微控制器原理1

1、微控制器原理(yunl)共三十二頁(yè) 關(guān)于教材采用比較先進(jìn)的芯片大量(dling)實(shí)際示例非典型教材基本知識(shí)點(diǎn)較少手冊(cè)型教材共三十二頁(yè)參 考 書(shū)1）微控制器原理與應(yīng)用 徐安、陳耀、方春華編著 科學(xué)出版社2）單片機(jī)原理與接口技術(shù)(C語(yǔ)言版)周?chē)?guó)運(yùn)主編(zhbin) 魯慶賓、趙天翔副主編(zhbin)清華大學(xué)出版社3）32位單片機(jī)C語(yǔ)言編程基于PIC32(Programming 32-bit Microcontrollers in C Exploring the PIC32)意Lucio Di Jasio 著 張鼎、岳虹等譯人民郵電出版社共三十二頁(yè)概述(i sh)共三十二頁(yè)微控制器、嵌入式微控制器、

2、單片機(jī)將CPU、部分存儲(chǔ)器、部分I/O接口(ji ku)集成在一個(gè)芯片上共三十二頁(yè)MCU (Micro Controller Unit ) -微控制器的基本含義一種計(jì)算機(jī)硬件和軟件的組合，也許還有機(jī)械裝置，用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定功能。在某些特定情況下，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)大系統(tǒng)或產(chǎn)品的一部分。其核心是微控制器（MCU）或應(yīng)用(yngyng)處理器。在一塊芯片內(nèi)集成了中央處理單元（CPU，Central processing unit）、存儲(chǔ)器（RAM/ROM等）、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及多種輸入輸出（I/O）接口的比較完整的數(shù)字處理系統(tǒng)。共三十二頁(yè)P(yáng)IC系列單片機(jī)由美國(guó)Microchip公司推出的PIC單片機(jī)系

3、列產(chǎn)品，采用RISC結(jié)構(gòu)的嵌入式微控制器，其高速度、低電壓、低功耗、大電流LCD驅(qū)動(dòng)能力和低價(jià)位OTP技術(shù)等都體現(xiàn)出單片機(jī)產(chǎn)業(yè)的新趨勢(shì)?，F(xiàn)在PIC系列單片機(jī)在世界單片機(jī)市場(chǎng)的份額排名中已逐年升位，尤其在8位單片機(jī)市場(chǎng)，排名第二位。在全球都可以看到PIC單片機(jī)從電腦的外設(shè)、家電控制、電訊通信、智能儀器、汽車(chē)電子到金融電子各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)今(xinjn)的PIC單片機(jī)已經(jīng)是世界上最有影響力的嵌入式微控制器之一。MPLAB IDE集成工具。 單片機(jī)系列(xli)概述共三十二頁(yè)AVR系列單片機(jī) AVR單片機(jī)是1997年由ATMEL公司(n s)研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC(Reduce

4、d Instruction Set CPU) 精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī)。AVR的單片機(jī)高速、低耗，可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。 AVR單片機(jī)易于入手。只需一條ISP下載線，把編輯、調(diào)試通過(guò)的軟件程序直接在線寫(xiě)入AVR單片機(jī)，即可以開(kāi)發(fā)AVR單片機(jī)系列中的各種封裝的器件。 共三十二頁(yè)51系列單片機(jī) 在眾多的51系列單片機(jī)中，ATMEL 公司的AT89C51、AT89S51最實(shí)用，普及程度極高。不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲(chǔ)器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫(xiě)，一般專為 ATMEL

5、 AT89xx 做的編程器均帶有這些功能(gngnng)。這種單片機(jī)對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫(xiě)入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密。Keil C集成工具。共三十二頁(yè)其它16位單片機(jī)系列 典型產(chǎn)品有Intel 公司(n s)的MCS-96/98 系列、Motorola 公司的M68HC16系列、NS 公司的783系列、TI公司的MSP430系列等等。共三十二頁(yè)SoC稱為系統(tǒng)級(jí)芯片（System on Chip）： 又稱片上系統(tǒng),是一個(gè)(y )有專用目標(biāo)的集成電路,其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部?jī)?nèi)容。同時(shí)它又是一種技術(shù),用以實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開(kāi)始,到軟/硬件劃分,并完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)

