單片機系統(tǒng)常用構(gòu)件介紹 (2)課件

單片機訓(xùn)練要點

—硬件構(gòu)成要素

—軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)

嵌入式（單片機）系統(tǒng)中

的常見硬件資源微處理器存儲器定時器通訊、接口電路、總線AD/DA,PWM復(fù)位控制與看門狗其它一、微處理器類型與選擇微處理器類型:

指令結(jié)構(gòu)上:精簡指令集復(fù)雜指令集數(shù)據(jù)與地址總線結(jié)構(gòu)上:典型器件如8086;MCS51;TI公司的DSP等等

程序啟動方式:是否需要引導(dǎo)(root)

工作模式:虛擬模式實地址模式概念參考80386,(系統(tǒng)模式用戶模式異常模式等)參考ARM

寄存器:方便在多種模式之間程序切換,支持多任務(wù)操作系統(tǒng)工作目標:數(shù)據(jù)處理型(DSP)控制型(單片機)幾種典型的微處理器MCS51系列（通用單片機，有廣泛的用戶群。）AVR系列PIC系列（低功耗，低成本）ARM系列（多組寄存器結(jié)構(gòu)支持多用戶操作系統(tǒng)）TIDSP系列（極強的數(shù)字信號處理功能和速度）還有一些微處理器集成LCD驅(qū)動器、USB接口、CAN總線、以太網(wǎng)絡(luò)接口，特別適合于相關(guān)技術(shù)的開發(fā)。中斷和異常（概念）中斷----被定義為改變CPU執(zhí)行指令順序的事件，這些事件對應(yīng)于CPU芯片和外部硬件電路產(chǎn)生的電信號。中斷可分為同步synchronous和異步asynchronous1）同步---由CPU控制單元產(chǎn)生，同步的產(chǎn)生與指令有關(guān).或說同步是由于執(zhí)行了一些“不恰當(dāng)”的指令引起的.在指令終止執(zhí)行后，CPU才發(fā)出中斷---稱為同步！?。?）異步其他硬件設(shè)備需要CPU提供服務(wù)時向CPU提出的一種請求。對進程而言，由于隨機性?。?！

80X86中，把同步和異步分別稱為異常（exception）和中斷（interrupt）。（有時候，我們也統(tǒng)稱為中斷）

硬件中斷（interruptions）1）可屏蔽中斷這些中斷請求被送到CPU的INTR引腳。通過清除flags的IF標志，可以disable它??！

2）不可屏蔽中斷這些中斷請求被送到CPU的NMI引腳。只有很少的事件，例如硬件錯誤，會給一個高電平到不可屏蔽中斷中斷管理（應(yīng)用）多中斷源是中斷管理的需求背景中斷屏蔽：全局屏蔽、個別屏蔽中斷向量中斷服務(wù)子程序與中斷源的對應(yīng)關(guān)系;優(yōu)先級管理各中斷事件的優(yōu)先權(quán)問題（中斷嵌套），有時只用高低兩級。管理的途徑：1、專門的器件（51集成在內(nèi)部）；2、通過軟件查詢中斷子程序編寫時注意要點：確保中斷向量正確；現(xiàn)場保護與恢復(fù)是關(guān)鍵（匯編語言）；通過全局變量和主程序交換信息；通過靜態(tài)變量處理同一中斷源的不同次之間的邏輯關(guān)系；在多中斷源時，要特別注意中斷嵌套的問題；調(diào)試時，對中斷要專門調(diào)試測試，確認正確性。二、存儲器很多類型的存儲設(shè)備在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中都是比不可少的。作為一個嵌入式工程師，必須明白它們之間的差別以及理解怎么有效地使用每一種類型的存儲器。半導(dǎo)體存儲器分類：隨機存取的（RAM）、只讀的（ROM）。在一個RAM設(shè)備中，存儲在存儲器中每一個位置的數(shù)據(jù)都可以在需要的時候讀或者寫。在一個ROM設(shè)備中，存儲在存儲器中每一個位置的數(shù)據(jù)可以隨意的讀取，但是不能夠?qū)懭搿Ｓ行r候，在一個類ROM設(shè)備中改寫其中的數(shù)據(jù)是可能的。這種設(shè)備叫作混合存儲器，因為它們同時表現(xiàn)了RAM和ROM的一些特征。注：在嵌入式微處理器中，一般集成了少量的RAM和E2PROM，還有足夠的FLASH（用于存儲程序代碼、表格）特點：在決定選用哪一種類型的存儲器的時候，系統(tǒng)設(shè)什者要考慮存取時間和成本。SRAM設(shè)備提供了使用方便、極快的存取時間（大約比DRAM快四倍），但是制造起來十分的昂貴，容量小，功耗大。通常SRAM只是用于那此存取速度極端重要的場合。在大量的RAM需要的時候，每字節(jié)的更低價格使得DRAM很吸引人。很多嵌入式系統(tǒng)兩種類型都包括：關(guān)鍵數(shù)據(jù)通道上的一小塊SRAM（幾百個千字節(jié)）和其他所有地方的一大塊DRAM（以兆計）

