【正文】 觀因素。在發(fā)展 MCU 方面，最著名的廠家當(dāng)數(shù) Philips公司。 Philips 公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢，將 MCS51 從單片微型計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展到微控制器。因此，當(dāng)我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時(shí)，不要忘記Intel 和 Philips 的歷史功績。 單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展之路，像 MCU 階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了 SoC化趨勢，隨著微電子技術(shù)、 IC設(shè)計(jì)、 EDA工具的發(fā)展，基于 SoC的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)有較大的發(fā)展。因此，對單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。 單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，應(yīng)用面很廣，發(fā)展很快。自單片機(jī)誕生至今，已發(fā)展為上百種系列的近千個(gè)機(jī)種 單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是頗具生命力的機(jī)種。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，特別適合與控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器。通常，單片機(jī)是由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件；中央處理器、存儲(chǔ)器和 I/O 接口電路等。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖?外部設(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。 單片機(jī)的發(fā)展分為 4個(gè)階段： 第一階段（ 197476 年）：單片機(jī)初級(jí)階段。因?yàn)槭芄に囅拗?，單片機(jī)采用單片的形式而且功能比較簡單。例如美國仙童公司生產(chǎn)的 F8 單片機(jī)，實(shí)際上只西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 包括了 8 位 CPU， 64個(gè)字節(jié)的 RAM 和 2個(gè)并行接口。 第二階段（ 197678 年）：低性能單片機(jī)階段。以 Intel 公司生產(chǎn)的 MCS48系列單片機(jī)位代表，該系列單片機(jī)片內(nèi)集成有 8位 CPU， 8位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，并行 I/O 接口， RAM 和 ROM 容量較小，且尋址范圍不大與 4KB。 第三階段（ 197883 年）：高性能單片階段。這個(gè)階段推出的單片機(jī)普遍帶有串行接口。多級(jí)中斷系統(tǒng)， 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，片內(nèi) ROM,RAM 容量加大，且尋址范圍可達(dá) 64KB，有的片內(nèi)還帶有 A/D 轉(zhuǎn)換器。 第四階段（ 1983 至今） :8 位單片機(jī)鞏固發(fā)展以及 16位單片機(jī)， 32 位單片機(jī)推出階段。此階段的主要特征是：一方面發(fā)展 16 位單片機(jī)， 32 位單片機(jī)及專用型單片機(jī)。 單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它其有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件： CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部 總線系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有外存。同事集成諸如通訊接口、定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。單片機(jī)也被稱為微控制器（ Micro Controller），是因?yàn)樗钤绫挥迷诠I(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)有芯片內(nèi)僅有 CPU 的專用處理器發(fā)展而來，最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小、更容易集成于復(fù)雜而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備忠。 INTEL 的 Z80 是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，從此以后，單片機(jī)和專用處理 器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。 單片機(jī)是以工業(yè)測控對象、環(huán)境、接口特點(diǎn)出發(fā)向著增強(qiáng)控制功能，提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性方向發(fā)展，主要特點(diǎn)如下： (1)種類多，型號(hào)全 很多單片機(jī)廠家逐年擴(kuò)大適應(yīng)各種需要，有針對性的推出一系列型號(hào)產(chǎn)品，是系統(tǒng)開發(fā)工程師有很大的選擇余地。大部分產(chǎn)品有較好的兼容性，保證了以開發(fā)產(chǎn)品能順利移植，較容易的是產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)代換。 (2)提高性能，擴(kuò)大容量，性能價(jià)格比高 集成度已經(jīng)達(dá)到 300 萬個(gè)晶體管以上，總線速度達(dá)到數(shù)十微秒到幾百納秒，指令執(zhí)行周期已經(jīng)達(dá)到幾微妙到數(shù)十納秒，以 往片外 XRAM 現(xiàn)已在物理上存入片內(nèi)， ROM 容量已經(jīng)擴(kuò)充達(dá) 32K， 64K,128K 以致更大的空間。價(jià)格從幾百到幾元不等。 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 (3)增加控制功能，向真正意義上的‘單片’機(jī)發(fā)展 把原本是外圍接口芯片的功能集成到一塊芯片內(nèi)，在一塊芯片中構(gòu)造了一個(gè)完整的功能強(qiáng)大的微處理應(yīng)用系統(tǒng)。 (4)低功耗 現(xiàn)在新型單片機(jī)的功耗越來越小，供電電壓從 5V降低到了 ，甚至 1V，工作電流從 mA 降到 uA 級(jí)， gz2 頻率從十幾兆可編程到幾十千兆赫。特別是很多單片機(jī)都設(shè)置了多種工作方式，這些工作方式包括等待、暫停、睡眠、空閑、節(jié)電等。 (5)C 語言開發(fā)環(huán)境，友好的人機(jī)互交環(huán)境 多數(shù)單片機(jī)都提供基于 C語言開發(fā)平臺(tái)，并提供大量的函數(shù)供使用，這使產(chǎn)品的開發(fā)周期、代碼可讀性、可移植性都大為提高。 目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能 IC 卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī)，攝像機(jī)，全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具，電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器 人，智能儀表，醫(yī)療機(jī)械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)，開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家，工程師。 