【单片机原理及应用】第一篇——单片机概述
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目錄
內(nèi)容概要
1.1單片機(jī)簡介
1.2單片機(jī)的發(fā)展歷史
1.3單片機(jī)的特點
1.4單片機(jī)的應(yīng)用
1．工業(yè)檢測與控制
2．儀器儀表
3．消費類電子產(chǎn)品
4．通訊
5．武器裝備
6.各種終端及計算機(jī)外部設(shè)備
7．汽車電子設(shè)備
8．分布式多機(jī)系統(tǒng)
1.5單片機(jī)的發(fā)展趨勢
1.CPU的改進(jìn)
2．存儲器的發(fā)展
3．片內(nèi)1/0的改進(jìn)
4. 低功耗
5．外圍電路內(nèi)裝化
6．編程及仿真的簡單化
7．實時操作系統(tǒng)的使用
內(nèi)容概要
本章介紹單片機(jī)基礎(chǔ)知識。 Intel 公司的8051單片機(jī)被世界許多廠商作為基核，先后推出多種兼容機(jī)型，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，已成為國內(nèi)外公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。
在眾多的兼容機(jī)型中，美國 ATMEL 公司的AT89S5x系列中的增強(qiáng)型AT89S52單片機(jī)非常適合作為單片機(jī)初學(xué)者的入門機(jī)型。
本章除了對AT89S51/52單片機(jī)作以簡單介紹外，還對嵌入式處理器家族中的 DSP 、嵌入式微處理器進(jìn)行概括性介紹，使讀者初步了解，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。
20世紀(jì)70年代問世，廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動化、自動檢測與控制、智能儀器儀表、機(jī)電一體化設(shè)備、汽車電子、家用電器等各個方面。什么是單片機(jī)？
1.1單片機(jī)簡介
一片半導(dǎo)體硅片集成：中央處理單元（ CPU )、存儲器（ RAM 、 RON )、并行1/0、串行1/0、定時器／計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘電路及系統(tǒng)總線。用于測控領(lǐng)域的單片微型計算機(jī)，簡稱單片機(jī)。
單片機(jī)使用時，通常是處于測控系統(tǒng)的核心地位并嵌入其中，所以國際上通常把單片機(jī)稱為嵌入式控制器（ EMCU , Embedded??MicroControl ler Unit )，或微控制器 Unit )。
我國習(xí)慣于使用“單片機(jī)”這一名稱。
單片機(jī)的問世是計算機(jī)技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑，標(biāo)志著計算機(jī)正式形成了通用計算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)兩大分支。
單片機(jī)體積小、成本低，嵌入到工業(yè)控制單元、機(jī)器人、智能儀器儀表、汽車電子系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、家用電器、辦公自動化設(shè)備、金融電子系統(tǒng)、玩具、個人信息終端及通訊產(chǎn)品中。
按照其用途可分為通用型和專用型兩大類。
(1）通用型單片機(jī)就是其內(nèi)部可開發(fā)的資源（如存儲器、1/0等各種外圍功能部件等）可以全部提供給用戶。
用戶根據(jù)需要，設(shè)計一個以通用單片機(jī)芯片為核心，再配以外圍接口電路及其它外圍設(shè)備，并編寫相應(yīng)的軟件來滿足各種不同需要的測控系統(tǒng)。通常所說的的是指通用型單片機(jī)。
(2）專用型單片機(jī)是專門針對某些產(chǎn)品的特定用途而制作的單片機(jī)。
例如，各種家用電器中的控制器等。由于用于特定用途，單片機(jī)芯片制造商常與產(chǎn)品廠家合作，設(shè)計和生產(chǎn)“專用”的單片機(jī)芯片。
由于在設(shè)計中，已經(jīng)對“專用”單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡化、可靠性和成本的最佳化等方面都做了全面的綜合考慮，所以“專用”單片機(jī)具有十分明顯的綜合優(yōu)勢。
