單片機發(fā)展與應(yīng)用技術(shù)

1、單片機發(fā)展與應(yīng)用技術(shù)講座單片機的發(fā)展由來 單片機的主要應(yīng)用領(lǐng)域 單片機主要廠商及產(chǎn)品單片機的發(fā)展方向我校單片機課程教學情況單片機發(fā)展與應(yīng)用技術(shù)第一代 電子管計算機 1946-1957 低級語言第二代 晶體管計算機 1958-1964 高級語言第三代 中、小型集成電路計算機 1964-1972 操作系統(tǒng)第四代 超大規(guī)模集成電路計算機 1972-現(xiàn)在 數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)新一代 人工智能型的計算機、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機、 生物計算機等計算機軟件發(fā)展情況按所采用的電子元件劃分我國在1958年研制成功第一臺電子管計算機 1.始于微型機時代的嵌入式應(yīng)用 單片機的發(fā)展由來-計算機的技術(shù)發(fā)展史第一代計算機：ENIAC

2、1946、美國、電子管 莫奇利和?？颂兀‥NIAC，直譯名為“電子數(shù)字積分計算機” ）單片機的發(fā)展由來-計算機的技術(shù)發(fā)展史占地170平方米，重達30多噸缺點是存儲容量太小，基本上不能存儲程序，只能依靠線路連接的方法 1.始于微型機時代的嵌入式應(yīng)用 世紀年代計算機單片機的發(fā)展由來-計算機的技術(shù)發(fā)展史 1.始于微型機時代的嵌入式應(yīng)用 嵌入式計算機系統(tǒng)將微型機嵌入到一個對象體系中，實現(xiàn)對象體系的智能化控制 單片機的發(fā)展由來-計算機的技術(shù)發(fā)展史 1.始于微型機時代的嵌入式應(yīng)用 設(shè)備名稱：立式加工中心 型號：MA810A設(shè)備編號：20031010 單價：60萬元 購置日期：2003.05 廠家：歐馬數(shù)控

3、有限公司（臺灣）存放地點：機電工程學院先進制造中心 設(shè)備管理員 ：林浩單片機的發(fā)展由來-計算機的技術(shù)發(fā)展史 .現(xiàn)代計算機技術(shù)的兩大分支 通用計算機系統(tǒng) 嵌入式計算機系統(tǒng) 高速、海量的數(shù)值計算對象的智能化控制能力 現(xiàn)代計算機技術(shù)發(fā)展的兩大分支的里程碑意義在于：不僅形成了計算機發(fā)展的專業(yè)化分工，而且將發(fā)展計算機技術(shù)的任務(wù)擴展到傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)領(lǐng)域，使計算機成為進入人類社會全面智能化時代的有力工具。 單片機的發(fā)展由來-計算機的技術(shù)發(fā)展史 3.兩大分支發(fā)展的里程碑 通用計算機系統(tǒng) 嵌入式計算機系統(tǒng) 286、386、486到奔騰系列,操作系統(tǒng)則迅速擴張計算機基于高速海量的數(shù)據(jù)文件處理能力 單芯片化將傳統(tǒng)的

4、電子系統(tǒng)發(fā)展到智能化的現(xiàn)代電子系統(tǒng)時代 通用計算機系統(tǒng)與嵌入式計算機系統(tǒng)的專業(yè)化分工發(fā)展，導致20世紀末、21世紀初，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展。 單片機的發(fā)展由來-嵌入式系統(tǒng)的定義與特點 .嵌入式系統(tǒng)的定義：-“嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)”?！扒度胄浴薄ⅰ皩Ｓ眯浴迸c“計算機系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個基本要素。 . 嵌入式系統(tǒng)的特點：面向控制對象，嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)形態(tài)。必須滿足如物理環(huán)境（小型）、電氣環(huán)境（可靠）、成本（價廉）等要求。突出控制功能。計算機必須配置有與對象系統(tǒng)相適應(yīng)的接口電路，有突出控制功能的指令系統(tǒng)（I/O控制、位操作等），軟、硬件的可裁剪性；滿足不同對象要求的最小軟、硬件