6、程。諸如手機(jī)芯片、數(shù)字電視芯片、DVD 芯片等。 SOC片上系統(tǒng)(xtng)共三十二頁(yè)指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。是隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展(fzhn)而發(fā)展(fzhn)起來(lái)的，目前MEMS加工技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于微流控芯片與合成生物學(xué)等領(lǐng)域，從而進(jìn)行生物化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室技術(shù)流程的芯片集成化。主要包括微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路等幾部分。 MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）微機(jī)電(jdin)系統(tǒng)共三十二頁(yè)一個(gè)(y )

7、典型的MCU框圖：13共三十二頁(yè)嵌入式系統(tǒng)(xtng)(Embedded System) 嵌入式系統(tǒng)的定義一種計(jì)算機(jī)硬件和軟件的組合，也許還有機(jī)械裝置，用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定功能。在某些特定情況下，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)大系統(tǒng)或產(chǎn)品(chnpn)的一部分。其核心是微控制器（MCU）或應(yīng)用處理器。嵌入式系統(tǒng)的由來(lái)通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)是因科學(xué)家需要一個(gè)高速的計(jì)算工具而產(chǎn)生的。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（嵌入式系統(tǒng)）：測(cè)控領(lǐng)域需要能夠滿足特殊需求的計(jì)算機(jī)而產(chǎn)生的。14共三十二頁(yè) 嵌入式系統(tǒng)與MCU的關(guān)系以MCU為核心的系統(tǒng)是應(yīng)用最廣的嵌入式系統(tǒng)。在MCU出現(xiàn)之前，人們必須用模擬電路、數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)大部分計(jì)算與控制功能，這

8、樣使得控制系統(tǒng)體積龐大，易出故障。MCU出現(xiàn)以后，情況發(fā)生了變化，系統(tǒng)中的大部分計(jì)算與控制功能由MCU的軟件實(shí)現(xiàn)。其它電子線路成為MCU的外圍接口電路，承擔(dān)著輸入、輸出與執(zhí)行動(dòng)作等功能，而計(jì)算、比較與判斷等原來(lái)必須用電路實(shí)現(xiàn)的功能，可以用軟件取代，大大地提高(t go)了系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定性，這種控制技術(shù)稱之為嵌入式控制技術(shù)。在嵌入式控制技術(shù)中，核心是MCU，其它部分依此而展開(kāi)。共三十二頁(yè)以MCU為核心(hxn)的系統(tǒng)基本組成16共三十二頁(yè) 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) -與通用(tngyng)計(jì)算機(jī)對(duì)比1嵌入式系統(tǒng)屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，但不單獨(dú)以通用計(jì)算機(jī)的面目出現(xiàn)2嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要專用工具和特殊方法3使用M

9、CU設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)，數(shù)據(jù)與程序空間采用不同存儲(chǔ)介質(zhì)4開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)涉及軟件、硬件及應(yīng)用領(lǐng)域的知識(shí)5嵌入式系統(tǒng)的其他特點(diǎn)可靠性、實(shí)時(shí)性、成本、功耗、生命周期、知識(shí)綜合等。17共三十二頁(yè) 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用（1）電子系統(tǒng)的智能化（工業(yè)控制，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、家用電器、汽車(chē)電子、測(cè)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集等），這類(lèi)應(yīng)用所使用(shyng)的嵌入式處理器一般被稱之為微控制器（MCU，Microcontroller Unit）。（2）計(jì)算機(jī)應(yīng)用的延伸（平板電腦、手機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等），這類(lèi)應(yīng)用所使用的嵌入式處理器一般被稱之為應(yīng)用處理器（Application processor）。這兩類(lèi)知識(shí)體系、技術(shù)特點(diǎn)、

