飛卡單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐PPT

2015年6月《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐》第一章、單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)概述目錄1.1單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)

1.1.1單片機(jī)的定義與特點(diǎn)

1.1.2嵌入式系統(tǒng)的定義與特點(diǎn)

1.1.3嵌入式技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1.2嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

1.2.1嵌入式開(kāi)發(fā)語(yǔ)言

1.2.2嵌入式操作系統(tǒng)

1.2.3嵌入式技術(shù)相關(guān)術(shù)語(yǔ)

1.3單片機(jī)中的數(shù)制與碼制

1.3.1數(shù)制

1.3.2數(shù)制間的轉(zhuǎn)換

1.3.3單片機(jī)中的碼制11.1單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)1.1.1單片機(jī)的定義與特點(diǎn)單片機(jī)作為嵌入式硬件系統(tǒng)的核心之一，通常也會(huì)被成為微控制器(MCU，MicroControllerUnit)，它是把中央處理器(CPU，CentralProcessorUnit)、存儲(chǔ)器、輸入／輸出接口、擴(kuò)展功能模塊等部分集成在一小塊硅片上的集成電路(IC，IntegratedCircuit)。單片機(jī)片內(nèi)含有CPU、ROM、RAM、中斷控制、系統(tǒng)時(shí)鐘、系統(tǒng)總線和各種外圍模塊，它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上，它相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。21.1單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)單片機(jī)片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于嵌入式控制領(lǐng)域，這也是它被稱為微控制器的原因。一個(gè)單片機(jī)的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常包括：（1）中央處理器（CPU），包含算數(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU）、控制器和寄存器等（2）存儲(chǔ)器，包含ROM、RAM和FLASH等（3）功能模塊，包括定時(shí)計(jì)數(shù)器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、通信接口（UART、IIC、SPI）等（4）工作支撐模塊，包含電源、時(shí)鐘電路、復(fù)位控制、看門狗電路等31.1單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)

單片機(jī)具有功能多樣、性價(jià)比高、體積小、功耗低、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短等特點(diǎn)，可被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。1、功能多樣單片機(jī)利用當(dāng)今先進(jìn)的半導(dǎo)體器件制造技術(shù)，盡可能多地把各種計(jì)算機(jī)部件、存儲(chǔ)器和各種類型的輸入/輸出端口都集成在一塊芯片內(nèi)。2、性價(jià)比高

單片機(jī)的性能要比同類微型計(jì)算機(jī)的性能有明顯的優(yōu)勢(shì)。3、體積小

由于單片機(jī)的集成度高，可以將所有硬件集中在一塊半導(dǎo)體芯片上，因而體積較之于同類微處理器小得多，進(jìn)而使得系統(tǒng)中的控制部分體積也隨之大大縮小。41.1單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)4、低功耗

目前，許多單片機(jī)都能在低電壓、低功耗下工作，有的單片機(jī)可在3.3V，甚至能在1V下工作，電流也低到微安級(jí)，這就使得低功耗的單片機(jī)較一般的處理器具備更優(yōu)秀的功耗，符合了當(dāng)下的節(jié)能發(fā)展趨勢(shì)。5、系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短

用單片機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，由于其功能強(qiáng)，體積小，因而能使硬件設(shè)計(jì)得到極大的簡(jiǎn)化；同時(shí)利用各種配套仿真器，使用戶的編程和調(diào)試變的非常方便，大大減少了用戶系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試的時(shí)間，極大的降低了開(kāi)發(fā)周期和成本。51.1單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)1.1.2嵌入式系統(tǒng)的定義與特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)(embeddedsystem)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求，可高度定制和裁剪軟硬件資源的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

這個(gè)定義主要包含兩個(gè)信息：一是嵌入式系統(tǒng)是專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，因此必須要有處理器，具備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本特征。二是嵌入式系統(tǒng)的功能是有嚴(yán)格要求并按照指定的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。61.1單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用框圖71.1單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)以下幾個(gè)基本特征：1、具有特定功能，用于特定的任務(wù)

這個(gè)特點(diǎn)是嵌入式系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最本質(zhì)的區(qū)別。當(dāng)今，嵌入式系統(tǒng)的智能化程度越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)大，但是始終要以完成特定功能為重點(diǎn)。2、注重成本控制與功耗要求