5、配置等。單片機的發(fā)展由來-嵌入式系統(tǒng)的定義與特點 .嵌入式系統(tǒng)的種類與發(fā)展：按形態(tài)可分為設(shè)備級（工控機）、板級（單板、模塊）、芯片級（MCU、SoC）。主要技術(shù)發(fā)展方向是滿足嵌入式應(yīng)用要求，不斷擴展對象系統(tǒng)控制要求的外圍電路（如ADC、DAC、PWM、日歷時鐘、電源監(jiān)測、程序運行監(jiān)測電路等），形成滿足對象系統(tǒng)要求的應(yīng)用系統(tǒng)。 。 單片機的發(fā)展由來-嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展道路 1.單片機開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展道路 ：嵌入式系統(tǒng)必須走獨立發(fā)展道路。這條道路就是芯片化道路。在探索單片機的發(fā)展道路時，有過兩種模式，即“模式”與“創(chuàng)新模式”。“模式”本質(zhì)上是通用計算機直接芯片化的模式，它將通用計算機系統(tǒng)

6、中的基本單元進行裁剪后，集成在一個芯片上，構(gòu)成單片微型計算機；“創(chuàng)新模式”則完全按嵌入式應(yīng)用要求設(shè)計全新的，滿足嵌入式應(yīng)用要求的體系結(jié)構(gòu)、微處理器、指令系統(tǒng)、總線方式、管理模式等。 。 單片機的發(fā)展由來-嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展道路 2.單片機的技術(shù)發(fā)展史 單片機誕生于20世紀70年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段。SCM即單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）階段。MCU即微控制器（Micro Controller Unit）階段。SoC即片上系統(tǒng)（System On Chip）階段。單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)

7、用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了SoC化趨勢。單片機的發(fā)展由來-嵌入式系統(tǒng)的兩種應(yīng)用模式 1.客觀存在的兩種應(yīng)用模式電子技術(shù)應(yīng)用工程師以自己習慣性的電子技術(shù)應(yīng)用模式，從事單片機的應(yīng)用開發(fā)。這種應(yīng)用模式最重要的特點是：軟、硬件的底層性和隨意性；對象系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)的密切相關(guān)性；缺少計算機工程設(shè)計方法。 隨著后PC時代的到來，網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)得以發(fā)展；同時，嵌入式系統(tǒng)軟、硬件技術(shù)有了很大的提升，為計算機專業(yè)人士介入嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開辟了廣闊天地。計算機專業(yè)人士的介入，形成的計算機應(yīng)用模式帶有明顯的計算機的工程應(yīng)用特點，即基于嵌入式系統(tǒng)軟、硬件平臺，以網(wǎng)絡(luò)、通信為主的非嵌入式底層

8、應(yīng)用。 單片機的發(fā)展由來-嵌入式系統(tǒng)的兩種應(yīng)用模式 2.兩種應(yīng)用模式的并存與互補 客觀存在的兩種應(yīng)用模式會長期并存下去，在不同的領(lǐng)域中相互補充。電子系統(tǒng)設(shè)計模式應(yīng)從計算機應(yīng)用設(shè)計模式中，學習計算機工程方法和嵌入式系統(tǒng)軟件技術(shù)；計算機應(yīng)用設(shè)計模式應(yīng)從電子系統(tǒng)設(shè)計模式中，了解嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的電路系統(tǒng)特性、基本的外圍電路設(shè)計方法和對象系統(tǒng)的基本要求等。 單片機的發(fā)展由來-嵌入式系統(tǒng)的兩種應(yīng)用模式 3.嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的高低端嵌入式系統(tǒng)低端應(yīng)用：基于8位單片機，實現(xiàn)最底層電子系統(tǒng)應(yīng)用。高端應(yīng)用：基于32位嵌入式處理器,主要在網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體等方面的應(yīng)用。單片機應(yīng)用領(lǐng)域 用圖象傳感器測量線才系統(tǒng) 衛(wèi)星電

9、視的串口模擬SPI、I2C的應(yīng)用，如雷達錄取的數(shù)據(jù)傳送 直接與AD芯片配合進行各種數(shù)據(jù)傳感器配合 利用單片機與PC機的232通訊進行控制，單片機為控制對象 通過IC卡、單片機、PC機構(gòu)成的各種收費系統(tǒng) 通過單片機控制各種步進電機完成工控任務(wù)系統(tǒng) 通過單片機控制各種電慈設(shè)備完成工控任務(wù)系統(tǒng)（如程控交換系統(tǒng)） 可應(yīng)用在電機的變頻技術(shù)上的控制領(lǐng)域中 各種測量工具如水位尺，它在水文上的應(yīng)用很普及 大型指針鐘控制器，主要根據(jù)時間控制電機帶動指針 電子配料控制儀，基于小型生產(chǎn)的自動或半自動控制，如控制上料、攪拌等 單片機應(yīng)用領(lǐng)域 用定時器和捕獲功能進行某一系統(tǒng)的檢測?？商峁﹫缶?、控制等。如水位控制、溫度控

