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重庆大学通信工程学院 任勇,课程：单片机原理及应用,教材：单片机原理及应用 -使用Freescale S12X构建嵌入式系统 任勇 等编著，清华大学出版社，2012年2月第1版 学时：理论32+实验32=64 教学内容与要求：见教学大纲 实验内容与要求：见实验指导,重庆大学通信工程学院 任勇,第1章 概述,微型计算机 计算机技术带来了科研和生活的许多重大变革，可以说，标志了人类社会进步文明的又一次飞跃；更得益于大规模集成电路进步与发展，计算机的重要分支-微型计算机的发展日新月异，应用日益广泛，已渗透到生产、生活的各个方面，使许多领域的技术水平和自动化程度得以大大提高，并且越来越多的领域和越来越多的时候，人们都需要微型计算机来进行工作或间接利用其工作。 微型计算机-简称微机；微机技术的发展又形成相互独立、不同方向的两大分支： 、通用微机系统-以微处理器为核心(Micro Processor Unit)，强调处理功用，解决多方位需求。表现形式：外设配备齐全的微机系统 、单片微机系统-以微控制器为核心(Micro Controller Unit)，强调控制功用，解决单一问题。表现形式：专用功能的嵌入式产品-嵌入式系统的表现形式之一,重庆大学通信工程学院 任勇,微型计算机的基本结构,重庆大学通信工程学院 任勇,1.1 单片机的定义、发展、特点及应用,定义 在一块半导体芯片上，集成了CPU、ROM、RAM、I/O接口、定时器/计数器、中断系统等主要功能部件，构成一个芯片级的微型计算机。 由于集成电路的进步，还可以包含/、/、通信接口等部件，功能日益增强。 术语称谓 中文：微控制器=单片机=单片微机=单片微控制器 英文：MCU（Microcontroller Unit） 并非Single Chip Microcomputer 标准：微控制器（ MCU ）,重庆大学通信工程学院 任勇,MCU的发展 早期：以Intel公司为领袖，同步于通用微机，有个阶段： 第一阶段（19741978）初级，8位，MCS-48系列（带并行I/O接口、定时器计数器、无串行IO接口） 第二阶段（19781983）高级，8位，MCS-51系列（新增串行I/O接口、多级中断等功能完备，拓宽了其应用范围） 第三阶段（1983）16位单片机，MCS-96系列（16位处理，含A/D转换器，功能加强，速度加快） 其中：MCS-51系列获得了最为广泛的应用，典型型号为使用 Intel 8051内核的89C51、89S51 其它类似：Motorola MC68HC05/08系列,重庆大学通信工程学院 任勇,目前：8位、16位、32位、64位并存，各厂家、多种类并存 注：字长(位)：CPU一次能够运算处理的二进制位数。位数越高，运算处理能力越强。（有别与数据总线的位数） MCU的发展趋势 可靠性 功能模块 总线接口 CPU的处理位数 功耗、价格 MCU的主要生产厂家 Intel、Atmel、Philips（恩智浦，NXP）、Motorola、ADI、TI、Microchip、西门子、富士通、三星、凌阳、盛群 美国领先，中国没有（龙芯？！）,重庆大学通信工程学院 任勇,MCU的特点 体积小，重量轻，价格低，耗电少，可靠性高（因内部集成） 控制能力强（如位处理，直接I/O操作） 形成的产品生命周期长 资源有限（如引脚少、片内存储器容量不大，但可扩或选） 运算能力不强（如乘、除、大数据量等） MCU的应用范围 几乎“无所不在，无所不为” 渗透：工业控制、通信、交通、仪器仪表、家用电器、办公自动化、汽车电子、PC外设,重庆大学通信工程学院 任勇,MCU与嵌入式系统 MCU技术、FPGA技术和DSP技术，是目前数字电路系统设计领域公认的三大基础性技术，以这三类技术形成的应用系统也是目前嵌入式系统的主要表现形式。 其中MCU技术最为经典、应用成熟、受众面广。近年来，MCU技术发展迅速，已从传统设计技术走向现代设计技术，其功能、速度、资源正在不断加强，更加易于解决电子系统的嵌入性、微型化、低功耗、高可靠性和低价格等问题。 MCU的学习 MCU技术已经成为广大电子工程师和电类专业大学生必备的技能之一，是学习、理解、提高计算机应用开发能力的基础学科，是应用型新技术发展的基石，其重要性是不言而喻的。 软硬件兼顾并重 领会结构原理、部件功能、常规接口方法 达到：能够理解书本或别人的电路和程序，能够看懂芯片厂家的原文数据手册，能够自行设计硬件电路和软件程序 勤于实践，应用创新,重庆大学通信工程学院 任勇,单片机技术的学习方法首先是模仿验证、吸收消化，然后才是结合应用、自主创新。在这个学习过程中，需要领会单片机的结构原理、单元部件功能、常规接口方法、特殊应用方案等，要让单片机“动起来”解决实际问题，还要掌握汇编语言编程、C语言编程、调试系统、下载程序等方法，至于应用对象的行业知识可通过交流、查询得到补充。 单片机应用系统设计涉及的相关技术很多，包括了MCU结构原理、数字逻辑电路、模拟电子电路、硬件设计与制作、汇编语言编程、C语言编程、仿真调试、低功耗、抗干扰以及各种互联接口等技术，在短时间内全面掌握这些技术对于初学者来说是非常困难的。如果学习者具有深厚的基本功自然更好，假设有所欠缺也无妨，可以在单片机技术学习和应用的过程中重新回顾理解。