對(duì)于很多嵌入式系統(tǒng)而言，由于功能比較單一、固定，資源比較有限，因而在規(guī)劃嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)軟硬件資源的設(shè)計(jì)通常是做到夠用即可，只要能夠滿足嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的特定應(yīng)用，就不會(huì)隨意增加資源，往往還要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和精簡(jiǎn)，從而達(dá)到控制成本的目的。

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境往往比較特殊，因而嵌入式系統(tǒng)更為關(guān)注功耗的要求，各種低功耗技術(shù)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)中。81.1單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)3、具有實(shí)時(shí)性的要求

對(duì)于一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常嚴(yán)格的嵌入式系統(tǒng)而言，系統(tǒng)能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)對(duì)外部事件作出反應(yīng)是非常關(guān)鍵的。當(dāng)然所謂的實(shí)時(shí)性也是相對(duì)而言，針對(duì)不同的應(yīng)用自然有不同的標(biāo)準(zhǔn)。4、軟硬件可靠性要求更高

由于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用在各行各業(yè)，應(yīng)用環(huán)境也復(fù)雜多變，在某些環(huán)境下一個(gè)很小的錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，因此無(wú)論是軟硬件都具有很高的可靠性要求，尤其是在特殊的應(yīng)用場(chǎng)合。5、具有較長(zhǎng)的生命周期由于嵌入式系統(tǒng)是面向具體的應(yīng)用的，它的升級(jí)換代也是和具體的應(yīng)用同步進(jìn)行，各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)和產(chǎn)品很少發(fā)生突然性的跳躍，因此嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展也體現(xiàn)出相對(duì)的穩(wěn)定性，嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品的生命周期因此也要長(zhǎng)的多。91.1單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)1.1.3嵌入式技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

嵌入式系統(tǒng)目前主要有SoC和MCU兩種形態(tài)。

SoC即片上系統(tǒng)，是將電子系統(tǒng)的幾乎全部功能集成在一塊芯片上，從而使整機(jī)成本、體積都大大降低，順應(yīng)了現(xiàn)代通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)產(chǎn)品向高性能、低成本方向發(fā)展的趨勢(shì)。SoC追求系統(tǒng)的最大包容性，是集成電路向超大規(guī)模集成電路發(fā)展而產(chǎn)生的，主要用于大批量特定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

MCU組成的則是最經(jīng)典的嵌入系統(tǒng)，其特點(diǎn)是使用MCU作為嵌入式系統(tǒng)中使用的最主要核心部件，通常用于中低端的應(yīng)用系統(tǒng)中。101.1單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)1)1971年11月Intel公司首次宣布4004的4位微處理器，1974年12月Fairchild(仙童)公司即推出了8位MCUF8，開(kāi)創(chuàng)了MCU的初級(jí)階段。2)1978年，Zilog公司推出Z8MCU。1980年，Intel公司在MCS-48的基礎(chǔ)上，推出了MCS-51，它使MCU的應(yīng)用躍上了一個(gè)新臺(tái)階。

Motorola公司于1974年開(kāi)始推出MC6800微處理器，在1979年開(kāi)始生產(chǎn)MCUMC6801，在1983年前后發(fā)展成為較高性能的M68HC05系列。3)

二十世紀(jì)九十年代是MCU制造業(yè)大發(fā)展時(shí)期，這個(gè)時(shí)期的Motorola、Intel、ATMEL、德州儀器、三菱、日立、飛利浦、韓國(guó)LG等一批企業(yè)開(kāi)發(fā)一批性能優(yōu)越的MCU，極大地推動(dòng)了MCU的應(yīng)用。

目前MCU正向①大容量、高性能化；②小容量、低價(jià)格化；③外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方向快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷地?cái)U(kuò)大。

111.1單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)51系列

51系列單片機(jī)是Intel公司在20世紀(jì)80年代初研制出來(lái)的，主要應(yīng)用在教學(xué)、工業(yè)控制、儀器儀表和信息通信中PIC系列Microchip單片機(jī)是市場(chǎng)份額增長(zhǎng)最快的單片機(jī)。強(qiáng)調(diào)節(jié)約成本的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，是使用量大、檔次低、價(jià)格敏感的產(chǎn)品。

AVR系列AVR單片機(jī)是ATMEL公司于1997年研發(fā)并推出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash程序存儲(chǔ)器的精簡(jiǎn)指令集CPU(ReducedInstructionSetCPU，RISC)的新型高速8位單片機(jī)單片機(jī)HC（S）08系列