PSRAM(偽靜態(tài)RAM）：容量大、使用方便、功耗小ROM的類型ROM家族中的存儲器是按照向其中寫入新數(shù)據(jù)的方法（通常叫作編程）及其可以重寫的次數(shù)來區(qū)分的。這個劃分反映了ROM設(shè)備從硬連線，到一次性可編程，到可擦寫可編程的演化過程。這些設(shè)備的一個共同的特性就是它們都能夠永久地保存數(shù)格和程序，甚至是斷電之后。真正第一個ROM是硬連線設(shè)備，它包含一組預(yù)先編排的數(shù)據(jù)或者指令。ROM中的內(nèi)容不得不在芯片生產(chǎn)出來之前指定。因此實際的數(shù)據(jù)被用來安排芯片內(nèi)部的晶體管。硬連線內(nèi)存仍舊在使用，但是它們現(xiàn)在叫作“掩膜ROM”以和其他類型的ROM區(qū)分。掩膜ROM主要的優(yōu)點是低的產(chǎn)品成本。不幸的是，只有在需要成百上千相同ROM的拷貝時，成本才是低廉的。PROM，EPROM比掩膜ROM更進一步的是PROM（可編程ROM）。它買來的時候處于未被編程的狀態(tài)。如果你要看一個未經(jīng)編程的PROM的內(nèi)容，你會看到數(shù)據(jù)的每一位完全由1組成。把你的數(shù)據(jù)寫人PROM的過程涉及到一個特殊的設(shè)備、叫作設(shè)備編程器。設(shè)備編程器通過向芯片的管腳加電，每一次向設(shè)備中寫入一個字節(jié)。一旦一個PROM通過這種方法被編程了，其中的內(nèi)容就再也不能改變了。如果存儲在PROM中的代碼或者數(shù)據(jù)必須改變，目前這個設(shè)備就必須廢棄。PROM也稱一次性可編程設(shè)備。EPROM（可擦寫可編程ROM）編程的方式和PROM完全一樣。然而，EPROM是可以被擦除并且反復(fù)被編程的。為了擦除一個EPROM，你只要把設(shè)備暴露在強紫外線光源下。（在設(shè)備的頂端有一個讓紫外線照射到硅的窗口。）這樣做，你基本上可以把整個芯片重置到其初始狀態(tài)——未編程狀態(tài)。盡管比PROM要貴，但是它們可以被再編程的能力使得EPROM成為軟件開發(fā)及測試過程必需的一部分。雙口RAM單口ram一般指有一組地址線，一個寫使能線，一個使能線，一組輸入線，一組數(shù)據(jù)輸出。雙口ram指有兩組地址口，控制信號和數(shù)據(jù)線，他們公用一個存儲器體單元。他們是獨立的。兩個口都可以讀寫數(shù)據(jù)。不過在寫的時候不可以兩個口同時寫。因為不可以同時往一個存儲塊寫。兩個口的時鐘可以不一樣。雙口RAM一般用于在兩個數(shù)字功能模塊之間傳輸數(shù)據(jù)先進先出(FIFO)存儲器先進先出(FIFO)存儲器是一種特殊存儲器件，其特點是在同一個芯片里的同一個存儲單元配備有兩個數(shù)據(jù)口，一個是輸入口，只負責(zé)數(shù)據(jù)的寫入，另一個是輸出口，只負責(zé)數(shù)據(jù)的輸出。另外在對這種存儲器進行讀和寫的操作時不需要地址線參與尋址，它的數(shù)據(jù)是按照一種環(huán)形結(jié)構(gòu)依次進行存放的。先進先出(FIFO)存儲器的另一個與傳統(tǒng)存儲器不同的地方，就是寫入先進先出(FIFO)存儲器中的存儲單元的數(shù)據(jù)一旦被讀取后，則這個數(shù)據(jù)再也無法被讀取，就像永久消失一樣。所以，先進先出(FIFO)存儲器在操作時由“空”和“滿”的標志位來表示存儲器內(nèi)部的狀態(tài)。FIFORAM在兩個數(shù)字功能模塊之間傳輸數(shù)據(jù)NANDFLASH和SD卡一種可順序訪問的、并可分塊擦除的大容量的FLASH存儲器。從操作特點上看，更像一個半導(dǎo)體磁盤。廣泛應(yīng)用于需要大容量記錄數(shù)據(jù)的多媒體設(shè)備中。注：有多種接口方式；為降低成本、體積、功耗等常常和其他功能電路集成在一起。存儲器的接口形式并行總線形式（地址、數(shù)據(jù)、控制信號）串行總線形式（I2C，SPI）三、定時器/計數(shù)器實時時鐘(realtimer)：年月日時分秒毫秒，一般內(nèi)部集成可充電電池看門狗（watchdogtimer)：程序跑飛之后產(chǎn)生復(fù)位信號，一般的無人職守系統(tǒng)中需要用到看門狗。定時器（有帶捕獲或比較功能，也有不帶捕獲或比較功能）：可以設(shè)置一定的時間間隔引起中斷或異常。利如時間延遲、時間等待、超時判斷、波特率發(fā)生器、時間分片等。捕獲：在普通定時器的基礎(chǔ)上增加一個鎖存器后，可以獲得兩個不同（或相同）事件脈沖之間的時間差。比較：在普通定時器的基礎(chǔ)上增加幾個數(shù)字比較器后，可以在計數(shù)器的值計數(shù)到設(shè)置值時，向位處理器提出中斷請求。捕獲和比較大大增加了定時器的功能。典型應(yīng)用PWM復(fù)位控制與看門狗看門狗是一種與復(fù)位電路相聯(lián)系的可清零定時器（計數(shù)器），當(dāng)定時器的定時時間到時，復(fù)位電路自動產(chǎn)生復(fù)位信號，使系統(tǒng)復(fù)位。所以在正常情況下，應(yīng)該確保定時時間不能到達設(shè)定值（一般為固定的默認值）。方法是在程序中增加指令對定時器清零。當(dāng)程序由于干擾等原因“跑飛“時，就出現(xiàn)了我們所說的”死機“。此時定時器也不能及時清零，將導(dǎo)致看門狗溢出，系統(tǒng)自動復(fù)位。指令對定時器清零也叫“喂狗“內(nèi)部看門狗，外部看門狗定時器應(yīng)用要點掌握工作模式的應(yīng)用特點：MCS51中方式1和方式2知道時間常數(shù)和定時時間的關(guān)系；掌握如何去控制定時器的開啟與關(guān)閉；學(xué)會中斷與查詢兩種處理方式；在很多應(yīng)用中，可能需要長時間定時（即超過額定的實時范圍），此時可借助中斷軟件控制實現(xiàn)注意計數(shù)器和定時器使用方法的細微差異必要時，可利用CPLD自己設(shè)計。四、通訊與總線接口電路I2C總線I2C(Inter－IntegratedCircuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線產(chǎn)生于在80年代，最初為音頻和視頻設(shè)備開發(fā)，如今主要在服務(wù)器管理中使用，其中包括單個組件狀態(tài)的通信。例如管理員可對各個組件進行查詢，以管理系統(tǒng)的配置或掌握組件的功能狀態(tài)，如電源和系統(tǒng)風(fēng)扇?？呻S時監(jiān)控內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)溫度等多個參數(shù)，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了管理。I2C總線特點I2C總線最主要的優(yōu)點是其簡單性和有效性。芯片管腳數(shù)量少，降低了互聯(lián)成本?？偩€的長度可高達25英尺。100Kbps的最大傳輸速率支持40個組件。I2C總線的另一個優(yōu)點是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能夠進行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。當(dāng)然，在任何時間點上只能有一個主控。應(yīng)用大量的存取器尤其是FLASH存儲器，a/dd/a等器件采用I2C總線，以節(jié)約芯片的體積空間。在多個數(shù)字模塊的系統(tǒng)中，也可以利用I2C實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸特別注意：兩條總線上必須分別接一個上拉電阻（4.7K-10K）MCS51沒有專門的I2C總線接口，使用是需要用軟件模擬時序。SPI（SerialPeripheralinterface）SPI，是英語SerialPeripheralinterface的縮寫，顧名思義就是串行外圍設(shè)備接口。SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。SPI是一個環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，由ss（cs）、sck、sdi、sdo構(gòu)成，其時序其實很簡單，主要是在sck的控制下，兩個雙向移位寄存器進行數(shù)據(jù)交換。類似于用74LS164和74ls165組成的一個環(huán)形移位寄存器對，并增加了一些控制信號，形成了總線SPI總線是Motorola公司推出的三線同步接口，同步串行3線方式進行通信:一條時鐘線SCK，一條數(shù)據(jù)輸入線MOSI，一條數(shù)據(jù)輸出線MISO;用于CPU與各種外圍器件進行全雙工、同步串行通訊。SPI主要特點有:可以同時發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù);可以當(dāng)作主機或從機工作;提供頻率可編程時鐘;發(fā)送結(jié)束中斷標志;寫沖突保護;總線競爭保護等。圖示出SPI總線工作的四種方式，其中使用的最為廣泛的是SPI0和SPI3方式(實線表示):SPI總線工作的四種方式SPI總線特點比I2C使用更多的信號線，而且隨著節(jié)點增加信號線也增多。速度要比I2C高，編程也簡單大量的存取器尤其是FLASH存儲器，a/dd/a等器件采用spi總線，以節(jié)約芯片的體積空間。在多個數(shù)字模塊的系統(tǒng)中，也可以利用spi實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通用異步收發(fā)器UART(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter)