無論“專用”單片機(jī)在用途上有多么“專”，其基本結(jié)構(gòu)和工作原理都是以通用單片機(jī)為基礎(chǔ)的。
1.2單片機(jī)的發(fā)展歷史
單片機(jī)按其處理的二進(jìn)制位數(shù)主要分為：4位單片機(jī)、8位單片機(jī)、16位單片機(jī)和32位單片機(jī)。
發(fā)展大致分為4個階段。
- 第一階段（1974年～1976年）：單片機(jī)初級階段。因工藝限制，單片機(jī)采用雙片的形式而且功能比較簡單。1974年12月，仙童公司推出了8位F8單片機(jī)，實際上只包括了8位 CPU 、64B RAM 和2個并行口。
- 第二階段（1976年1978年）：低性能單片機(jī)階段。1976年 Intel 的 MCS -48單片機(jī)（8位）極大地促進(jìn)了單片機(jī)的變革和發(fā)展，1977年 GI 公司推出了PIC1650，但這個階段仍處于低性能階段。
- 第三階段（1978年～1983年）：高性能單片機(jī)階段。1978年， Zilog 公司推出Z8單片機(jī)，1980年， Intel 公司在 MCS -48系列基礎(chǔ)上推出 MCS -51系列， Mortorola 推出6801單片機(jī)。使單片機(jī)的性能及應(yīng)用躍上新的臺階。
此后，各公司的8位單片機(jī)迅速發(fā)展。推出的單片機(jī)普遍帶有串行1/0口、多級中斷系統(tǒng)、16位定時器／計數(shù)器，片內(nèi) ROM 、 RAM 容量加大，且尋址范圍可達(dá)64KB，有的片內(nèi)還帶有 A / D 轉(zhuǎn)換器。由于這類單片機(jī)的性能價格比高，所以被廣泛應(yīng)用，是目前應(yīng)用數(shù)量最多的單片機(jī)。 - 第四階段（1983年～現(xiàn)在）:8位單片機(jī)鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)、32位單片機(jī)推出階段。20世紀(jì)90年代單片機(jī)制造業(yè)大發(fā)展時期， Mortorola 、Inte1、 ATMEL 、德州儀器（ T I)、三菱、日立、飛利浦、 LG 等公司開發(fā)一大批性能優(yōu)越的單片機(jī)，極大推動單片機(jī)的應(yīng)用。近年，又有不少新型的高集成度的單片機(jī)產(chǎn)品涌現(xiàn)出來，出現(xiàn)了產(chǎn)品豐富多彩的局面。
目前，除8位單片機(jī)得到廣泛應(yīng)用外，16位單片機(jī)、32位單片機(jī)也得到廣大用戶青睞。
1.3單片機(jī)的特點
是集成電路技術(shù)與微型計算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物。體積小、價格低、應(yīng)用方便、穩(wěn)定可靠，因此，給工業(yè)自動化等領(lǐng)域帶來了一場重大革命和技術(shù)進(jìn)步。
由于體積小，很容易地嵌入到系統(tǒng)之中，以實現(xiàn)各種方式的檢測、計算或控制，這一點，一般微機(jī)根本做不到。
由于單片機(jī)本身就是一個微型計算機(jī)，因此只要在單片機(jī)的外部適當(dāng)増加一些必要的外圍擴(kuò)展電路，就可以靈活地構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng)，如工業(yè)自動檢測監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、智能儀器儀表等。
為什么應(yīng)用廣泛？具有以下優(yōu)點：
(1）簡單方便，易掌握和普及。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、組裝、調(diào)試已經(jīng)是一件容易的事情，廣大工程技術(shù)人員通過學(xué)習(xí)可很快地掌握其應(yīng)用設(shè)計與調(diào)試技術(shù)。
(2）功能齊全，應(yīng)用可靠，抗干擾能力強(qiáng)。
