第1章 绪论,第1章 目录,1.1 单片机 1.1.1 掌握单片机的概念 1.1.2了解单片机的发展历史及产品近况 1.1.3 熟悉嵌入式处理器家族 1.1.4明确单片机的课程地位及其学习方法 1.2 单片机开发所需软硬件介绍 6.2.1 模式0 6.2.2 模式1 6.2.3 模式2 6.2.4 模式3 1.3 数字电路基础 1.4 数制与编码的简单回顾 6.3.2 定时计数器模式1的应用 6.3.3 定时计数器模式2的应用 6.3.4 定时计数器门控位GATE的应用 6.3.5 运行中读定时计数器,1.1 单片机,1.1.1 单片机的概念 1、单片机 “单片机”的称呼由英文名称“Single Chip Microcomputer”直接翻译而来，缩写为SCM。 所谓单片机就是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM(内存)、只读存储器ROM（硬盘）、I/O口、中断系统、定时/计数器和串行接口等功能集成到一块芯片上构成的一个小而完善的计算机系统。 单片机是一个芯片级的电脑。,1.1 单片机,1.1.1 单片机的概念 1、单片机 目前单片机业界主流产品之一，深圳宏晶公司出品的STC89系列单片机的芯片照片，,（a）双列直插DIP封装,（b）贴片式封装,1.1 单片机,1.1.1 单片机的概念 2、单片机的应用领域 单片机的应用领域十分广泛，如智能仪表(各类检测仪表、数字电压表、数字示波器)、家用电器（洗衣机、空调等）、军事装置（夜视仪、导航仪）、实时工业控制(电镀生产线、工业机器人)。 单片机在系统中主要起到测量和控制的作用。各种机械装置一旦用上了单片机，就能使得产品升级换代，并会将其名称冠以“微电脑控制”、“智能型”标志。,1.1 单片机,1.1.1 单片机的概念 2、单片机的应用领域 单片机在仪表、家电、火箭领域的应用图片。 其中最左侧的仪表是由本书主编指导本科学生自主研发的水体化合物分析仪器，其能够实现在线检测水体中氨氮及亚硝氮等化合物的含量。是单片机和分析化学原理相结合的跨学科成果。,1.1 单片机,1.1.1 单片机的概念 2、单片机与计算机(PC)的区别 从本质上讲，单片机和计算机属于同祖同宗，单片机追求的是满足特定功能的基础上，体积要足够小，终极目标是将尽量多的外设集成到芯片内部；而计算机则追求的主要是高速运算、海量存储，对体积没有显著要求。 单片机与普通微型计算机的不同之处在于其将CPU、ROM和RAM三部分，通过内部总线连接在一起，集成于一块芯片上。,1.1 单片机,1.1.2 单片机的发展历史及产品近况 1、51系列单片机的诞生 第一阶段(1974-1976)单板机的产生：单板机是单片机的前身。风靡我国上世纪80年代，由北京工业大学研发、生产的TP801单板机就是以Z80为内核设计的。有代表性的还有美国Fairchild (仙童)公司的F8系列。 第二阶段(1976-1978) 单片机的低性能阶段：最早的单片机是由美国INTEL（英特尔）公司1976年推出的MCS-48系列，其早已经退出历史舞台。,1.1 单片机,1.1.2 单片机的发展历史及产品近况 1、51系列单片机的诞生 第三阶段(1978-1983)单片机的基本发展阶段：这一时期INTEL公司的8031单片机因为简单可靠、性能良好获得了很大的好评。此后INTEL公司发展出了MCS-51系列单片机系统，“MCS”代表了INTEL公司的产品。 其中基本型产品是8031/8051/8751(对应的低功耗是80C31/80C51/87C51)和增强型的8032/8052/8752单片机。MCS-51系列单片机的产品典范是8051单片机。INTEL公司以专利转让或技术交换的形式把8051的内核技术转让给了世界许多半导体芯片厂家，如ATMEL、Philips（飞利浦）、LG、ADI。这些厂家生产的兼容机与8051的内核结构与指令系统相同，并在此基础上不断完善其性能，形成了后来称作“8051系列单片机”的庞大体系,1.1 单片机,1.1.2 单片机的发展历史及产品近况 2、51系列单片机的发展 从1983年至今，8位51系列单片机不断自我发展、长盛不衰。这时8位单片机追求更低的功耗，从而8051系列中的大部分产品已经发展成为80C51，其字符“C“表示了单片机内部集成电路工艺的CMOS化，其功耗更低。 更多的外围电路被装入单片机内部，“单片化”设计思想被更大、更广的应用于单片机芯片设计中。在我国市场上曾经风靡的机型有台湾华邦(Winbond)公司的W78系列，美国ATMEL(爱特梅尔)公司的AT89C5X系列以及AT89S5X系列单片机。,1.1 单片机,1.1.2 单片机的发展历史及产品近况 3、AVR、PIC进入8位机主流市场 目前8位单片机市场上占有率高的除了采用复杂指令集(CISC)的51系列，还有AVR和PIC(Peripheral Interface Controller)系列单片机。 其中AVR单片机是1997年美国Atmel公司挪威设计中心的A先生与V先生共同研发出的，所以就简称AVR，其第三个字母R代表了该芯片CPU的精简指令(RISC)结构。 PIC单片机是美国Microchip(微芯)公司的产品，PIC单片机CPU亦属精简指令结构，分别有33、35、58条指令。其种类多，芯片抗干扰能力强，也是可以和51系列单片机抗衡的单片机。 其他如Motorola(摩托罗拉)单片机、Scenix(西门子)单片机、EPSON(爱普生)等诸多公司的单片机也在8位单片机市场占有自己的位置。,1.1 单片机,1.1.2 单片机的发展历史及产品近况 4、16位和32位高档单片机的推出 20世纪90年代初，随着工业控制领域要求的提高，各大公司都开始推出16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。但TI(美国德州仪器)公司出品的MSP430系列以其超低功耗的特性在仪器仪表及手持设备领域占有绝对优势。 进入21世纪，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场，其中ARM7是典型代表。 