單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分為如下幾個(gè)范疇： (1)在智能儀器儀表上的應(yīng)用 單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用與儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智 能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。例如精密的測量設(shè)備（功率計(jì)，示波器，各種分析儀）。 (2)在工業(yè)控制中的應(yīng)用 用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等。 (3)在家用電器中的應(yīng)用 現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控制，從電飯煲、洗衣機(jī)、電冰箱、西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子稱量設(shè)備，五花八門，無所不在。 (4)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 現(xiàn)在的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方 便的與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)、電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動(dòng)電話，集群移動(dòng)通信，無線電對講機(jī)等。 (5)在各種大型電器中的模塊化應(yīng)用 某些專用單片機(jī)設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進(jìn)行模塊應(yīng)用，而不要求使用人員了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如音樂集成單片機(jī)，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別與磁帶機(jī)的原理），就需要復(fù)雜的類似于計(jì)算機(jī)的原理。如：音樂信號(hào) 以數(shù)字的形式存于存儲(chǔ)器中（類似于 ROM），由微控制器讀出，轉(zhuǎn)化為模擬音樂電信號(hào)（類似于聲卡）。 在大型電路中，這種模塊化應(yīng)用極大的縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯(cuò)誤率，也方便與更換。 此外，單片機(jī)在工商，金融，科研，教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 2 任務(wù)分析與設(shè)計(jì)思路 本次設(shè)計(jì)要求 運(yùn)用所學(xué)單片機(jī)原理、模擬和數(shù)字電路等方面的知識(shí)，設(shè)計(jì)出一臺(tái)交通信號(hào)燈，模擬路口交通信號(hào)。交通燈要求如下： 1）交通信號(hào)燈能夠控制東西、南北兩個(gè)方 向的交通，紅綠黃燈用對應(yīng)顏色的發(fā)光二極管代替； 2）用四個(gè) 2 位數(shù)碼管分別顯示東、南、西、北方向的通行時(shí)間，東西或南北通行時(shí)間為 30 秒，紅綠燈切換中間黃燈閃爍 5 秒。目前，我們接觸到的交通燈都位于十字路口，假設(shè)實(shí)際情況為東西南北走向的十字路口，如下圖 21 所示 圖 21 模擬路面設(shè)置顯示圖 東西南北各三盞燈，每三盞分別為紅、黃、綠三種顏色，總共十二盞燈，而實(shí)際情況下，東西方向燈亮滅一致，南北方向燈亮滅一致，故只需要按東西為一組，南北為一組，兩組交錯(cuò)亮滅來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，即可達(dá)到交通燈系統(tǒng)的控制目的。根 據(jù)以上分析那么只需要控制東南或者西北六盞燈亮滅規(guī)律就能實(shí)現(xiàn)控制，另外 ,兩組對應(yīng)一致就行了。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要求東西或者南北通行 30 秒，紅綠燈切換中間黃燈閃爍 3 秒。那么要求綠燈亮放行，放行線，綠燈持續(xù)亮（通行時(shí)間） 30 秒，黃燈亮（警告提醒時(shí)間） 3 秒，紅燈亮禁止通行，禁止線，為了簡化設(shè)計(jì)，也為 30 秒。切換過程?hào)|西南北均為黃燈閃爍。 設(shè)計(jì)思路 基于完成以上任務(wù)分析，結(jié)合所學(xué)有關(guān)知識(shí)，尤其是本學(xué)期所學(xué)關(guān)于單片機(jī)西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 的中斷系統(tǒng)和定時(shí)、計(jì)數(shù)器的相關(guān)知識(shí)及應(yīng)用，我們知道對于紅、綠、黃兩組各三盞燈的控制，可以通過把這六盞燈 分別接到單片機(jī)的六個(gè)輸出引腳，若用 P1口進(jìn)行輸出，則分配如下 圖 22 所示 圖 22 AT89C51的六個(gè)引腳對應(yīng)的輸出顯示圖 通過對 P1 口 P0～ P5編程從而實(shí)現(xiàn)控制。而各盞燈的熄滅時(shí)間的延時(shí)情況 ，則用定時(shí) /計(jì)數(shù)和中斷結(jié)合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)控制。而輸出的時(shí)間顯示則每個(gè)方向分別用兩個(gè)發(fā)光二極管顯示，十位接在 P0口，個(gè)位接在 P2 口，對 P0口 P2口編程即可實(shí)現(xiàn)控制 。 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 3 總體設(shè)計(jì) 圖 31 單片機(jī)內(nèi)部資源分布圖 分析上圖，并按其功能部件劃分可以看出， MCS51 系列單片機(jī)是由 8 大部分組成。這 8 大部分是： 1．一個(gè) 8位中央處理器 CPU（又稱為微處理器） CPU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由運(yùn)算器和控制器組成，是單片機(jī)的核心部件。其中包括算術(shù)邏輯運(yùn)算單元、 ALU、累加器 ACC、程序狀態(tài)字寄存器 PSW、堆棧指針 SP、寄存器 SP 寄存器 P、程序計(jì)數(shù)器（指令指針） PC、指令寄存器 IR、暫寄存器等部件。 2． 128 個(gè)字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存放數(shù)據(jù)、 運(yùn)算結(jié)果。 3． 4KB 的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 ROM 或 EPROM 用于存放程序、原始數(shù)據(jù)和表格。現(xiàn)在的改進(jìn)產(chǎn)品里一般都換成了 Flash西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 存儲(chǔ)器。 4. 18 個(gè)特殊功能寄存器 SFR。 CPU 內(nèi)部包含了一些外圍電路的控制寄存器、狀態(tài)寄存器以及數(shù)據(jù)輸入 /輸出寄存器，這些外圍電路的寄存器構(gòu)成了 CPU 內(nèi)部的特殊功能寄存器。 18 個(gè)特殊功能寄存器 SFR 有 3個(gè)是 16 位的，共占了 21 個(gè)字節(jié)。 5. 4 個(gè) 8 位并行輸入輸出 I/O 接口。 P0口、 P1 口、 P2 口、 P3口、（共 32 線），用于并行輸入或輸出數(shù)據(jù)。 6. 1 個(gè)串行 I/O 接口， 完成單片機(jī)與其他微機(jī)之間的串行通信。 7. 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T0、 T1。