【大學(xué)課件】單片機(jī)硬件基礎(chǔ)知識

單片機(jī)硬件基礎(chǔ)知識歡迎來到單片機(jī)硬件基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)旅程！單片機(jī)的概念和發(fā)展歷程概念單片機(jī)是將CPU、RAM、ROM、I/O接口等功能部件集成在一個(gè)芯片上的微型計(jì)算機(jī)。發(fā)展歷程單片機(jī)經(jīng)歷了40多年的發(fā)展，從最初的4位機(jī)到現(xiàn)在的32位機(jī)，功能不斷強(qiáng)大，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)單片機(jī)主要包含CPU、存儲器、I/O接口等模塊。工作原理單片機(jī)通過指令從存儲器中讀取數(shù)據(jù)，執(zhí)行操作，并將結(jié)果寫入存儲器或輸出到外部設(shè)備。單片機(jī)的主要功能塊中央處理器(CPU)負(fù)責(zé)執(zhí)行指令，控制整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)。存儲器用于存儲程序、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)配置信息。輸入/輸出(I/O)接口連接外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與外部環(huán)境的交互。中央處理器(CPU)的構(gòu)成和工作方式構(gòu)成CPU通常包含算術(shù)邏輯單元(ALU)、控制單元(CU)、寄存器組等。工作方式CPU從存儲器中取出指令，解析指令，并根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，例如數(shù)據(jù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送等。存儲器的分類和作用1RAM隨機(jī)存取存儲器，用于存儲當(dāng)前正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，速度快，但斷電后數(shù)據(jù)會丟失。2ROM只讀存儲器，用于存儲固定的程序和數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)不會丟失。3EEPROM電可擦除可編程只讀存儲器，可以在程序運(yùn)行期間進(jìn)行擦寫，存儲一些可修改的配置信息。存儲器的連接方式并行連接所有地址線、數(shù)據(jù)線和控制線都并行連接，傳輸速度快。串行連接地址線、數(shù)據(jù)線和控制線串行連接，傳輸速度慢，但節(jié)省引腳資源。輸入/輸出(I/O)接口的實(shí)現(xiàn)方式1GPIO通用輸入輸出接口，可以配置成輸入或輸出模式。2串行接口用于實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的串行通信，例如UART、SPI、I2C。3并行接口用于實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的并行通信，例如并行總線、DMA。中斷系統(tǒng)的功能和應(yīng)用場景1功能中斷系統(tǒng)可以使單片機(jī)在執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)時(shí)，能夠及時(shí)處理來自外部設(shè)備的緊急事件。2應(yīng)用場景常見應(yīng)用場景包括定時(shí)器中斷、外部中斷、串口中斷等。定時(shí)/計(jì)數(shù)器模塊的應(yīng)用1定時(shí)實(shí)現(xiàn)延時(shí)、計(jì)時(shí)等功能。2計(jì)數(shù)對外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，例如脈沖計(jì)數(shù)、頻率測量等。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的工作原理模擬信號連續(xù)變化的信號，例如溫度、電壓、電流等。數(shù)字信號離散的信號，用0和1表示，單片機(jī)只能處理數(shù)字信號。數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的實(shí)現(xiàn)方法R-2RLadder利用電阻網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。WeightingResistor利用不同權(quán)重的電阻將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。串行通信接口的原理和應(yīng)用UART通用異步收發(fā)器，用于實(shí)現(xiàn)異步串行通信，廣泛應(yīng)用于與PC機(jī)通信、數(shù)據(jù)采集等場景。SPI同步串行外設(shè)接口，用于實(shí)現(xiàn)同步串行通信，常用于與傳感器、存儲器等外設(shè)通信。