总之，目前市场以8位低端和32位高端单片机齐头并进的形式存在、发展。8位单片机的性能得到了飞速提高，处理能力比起20世纪80年代提高了数百倍，其主要应用在工业控制领域。32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的个人电脑CPU，主要应用在高端智能通信设备领域。,1.1 单片机,1.1.3 嵌入式处理器家族 4、16位和32位高档单片机的推出 具有各种不同体系结构的处理器构成了嵌入式处理器家族，它们是嵌入式系统的核心部件。据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种数已经超过1000种，按其体系结构主要分为如下四类： 单片机（嵌入式微控制器）； 嵌入式数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)； 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit，EMPU) 片上系统(System On Chip，SOC)。,1.1 单片机,1.1.3 嵌入式处理器家族 具有各种不同体系结构的处理器构成了嵌入式处理器家族，它们是嵌入式系统的核心部件。据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种数已经超过1000种，按其体系结构主要分为如下四类： 单片机（嵌入式微控制器）； 嵌入式数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)； 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit，EMPU) 片上系统(System On Chip，SOC)。,1.1 单片机,1.1.3 嵌入式处理器家族 1、嵌入式数字信号处理器(DSP) DSP是非常擅长于高速实现各种数字信号处理运算（如数字滤波FFT，频谱分析等）的嵌入式处理器。 1981年，美国TI(Texas Instruments)公司研制出了著名的TMS320系列，首片低成本、高性能的DSP处理器芯片TMS320C10，使DSP从概念走向了产品。,1.1 单片机,1.1.3 嵌入式处理器家族 2、嵌入式微处理器(EMPU） 嵌入式微处理器(EMPU）的基础是通用计算机中的CPU。EMPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。但是，嵌入式微处理器在功能方面与标准的微处理器基本上是一样的。嵌入式处理器目前最成功的就是32位ARM系列，其性能已经与几年前的笔记本电脑相当，主要有ARM7、ARM9、ARM11以及最新的ARM Crotex 系列。,1.1 单片机,1.1.3 嵌入式处理器家族 2、嵌入式微处理器(EMPU） 以嵌入式微处理器为核心的嵌入式系统能够运行实时多任务系统，因此其在多媒体手机、机顶盒、数字电视等领域都应用广泛。 “嵌入式系统”这个名词在业界已经应用很久，但是对其的定义仍然存在很多争论。广义上讲，凡是系统中嵌入了“嵌入式微处理器”，如：单片机、DSP、嵌入式微处理器，都称为“嵌入式系统”。但还是有人仅把“嵌入”嵌入式微处理器的系统称为“嵌入式系统”。目前人们所说的“嵌入式系统”多指后者。,1.1 单片机,1.1.3 嵌入式处理器家族 3、嵌入式片上系统（SOC） 该技术始于20世纪90年代中期，随着半导体工艺和超大规模集成电路(VLSI)设计技术的飞速发展，在一个硅片上可实现一个更为复杂的系统，这就是片上系统(SOC，System On Chip)。 SOC的核心思想就是把整个应用电子系统(除无法集成的电路)全部集成在一个芯片中，避免了大量的PCB设计及板机的调试工作。SOC将使系统设计的技术发生革命性变化，标志着一个全新时代的到来。 SOC是在集成电路( IC)向集成系统( IS)转变的大方向下产生的。在单一集成电路芯片上就可以实现一个复杂的电子系统，诸如手机芯片、数字电视芯片、DVD 芯片等。在未来几年内，上亿个晶体管、几千万个逻辑门都可望在单一芯片上实现。,1.1 单片机,1.1.4 单片机的课程地位及其学习方法 1、单片机的课程地位 单片机是大学自动化类及其相关专业的一门专业课，有些学校甚至把它列为选修课，在众多课程中，没有显出它有多么重要。为什么要学习它呢？自动化类相关专业有很多专业课，这些专业课非常重要，是各个专业存在的必需课程，学完这些课程可以使学习者成为大学者的继承人，但市场对学者继承人的需求太少，大量需要的是产品的研发者，而学习单片机课程就可以成为一个实用的研发工程师。,1.1 单片机,1.1.4 单片机的课程地位及其学习方法 1、单片机的课程地位 另外，即使是在校期间。如果你单片机实践动手能力强，可以参加国内认知度极高的国家级大学生第二课堂创新赛事。比较有代表性的有“全国大学生电子设计大赛”、“挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛和创业计划大赛”、“全国大学生智能汽车大赛”等赛事。另外还可以参加各省教育厅举报的各类赛事，如山东省规模最大的大学生赛事是“机电产品大赛”，另山东省“机器人大赛”的发展也方兴未艾。 据统计，我国的单片机年容量已达1-3亿片，且每年以大约16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。这说明单片机应用在我国才刚刚起步，有着广阔的前景。培养单片机应用人才，特别是在工程技术人员中普及单片机知识有着重要的现实意义。,1.1 单片机,1.1.4 单片机的课程地位及其学习方法 2、单片机的学习方法 51系列单片机是初学者的最佳选择 51系列单片机经过多年的发展，图书、资料丰富，相应的网站多、答疑解惑都比较容易。初学者选择51系列单片机开始，是非常明智的选择。近两年比较典型51单片机芯片是AT89C(S)51和宏晶公司的STC89C51芯片。学好51单