Motorola公司研制的單片機(jī),特點(diǎn)之是：在同樣的速度下所用的時(shí)鐘較Intel類單片機(jī)低得多，因而使得高頻噪聲低，抗干擾能力強(qiáng)，更適合用于工控領(lǐng)域以及惡劣環(huán)境。

常用的單片機(jī)類型121.1單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)131.2嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)1.2.1嵌入式開(kāi)發(fā)語(yǔ)言

任何系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)時(shí)都要使用到開(kāi)發(fā)工具，其中一個(gè)重要的內(nèi)容就是開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。由于嵌入式系統(tǒng)緊湊的系統(tǒng)資源，故在一些簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)中常采用匯編語(yǔ)言來(lái)編程，但隨著嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，僅用匯編語(yǔ)言編程已很難勝任，并且高級(jí)語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言相比，更具有通用性強(qiáng)、編程方便、易于移植及可維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，如今在嵌入系統(tǒng)中已廣泛采用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

常用的高級(jí)嵌入式開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有C/C++等141.2嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)1.2.2嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。151.2嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)分類如下。（1）實(shí)時(shí)系統(tǒng)：

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)目前最重要的組成部分。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)把實(shí)時(shí)性作為第一要求，調(diào)度一切可利用的資源，以完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)，其次才是提高整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的使用效率。常見(jiàn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有：μC/OS-IIμClinuxVxWorksRTXC等161.2嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)（2）分時(shí)系統(tǒng)：

“分時(shí)”的含義是指多個(gè)用戶分享使用同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，分時(shí)隙獲取操作控制權(quán)，多個(gè)程序分時(shí)共享硬件和軟件資源。分時(shí)系統(tǒng)追求系統(tǒng)資源總體利用率最高，其特點(diǎn)在于多任務(wù)的管理。分時(shí)系統(tǒng)是一個(gè)多用戶交互式操作系統(tǒng)，現(xiàn)在PC機(jī)的操作系統(tǒng)絕大部分采用的是分時(shí)系統(tǒng)，而很少采用實(shí)時(shí)系統(tǒng)。171.2嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)常用術(shù)語(yǔ)（1）總線在嵌入式系統(tǒng)中，常包含以下3種總線：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。地址總線(AddressBus，簡(jiǎn)稱AB)：?jiǎn)蜗颍糜趥魉偷刂沸畔?。?shù)據(jù)總線(DataBus，簡(jiǎn)稱DB)：一般為雙向，用于CPU與存儲(chǔ)器、CPU與外設(shè)，或外設(shè)與外設(shè)之間傳送數(shù)據(jù)信息。控制總線(ControlBus，簡(jiǎn)稱CB)：是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有控制信號(hào)線的總稱，在控制總線中傳送的信息是控制信息。181.2嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)常用術(shù)語(yǔ)（2）時(shí)鐘周期、機(jī)器周期及指令周期時(shí)鐘周期：通常單片機(jī)在時(shí)鐘信號(hào)的作用下都以節(jié)拍方式進(jìn)行工作，因此，必須有一個(gè)時(shí)鐘生發(fā)器電路，因而所以輸入到MCU的時(shí)鐘信號(hào)的周期就稱為時(shí)鐘周期。機(jī)器周期：機(jī)器完成一個(gè)動(dòng)作所需的時(shí)間稱為機(jī)器周期，一般由一個(gè)或一個(gè)以上的時(shí)鐘周期組成。指令周期：執(zhí)行一條指令所需時(shí)間稱為指令周期，它由一個(gè)到數(shù)個(gè)機(jī)器周期組成。191.2嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)常用術(shù)語(yǔ)（3）中斷與中斷服務(wù)程序中斷：是指CPU正在處理某件事情的時(shí)候，外部發(fā)生了某一事件，請(qǐng)求CPU迅速去處理，CPU暫時(shí)中斷當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)入處理所發(fā)生的事件，處理完后，再回到原來(lái)中斷的地方，繼續(xù)原來(lái)的工作的過(guò)程。中斷服務(wù)程序則是響應(yīng)特定中斷而運(yùn)行的一段程序，其內(nèi)容為該中斷需要處理的具體操作，201.2嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)常用術(shù)語(yǔ)（4）存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)可讀寫(xiě)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM，DynamicRandomAccessMemory)：靜態(tài)可讀寫(xiě)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM，StaticRandomAccessMemory)：只讀存儲(chǔ)器(ROM，ReadOnlyMemory)：ROM有固定ROM、可編程ROM(PROM)和可擦除ROM(EPROM)三種。閃速存儲(chǔ)器(FlashMemory)：是一種快速的E2PROM。211.2嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)常用術(shù)語(yǔ)（5）模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)是時(shí)間連續(xù)、數(shù)值也連續(xù)的物理量，如溫度、壓力、流量、速度、聲音等。在工程技術(shù)上，為了便于分析，常用傳感器、變換器將模擬量轉(zhuǎn)換為電流、電壓或電阻等電學(xué)量。數(shù)字信號(hào)是一種二值信號(hào)，用兩個(gè)電平（高電平和低電平）分別來(lái)表示兩個(gè)邏輯值（邏輯1和邏輯0）。221.2嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)常用術(shù)語(yǔ)（6）并行通信和串行通信并行通信是指將數(shù)據(jù)的各位同時(shí)在多根并行傳輸線上進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)的各位同時(shí)由源到達(dá)目的地，適合近距離、高速通信。常用有4位、8位、16位、32位等同時(shí)傳輸。串行通信是指數(shù)據(jù)在單線上按時(shí)間先后一位一位地傳送，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省傳輸線，但是數(shù)據(jù)傳送速度較慢。在嵌入式系統(tǒng)中，串行通信一詞一般特指用串行通信接口(serialcommunicationinterface，SCI)進(jìn)行RS232/485通信方式。231.2嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)常用術(shù)語(yǔ)（7）看門狗看門狗(watchdog)是為了防止程序跑飛而設(shè)計(jì)的一種自動(dòng)定時(shí)器，它可以產(chǎn)生一個(gè)脈沖，讓單片機(jī)復(fù)位。當(dāng)單片機(jī)的程序正常運(yùn)行的時(shí)候，每隔一定的時(shí)間給看門狗電路發(fā)一個(gè)脈沖，使看門狗電路重新計(jì)時(shí)。當(dāng)程序因?yàn)槟撤N原因不正常運(yùn)行時(shí)（死機(jī)），就不會(huì)發(fā)這個(gè)脈沖，看門狗電路計(jì)時(shí)時(shí)間到，就會(huì)復(fù)位單片機(jī)使其重新啟動(dòng)。241.3單片機(jī)中的數(shù)制與碼制十進(jìn)制和二進(jìn)制（1）Humanbeingusebase10system(Decimal)0,1,2,3,4,5,6,7,8,9零，一，二，三，四，五，六，七，八，九Zero,One,two,three,four,five,six,seven,eight,nineI,II,III,IV,V,VI,VII,VIII,IX,X（2）Computersusebase2system(Binary)0,1YesNoTrueFalseHighLowOnOff每個(gè)二進(jìn)制數(shù)字稱為一個(gè)“位”或“比特”251.3單片機(jī)中的數(shù)制與碼制16進(jìn)制和8進(jìn)制（1）Hexadecimalisbase16system（Hex）0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F（2）Octalisbase8system(Octal)0,1,2,3,4,5,6,716進(jìn)制比二進(jìn)制更易用易記

