第0章 单片机原理与应用-绪论-2014概要

单片机原理与应用电子科学系迟正刚E-mail：[e-mail]15875239961(639961)20140221课程介绍单片机的定义单片机的优点单片机课程的主要内容单片机课程的目标单片机课程的重点与要求单片机课程的教学方法单片机课程的教材及参考书一、单片机的定义单片机全称是单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer,SCM），又称微控制器MCU（MicroControllerUnit）。区别：微处理器Microprocessor=微型CPU所谓单片机，是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EEPROM、定时/计数器、中断控制器以及串行口，并行I/O接口等部件，构成的一个完整的微型计算机系统。实质是比微型计算机还微型的计算机系统。二、单片机的优点集成度高不太复杂的应用场合，一片单片机就可以搞定。模块化结构使用方便，升级扩展容易。可靠性高总线在片内，不易受到干扰。体积小，易于屏蔽。功能强具有字处理器和位处理器。容易产品化嵌入式系统，智能仪器。三、单片机课程的主要内容主要内容分为以下4个模块单片机基本结构与基本原理•MCS-51单片机的硬件结构；•MCS-51单片机的指令系统；•MCS-51单片机程序设计基础（以汇编语言为主，兼顾C51）MCS-51单片机的内部硬件资源及应用•并行口；中断系统；定时/计数器；串行口MCS-51单片机的总线与系统扩展•存储器、I/O、总线MCS-51单片机的应用接口技术•A/D、D/A、人机接口四、单片机课程的目标目标通过课堂理论学习、课堂研讨、课程实验以及课程设计活动，使学生系统地掌握单片机的硬件结构、指令系统和各种接口设计，提高学生的软硬件设计能力，使学生能够根据应用需求设计出符合实际要求的单片机应用系统。本课程也为学生将来进一步学习DSP、嵌入式微处理器打下良好的基础，从而培养和提高学生的创新能力。核心目标设计能力与创新能力的培养与提高不要把单纯的制造（复制）能力当成设计能力，山寨也是一种能力，但是，精英是山寨不出来的。课程重点单片机硬件系统及基本使用嵌入式系统的基本设计方法具体步骤熟悉硬件硬件资源的合理使用结构化模块化的系统设计方法成本约束下的系统优化设计课程内容围绕单片机硬件资源逐步展开，从模块设计，到系统合成。软件编程技术不是本课程训练的重点，但是要会用。编程语言以汇编为主，兼顾C51。五、单片机课程的重点与要求六、单片机课程的教学方法本课程以研讨教学法为主展开课程学习，教学项目学时成绩课堂讲授36学时研讨(8次)12学时20%（包括研讨报告）实验(8个)16学时20%（包括实验报告）期末考试60%课程设计单独开设研讨教学法的特点特点：合作学习：课堂研讨以小组为单位自主学习：课下，学生做，教师辅导；课上，学生讲，教师点评。考核：以小组考核为主，兼顾个人表现。分组：3~4人一组。每班16组。研讨、实验、设计同一组。研讨教学法的实施研讨方法：下达任务。提前一周下达课题，以小组为单位进行准备。课前辅导。在单片机实验室，进行交流辅导。课堂讨论。小组成员介绍课题任务完成情况，解答疑问。提交报告。研讨课后，每组提交1份该课题的研究报告。研讨要求：独立完成：每次课堂研讨时，各组都要完成至少1个研讨课题。所有任务都要求独立完成。不允许出现copy报告（成绩计0分）。积极参与：每组至少有2次机会在课堂上介绍自己的研讨课题。研讨题目：研讨题目以教材内容（包括习题、例题）为基础，并做必要拓展。单片机课程实验资源介绍目前电子系与单片机有关的实验室有两个。PROTUES仿真实验室有40个节点，并可以通过校园网登陆服务器远程使用。单片机实验室有16套实验设备，（实验箱+仿真器+PC机）。要求同学们自己装备的实验软件与设备。每人一台PC机，安装星研仿真器的虚拟仿真软件和PROTUES仿真软件（7.2版本）。每组制作一个51单片机学习板。结合课程设计任务，材料及基本工具由实验室统一提供，制作在实验室完成。单片机实验课基本原则每个实验都包括基本实验内容和拓展实验内容。实验采用按小组考核方式。考核内容包括实验完成情况和实验结果分析即实验报告。基本实验内容必须完成。可补做实验。不允许出现copy报告（成绩计0分）。实验成绩占总成绩的20%。实验分班进行，共8个实验，每次做2个，即每班共有4次实验课（一般安排下午）。七、单片机课程教材及参考书李群芳，《单片微型计算机与接口技术（第4版）》，电子工业出版社，2012。教材电气教研室，《单片机原理与应用实验指导书》，惠州学院，2014。实验用韩晓东，《单片机课程同步实验指导》，清华大学出版社，2013。课程设计用参考书张毅刚，《单片机原理及应用》（第二版），高等教育出版社，2010李强，《51系列单片机应用软件编程技术》，北京航空航天大学出版社，2009徐爱钧，《8051单片机实践教程——asm51汇编语言与C51高级语言应用》，电子工业出版社，2009第0章绪论1计算机的发展与分类2嵌入式计算机系统的构成3单片机及其特点附录:微机原理基本概念复习1计算机的发展与分类1.1计算机技术的发展概述计算机的诞生1945年底，世界上第一台使用电子管制造的电子数字计算机在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院研制成功（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator——ENIAC，即电子数字积分计算机），并在1946年2月15日举行了计算机的正式揭幕典礼。这台电子计算机总共用了18800个电子管，耗电140千瓦，占地150平方米，重达30吨，每秒钟可进行5000次加法运算。电子计算机的诞生是人类最伟大的发明之一计算机的发展按照组成计算机的元器件的技术发展水平作为分类的依据，计算机技术的发展已经走过了4代。第一代计算机是电子管计算机（1947-1958年）以电子管（EVL）为基本逻辑元件。