UART是用于控制計算機與串行設(shè)備的芯片。有一點要注意的是，它提供了RS-232C數(shù)據(jù)終端設(shè)備接口，這樣計算機就可以和調(diào)制解調(diào)器或其它使用RS-232C接口的串行設(shè)備通信了。作為接口的一部分，UART還提供以下功能：將由計算機內(nèi)部傳送過來的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出的串行數(shù)據(jù)流。將計算機外部來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供計算機內(nèi)部使用并行數(shù)據(jù)的器件使用。在輸出的串行數(shù)據(jù)流中加入奇偶校驗位，并對從外部接收的數(shù)據(jù)流進行奇偶校驗。在輸出數(shù)據(jù)流中加入啟停標記，并從接收數(shù)據(jù)流中刪除啟停標記。UART數(shù)據(jù)格式波特率：一位的時間長度倒數(shù)注意區(qū)分以下概念UART是通用異步收發(fā)器（異步串行通信口）的英文縮寫，它包括了RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等接口標準規(guī)范和總線標準規(guī)范，即UART是異步串行通信口的總稱。而RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等，是對應(yīng)各種異步串行通信口的接口標準和總線標準，它規(guī)定了通信口的電氣特性、傳輸速率、連接特性和接口的機械特性等內(nèi)容。實際上是屬于通信網(wǎng)絡(luò)中的物理層（最底層）的概念，與通信協(xié)議沒有直接關(guān)系。而通信協(xié)議，是屬于通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)鏈路層（上一層）的概念。