(3）發(fā)展迅速，前景廣闊。短短幾十年，單片機(jī)經(jīng)過4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)等幾大發(fā)展階段。尤其是集成度高、功能日臻完善的單片機(jī)不斷問世，使單片機(jī)在工業(yè)控制及工業(yè)自動化領(lǐng)域獲得長足發(fā)展和大量應(yīng)用。目前，單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)愈加完美，片內(nèi)外圍功能部件越來越完善，向更高層次和更大規(guī)模的發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。
(4）嵌入容易，用途廣泛，體積小、性能價格比高，應(yīng)用靈活性強(qiáng)等特點在嵌入式微控制系統(tǒng)中具有十分重要的地位。
單片機(jī)出現(xiàn)前，制作一套測控系統(tǒng)，大量的模擬電路、數(shù)字電路、分立元件完成，以實現(xiàn)計算、判斷和控制功能。系統(tǒng)的體積龐大，線路復(fù)雜，連接點多，易出現(xiàn)故障。
單片機(jī)出現(xiàn)后，測控功能的絕大部分由單片機(jī)的軟件程序?qū)崿F(xiàn)，其它電子線路則由片內(nèi)的外圍功能部件來替代。
1.4單片機(jī)的應(yīng)用
軟硬件結(jié)合、體積小，容易嵌入到各種應(yīng)用系統(tǒng)中。得到廣泛應(yīng)用。
1．工業(yè)檢測與控制
主要應(yīng)用：工業(yè)過程控制、智能控制、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集和傳輸、測試、測量、監(jiān)控等。在工業(yè)自動化的領(lǐng)域中，機(jī)電一體化技術(shù)將發(fā)揮愈來愈重要的作用，在這種集機(jī)械、微電子和計算機(jī)技術(shù)為一體的綜合技術(shù)（如機(jī)器人技術(shù)）中，單片機(jī)發(fā)揮著非常重要的作用。
2．儀器儀表
目前對儀器儀表的自動化和智能化要求越來越高。單片機(jī)的使用有助于提高儀器儀表的精度和準(zhǔn)確度，簡化結(jié)構(gòu)，減小體積而易于攜帶和使用，加速儀器儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化方向發(fā)展。
3．消費類電子產(chǎn)品
例如，洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、電風(fēng)扇、電視機(jī)、微波爐、加濕機(jī)、消毒柜等。嵌入了單片機(jī)后，功能和性能大大提高，并實現(xiàn)智能化、最優(yōu)化控制。
4．通訊
在調(diào)制解調(diào)器、各類手機(jī)、傳真機(jī)、程控電話交換機(jī)、信息網(wǎng)絡(luò)及各種通訊設(shè)備中，單片機(jī)也已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。
5．武器裝備
在現(xiàn)代化的武器裝備中，如飛機(jī)、軍艦、坦克、導(dǎo)彈、魚雷制導(dǎo)、智能武器裝備、航天飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，都有單片機(jī)嵌入其中。
6.各種終端及計算機(jī)外部設(shè)備
計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端如銀行終端）以及計算機(jī)外部設(shè)備（如打印機(jī)、硬盤驅(qū)動器、繪圖機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等）中都使用了單片機(jī)作為控制器。
7．汽車電子設(shè)備
已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種汽車電子設(shè)備中，如汽車安全系統(tǒng)、汽車信息系統(tǒng)、智能自動駕駛系統(tǒng)、衛(wèi)星汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車緊急請求服務(wù)系統(tǒng)、汽車防撞監(jiān)控系統(tǒng)、汽車自動診斷系統(tǒng)以及汽車黑匣子等。
8．分布式多機(jī)系統(tǒng)
在較復(fù)雜多節(jié)點的測控系統(tǒng)中，常采用分布式多機(jī)系統(tǒng)。