10、制，全自動洗衣機等 電子稱重計 教學用儀器、醫(yī)療儀器 由單片機構(gòu)成的霓虹燈控制器 在剛的熱處理中采用熱磁儀測量 各種金屬探傷儀器 礦山生產(chǎn)智能監(jiān)測儀 煤礦的產(chǎn)煤計數(shù)器 20.汽車安全系統(tǒng) 21.智能玩具 22.用超聲波測量江河水位 23.交流電監(jiān)測儀 24.消防系統(tǒng)報警監(jiān)測儀 25.各類水表、電表 等等單片機的主要廠商及產(chǎn)品AtmelMicrochipMicrochip(中國)PhilipsTexas Instruments(TI德州儀器)東芝單片機 Freescale(原Motorola現(xiàn)在為飛思卡爾)Holtek(盛群)Winbond(華邦)Scenix單片機 Keil SoftwareZ

11、ilogNEC單片機 Fujitsu富士通EPSON威利姆周立功單片機三星單片機 雙龍電子STC(宏晶科技)單片機的主要廠商及產(chǎn)品8051單片機: 最早由Intel公司推出的8051/31類單片機也是世界上用量最大的幾種單片機之一。8051單片機最早由Intel公司推出,由于Intel公司在嵌入式應(yīng)用方面將重點放在186、386、奔騰等與PC類兼容的高檔芯片的開發(fā)上，8051類單片機主要由Philips、三星、華邦等公司接產(chǎn)。這些公司都在保持與8051單片機兼容的基礎(chǔ)上改善了8051許多特性(如時序特性)。提高了速度、降低了時鐘頻率，放寬了電源電壓的動態(tài)范圍，降低了產(chǎn)品價格。使得以8051為內(nèi)

12、核的MCU系列單片機在世界上產(chǎn)量最大,應(yīng)用也最廣泛,有人推測8051可能最終形成事實上的標準MCU芯片。單片機的主要廠商及產(chǎn)品ATMEL公司： 除51系列單片機外，ATMEL的AVR單片機,是增強型RISC內(nèi)載Flash的單片機,芯片上的Flash存儲器附在用戶的產(chǎn)品中,可隨時編程,再編程,使用戶的產(chǎn)品設(shè)計容易,更新?lián)Q代方便.AVR單片機采用增強的RISC結(jié)構(gòu),使其具有高速處理能力,在一個時鐘周期內(nèi)可執(zhí)行復(fù)雜的指令,每MHz可實現(xiàn)1MIPS的處理能力.AVR單片機工作電壓為2.76.0V,可以實現(xiàn)耗電最優(yōu)化.AVR的單片機廣泛應(yīng)用于計算機外部設(shè)備,工業(yè)實時控制,儀器儀表,通訊設(shè)備,家用電器,宇

13、航設(shè)備等各個領(lǐng)域。單片機的主要廠商及產(chǎn)品Motorola單片機: Motorola(現(xiàn)在為飛思卡爾)是世界上最大的單片機廠商。在8位機方面有三十多個系列，二百多個品種，產(chǎn)量已超過20億片。16位機也有十多個品種。32位單片機的683XX系列也有幾十個品種。近年來，將DSP做為輔助模塊集成的單片機也紛紛推出。目前仍是單片機的首選牌品。Motorola單片機特點之一是在同樣速度下所用的時鐘頻率較Intel類單片機 低很多，因而使得高頻噪聲低，抗干擾能力強,更適合用于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境。Motorola 8位單片機過去的策略是以掩膜為主的，最近推出OTP計劃以適應(yīng)單片機發(fā)展新趨勢，在32位機上，M

