单片机原理与应用(概述)
单片机的工作原理与应用
单片机的工作原理与应用单片机（Microcontroller）是一种集成了微处理器核心、存储器、输入输出接口和时钟等基本功能的微型计算机系统。
它由微处理器、存储器、输入输出（I/O）端口、计时/计数器等部件组成。
单片机广泛用于电子产品中，如家电、车载设备、工业自动化、医疗设备等领域。
本文将详细介绍单片机的工作原理以及应用领域。
一、单片机的工作原理1.1 微处理器核心单片机的微处理器核心通常采用ARM、MCS-51等架构。
微处理器核心是单片机最重要的部分，负责解析和执行程序指令。
它包含算术逻辑单元（ALU）、寄存器以及总线接口等重要模块，能够对数据进行运算和逻辑操作。
1.2 存储器单片机内部集成了不同类型的存储器，包括程序存储器（ROM或Flash）和数据存储器（RAM）。
程序存储器用于存放程序指令，数据存储器用于存放程序执行过程中的临时数据。
存储器的容量决定了单片机能够存储的程序和数据量的大小。
1.3 输入输出接口单片机通过输入输出接口实现与外部设备的数据交互。
输入接口用于接收外部设备的信号输入，而输出接口用于向外部设备输出数据。
常见的输入输出接口包括GPIO（通用输入输出口）、串口、模拟/数字转换器（ADC/DAC）等。
1.4 时钟单片机需要一个准确的时钟信号来同步其工作。
时钟信号可以是外部引脚接入的晶振，也可以是内部产生的振荡电路。
时钟信号的频率决定了单片机的工作速度，一般以MHz为单位。
二、单片机的应用领域2.1 家电单片机在家电领域有着广泛的应用。
例如空调、洗衣机、电视等家电产品经常使用单片机作为控制器，实现功能的调控和智能化操作。
2.2 车载设备单片机在车载设备中发挥着重要作用。
汽车电子控制单元（ECU）就是由单片机实现的，它可以监测和控制车辆的各种系统，如发动机控制、制动系统等，提高了车辆的性能和安全性。
2.3 工业自动化工业自动化是单片机的另一大应用领域。
单片机通过与传感器、执行器等设备的配合，实现工业生产中的自动控制、数据采集和处理等功能。
单片机原理及应用
第2章 MCS-51单片微型 计算机的结构
2.1 MCS-51单片机总体结构 MCS-51系列单片机的典型产品有8051、 8751、8031、80C51、80C31等。它们的结 构基本相同，其主要差别反映在片内存储器 的配置上有所不同。8051是ROM型单片机， 内含4KB的掩模ROM程序存储器；8751内含 4KB的可编程EPROM程序存储器；而8031 则为无ROM型单片机，使用时需外接程序存 储器。
1. MCS-51单片机总体构框图
2. MCS-51引脚功能
3. MCS-51存储器的特点 物理结构上有四个存储空间： 片内程序存储器； 片外程序存储器； 片内数据存储器； 片外数据存储器。
从用户使用的角度，即从逻辑上划分3个 存储器地址空间： 片内外统一偏址的64KB的程序存储器地 址空间； 片内256B数据存储器地址空间； 片外64KB的数据存储器地址空间；
2. 十六进制数 计算机在输入输出或书写时，可采用十 六进制数表示相应的二进制数。 十六进制数有十六个数字符号，其中0～ 9与十进制相同，剩余六个为A～F分别表示 十进制数的10～15，计数原则是逢“十六进 一”，也称其基数为十六。
3. 不同数制之间的转换 计算机中的数只能用二进制表示，十六 进制数适合读写方便的需要，日常生活中 使用的是十进制数，计算机根据需要对各 种进计算机内部所有数据均用二进制代码的形式表 示。 计算机通过输入设备（如键盘）输入信息和通 过输出设备输出信息也是多种形式的，即有数字、 字母，也有各种控制符号及汉字等。为此，需要对 常用的数据及符号等进行编码，以表示不同形式的 信息。这种以编码形式所表示的信息既便于存储， 也便于由输入设备输入信息、输出设备输出相应的 信息。
第3章 MCS-51单片机指 令系统
单片机原理及应用总结
单片机原理及应用第一章绪论1.什么叫单片机？其主要特点有哪些？在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。
特点：控制性能和可靠性高、体积小、价格低、易于产品化、具有良好的性价比。
第二章80C51的结构和原理1.80C51的基本结构a.CPU系统●8位CPU，含布尔处理器；●时钟电路；●总线控制逻辑。
b.存储器系统●4K字节的程序存储器（ROM/EPROM/FLASH，可外扩至64KB）；●128字节的数据存储器（RAM，可外扩至64KB）；●特殊功能寄存器SFR。
