PDF《第1章单片机概述》

第1章单片机概述 自从

20 世纪

70 年代推出单片机以来,作为微型计算机的一个分支,单片机经过

30 多 年的发展,已经在各行各业得到了广泛的应用.

由于单片机具有可靠性高、体积小、干扰 能力强、能在恶劣的环境下工作等特点,且有较高的性价比,因此广泛应用于工业控制、 仪器仪表智能化、机电一体化、家用电器等领域.本章主要介绍单片机的基本概念、发展 过程、应用特点和概况. 1.1 单片机的基本概念与发展概况 1.1.1 基本概念 计算机是应数值计算要求而诞生的.长期以来,电子计算机技术都是沿着满足海量高 速数值计算要求的道路发展的.直到

20 世纪

70 年代,电子计算机在数字逻辑运算、推理、 实际控制方面显露出非凡能力后,在工业控制领域才开始对计算机技术发展提出了与传统 海量高速数值计算完全不同的要求,这些要求如下. (1) 面对控制对象.面对物理量传感变换的信号输入,面对人机交互的操作控制,面 对对象的伺服驱动控制. (2) 嵌入到工业控制应用系统中的结构形态. (3) 能在工业现场环境中可靠运行的可靠性品质. (4) 突出控制功能.对外部信息及时捕捉;

对控制对象能灵活地实时控制;

有突出控 制功能的指令系统,如I/O 接口控制、位操作,丰富的转移指令等. 通常将满足海量高速数值计算的计算机称为通用计算机系统;

而将面对工业控制领域 对象,嵌入到工业控制应用系统中,实现嵌入式应用的计算机称为嵌入式计算机系统,简 称嵌入式系统(Embedded System). 与通用计算机系统相比,嵌入式系统最显著的特点是面对工业控制领域的测控对象. 工业控制领域测量对象都是一些物理参量,如力、热、速度、加速度、位移等;

控制对象 都是一些机械参量,这些参量要求嵌入式计算机系统采集、处理、控制的速度是有限的, 而控制方式与控制能力的要求是无限的. 在涉及 DSP(Digital Singal Processor)领域的嵌入式 系统也要求高速处理能力,在涉及多媒体技术的外设管理的通用计算机系统也要求良好的 控制能力,但两者的本质差别是显而易见的,这从典型嵌入式系统――单片微机的

8 位 机现象 中得到了证实.从1976 年8位单片微机诞生以来,在单片微机领域中一直是以

8 位机为主流机型的,预计这种情况还将继续下去.而与之相对应的通用计算机的 CPU 却迅 速地从

8 位过渡到

16 位、32 位,并向

64 位迈进. 嵌入式系统的出现,特别是单片微机的出现,是计算机技术发展史上的一个里程碑. 嵌入式计算机系统与通用计算机系统形成了计算机技术发展的两大分支,通用计算机系统 全力实现海量高速数据处理,兼顾控制功能;

嵌入式系统全力满足测控对象的测控功能, 单片机原理与应用及 C51 程序设计 ・2・ ・2・ 兼顾数据处理能力. 单片机是将 CPU、存储器(RAM 和ROM)、定时/计数器以及 I/O 接口等主要部件集成 在一块芯片上的微型计算机.单片机是单片微机(Single Chip Microcomputer)的简称,但准 确反映单片机本质的名称应是微控制器 MCU(Micro Controller Unit).目前国外已普遍称之 为微控制器.鉴于它完全作嵌入式应用,故又称为嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller). 单片微机从体系结构到指令系统都是按照嵌入式应用特点专门设计的,它能最好地满 足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行以及非凡的控制品质等要求. 目前,单片微机中尚没有固化软件,不具备自开发能力,因此,常需要有专门的开发 工具. 1.1.2 发展概况 1.第一代:单片机探索阶段(1974―1978 年) 工业控制领域对计算机提出了嵌入式应用要求,首先是实现单芯片形态的计算机,以 满足构成大量中小型智能化测控系统的要求.因此,这阶段的任务是探索计算机的单芯片 集成.单片机(Single Chip Microcomputer)的定名即缘于此. 在计算机单芯片的集成体系结构的探索中有两种模式,即通用 CPU 模式和专用 CPU 模式. (1) 通用 CPU 模式.它采用通用 CPU 和通用外围单元电路的集成方式.这种模式以 Motorola 的MC6801 为代表,它将通用 CPU、增强型的