实际上，有些知识或技术可以边用边学甚至用通了再反学，在应用中提高并积累，有些单元技术也不必深究硬啃，采用“拿来主义”共享，比如一些MCU典型电路、范例程序、基本模块等。 经过一段时间的基础学习，单片机技术学习者最终需要做到三个“能够”：能够看懂书本或别人的电路和程序；能够看懂芯片厂家的原文数据手册（DataSheet）；能够自行设计硬件电路和软件程序。这样，就是入门了。 需要指出的是，单片机的课堂教学内容或书本知识，能帮助学习者快速入门、建立概念和掌握一般应用。但要成为单片机应用开发的高手或专家，需要学习掌握的知识还很多，更需要自己摸索、实践。“高手之路”是自己走出来的，并不是老师、教本能够教出来的。,重庆大学通信工程学院 任勇,1.2 MCS-51单片机的基本了解,主要特性： 8位CPU，111条指令， DIP封装(常用)， 40引脚， 128Bytes RAM，4KBytes EEPROM(FLASH)， 4个8位并行I/O口，1个串行I/O口，2个定时器， 5个中断源， 引脚说明： 参见书P5 51单片机的引脚从名称上反映出功用，并且具有下列特点： 功能多，引脚数少，许多引脚具有第二功能。 对外呈三总线形式： 地址总线：P0口、P2口合成16位； 数据总线：P0口8位； 控制总线：由ALE、/PSEN、RST、/EA、/INT0、/INT1、T0、T1、/WR、/RD共10个引脚构成。,重庆大学通信工程学院 任勇,AT89C51的最小系统,最小系统电路原理图,汇编语言程序： ORG 0000H SJMP START ORG 0040H START: SETB P1.0 CLR P1.0 SJMP $ 运行结果：点亮LED灯,重庆大学通信工程学院 任勇,1.3 Freescale单片机,关于Freescale Freescale（飞思卡尔）半导体公司是全球最大的半导体公司之一，其前身为Motorola（摩托罗拉）半导体部，2004年从摩托罗拉分拆上市。它从1953年开始从事半导体业务，是世界半导体产业与技术的开拓者，为汽车电子、消费电子、工业控制、网络和无线市场设计并制造了众多的嵌入式半导体产品, 在微控制器领域长期居于全球市场领先地位。如1983年推出的MC68HC05是世界产量第一的8位单片机（产量第二的是8051单片机）,重庆大学通信工程学院 任勇,Freescale MCU 产品线 流水线指令结构，按位数分为： 低端8位机-HC05、HC08、HCS08、RS08系列 中端16位机-HC12、S12、S12X系列 高端32位机或DSC型- PowerPC、Coldfire、ARM、M.CORE、DSC系列 总体特点 品种全、选择余地大、新产品多（纷繁）、个性化 应用领域极广，尤其在汽车、工业、手机领域 在同样速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低很多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合用于工控领域及恶劣的环境。 重视大客户，缺乏中小用户（近年正在改善）,重庆大学通信工程学院 任勇,重庆大学通信工程学院 任勇,S12系列单片机,位数- 增强型16位 CPU内核- HC12 S12 （兼容，统称为HCS12） 最高总线频率- 8MHz 25MHz 特性 具有片内FLASH存储器、RAM、EEPROM (K量级) CPU编码效率高 背景调试（BDM，单线，低成本，在线全仿真、下载） 子系列 MC9S12A、 MC9S12B、 MC9S12D-通用 MC9S12H、 MC9S12L-带液晶驱动 MC9S12E128、 MC9S12E64-低供电电压 MC9S12UF32-带USB接口 MC9S12NE-带以太网接口,重庆大学通信工程学院 任勇,S12X系列单片机,位数- 增强型16位 CPU内核- S12 S12X （兼容，统称为S12(X)） 比S12增加2条与CCR寄存器相关的指令及其它 最高总线频率- 25MHz 50MHz 新增特性 XGATE模块-并行处理，达32位MCU的性能水平 FlexRay模块-新型的通信协议，高达10Mbps的数据速率 子系列 S12XB、S12XD-通用型 S12XE-S12系列中性能最高的 S12XS-低成本车身电子 S12XF-面向底盘控制应用的FlexRay系列 S12XH-业界第一款集成TFT图形显示驱动，仪表板应用,重庆大学通信工程学院 任勇,表1-1 S12与S12X系列中的部分MCU主要性能,重庆大学通信工程学院 任勇,选用S12(X)单片机的理由,重庆大学通信工程学院 任勇,Freescale S12(X)系列MCU的命名规则,产品状态 MC：Fully Qualified，常用 ROM存储器类型标志 无：带ROM或无，7：EPROM， 8：EEPROM，9：FLASH （常用） CPU标志 CPU内核，S12或S12X 子系列标志 如DG：DG系列产品,存储空间大小及版本 256B：256K，B为FLASH版本 工作温度范围标志 无：商用070 ；C：-4085 V：-40105 ；M：-40125 封装标志 例，FU：QFP；PV、AL:LQFP 无铅组装标志 E：生产过程无铅化,MC 9 S12