉MCS-51系列單片機的工程技術(shù)人員可以很容易地掌握C8051F的應(yīng)用技術(shù)并能進行軟件的移植。,C8051F系列單片機采用流水線結(jié)構(gòu)，單周期指令運行速度是8051的12倍，全指令集運行速度是原來的9.5倍。C8051F系列單片機的內(nèi)部資源非常豐富，例如C8051F020單片機內(nèi)部除包含8051微控制器內(nèi)核、RAM、ROM、I/O口、定時器/計數(shù)器等MCS-51 系列的配置之外，還具有ADC、DAC、PCA、SPI和SMBus等部件。這種將單片機的基本組成單元與模擬、數(shù)字外設(shè)集成在一個芯片上而組成的片上系統(tǒng)(SoC)，實質(zhì)上已超出了以往單片機(MCU)的含義，代表了高性能單片機發(fā)展的一個方向。,3. 其他類型單片機及特點簡介1) PIC系列單片機PIC系列單片機由美國Microchip公司設(shè)計生產(chǎn)，與MCS-51系列對應(yīng)的產(chǎn)品有PIC16C系列和PIC17C系列8位單片機，廣泛應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品、汽車電子及工業(yè)控制等領(lǐng)域，就產(chǎn)量和市場份額而言在世界單片機領(lǐng)域排名屬于前列。,PIC系列單片機有如下特點：(1) 完全哈佛結(jié)構(gòu)。指令和數(shù)據(jù)空間及傳輸路徑完全分開，提高了數(shù)據(jù)吞吐率。程序和數(shù)據(jù)總線采用不同的寬度。數(shù)據(jù)總線為8位，指令總線根據(jù)單片機檔次不同分為12、14、16位，指令均以單字節(jié)形式表示。(2) 流水線結(jié)構(gòu)。取指令和執(zhí)行指令采用流水線形式，執(zhí)行一條指令時，同時允許取出下一條指令，從而實現(xiàn)了單周期指令。,(3) 寄存器組結(jié)構(gòu)。RAM及寄存器，包括I/O口、定時器和程序計數(shù)器等都以寄存器方式工作和尋址，只需要一個指令周期就可以完成訪問和操作。通常另辟堆棧RAM空間，不占用片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲單元。(4) 精簡指令系統(tǒng)。采用RISC(精簡指令集計算機)結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的采用CISC(復(fù)雜指令集計算機)結(jié)構(gòu)的單片機相比，其指令數(shù)量少，易學(xué)易記。此外，精簡指令系統(tǒng)還具有較高的代碼壓縮能力，有利于提高程序執(zhí)行速度。,(5) 種類齊全。不單純追求功能堆積，從實際出發(fā)，以多種型號滿足不同層次、不同用途的需求。在規(guī)模上既有84腳封裝，多達66根I/O口線的型號，也有8腳封裝，6根I/O口線的型號。功能較全的高檔次單片機產(chǎn)品還配置了A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換)、CCP(捕捉/比較)或采用PWM(脈寬調(diào)制)的D/A轉(zhuǎn)換單元。PIC系列單片機功能全、種類多，便于選擇使用，開發(fā)者可以根據(jù)不同的用途和要求設(shè)計出性價比較高的單片機控制裝置。,2) MSP430單片機MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)公司1996年開始推向市場的一種16位單片機，采用精簡指令集，是一種超低功耗的混合型單片機。MSP430系列單片機的主要特點是，具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段。 MSP430單片機的主要優(yōu)點描述如下：(1) 運算處理能力強。MSP430系列是16位單片機，采用了RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式和簡潔的內(nèi)核指令以及大量的模擬指令，在8 MHz時鐘晶振的驅(qū)動下指令周期僅為125 ns。,(2) 超低功耗設(shè)計。采用1.83.6 V工作電壓，在1 MHz的時鐘條件下運行時，芯片取用電流在200400 A左右。在時鐘關(guān)斷模式運行時，最低維持電流只有0.1 A。具有獨特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計，它有兩個時鐘，用以產(chǎn)生CPU和各功能單元所需的時鐘，可以在指令控制下接通和關(guān)斷時鐘，實現(xiàn)對總體功耗的控制。