6800 和6875(时钟)、6810 (128B RAM)、 2X6830 (1 KB ROM)、 1/2 6821(并行 I/O)、 1/3 6840(定时器/计数器)、 6850(串行 I/O) 集成在一个芯片上构成,使用

6800 CPU 的指令系统. (2) 专用 CPU 模式.它采用专门为嵌入式系统要求设计的 CPU 与外围电路集成的方 式.这种专用方式以 Intel 公司的 MCS-48 为代表,其CPU、存储器、定时器/计数器、中 断系统、I/O 接口、时钟以及指令系统都是按嵌入式系统要求专门设计的. 2.第二代:单片机完善阶段(1978―1983 年) 计算机的单芯片集成探索, 特别是专用 CPU 型单片机探索取得成功, 肯定了单片微机 作为嵌入式系统应用的巨大前景. 典型代表是 Intel 公司将 MCS-48 迅速向 MCS-51 系列的 过渡.MCS-51 是完全按照嵌入式应用而设计的单片微机,在以下几个重要技术方面完善 了单片微机的体系结构. (1) 面向对象、突出控制功能、满足嵌入式应用的专用 CPU 及CPU 外围电路体系 结构. (2) 寻址范围规范为

16 位和

8 位的寻址空间. (3) 规范的总线结构.有8位数据总线、16 位地址总线以及多功能的异步串行接口 UART(移位寄存器方式、串行通信方式以及多机通信方式). (4) 特殊功能寄存器(SFR)的集中管理模式. (5) 设置位地址空间,提供位寻址及位操作功能. (6) 指令系统突出控制功能,有位操作指令、I/O 管理指令及大量的转移指令. 以MCS-51 系列

8 位单片机为代表, 其片内配置有: CPU 有8位;

ROM 有4KB 或8KB;

第1章单片机概述 ・3・ ・3・ RAM 有128B 或256B;

有串/并行接口;

有2个或

3 个16 位的定时/计时器;

中断源有 5~

7 个.在片外:寻址范围有 64KB;

芯片引脚有

40 个. 3.第三代:微控制器形成阶段 作为面对测控对象的计算机系统,不仅要求有完善的计算机体系结构,还要有许多面 对测控对象的接口电路,如ADC、DAC、高速 I/O 接口、计数器的捕捉与比较,保证程序 可靠运行的 WDT(程序监视定时器),保证高速数据传输的 DMA 等.这些为满足测控要求 的外围电路,大多数已超出了一般计算机的体系结构.为了满足测控系统的嵌入式应用要 求,这一阶段单片微机的主要技术发展方向是满足测控对象要求的外围电路的增强,从而 形成了不同于单片微机特点的微控制器.微控制器 MCU (Micro Controller Unit)一词缘于这 一阶段,至今 MCU 仍是国际上对单片机的标准称呼. 这阶段微控制器技术发展的主要方面有以下几个: (1) 外围功能集成.满足模拟量输入的 ADC,满足伺服驱动的 PWM,满足高速 I/O 控 制的高速 I/O 接口以及保证程序可靠运行的程序监视定时器(WDT). (2) 出现了为满足串行外围扩展要求的串行扩展总线及接口,如SPI、I2 C BUS、 Microwire、1-Wire 等. (3) 出现了为满足分布式系统、突出控制功能的现场总线接口,如CAN BUS 等. (4) 在程序存储器方面则迅速引进了 OTP 供应状态,为单片机单片应用创造了良好的 条件,随后 Flash ROM 的推广,为最终取消外部程序存储器扩展奠定了良好的基础. 4.第四代:微控制器百花齐放 第四代单片微机的百花齐放将单片微机用户带入了一个可广泛选择的时代. (1) 电气商、半导体商的普遍投入. (2) 满足各种类型要求的单片机种类繁多. (3) 大力发展专用型单片机. (4) 致力于提高单片微机综合品质. 5.单片机技术发展方向 1) 主流机型发展趋势 在未来较长一段时期内,8 位单片机仍是主流机型;

