毕业论文：单片机设计基础.docVIP

上篇 单片机设计基础 第1章 绪 论 从1946年世界上诞生了第一台电子计算机ENIAC后，经过五十多年的发展，已经历了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大规模集成电路计算机和超大规模集成电路计算机五代的发展历程。微型计算机（微机）是第四代计算机的重要代表，它将运算器、控制器和寄存器集成在一块芯片上，构成微处理器，然后配以存储器、输入/输出接口电路，组成微型计算机。 1.1 单片机简介 单片机是微机的一种，是将微机的CPU、存储器、I/O接口和总线制作在一块芯片上的大规模集成电路。由于单片机具有体积小、功能全、价格低、开发应用方便等优点，又可将其嵌入产品内部，因此得到了极其广泛的应用。 1.1.1 单片机的发展史 单片机的发展大致可分为4个阶段。 1．初始阶段 由于受到技术发展的影响，单片机的制作工艺较差、集成度较低，这个阶段的单片机多采用双片结构，且功能比较简单。有些单片机在应用过程中，由于内部资源太少，需要外接其他功能芯片才能实现应用功能。 2．低性能阶段 在此阶段，单片机的功能有了进一步发展，相关的接口电路、定时器、计数器等都集成到一个芯片中。同时单片机被推向市场，促进了单片机的变革。 3．高性能阶段 在这个阶段，单片机的品种逐渐增加，功能不断完善，其内部的RAM、ROM都有所增大，寻址范围也变大，并且增加了串行口和多级中断处理。 4．16位单片机阶段 由于电子元件、系统结构和软件技术的不断进步，单片机的制造工艺和集成度都得到迅速发展，其内部资源得到了较大的扩展，实时处理能力更强。 1.1.2 单片机的内部结构 单片机经过几十年的不断发展，其功能和组成结构基本已固定，内部结构示意图如图1-1所示。 图1-1 单片机内部结构示意图 1．中央处理器（CPU） CPU是单片机的核心部件，根据CPU字长可分为1位机、4位机、8位机、16位机以及32位机，CPU的运算速度、处理数据能力、实时控制功能等性能都与CPU的字长有关，因此，字长是衡量CPU功能的主要指标。 2．存储器 存储器按功能可分为程序存储器和数据存储器，由于单片机主要面向控制，因此一般需要大容量的程序存储器和较少的数据存储器，同时存储器类型也不一样。 （1）程序存储器 单片机内部程序存储器容量一般为1KB～64KB，通常采用只读存储器（ROM）。采用只读存储器作为程序存储器，不仅提高了可靠性，而且由于只读存储器的集成度较高、价格较低，降低了成本。 （2）数据存储器 单片机内部的数据存储器容量一般为64B～256B，通常采用静态随机存储器（RAM），还有少数单片机内采用EEPROM作为数据存储器。数据存储器可作为工作寄存器、堆栈、位标志和数据缓冲器使用。 3．I/O接口及特殊功能部件 单片机内部有数量不等的并行接口，可以作为外接输入/输出设备，通常也包含1～2个串行口，用于实现异步串行通信。特殊功能部件通常包括定时/计数器，其他例如A/D、PWM、DMA等根据不同类型的单片机，其配置不同。 1.1.3 单片机应用系统 根据单片机应用场合及系统控制的要求不同，在规模、结构上存在很大不同，根据使用功能器件的种类和数量，可分为基本系统和扩展系统。 1．基本系统 在此系统中，包含一片单片机，在该单片机中含有程序存储器和数据存储器，仅在外部配置了维持系统运行的基本部件，例如电源、输入/输出，除了这些，还包括不扩充程序存储器、数据存储器、I/O接口以及其他功能部件，因此也被称为最小系统，其结构示意图如图1-2所示。 图1-2 单片机最小系统结构示意图 2．扩展系统 在大多数系统中，由于需要实现一些特殊的功能，采用最小系统无法满足系统的控制要求，所以要扩展特殊功能部件，弥补单片机内部资源的不足。单片机扩展系统通过并行I/O口或者串行口做总线，在外部扩展了程序存储器、数据存储器、A/D转换等特殊部件，以满足控制系统的特殊要求，其结构示意图如图1-3所示。 图1-3 单片机扩展系统结构示意图 1.1.4 单片机发展趋势 随着科学技术的不断发展，单片机的工艺和集成度不断提高，其功能正朝着多功能、高性能的方向发展，主要体现在以下几个方面。 1．各种等级的单片机性能提高 随着工艺技术和集成度技术的发展，许多低端单片机的性能有了较大的提高，甚至可以完成部分高端单片机才能实现的功能，其运算速度、功能和可靠性等方面也得到了快速的发展。 （1）CPU功能增强 CPU的性能主要体现在数据处理的速度和精度上，通过增加CPU的字长、扩充硬件、提高总线速度和处理效率等手段，提高CPU的性能。 （2）内部资源增加 单片机除了CPU外还有其他部件，通过增强已有部件的性能和增加特殊功能的部件来提高单片机的性能。例如增大存储器的容量，现在一些高端单片机的程序存储器的ROM、EP