【大學(xué)課件】單片機(jī) 綜述

單片機(jī)綜述本課程將深入探討單片機(jī)的基本原理、應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)，并介紹嵌入式系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)。單片機(jī)的定義與特點(diǎn)定義單片機(jī)是將中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器(RAM和ROM)和輸入/輸出(I/O)接口集成在一個(gè)芯片上的微型計(jì)算機(jī)。特點(diǎn)體積小巧、功耗低、價(jià)格低廉、可編程性強(qiáng)、可靠性高、功能豐富。單片機(jī)的組成結(jié)構(gòu)中央處理器(CPU)負(fù)責(zé)執(zhí)行程序指令，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，包括RAM和ROM。輸入/輸出(I/O)接口連接單片機(jī)與外部器件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入和輸出。單片機(jī)的分類8位單片機(jī)體積小、功耗低，常用于簡單控制應(yīng)用。16位單片機(jī)功能更強(qiáng)大，應(yīng)用范圍更廣，常用于工業(yè)自動(dòng)化控制。32位單片機(jī)性能更強(qiáng)，適用于復(fù)雜控制應(yīng)用，如嵌入式系統(tǒng)。微處理器的工作原理1取指從存儲(chǔ)器中讀取指令。2譯碼將指令轉(zhuǎn)換為CPU可識(shí)別的操作碼。3執(zhí)行執(zhí)行指令操作，處理數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器的分類及其特點(diǎn)RAM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)丟失。ROM只讀存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)程序和常量數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。輸入/輸出接口并行接口同時(shí)傳輸多位數(shù)據(jù)，速度快，用于連接外部器件。串行接口逐位傳輸數(shù)據(jù)，速度慢，用于連接通信設(shè)備。定時(shí)/計(jì)數(shù)器1定時(shí)產(chǎn)生精確的定時(shí)信號(hào)，用于控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。2計(jì)數(shù)對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，用于統(tǒng)計(jì)事件發(fā)生的次數(shù)。中斷系統(tǒng)1中斷源外部事件或內(nèi)部異常情況。2中斷處理程序響應(yīng)中斷源，處理中斷事件。3中斷向量表存放中斷服務(wù)程序的入口地址。模數(shù)轉(zhuǎn)換1模擬信號(hào)來自傳感器或其他模擬設(shè)備。2模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。3數(shù)字信號(hào)被單片機(jī)處理和控制。數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)來自單片機(jī)或其他數(shù)字設(shè)備。數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。模擬信號(hào)用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)或其他模擬設(shè)備。串行通信1同步通信發(fā)送方和接收方使用相同的時(shí)鐘信號(hào)，用于高速數(shù)據(jù)傳輸。2異步通信發(fā)送方和接收方使用不同的時(shí)鐘信號(hào)，用于低速數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)的編程方法匯編語言面向機(jī)器指令，效率高，但編程難度大。高級(jí)語言(C語言)易于理解和維護(hù)，效率稍低。單片機(jī)的編程語言單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境編輯器編寫和編輯程序代碼。編譯器將高級(jí)語言代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器指令。調(diào)試器調(diào)試程序，查找并修復(fù)錯(cuò)誤。仿真器模擬單片機(jī)運(yùn)行環(huán)境，測(cè)試程序功能。單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)流程1需求分析確定系統(tǒng)功能和性能需求。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)硬件和軟件架構(gòu)。3程序編碼編寫程序代碼。4程序測(cè)試測(cè)試程序功能和性能。5程序調(diào)試修復(fù)程序錯(cuò)誤。6程序維護(hù)更新和維護(hù)程序代碼。單片機(jī)程序的調(diào)試方法1斷點(diǎn)調(diào)試在程序中設(shè)置斷點(diǎn)，暫停程序執(zhí)行，查看變量值和寄存器狀態(tài)。2單步調(diào)試逐條執(zhí)行程序代碼，觀察程序運(yùn)行過程。3邏輯分析儀用于查看單片機(jī)內(nèi)部信號(hào)波形，分析程序運(yùn)行邏輯。單片機(jī)的片外擴(kuò)展擴(kuò)展存儲(chǔ)器增加單片機(jī)的存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)更多數(shù)據(jù)和程序。擴(kuò)展I/O接口增加單片機(jī)的輸入/輸出能力，連接更多外部器件。單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)控制自動(dòng)化控制生產(chǎn)過程，提高效率和精度。家用電器控制各種家電設(shè)備，提高生活便利性。醫(yī)療設(shè)備用于醫(yī)療診斷和治療，提高醫(yī)療水平。嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的硬件組成處理器執(zhí)行程序指令，控制系統(tǒng)運(yùn)行。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，包括RAM和ROM。I/O接口連接外部器件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入和輸出。外設(shè)與系統(tǒng)功能相關(guān)的外部設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)的軟件組成操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)資源，提供系統(tǒng)服務(wù)。驅(qū)動(dòng)程序控制外設(shè)，實(shí)現(xiàn)外設(shè)功能。應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)具體的功能需求。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程1需求分析確定系統(tǒng)功能和性能需求。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)硬件和軟件架構(gòu)。3程序編碼編寫程序代碼。4程序測(cè)試測(cè)試程序功能和性能。5程序調(diào)試修復(fù)程序錯(cuò)誤。6系統(tǒng)集成將硬件和軟件集成到一起。7系統(tǒng)測(cè)試測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的功能和性能。8系統(tǒng)部署將系統(tǒng)部署到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中。9系統(tǒng)維護(hù)更新和維護(hù)系統(tǒng)軟件和硬件。嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性是指系統(tǒng)對(duì)事件的響應(yīng)速度，要求系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)簡介實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)是專門為實(shí)時(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，它具有高效、可靠、可預(yù)測(cè)的特點(diǎn)，能夠滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用對(duì)時(shí)間敏感性的要求。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)1高實(shí)時(shí)性能夠快速響應(yīng)事件，保證系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。2高可靠性系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，不易出現(xiàn)故障。3可預(yù)測(cè)性系統(tǒng)的行為可預(yù)測(cè)，能夠保證系統(tǒng)運(yùn)行的確定性。4可裁剪性可以根據(jù)應(yīng)用需求，裁剪系統(tǒng)功能和性能。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的調(diào)度算法先來先服務(wù)(FCFS)按照任務(wù)到達(dá)時(shí)間的順序進(jìn)行調(diào)度。優(yōu)先級(jí)調(diào)度根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。輪詢調(diào)度以時(shí)間片為單位，輪流執(zhí)行各個(gè)任務(wù)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的同步機(jī)制1信號(hào)量用于控制對(duì)共享資源的訪問，保證資源的互斥訪問。2互斥鎖用于保護(hù)臨界區(qū)，保證臨界區(qū)內(nèi)代碼的原子操作。3事件標(biāo)志用于通知任務(wù)，等待特定事件的發(fā)生。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理分區(qū)分配將內(nèi)存分成多個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)分配給一個(gè)任務(wù)。分頁管理將程序和數(shù)據(jù)分成多個(gè)頁面，每個(gè)頁面分配到不同的物理內(nèi)存塊。段頁管理將程序和數(shù)據(jù)分成多個(gè)段，每個(gè)段又分成多個(gè)頁面。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的應(yīng)用案例工業(yè)自動(dòng)化控制生產(chǎn)