在满足高速数字处理方面,32 位 单片机会发挥重要作用(比如 ARM7 处理器系列),16 位单片机空间有可能被

8 位单片机、

32 位单片机挤占. 2) 全盘 CMOS 化趋势 从第三代单片微机起开始淘汰非 CMOS 工艺.单片微机 CMOS 化给单片微机技术发 展带来广阔天地,最显著的变革是本质低功耗和低功耗管理技术的飞速发展. 3) RISC 体系结构的大发展 早期单片微机大多是 CISC 结构体系,指令复杂,指令代码、周期数不统一,指令运 行很难实现流水线操作,大大阻碍了运行速度的提高.如果采用 RISC 体系结构,精简指 令后,绝大部分成为单周期指令,而且通过增加程序存储器的宽度(例如从

8 位增加到

10 位、12 位、14 位等),实现了一个地址单元存放一条指令的可能.在这样的体系结构中, 很容易实现并行流水线操作,其结果大大提高了指令运行速度.目前,在一些 RISC 结构 的单片微机已实现了一个时钟周期执行一条指令. 单片机原理与应用及 C51 程序设计 ・4・ ・4・ 4) 大力发展专用型单片微机 专用单片微机是专门针对某一类产品系统要求而设计的.使用专用单片机可最大限度 地简化系统结构,资源利用效率最高,在大批量使用时有可观的经济效益和可靠性效益. 5) OTP ROM、Flash ROM 成为主流供应状态 早期程序存储器的供应状态主要是

3 种形式:ROM(掩膜)、EPROM 和ROMLess.掩膜ROM 周期长、投资大,无法更改;

EPROM 型的芯片成本高;

ROMLess 型的系统电路 结构复杂.目前绝大多数单片微机系列都可提供 OTP ROM 形式,其价格逐渐逼近掩膜 ROM.OTP ROM 可由用户编程,软件升级、修改十分方便.Flash ROM 则由于可多次编 程,系统开发阶段使用十分方便,在小批量应用系统中广泛使用. 6) ISP 及基于 ISP 的开发环境 Flash ROM 的发展推动在系统可编程 ISP (In System Programmable)技术的发展. 在ISP 技术基础上,首先实现了目标程序的串行下载,促使模拟仿真开发方式的重新兴起;

在单 时钟、 单指令运行的 RISC 结构单片机中, 可实现 PC 通过串行电缆对目标系统的仿真调试. 7) 单片微机中的软件嵌入 随着单片微机程序空间的扩大,会有许多空余空间,在这些空间上可嵌入一些工具软 件,这些软件可大大提高产品开发效率,提高单片微机性能.单片微机中嵌入软件的类型 主要有以下一些: (1) 实时多任务操作系统 RTOS (Real Time Operating System).在RTOS 支持下,可实 现按任务分配的规范化应用程序设计. (2) 平台软件.可将通用子程序及函数库嵌入,以供应用程序调用. (3) 虚拟外设软件包. (4) 其他用于系统诊断、管理的软件等. 8) 实现全面功耗管理 采用 CMOS 工艺后,单片微机具有极佳的本质低功耗和功耗管理功能.它包括以下一 些功能. (1) 传统的 CMOS 单片微机低功耗运行方式,即休闲方式(Idle)、掉电方式(Power Down). (2) 双时钟技术.配置有高速(主时钟)和低速(子时钟)两个时钟系统.在不需要高速运 行时,转入子时钟控制下,以节省功耗. (3) 高速时钟下的分频或低速时钟下的倍频控制运行技术. (4) 外围电路的电源管理. (5) 低电压节能技术. 低功耗是便携式系统追求的重要目标,是绿色电子的发展方向.低功耗的技术措施会 带来许多可靠性效益,也是低功耗技术发展的推动力.因此,低功耗应是一切电子系统追 求........