14、.CORE在性能和功耗方面都勝過ARM7。單片機的主要廠商及產(chǎn)品Microchip單片機: Microship單片機是市場份額增長最快的單片機。它的主要產(chǎn)品是PIC 16C系列和17C系列8位單片機，CPU采用RISC結(jié)構(gòu)，僅33條指令，運行速度快，且以低價位著稱，一般單片機價格都在一美元以下。Microship單片機沒有掩膜產(chǎn)品，全部是OTP器件，Microship強調(diào)節(jié)約成本的最優(yōu)化設(shè)計，適于用量大、檔次低、價格敏感的產(chǎn)品。根據(jù)2007.04.20業(yè)界知名市場調(diào)查機構(gòu)Gartner Dataquest 公布Microchip Technology Inc.（美國微芯科技公司）勇奪2006年

15、全球8位單片機銷售額冠軍。 單片機的主要廠商及產(chǎn)品 PHILIPS單片機： 除增強型51系列單片機外，也有 32位ARM微控制器LPC2210/LPC2220系列。 PHILIPS公司的單片機在內(nèi)部功能擴展、速度及低功耗方面很有特色。在國內(nèi)周立功單片機有限公司的大力推行下，應(yīng)用及銷售量也較大。 單片機的主要廠商及產(chǎn)品 華邦單片機： 華邦單片機屬8051類單片機，它們的W78系列與標準的8051兼容，W77系列位增強型51系列，對8051的時序作了改進。同樣時鐘頻率下速度提高2.5倍，F(xiàn)LASH容量從4K到64K，有ISP功能。在4位單片機方面華邦有921系列和帶LCD驅(qū)動的741系列。在32位

16、機方面，華邦使用惠普公司PARISC單片機技術(shù)，生產(chǎn)低位的32位RISC單片機。 單片機的主要廠商及產(chǎn)品三星單片機： 三星單片機有KS51和KS57系列4位單片機，KS86和KS88系列8位單片機，KS17系列16位單片機和KS32、32位單片機。三星單片機為OTP型1SP在片編程功能。三星公司以生產(chǎn)存儲器芯片著稱，在存儲器市場供大于求的形勢下，涉足參與單片機的競爭。三星公司在單片機技術(shù)上以引進消化發(fā)達國家的技術(shù)、生產(chǎn)與之兼容的產(chǎn)品，然后以價格優(yōu)勢取勝。例如在4位機上采用NEC的技術(shù)，8位機上引進Zilog公司Z8的技術(shù)，在32位機上購買ARM7內(nèi)核，還有DEC的技術(shù)、東芝的技術(shù)等。其單片機裸

17、片的價格相當有競爭力。 單片機的主要廠商及產(chǎn)品Zilog單片機： Z8單片機是Zilog公司的產(chǎn)品，采用多累加器結(jié)構(gòu)，有較強的中斷處理能力。產(chǎn)品為OTP型，Z8單片機的開發(fā)工具可稱價廉物美。Z8單片機以低價位的優(yōu)勢面向低端應(yīng)用，以18引腳封裝為主，ROM為0.52K。最近Zilog公司又推出了Z86系列單片機，該系列內(nèi)部可集成廉價的DSP單元。單片機的發(fā)展方向 單片機的技術(shù)發(fā)展反映在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功率消耗、外部電壓等級以及制造工藝上。 1、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進步 單片機在內(nèi)部已集成了越來越多的部件，這些部件包括一般常用的電路，例如：定時器，比較器，A/D轉(zhuǎn)換器，D /A轉(zhuǎn)換器，串行通信接口，Watchdo

18、g電路，LCD控制器, CAN,脈寬調(diào)制控制電路,等。特別引人注目的是：現(xiàn)在有的單片機已采用所謂的三核（TrCore）結(jié)構(gòu)。這是一種建立在系統(tǒng)級芯片（System on a chip）概念上的結(jié)構(gòu)。這種單片機由三個核組成：一個是微控制器和DSP核，一個是數(shù)據(jù)和程序存儲器核，最后一個是外圍專用集成電路（ASIC）。 單片機的發(fā)展方向 2、功耗、封裝及電源電壓的進步 新的單片機的功耗越來越小，特別是很多單片機都設(shè)置了多種工作方式，這些工作方式包括等待，暫停，睡眠，空閑，節(jié)電等工作方式。Philips公司的單片機P87LPC762是一個很典型的例子，在空閑時，其功耗為1.5 mA，而在節(jié)電方式中，其