0xABCDvs.0b10101011110011018進(jìn)制使用較少.261.3單片機(jī)中的數(shù)制與碼制十進(jìn)制->二進(jìn)制將待轉(zhuǎn)換數(shù)除以2記錄余數(shù)，并將結(jié)果繼續(xù)除以2持續(xù)上述過(guò)程，直到余數(shù)為0或1將每次的結(jié)果逆序記錄得到轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)271.3單片機(jī)中的數(shù)制與碼制二進(jìn)制->十進(jìn)制每個(gè)二進(jìn)制的位對(duì)應(yīng)一定的數(shù)值（權(quán)重）將每個(gè)二進(jìn)制位對(duì)應(yīng)的權(quán)重相加，即得到十進(jìn)制數(shù)值

23 22 21 20(weight)

1 0 1 1

=1?(23) +0?(22)+1?(21)+1?(20)

=1?(8) +0?(4)+1?(2)+1?(1)

=8 +0+2+1

=11DecimalBinarybit76543210Weightnumber27262524232221201286432168421281.3單片機(jī)中的數(shù)制與碼制二進(jìn)制<->16進(jìn)制Nibble–每4個(gè)二進(jìn)制位合并成一個(gè)nibble每個(gè)nibble對(duì)應(yīng)一個(gè)16進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制到16進(jìn)制從最低位（LSB）開(kāi)始，將二進(jìn)制數(shù)列劃分成若干個(gè)nibble，將每個(gè)nibble用對(duì)應(yīng)的16進(jìn)制數(shù)替換

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