c.I/O口和其他功能单元●4个并行I/O口；●2个16位定时/计数器；●1个全双工异步串行口；●中断系统（5个中断源，2个优先级）2.80C51的应用模式a.总线型单片机应用模式◆总线型应用的“三总线”模式；◆非总线型应用的“多I/O”模式3.80C51单片机的封装和引脚a.总线型DIP40引脚封装●RST/V PO：复位信号输入引脚/备用电源输入引脚；●ALE/PROG：地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚；●EA/V PP：内外存储器选择引脚/片内EPROM编程电压输入引脚；●PSEN：外部程序存储器选通信号输出引脚b.非总线型DIP20封装的引脚●RST：复位信号输入引脚4.80C51的片内存储器增强型单片机片内数据存储器为256字节，地址范围是00H~FFH。
低128字节的配情况与基本型单片机相同。
高128字节一般为RAM，仅能采用寄存器间接寻址方式询问。
注意：与该地址范围重叠的特殊功能寄存器SFR 空间采用直接寻址方式询问。
5.80C51的时钟信号晶振周期为最小的时序单位。
一个时钟周期包含2个晶振周期。
晶振信号12分频后形成机器周期。
即一个机器周期包含12个晶振周期或6个时钟周期。
6.80C51单片机的复位定义：复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。
单片机原理与应用技术
单片机原理与应用技术单片机是一种集成电路，它包含了微处理器、存储器、输入输出接口和其他外设。
单片机的应用范围非常广泛，从家用电器到汽车电子设备，从医疗设备到航空航天设备，都有单片机的身影。
本文将介绍单片机的原理和应用技术。
一、单片机的原理单片机的核心是微处理器，它包含了中央处理器（CPU）、存储器和输入输出接口。
CPU是单片机的大脑，它执行指令、进行运算和控制外设。
存储器用于存储程序和数据，它包括闪存、RAM和EEPROM 等。
输入输出接口用于与外部设备进行通信，它包括串口、并口、ADC和DAC等。
单片机的工作原理是通过执行程序来控制外设。
程序是由一系列指令组成的，每个指令都是一条机器语言指令，由CPU执行。
程序可以通过编程语言（如C语言）编写，然后通过编译器转换成机器语言。
程序可以存储在闪存或EEPROM中，CPU从中读取指令并执行。
二、单片机的应用技术1. 嵌入式系统嵌入式系统是指将单片机嵌入到其他设备中，以实现特定的功能。
例如，将单片机嵌入到家用电器中，可以实现自动控制、定时开关等功能；将单片机嵌入到汽车电子设备中，可以实现车载娱乐、导航、安全控制等功能。
2. 无线通信单片机可以通过串口或SPI接口与无线模块（如WiFi、蓝牙、ZigBee 等）进行通信，实现无线数据传输。
例如，将单片机与WiFi模块配合使用，可以实现智能家居、远程监控等功能；将单片机与蓝牙模块配合使用，可以实现无线音频传输、智能手环等功能。
3. 机器人控制单片机可以控制机器人的运动、感知和决策。
例如，将单片机与电机驱动器配合使用，可以实现机器人的运动控制；将单片机与传感器配合使用，可以实现机器人的环境感知；将单片机与算法配合使用，可以实现机器人的决策和智能化。
4. 工业自动化单片机可以控制工业设备的运行和监控。
例如，将单片机与PLC（可编程逻辑控制器）配合使用，可以实现工业自动化控制；将单片机与传感器配合使用，可以实现工业设备的监测和诊断。
单片机原理及应用第1章 概述
第1章 概 述 第四阶段是以嵌入式Internet为标志的嵌入式系统，这是 一个正在迅速发展的阶段。
目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随 着Internet的发展和Internet技术与信息家电、工业控制 技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合将 代表着嵌入式技术的真正未来。
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第1章 概 述
1.2 单片机的发展概况
1.2.1 数据总线位数的发展
1．4位单片机阶段
自1975年美国德克萨斯仪器公司首次推出4位单片机TMS1000后，各个计算机生产公司竞相推出4位单片机。例如美国国 家半导体公司(National Semiconductor)的COP402系列，日本电 气公司(NEC)的μPD75XX系列，美国洛克威尔公司(Rockwell)的 PPS/1系列，日本松下公司的MN1400系列，富士通公司的MB88 系列等。
的接口电路设计技术。
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第1章 概 述
单片机与嵌入式系统
• 嵌入式系统定义
