第一章 嵌入式系统设计和应用@

《嵌入式系统设计与应用》重庆工学院电子与自动化学院教材：《增强型80C51单片机速成与实战》参考书：《单片机应用设计》张毅刚等编，哈尔滨工业大学出版社《单片机原理及应用》万文略主编，重庆大学出版社嵌入式系统设计及应用概述在工业、农业、军事、保安、金融、仪器仪表、航空航天、医疗、通讯、办公设备、娱乐休闲、健身、体育竞赛、服务领域……,大量嵌入式技术已经无处不在。正迅速改变着人们传统的生产和生活方式。请稍微留心一下我们的周围，看看身边到底发生了什么变化？嵌入式技术的应用遍及国民经济与人民生活的各个领域嵌入式系统概念的产生嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3和一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。嵌入式系统已经有了近30年的发展历史，它是硬件和软件交替发展的双螺旋式发展。Intel4004Intel8048Motorola68HC05ZilogZ80Intel8051。。。197119761980’VTRX32PSOSQNX嵌入式Linux1981VxWorksuCOS实时操作系统微处理器。。。＋1990’嵌入式系统的定义嵌入式系统是“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁减、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统”。根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。嵌入式系统的构成嵌入式系统的构成I／O端口外设器件存储器微处理器应用程序操作系统软件硬件部分软件部分目前流行的几种嵌入式系统缩减PC系统高级单片系统单片机系统所谓缩减PC系统，指利用PC体系结构设计的嵌入式系统，例如利用PC104模块构成工业控制装置就是比较典型的设计。这种设计是建立在技术上己非常成熟的PC的体系结构之上的，它的硬件环境往往是一台单板化的PC系统。利用DOS或Windows操作系统为应用软件提供平台。这种设计可以利用PC作为开发工具，可以利用众多的PC环境软、硬件资源，在成熟的操作系统支持下，系统可以达到较高的可靠性和稳定性，这些显然是它的优点。但是这样的设计目前尚难以实现满足小体积、低功耗、低成本等嵌入式系统的常见技术要求。（典型应用：工控设备）所谓高级单片系统，是指那些准备加载Linux操作系统或类Linux操作系统的嵌入式系统。它的硬件构成的核心是一个集成了丰富功能的单一芯片，一般数据宽度往往是32位、它已经包含了几乎全部的系统硬件，使得只需再增加很少几个器件，如存储器芯片，即可构成全部系统。（典型应用：ARM在移动电话上的应用）所谓单片机是将CPU、存储器、I/O接口等集成在一块芯片上，因此称为“Single-ChipMicrocomputer”。单片机主要是针对工业控制以及与控制有关的数据处理而设计的。嵌入式系统的开发单片机应用系统中的程序存储器中必须放入调试好的应用程序，系统才能运行。如果研制人员对单片机的结构、系统的硬件结构、指令系统十分熟悉，能确保所编制的程序不会出错，可以不需要开发装置，只要将所编制的程序固化到程序存储器中就可以了。否则就需要用开发工具。开发工具的主要作用系统硬件电路的诊断与检查程序的输入与修改程序的运行、调试能将程序固化到程序存储器中有较齐全的开发用软件工具有全速跟踪调试，运行的能力软件转储、程序文本打印等功能一般的开发工具完善的开发工具单片机系统高级单片系统缩减PC系统嵌入式系统I／O端口外设器件存储器微处理器应用程序操作系统软件硬件部分软件部分本课程的内容本课程的内容课程的整体框架单片机的硬件结构单片机的软件单片机的接口设计单片机的开发过程理论部分实验部分实例教学第一讲单片机应用系统概述《嵌入式系统设计与应用》《增强型80C51单片机速成与实战》目前流行的几种嵌入式系统缩减PC系统高级单片系统单片机系统所谓单片机是将CPU、存储器、I/O接口等集成在一块芯片上，因此称为“Single-ChipMicrocomputer”。单片机主要是针对工业控制以及与控制有关的数据处理而设计。单片机的优势单片IC（单片机）电子钟13片IC组成的数字钟什么是单片机？单片机SingleChipMicrocomputer单个芯片微机CPUROMRAMI/O接口在一片芯片上集成了CPU、存储器、I/O接口等组成一台完整的微型计算机单片机与计算机之异同（1）组成：CPU(进行运算、控制)RAM(数据存储器)I/O口(串口、并口等)ROM(程序存储器)PC机：上述部件以芯片形式安装在主板上。单片机：上述部件被集成到单芯片中。通用PC包括：键盘、显示器、鼠标、硬/软/光驱、音箱、打印机、扫描仪…等外设。单片机则只是一片集成电路。（……100、48、40、32、28、20、16、8条引脚）。功能：PC机：数据运算、采集、处理、存储、传输；单片机：控制（或受控于）外设。通用计算机擅长于数据运算、采集、处理、存储和传输；单片机的专长则是测控，往往嵌入某个仪器/设备/系统中，使其达到智能化的效果。单片机与计算机之异同（2）单片机与计算机之异同（3）应用特点：个人计算机（微机）：体积大，功耗大，价格高，属通用计算机。易于学习掌握和使用，但用于控制时必须制作或购买专用的接口卡，并编制专门的应用软件。单片机：体积小，功耗小，价格低，用途灵活，无处不在，属专用计算机。是一种特殊器件，需经过专门学习方能掌握应用，应用中要设计专门的硬件和软件。仙童公司F8Intel的MCS-48Intel的MCS-196单片机的发展Zilog的Z80Intel的MCS-51Intel的MCS-96单片机的发展ARM单片机的发展趋势单片机的高性能化存储器大容量化外围电路内装化工艺上的提高单片机的发展速度很快，其发展趋势主要表现在以下四个方面：单片机的特点和应用领域体积小，成本低，易于产品化单片机的结构特点可靠性高，抗干扰能力强易扩展，易构成各种规模的应用系统控制功能强，具有位处理指令容易实现多机和分布式控制测控系统单片机的应用领域智能仪表机电一体化产品智能接口多功能集散系统并行多机控制系统局部网络系统单机应用多机应用基于MCS－51内核的单片机什么是MCS－51系列单片机MCS－51是指由美国INTEL公司生产的一系列高性能8位单片机的总称，也就是我们平常讲的51系列单片机。这一系列单片机包括了许多品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS－51系列单片机。MCS-51系列单片机配置一览表系列片内存储器（字节）定时器计数器并行I/O串行I/O中断源片内ROM片内RAM无有ROM有EPROMIntelMCS-51子系列803180C31805180C51(4K字节)875187C51(4K字节)128字节2x164x8位15IntelMCS-52子系列803280C32805280C52(8K字节)875287C52(8K字节)256字节3x164x8位16ATEML89C系列(常用型)1051(1K)/2051(2K)/4051(4K)（20条引脚DIP封装）1282151589C51(4K)/89C52(8K)（40条引脚DIP封装）128/2562/33215/6MCS-51系列单片机的分类功能常用型号基本型8031、8051、80C31、80C51增大存储器型8032、8052、80C32、80C52低功耗型80C31BH、80C51BH、87C51高级语言型8052AH-BASICPCA型83C51FA、80C51FA、83C51FBA/D型83C51GA、80C51GA、87C51GADMA型83C152JA、80C152JA、80C152JB多并行口型83C451、80C451按功能分类存储器配置常用型号片内ROM型8051AH、8052AH、80C51BH、83C51FA、83C51GA片内EPROM型8751BH、8752BH、80C51BH、87C51FA、87C51GA外接EPROM型8031BH、8732BH、80C51FA、87C51FA、80C51GA按存储器配置分类MCS-51系列单片机的分类