COM口是PC（個人計算機）上，異步串行通信口的簡寫。由于歷史原因，IBM的PC外部接口配置為RS232，成為實際上的PC界默認標準。所以，現(xiàn)在PC機的COM口均為RS232。MODBUSMODBUS是MODICON公司最先倡導(dǎo)的一種軟的通訊規(guī)約，經(jīng)過大多數(shù)公司的實際應(yīng)用，逐漸被認可，成為一種標準的通訊規(guī)約，只要按照這種規(guī)約進行數(shù)據(jù)通訊或傳輸，不同的系統(tǒng)就可以通訊。目前，在RS232/RS485通訊過程中，更是廣泛采用這種規(guī)約。常用的MODBUS通訊規(guī)約有兩種，一種是MODBUSASCII，一種是MODBUSRTU。一般來說，通訊數(shù)據(jù)量少而且主要是文本的通訊則采用MODBUSASCII規(guī)約，通訊數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量大而且是二進制數(shù)值時，多采用MODBUSRTU規(guī)約。在實際的應(yīng)用過程中，為了解決某一個特殊問題，人們喜歡自己修改MODBUS規(guī)約來滿足自己的需要（事實上，人們經(jīng)常使用自己定義的規(guī)約來通訊，這樣能解決問題，但不太規(guī)范）。更為普通的用法是，少量修改規(guī)約，但將規(guī)約格式附在軟件說明書一起，或直接放在幫助中，這樣就方便了用戶的通訊。Modbus通訊協(xié)議詳解2007-04-2712:18工業(yè)控制已從單機控制走向集中監(jiān)控、集散控制,如今已進入網(wǎng)絡(luò)時代,工業(yè)控制器連網(wǎng)也為網(wǎng)絡(luò)管理提供了方便。Modbus就是工業(yè)控制器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的一種。以太網(wǎng)以太網(wǎng)，指由施樂公司創(chuàng)建并由施樂、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測技術(shù)）技術(shù)，并以10Mbps的速率運行在多種類型的電纜上。