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础， 并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它 一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作 系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现 对其他设备的控制、监视或管理等功能。
(4) 单片机的外部扩展能力强。在内部的各种功能部分不能满 足应用需求时，均可在外部进行扩展(如扩展ROM、RAM，I/O 接口，定时器/计数器，中断系统等)，与许多通用的微机接口芯 片兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。
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第1章 概 述
1.3.2 单片机的优点及应用
(1) 体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便地 组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。
单片机的原理及应用
单片机的原理及应用单片机（Microcontroller Unit，简称MCU）是一种集成电路，具有处理器核心、存储器和各种外设接口，被广泛应用于各个领域。
本文将介绍单片机的原理以及一些常见的应用。
一、单片机的原理单片机作为一种嵌入式系统，其原理是通过将处理器、存储器和外设集成在一个芯片上，形成一个完整的计算机系统。
这种集成能力使得单片机具备了较高的性能和灵活性。
具体来说，单片机的原理包括以下几个方面：1. 处理器核心：单片机内部搭载了一个或多个处理器核心，常见的有8位、16位和32位处理器核心。
处理器核心负责执行指令集中的指令，对输入信号进行处理并控制外设的工作。
2. 存储器：单片机内部包含了程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。
ROM用于存储程序代码，RAM用于存储数据。
这些存储器的容量和类型不同，可以根据实际需求进行选择。
3. 外设接口：单片机通过外设接口与外部设备进行通信。
常见的外设接口包括通用输入输出（GPIO）、串行通信接口（UART、SPI、I2C）、模拟数字转换器（ADC）等。
外设接口使单片机能够与其他硬件设备进行数据交互。
4. 时钟系统：单片机需要一个稳定的时钟信号来同步处理器和各个外设的工作。
时钟系统通常由晶振和计时电路组成，产生稳定的时钟信号供单片机使用。
二、单片机的应用单片机作为一种高性能、低成本、小体积的集成电路，广泛应用于各个领域。
以下是一些单片机的常见应用：1. 家电控制：单片机可以作为家电控制系统的核心，通过与传感器、执行器等外部设备的连接，实现对家电的智能控制。
例如，通过使用单片机可以实现空调、电视、洗衣机等家电的远程控制和定时控制等功能。
2. 工业自动化：单片机在工业自动化中发挥着重要的作用。
它可以用于控制和监控工业设备，实现自动化生产。
例如，生产线上的温度、压力、速度等参数可以通过单片机进行实时采集和控制。
3. 智能交通：交通系统中的信号灯、执法摄像头等设备可以利用单片机进行控制和管理。
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条件转移指令
子程序调用与返回
根据某个条件判断的结果来决定 程序是否转移到指定的地址执行， 如JZ（零转移）、JNZ（非零转 移）等。
子程序是一段可以独立执行的程 序段，通过调用指令CALL实现子 程序的调用和返回。在调用子程 序时，需要将返回地址压入堆栈； 在子程序返回时，再从堆栈中弹 出返回地址并执行返回操作。
人机交互设备（键盘、显示器等）接口设计
键盘接口设计
通过扫描键盘矩阵或接收键盘中断的方式，读取按键信息并转 换为相应的数据或命令。
显示器接口设计
根据显示器的类型和通信协议，设计相应的接口电路和驱动程 序，实现单片机对显示器的控制和数据传输。
应用实例分析：智能家居控制系统设计
系统概述
介绍智能家居控制系统的功能、 组成和工作原理，包括中央控制 器、传感器、执行器等部分。
AVR系列
ARM系列
采用先进的RISC结构，具有高速度、低功耗、 丰富的外设接口等特点，适用于物联网等领 域。
采用高性能的32位RISC结构，具有强大的处 理能力和丰富的外设接口，适用于高端嵌入 式系统等领域。
02
单片机基本原理