19、功耗只有0.5mA。 單片機的封裝水平已大大提高，隨著貼片工藝的出現(xiàn)，單片機也大量采用了各種合符貼片工藝的封裝方式出現(xiàn)，以大量減少體積。在這種形勢中，Microchip公司推出的8引腳的單片機特別引人注目。 2.26V的條件下工作的單片機 。單片機的發(fā)展方向 3、工藝上的進步 單片機基本上采用CMOS技術(shù)，但已經(jīng)大多數(shù)采用了0.6m以上的光刻工藝，有個別的公司，如Motorola公司則已采用0.35m甚至是0.25m技術(shù)。這些技術(shù)的進步大大地提高了單片機的內(nèi)部密度和可靠性。 單片機的發(fā)展方向 總的來說，單片機在目前的發(fā)展形勢下，表現(xiàn)出二大趨勢：可靠性及應(yīng)用越來越高水平和互聯(lián)網(wǎng)連接已是一種明顯的

20、走向 所集成的部件越來越多 隨著半導體工藝技術(shù)的發(fā)展及系統(tǒng)設(shè)計水平的提高，單片機還會不斷產(chǎn)生新的變化和進步，最終人們可能發(fā)現(xiàn)：單片機與微機系統(tǒng)之間的距離越來越小，甚至難以辨認。 我校單片機教學情況 歷史沿革 本課程在我校開設(shè)已有較長的歷史，并累積較為豐富的教學經(jīng)驗。 我校本課程于上世紀80年代中期就已經(jīng)開設(shè)。在機械系的機械設(shè)計與制造本?？萍按半姎鈱？茖I(yè)設(shè)置的微機原理及應(yīng)用課程（授課以TP801單板機為對象）。 浙江海洋學院成立后，除在原來3個專業(yè)繼續(xù)開設(shè)此課程外，在以后的電氣工程本科專業(yè)及電子信息本科專業(yè)都開設(shè)了此課程。 我校的建環(huán)、漁業(yè)科學與技術(shù)等專業(yè)已納入06級的教學計劃之中。 我校單

21、片機教學情況 教學隊伍情況 樓然苗男1965.01高級實驗師計算機主講教師李良兒男1949.01教授電子主講教師俞紅杰男1973.10講師（碩士）自控主講教師劉玉良男1971.07講師（博士在讀）電子主講教師李光飛女1971.07高級實驗師（碩士）計算機教學多媒體課件及課程網(wǎng)站制作維護陳庭勛男1963.10高級實驗師電子單片機實驗室建設(shè)與管理，實驗輔導胡佳文男1980.12助理實驗師（碩士在讀）機械電子單片機實驗輔導我校單片機教學情況 教學改革與研究教學改革：教學內(nèi)容的改革：突出實踐性教學，增加了實例分析的比重。課堂教學演示實驗化。實驗教學設(shè)計化，課程設(shè)計產(chǎn)品應(yīng)用化，要求每個學生獨立完成單片機

22、開發(fā)全過程。教學方法和手段的改革：采用自制PPT課堂教學課件，把實驗實踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容以演示實驗的形式在課堂教學中演示，輔助網(wǎng)絡(luò)教學平臺。考試方式的的改革:加大了實驗環(huán)節(jié)成績比例，理論考試內(nèi)容注重理解。實行開卷測試。我校單片機教學情況 教學改革與研究教學研究： 2002年由樓然苗老師主持的“單片機原理與應(yīng)用課程教學改革與研究”于2005年通過學校驗收。 2003年由李良兒老師主持的學?！皢纹瑱C原理與應(yīng)用重點課程建設(shè)項目”2004年通過學校驗收。2003年樓然苗主持的“單片機原理與應(yīng)用實驗箱的研制”校級課題。2004年樓然苗主持的“單片機原理與應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)自助學習軟件”校級教改課題。 我校單片機教學情況 教學改革與研究出版教材：51系列單片機設(shè)計實例，2003年3月北京航空航天大學出版社出版；單片機課程設(shè)計實例指導，2004年9月北京航空航天大學出版社出版；單片機C程序設(shè)計實例指導，2005年9月北京航空航天大學出版社出版；51系列單片機設(shè)計實例(第二版) ，2006年2月北京航空航天大學出版社出版；單片機課程設(shè)計實例指導（第二版），