90年代，交換型以太網(wǎng)得到了發(fā)展，并先后推出了100兆的快速以太網(wǎng)、1000兆的千兆位以太網(wǎng)和10000兆的萬兆位以太網(wǎng)等更高速的以太網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)的幀格式特別適合于傳輸IP數(shù)據(jù)包。隨著Internet的快速發(fā)展，以太網(wǎng)被廣泛使用。值得一提的是，如果接入網(wǎng)也采用以太網(wǎng)，將形成從局域網(wǎng)、接入網(wǎng)、城域網(wǎng)到廣域網(wǎng)全部是以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，這樣采用與IP數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)近似的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，各網(wǎng)之間無縫連接，中間不需要任何格式轉(zhuǎn)換，可以提高運行效率，方便管理，降低成本，這種結(jié)構(gòu)可以提供端到端的連接?；谝陨显颍蕴W(wǎng)接入得到了快速發(fā)展，并且越來越受到人們的重視。并行總線打印機口：具有３種工作方式，其中EPP和ECP方式實質(zhì)是8位總線接口.工作速度在5Mbyte/s或更高.PCI總線:計算機上的標準總線配置。32位總線，標準的PCI總線速度33M*4字節(jié)/s。接口的控制電路復(fù)雜，一般可使用第三方提供的橋接芯片開發(fā)，但成本增加。目前還有若干種改進型的PCI總線。

ISA,EISA早期的計算機上標配總線。目器工控機上還保留。接口的控制電路簡單其他總線與接口USBCANGPIB（General-PurposeInterfaceBus）五、AD/DA,PWM——模擬世界和數(shù)字世界的橋梁ADDA，PWM選擇的依據(jù)：速度、分辨率、接口與控制方式分辨率意味著精度與動態(tài)范圍PWM需要與低通率波器配合使用，可以輸出低頻的單極性電壓控制信號DA輸出電壓或電流信號A/D、D/A應(yīng)用要點掌握幾種典型的芯片及其單片機接口（不同速度、分辨率和接口方式）在高精度的應(yīng)用中參考電源是關(guān)鍵，了解幾種專門的參考電壓芯片。模擬信號可能需要調(diào)理、變換輸入和輸出鍵盤（注意：去抖）少量的鍵可直接采用IO端口連接鼠標條碼LED,指示燈字符LCD圖形顯示LCD打印機利用總線和接口(上位機)設(shè)計與調(diào)試硬件設(shè)計：在硬件設(shè)計時，要留下一些專門的調(diào)試端口、幾個狀態(tài)指