10、開(kāi)發(fā)方法有較大區(qū)別！共三十二頁(yè) MCU 知識(shí)體系 （1）硬件最小系統(tǒng)（包括電源、晶振、復(fù)位、寫(xiě)入調(diào)試器接口(ji ku)等）；（2）通用I/O（開(kāi)關(guān)量輸入/輸出，涉及各種二值量檢測(cè)與控制）；（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D（各種傳感器信號(hào)的采集與處理，如紅外、溫度、光敏、超聲波、方向等）；（4）數(shù)模轉(zhuǎn)換D/A（對(duì)模擬量設(shè)備利用數(shù)字進(jìn)行控制）；（5）通信（串行通信接口UART、串行外設(shè)接口SPI、集成電路互聯(lián)總線I2C，CAN、USB、嵌入式以太網(wǎng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等）；19共三十二頁(yè)（6）顯示（LED、LCD、觸摸屏等）；（7）控制（控制各種設(shè)備，包括PWM等控制技術(shù)）；（8）數(shù)據(jù)處理（圖形、圖像、語(yǔ)音(y

11、yn)、視頻等處理或識(shí)別）；（9）各種具體應(yīng)用；（10）計(jì)算機(jī)語(yǔ)言、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)環(huán)境等。共三十二頁(yè) MCU 的應(yīng)用開(kāi)發(fā)1.硬件與軟件(run jin)協(xié)同設(shè)計(jì)硬件：滿足性能及安全需要，取代部分軟件，完成特定功能，提高軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)效率。軟件：實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，使系統(tǒng)更具適應(yīng)性和靈活性，充分發(fā)揮硬件的作用，提高系統(tǒng)性能。共三十二頁(yè)2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以印制板單板機(jī)及在線仿真器為主要工具以EOC(Emdedded Operation System嵌入式操作系統(tǒng)）和EDA（Electronic Design Automation-電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化開(kāi)發(fā)平臺(tái)為主要工具以IP內(nèi)核（SOC）為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，軟硬

12、件協(xié)同設(shè)計(jì)單片系統(tǒng)IP核（Intellectual Property core）是一段具有特定電路功能的硬件描述語(yǔ)言程序，該程序與集成電路工藝無(wú)關(guān)(wgun)，可以移植到不同的半導(dǎo)體工藝中去生產(chǎn)集成電路芯片。共三十二頁(yè)1.3 嵌入式系統(tǒng)(xtng)常用術(shù)語(yǔ) MCU應(yīng)用開(kāi)發(fā)基本知識(shí)（術(shù)語(yǔ)）概述1封裝集成電路的封裝是指用塑料、金屬或陶瓷材料等把集成電路封在其中。2印刷電路板印刷電路板PCB是組裝電子元件用的基板，是在通用基材上按預(yù)定設(shè)計(jì)形成點(diǎn)間連接及印制元件的印制板，是電路原理圖的實(shí)物化。3動(dòng)態(tài)可讀寫(xiě)隨機(jī)存儲(chǔ)器與靜態(tài)可讀寫(xiě)隨機(jī)存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)可讀寫(xiě)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM，由一個(gè)MOS管組成一個(gè)二進(jìn)制存儲(chǔ)位。

13、靜態(tài)可讀寫(xiě)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM，一般由四個(gè)或者(huzh)六個(gè)MOS管構(gòu)成一個(gè)二進(jìn)制位。23共三十二頁(yè)4只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器ROM（Read Only Memory），數(shù)據(jù)可以讀出，但不可以修改，所以稱之為只讀存儲(chǔ)器。5閃速存儲(chǔ)器閃速存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱閃存，是一種新型快速的E2PROM。由于工藝和結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，閃存比普通的E2PROM的擦除速度更快，集成度更高。6模擬量與開(kāi)關(guān)量模擬量是指時(shí)間連續(xù)、數(shù)值(shz)也連續(xù)的物理量，如溫度、壓力、流量、速度、聲音等。開(kāi)關(guān)量是指一種二值信號(hào)，用兩個(gè)電平（高電平和低電平）分別來(lái)表示兩個(gè)邏輯值（邏輯1和邏輯0）。24共三十二頁(yè)7并行通信并行通信是指數(shù)據(jù)的各位同時(shí)(t