一般由若干臺功能各異的單片機(jī)組成，各自完成特定的任務(wù)，它們通過串行通信相互聯(lián)系、協(xié)調(diào)工作。在這種系統(tǒng)中，單片機(jī)往往作為一個終端機(jī)，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點上，對現(xiàn)場信息進(jìn)行實時的測量和控制。
從工業(yè)自動化、自動控制、智能儀器儀表、消費類電子產(chǎn)品等方面，直到國防尖端技術(shù)領(lǐng)域，單片機(jī)都發(fā)揮著十分重要的作用。
1.5單片機(jī)的發(fā)展趨勢
單片機(jī)的發(fā)展趨勢將是向大容量、高性能化，外圍電路內(nèi)裝化等方面發(fā)展。
1.CPU的改進(jìn)
(1)増加 CPU 數(shù)據(jù)總線寬度。例如，各種16位單片機(jī)和32位單片機(jī)，數(shù)據(jù)處理能力要優(yōu)于8位單片機(jī)。
(2）采用雙 CPU 結(jié)構(gòu)，以提高數(shù)據(jù)處理能力。
2．存儲器的發(fā)展
(1）片內(nèi)程序存儲器普遍采用閃爍（ Flash ）存儲器。可不用外擴(kuò)展程序存儲器，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
(2）加大存儲容量。目前有的單片機(jī)片內(nèi)程序存儲器容量可達(dá)128KB甚至更多。例如8位單片機(jī)PIC18F452片內(nèi)集成了4KB的 RAM ，以滿足動態(tài)數(shù)據(jù)存儲的需要。
3．片內(nèi)1/0的改進(jìn)
(1)増加并行口驅(qū)動能力，以減少外部驅(qū)動芯片。有的單片機(jī)可以直接輸出大電流和高電壓，以便能直接驅(qū)動 LED 和 VFD （熒光顯示器）。(2）有些單片機(jī)設(shè)置了一些特殊的串行1/0功能，為構(gòu)成分布式、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)提供方便條件。
(3）引入了數(shù)字交叉開關(guān)，改變了以往片內(nèi)外設(shè)與外部 I / O 引腳的固定對應(yīng)關(guān)系。
4. 低功耗
CMOS化，功耗小，配置有等待狀態(tài)、睡眠狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)等工作方式。消耗電流僅在口 A 或 nA 量級，適于電池供電的便攜式、手持式的儀器儀表以及其它消費類電子產(chǎn)品。
5．外圍電路內(nèi)裝化
眾多外圍電路全部裝入片內(nèi)，即系統(tǒng)的單片化是目前發(fā)展趨勢之一。一片芯片就是一個“測控”系統(tǒng)。
6．編程及仿真的簡單化
目前大多數(shù)的單片機(jī)都支持程序在系統(tǒng)編程 ISP ( In System Program ),也稱在線編程，只需一條與 PC 機(jī) USB 口（或串行口）相連的 ISP下載線，就可把仿真調(diào)試通過的程序代碼從 PC 機(jī)在線寫入單片機(jī)的 Flash 存儲器內(nèi)，省去編程器與仿真器。某些機(jī)型還支持在線應(yīng)用編租 AP ，即可在線升級或銷毀單片機(jī)的應(yīng)用程序。
7．實時操作系統(tǒng)的使用
單片機(jī)可配置實時操作系統(tǒng)RTX51，簡化了對實時事件反應(yīng)速度要求較高的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計、編程和調(diào)試，已完全集成到C51編譯器中，使用簡單方便。
綜上所述，單片機(jī)正在向多功能、高性能、高速度（時鐘達(dá)40MHz)、低電壓（2.7V即可工作）、低功耗、低價格（幾元錢）、外圍電路內(nèi)裝化以及片內(nèi)程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器容量不斷増大的方向發(fā)展。
今天就分享到這里，每周學(xué)習(xí)單片機(jī)，天天進(jìn)步。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的【单片机原理及应用】第一篇——单片机概述的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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