MSP430系列單片機有5種不同的工作模式。在等待方式下，電流消耗為0.7 A。在節(jié)電方式下，最低可達0.1 A。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒的時間只需6 s。,(3) 豐富的片上外圍模塊。集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)，其中包括看門狗(WDT)、模擬比較器A、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、10/12位ADC、I 2 C總線和直接數(shù)據(jù)存取(DMA)等。(4) 方便高效的開發(fā)環(huán)境。MSP430單片機有OPT、FLASH和ROM 3種類型，目前主要以FLASH型為主。片內(nèi)有JTAG(Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動小組)調(diào)試接口，通過PC機和JTAG調(diào)試器獲取片內(nèi)信息，從而使設(shè)計者在調(diào)試開發(fā)時，無需仿真器和編程器。開發(fā)工具簡便，價格也相對低廉，可以實現(xiàn)在線編程。開發(fā)語言有匯編語言和C語言。,(5) 運行環(huán)境。MSP430系列單片機產(chǎn)品均為工業(yè)級，運行環(huán)境溫度為-40+85，適合工業(yè)環(huán)境下使用。3) 單片機品種及主流單片機概況單片機品種繁多，各具特色。其中Intel公司推出的MCS-51系列單片機及與其兼容的Philips、Atmel、Winbond等公司的產(chǎn)品應(yīng)用非常廣泛。目前單片機入門教材大多以MCS-51系列單片機作為學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，所以被普遍接受，堪稱主流。而Microchip公司的PIC精簡指令集單片機產(chǎn)品也有著強勁的發(fā)展勢頭。就產(chǎn)量而言，在可供二次開發(fā)的單片機產(chǎn)品中PIC單片機居全球之首。,1.2.2 常用單片機的應(yīng)用領(lǐng)域單片機的特點是集成度高、功能強、可靠性高、體積小、功耗低、使用方便及價格低廉。單片機的應(yīng)用幾乎是無處不在，已經(jīng)滲透到我們生活中的各個領(lǐng)域。目前單片機已經(jīng)在工業(yè)控制、儀器儀表、家用電器、辦公自動化、醫(yī)用設(shè)備、信息和通信產(chǎn)品、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用形式體現(xiàn)如下。,1. 在工業(yè)控制中的應(yīng)用工業(yè)自動化控制是最早采用單片機控制的領(lǐng)域之一，在測控系統(tǒng)、過程控制、機電一體化設(shè)備中主要利用單片機實現(xiàn)邏輯控制、數(shù)據(jù)采集、運算處理、數(shù)據(jù)通信等用途。單獨使用單片機可以實現(xiàn)一些小規(guī)模的控制功能，作為底層檢測、控制單元與上位計算機結(jié)合可以組成大規(guī)模工業(yè)自動化控制系統(tǒng)。特別在機電一體化技術(shù)中，單片機的結(jié)構(gòu)特點使其更容易發(fā)揮其集機械、微電子和計算機技術(shù)于一體的優(yōu)勢。,2. 在智能儀器中的應(yīng)用內(nèi)部含有單片機的儀器統(tǒng)稱為智能儀器，也稱為微機化儀器。這類儀器大多采用單片機進行信息處理、控制及通信，與非智能化儀器相比，功能得到了強化，增加了諸如數(shù)據(jù)存儲、故障診斷、聯(lián)網(wǎng)集控等功能。以單片機作為核心組成智能儀表已經(jīng)是自動化儀表發(fā)展的一種趨勢。,3. 在家用電器中的應(yīng)用 單片機功能完善、體積小、價格廉、易于嵌入，非常適用于對家用電器的控制。嵌入單片機的家用電器實現(xiàn)了智能化，是傳統(tǒng)型家用電器的更新?lián)Q代，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于洗衣機、空調(diào)、電視機、視盤機、微波爐、電冰箱、電飯煲以及各種視聽設(shè)備等。,4. 在信息和通信產(chǎn)品中的應(yīng)用信息和通信產(chǎn)品的自動化和智能化程度很高，其中許多功能的完成都離不開單片機的參與。