14、ngsh)在多根并行數(shù)據(jù)線上進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，?shù)據(jù)的各位同時(shí)(tngsh)由源到達(dá)目的地。8串行通信串行通信是指數(shù)據(jù)在單線（電平高低表征信號(hào)）或雙線（差分信號(hào)）上，按時(shí)間先后一位一位地傳送，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省傳輸線，但相對(duì)于并行通信來(lái)說(shuō)，速度較慢。 9串行外設(shè)接口串行外設(shè)接口（SPI，Serial Peripheral Interface）：也是一種串行通信方式，主要用于MCU擴(kuò)展外圍芯片使用。25共三十二頁(yè)10集成電路互連總線標(biāo)準(zhǔn)I2C（另一種簡(jiǎn)寫(xiě)為IIC，Inter-Integrated Circuit），是一種由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線式串行總線，主要用于用戶電路板內(nèi)MCU與其外圍電路的

15、連接。 11. 通用串行總線通用串行總線（USB，Universal Serial Bus），是MCU與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的一種新的方式，其速度快，抗干擾能力強(qiáng)，在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 12控制器局域網(wǎng)控制器局域網(wǎng)（CAN，Controller Area Network），是一種全數(shù)字、全開(kāi)放(kifng)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)，目前在汽車(chē)電子中應(yīng)用最廣。 26共三十二頁(yè)13通用(tngyng)輸入/輸出GPIO通用輸入/輸出（GPIO，General Purpose I/O），即基本的輸入/輸出，有時(shí)也稱并行I/O。作為通用輸入引腳時(shí)，MCU內(nèi)部程序可以讀取該引腳，知道該引腳是“1”（高

16、電平）或“0”（低電平），即開(kāi)關(guān)量輸入。作為通用輸出引腳時(shí)，MCU內(nèi)部程序向該引腳輸出“1”（高電平）或“0”（低電平），即開(kāi)關(guān)量輸出。14 A/D與D/AA/D轉(zhuǎn)換模塊的功能是將電壓信號(hào)（模擬量）轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。D/A轉(zhuǎn)換則是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)（模擬量）。27共三十二頁(yè)15脈沖寬度(kund)調(diào)制器脈沖寬度調(diào)制器（PWM，Pulse Width Modulator），是一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，可以產(chǎn)生一個(gè)高電平和低電平之間重復(fù)交替的輸出信號(hào)，這個(gè)信號(hào)就是PWM信號(hào)。16看門(mén)狗看門(mén)狗（Watch Dog），是一個(gè)為了防止程序跑飛而設(shè)計(jì)的一種自動(dòng)定時(shí)器。 17液晶顯示液晶顯示（LCD，Liqu

17、id Crystal Dispaly），是電子信息產(chǎn)品的一種顯示器件，可分為字段型、點(diǎn)陣字符型、點(diǎn)陣圖形型三類(lèi)。28共三十二頁(yè)18發(fā)光二極管發(fā)光二極管（LED，Light Emitting Diode），是一種將電流順向通到半導(dǎo)體PN結(jié)處而發(fā)光的器件。常用于家電指示燈、汽車(chē)燈和交通警示燈。19鍵盤(pán)鍵盤(pán)是嵌入式系統(tǒng)中最常見(jiàn)的輸入設(shè)備。識(shí)別鍵盤(pán)是否有效被按下的方法有查詢法、定時(shí)掃描法與中斷法等。20實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS，Real Time Operating System），是指一種運(yùn)行于嵌入式系統(tǒng)上的操作環(huán)境，可以提供建立(jinl)多任務(wù)的能力。29共三十二頁(yè)習(xí)題(xt)1. 名詞解釋:共三十二頁(yè)思考題：1.單片機(jī)內(nèi)部主要集成(j chn)了哪些資源?2.簡(jiǎn)述單片機(jī)在發(fā)展過(guò)程中的幾個(gè)標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)，有哪些新技術(shù)？3.簡(jiǎn)述一至二個(gè)目前市場(chǎng)占有率較高的單片機(jī)概況，包括并不限于生產(chǎn)商、技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域、開(kāi)發(fā)平臺(tái)和性價(jià)比等方面。共三十二頁(yè)內(nèi)容摘要微控制器原理。這種單片機(jī)對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大