I2C兩線式串行總線，用于實(shí)現(xiàn)雙向通信，常用于與傳感器、EEPROM等外設(shè)通信。并行通信接口的特點(diǎn)和應(yīng)用1特點(diǎn)并行通信接口傳輸速度快，但引腳數(shù)量多，成本較高。2應(yīng)用主要應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸，例如硬盤、內(nèi)存等。模擬和數(shù)字信號的特點(diǎn)模擬電路與數(shù)字電路的區(qū)別模擬電路處理的是連續(xù)變化的信號，例如電壓、電流等。數(shù)字電路處理的是離散的信號，用0和1表示，例如邏輯門、觸發(fā)器等。微處理器和微控制器的區(qū)別微處理器主要用于執(zhí)行應(yīng)用程序，需要外圍電路的支持，如內(nèi)存、I/O接口等。微控制器集成了CPU、存儲器、I/O接口等功能，可以獨(dú)立運(yùn)行，通常用于嵌入式系統(tǒng)。單片機(jī)的分類和代表性型號8位單片機(jī)代表型號：ATMELAVR系列、PIC系列、STM8系列。16位單片機(jī)代表型號：MSP430系列、STM32系列。32位單片機(jī)代表型號：ARM系列、MIPS系列。單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)1可靠性電路設(shè)計(jì)要保證穩(wěn)定運(yùn)行，避免故障發(fā)生。2兼容性電路設(shè)計(jì)要與單片機(jī)型號和外圍設(shè)備相匹配。3成本電路設(shè)計(jì)要考慮成本因素，選擇性價(jià)比高的元器件。單片機(jī)系統(tǒng)的原理框圖單片機(jī)核心控制單元。存儲器存儲程序和數(shù)據(jù)。輸入/輸出接口連接外部設(shè)備。單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)步驟1需求分析明確系統(tǒng)功能、性能指標(biāo)和技術(shù)要求。2方案設(shè)計(jì)選擇合適的單片機(jī)型號和外圍電路組件。3電路設(shè)計(jì)繪制電路原理圖，并進(jìn)行電路仿真。4PCB設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)印刷電路板，并進(jìn)行布局布線。5硬件調(diào)試制作電路板，并進(jìn)行硬件調(diào)試。常見單片機(jī)外圍電路組件1電阻用于限流、分壓、偏置等。2電容用于濾波、耦合、儲能等。3晶體管用于放大、開關(guān)等。4運(yùn)放用于放大、濾波、信號處理等。5傳感器用于感知環(huán)境參數(shù)，例如溫度、光線、壓力等。單片機(jī)引腳功能的分類和應(yīng)用1電源引腳提供單片機(jī)運(yùn)行所需的電源電壓。2地引腳提供電路的公共參考點(diǎn)。3輸入/輸出引腳連接外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與外部環(huán)境的交互。4特殊功能引腳用于實(shí)現(xiàn)特定的功能，例如中斷、定時(shí)器等。單片機(jī)系統(tǒng)的電源供給方式直流電源使用電池或電源適配器提供直流電壓。交流電源使用交流電源，并通過整流、濾波等電路轉(zhuǎn)換為直流電壓。單片機(jī)系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)1晶體振蕩器利用晶體諧振特性產(chǎn)生穩(wěn)定頻率的時(shí)鐘信號。2RC振蕩器利用電阻和電容組成的電路產(chǎn)生時(shí)鐘信號，頻率不穩(wěn)定。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位電路設(shè)計(jì)硬件復(fù)位通過外部電路產(chǎn)生復(fù)位信號，例如按鍵復(fù)位、電源復(fù)位等。軟件復(fù)位通過執(zhí)行特定的指令進(jìn)行軟件復(fù)位。單片機(jī)外圍接口電路的設(shè)計(jì)串行接口設(shè)計(jì)串行通信電路，例如UART、SPI、I2C等。并行接口設(shè)計(jì)并行通信電路，例如并行總線、DMA等。模擬接口設(shè)計(jì)模擬信號處理電路，例如ADC、DAC等。單片機(jī)系統(tǒng)調(diào)試的常見問題1電源問題檢查電源電壓是否正常，電源是否穩(wěn)定。2時(shí)鐘問題檢查時(shí)鐘信號是否正常，頻率是否準(zhǔn)確。3引腳問題檢查引腳連接是否正確，引腳功能是否配置正確。單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法手工焊接使用手工焊接技術(shù)制作電路板。PCB制作設(shè)計(jì)印刷電路板，并進(jìn)行PCB制作和焊接。模塊化設(shè)計(jì)將電路功能模塊化，方便設(shè)計(jì)和調(diào)試。單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)1安全性電路設(shè)計(jì)要考慮安全性，避免安全隱患。2可靠性