主存储元件为汞延迟线，数字表示为定点数据，语言软件为机器语言或汇编语言。第二代计算机是晶体管计算机（1958~1964年）以晶体管（TTL）为基本逻辑元件。主存储元件为磁芯存储器，数据表示有浮点数据与变址，语言软件获得了发展，有FORTRAN、BASIC、COBOL等第三代计算机是集成电路计算机（1964~1971年）以中小规模集成电路（SSI、MSI）为基本逻辑元件。主存储器为半导体存储器，系统采用微程序技术与虚拟存储，并有多种高级语言和成熟的操作系统。计算机的发展第四代计算机是大规模集成电路计算机（1971年~）。采用大规模集成电路（LSI、VLSI）为基本逻辑元件。主存储器为大规模、高密度半导体存储器，系统结构采用并行、多机、分布式及网络系统，并发展到了多媒体机型。第五代计算机？应用生物技术、纳米技术和量子技术。从应用的角度来看发展趋势：向小的方向发展：成本更低，使用更方便，更灵活向大的方向发展：超级计算机我国成功研制超百万亿次计算机曙光5000，（中新网2008-08-31）超级计算机是体现国家科技发展水平和综合国力的重要标志。局部突发性灾难预报(如洪水、海啸)，纳米技术领域的复合材料结构分析和功能预测、气象领域的短期天气预报等领域都需要超级计算机的协助。微处理器的集成度每隔18个月就会翻一番，芯片的性能也随之提高一倍------摩尔定律GordonE.MooreIntel公司的创始人之一1.2计算机的分类计算机已经广泛地介入到人类的日常生活中。按照计算机的用途、性能的不同，存在不同的分类方法。对于最常见的PC（PersonalComputer）机，按照用途不同，可以分为3种类型：家用PC商用PC工业控制用PC家用和商用PC的性能差别不大，而工业控制用PC（工控机）则强调高可靠性。PC机最大特点就是通用性和兼容性，由此带来低成本和高性能。现代工业控制系统中的计算机以数控机床为例，现代工业控制系统的基本结构采用通用PC机组成微机数控系统的特点是便于实现，但通用PC机的可靠性不够1）采用工业PC（IPC）2）采用可靠性更高的系统组成方案几种常见的工业控制系统组成方案：PC＋DOS系统PC＋windows系统MCU系统（无OS）MCU＋嵌入式操作系统PLC系统MCU（MicroControllerUnit）微控制器PLC（ProgrammableLogicController）可编程序控制器计算机的新分类以应用为中心、按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用进行分类，将其分为：•嵌入式计算机•通用计算机嵌入式计算机是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、针对具体应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。注意：嵌入式系统虽为专用系统，但是，可以采用通用芯片组建而成。当然嵌入式系统也可以采用专用芯片。采用专用芯片构成的系统，其成本较高，目前只在少数领域中应用。2嵌入式计算机系统的构成2.1嵌入式计算机硬件系统1）嵌入式处理器嵌入式系统的核心部件2）常规外设及接口3）专用外设及接口4）操作控制台和报警设备嵌入式处理器有以下三类嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)功能同标准的CPU，但在工作温度、电磁干扰、可靠性等方面做了各种增强。例如ARM,32位微处理器，以它为核，构成多种ARM嵌入式系统，用于信息处理、多媒体技术等高科技领域。嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU又称单片机)将计算机的基本部分（CPU存储器IO接口）集成在一块芯片上的微机，用于常规的控制和检测。（教材名称的含义——强调接口）数字信号处理器DSP(DigitalSignalProcessor,DSP)DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。2.2嵌入式计算机软件系统1）嵌入式操作系统实时多任务操作系统——已经产品化，适应于大型系统•windows是分时多任务的操作系统实时监控程序——实现对用户的任务进行管理，对系统中的突发事件进行实时响应，适应于中型系统。•强调实时性，对多任务处理能力有限（即多中断的处理能力）•对照PLC的工作方式，其实时性如何满足？无操作系统——系统的硬件资源的管理和对事件的实时响应全部归到用户程序，适应于小型系统。2）用户程序实现用户的功能要求。必要时实现对系统资源的管理。2.3嵌入式计算机系统的发展趋势：在三、五年以前，一般的看法是专用的、功能不很复杂的场合使用无操作系统的MCU系统（单片机系统），而通用性的，功能复杂、要求人机界面友好的场合使用PC机＋windows结构，因其资源丰富，开发简单。但是，目前随着单片机系统资源的逐渐丰富，以及嵌入式操作系统的不断发展，更重要的是出于对可靠性的追求，人们又更多的倾向于使用“单片机＋嵌入式操作系统”来取代“PC机＋windows”的工控系统结构。注：无操作系统的MCU应用于工业控制已经有很久的历史了，但嵌入式计算机系统的称谓是随着嵌入式操作系统的成熟而流行起来。本书以市场占有率最高的MCS-51单片机为核心，介绍嵌入式系统设计基础和设计方法。但是在嵌入式操作系统方面，仅限于实时监控程序。3单片机及其特点3.1单片机的定义：单片机全称是单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer,SCM），又称MCU（MicroControllerUnit）。所谓单片机，是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EEPROM、定时/计数器、中断控制器以及串行口，并行I/O接口等部件，构成的一个完整的微型计算机系统。2回顾：有关微型计算机的基础知识硬件：微处理器