這里最具代表性和應(yīng)用最廣的產(chǎn)品就是移動通信設(shè)備，例如手機內(nèi)的控制芯片就屬于專用型單片機。另外在計算機外部設(shè)備中，如鍵盤、打印機中也離不開單片機。新型單片機普遍具備通信接口，可以方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為計算機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間提供連接服務(wù)創(chuàng)造了條件。,5. 在辦公自動化設(shè)備中的應(yīng)用現(xiàn)代辦公自動化設(shè)備中大多數(shù)嵌入了單片機控制核心。如打印機、復(fù)印機、傳真機、繪圖機、考勤機及電話等。通過單片機控制不但可以完成設(shè)備的基本功能，還可以實現(xiàn)與計算機之間的數(shù)據(jù)通信。 6. 在商業(yè)營銷設(shè)備中的應(yīng)用在商業(yè)營銷系統(tǒng)中單片機已廣泛應(yīng)用于電子秤、收款機、條形碼閱讀器、IC卡刷卡機、出租車計價器以及倉儲安全監(jiān)測系統(tǒng)、商場保安系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、冷凍保險系統(tǒng)等。,7. 在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用單片機在醫(yī)療設(shè)施及醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如在醫(yī)用呼吸機、各種分析儀、醫(yī)療監(jiān)護儀、超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)中都得到了實際應(yīng)用。8. 在汽車電子產(chǎn)品中的應(yīng)用現(xiàn)代汽車的集中顯示系統(tǒng)、動力監(jiān)測控制系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和運行監(jiān)視器等裝置中都離不開單片機。特別是采用現(xiàn)場總線的汽車控制系統(tǒng)中，以單片機擔(dān)當(dāng)核心的節(jié)點通過協(xié)調(diào)、高效的數(shù)據(jù)傳送不僅完成了復(fù)雜的控制功能，而且簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。,1.3 單片機的發(fā)展趨勢目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，將會進一步實現(xiàn)低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等要求。單片機的發(fā)展將主要以滿足在嵌入式應(yīng)用前提下與控制對象的最佳結(jié)合，突顯其智能化控制能力。并在此基礎(chǔ)上尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決方式，即形成了SoC化趨勢。在微電子技術(shù)、IC設(shè)計、EDA工具發(fā)展的推動下，基于SoC的單片機應(yīng)用系統(tǒng)將會得到較快的發(fā)展。,本 章 小 結(jié)本章簡要介紹了關(guān)于單片機及單片機系統(tǒng)的基本概念、結(jié)構(gòu)特點和發(fā)展歷程，并且對單片機的應(yīng)用開發(fā)方式及應(yīng)用環(huán)境進行了簡介。通過對常用單片機系列、型號和各生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品特點的介紹，使我們對單片機的種類及性能有一個初步的了解，便于在今后的應(yīng)用中能夠選擇合適的單片機類型，滿足具體用途的需要。另外，本章還從開拓視野的角度列舉了單片機在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，以及單片機今后的發(fā)展趨勢。,練習(xí)與思考題1作為計算機家族的一員，單片機與其他成員之間有何關(guān)系？單片機具備哪些特色？2組成單片機系統(tǒng)的軟、硬件包括哪些類型？如何進行劃分？3試列舉出常用的單片機的型號、制造廠家及資源配置。4你對單片機的應(yīng)用知道多少？試舉例說明。5單片機作為一種半導(dǎo)體產(chǎn)品，其產(chǎn)品的等級是如何劃分的？,