微处理器结构与工作原理
微处理器内核结构 包括算术逻辑单元（ALU）、寄存器组、控制单元等。
04
C语言程序设计在单片机 中的应用
C语言与汇编语言比较
高级语言与低级语言
C语言属于高级语言，具有易于理解、编写和维护的特点；而汇编 语言是低级语言，更接近硬件，但编写复杂且可读性较差。
可移植性
C语言具有良好的可移植性，可以在不同平台上运行；而汇编语言 与特定硬件平台紧密相关，可移植性差。
执行效率
创建工程文件
在编译器中创建新的工程文件，并添 加源代码文件、头文件等。
单片机原理及应用
单片机原理及应用教案福建省三明工贸学校机电技术应用第一章绪论第一节单片机单片机即单片机微型计算机，是将计算机主机(CPU、内存和I/O接口)集成在一小块硅片上的微型机。
第二节单片机的历史与现状第一阶段（1976~1978年）：低性能单片机的探索阶段。
以Intel公司的MCS-48为代表，采用了单片结构，即在一块芯片内含有8位CPU、定时/计数器、并行I/O口、RAM 和ROM等。
主要用于工业领域。
第二阶段（1978~1982年）：高性能单片机阶段，这一类单片机带有串行I/O口，8位数据线、16位地址线可以寻址的范围达到64K字节、控制总线、较丰富的指令系统等。
这类单片机的应用范围较广，并在不断的改进和发展。
第三阶段（1982~1990年）：16位单片机阶段。
16位单片机除CPU为16位外，片内RAM和ROM容量进一步增大，实时处理能力更强，体现了微控制器的特征。
例如Intel 公司的MCS-96主振频率为12M，片内RAM为232字节，ROM为8K字节，中断处理能力为8级，片内带有10位A/D转换器和高速输入/输出部件等。
第四阶段（1990年~）：微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展。
第三节单片机的应用领域一、单片机在仪器仪表中的应用二、单片机在机电一体化中的应用三、单片机在智能接口和多机系统中的应用四、单片机在生活中的应用第二章硬件结构第一节MCS-51单片机及其演变特点（1）一个8位微处理器CPU。
（2）数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR。
（3）内部程序存储器ROM。
（4）两个定时/计数器，用以对外部事件进行计数，也可用作定时器。
（5）四个8位可编程的I/O（输入/输出）并行端口，每个端口既可做输入，也可做输出。
（6）一个串行端口，用于数据的串行通信。
（7）中断控制系统。
（8）内部时钟电路。
第二节80C51单片机的基本结构1) 中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制功能。
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嵌入式系统应用的平台化
厂家的商业平台
技术支持环境 配套 集成开发环境 软硬件技术平台
用户的应用平台
基础平台设计 外围扩展规划 软硬件平台库建设 平台文档 及应用规范建设基
3.嵌入式操作系统的分类
从嵌入式系统的应用来分类 ▉ 低端设备的嵌入式操作系统：各种工业控 制系统，计算机外设，民用消费品的微波炉， 洗衣机，冰箱等,比如uCOS 等； ▉ 高端设备的嵌入式操作系统：信息化家电， 掌上电脑，机顶盒、WAP手机，路由器，比如 wince, linux等。
单片机原理及应用（绪论）
宁静
联系方式: 87634693(o)
教材：单片微型计算机原理、接口及应用
（第二版）
徐惠民 安德宁 编著
北京邮电大学出版社
参考书目：
单片机原理与接口应用 兵器工业出版社 候紫达 智能化测量控制原理与设计 北京航空航天大学出版社 徐
爱钧 MCS-51系列单片机系统接口及应用 北京航空航天大学
（2） 仪表：数字示波器、智能化医疗仪器、智能化 数字仪表
（3） 办公用品：打印机、复印机、智能化绘图仪 （4） 一般用品：游戏机、电子称 （5） 智能家电：电饭锅、组合音响、洗衣机
单片机与嵌入式系统
嵌入式系统的由来：
微型计算机功能的划分：
数值计算：海量、高速（通用计算机系统） 智能控制：对象嵌入，I/O控制（嵌入式计算机系统）
ARM的发展历史
1985年4月26日第一个ARM原型诞生在英国剑 桥的Acorn公司
1990年成立了Advanced RISC Machines Limited
20世纪90年代，ARM32位嵌入式RISC处理器 占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应 用领域的领先地位
ARM处理器的3大特点：
出版社 何立民 MCS-51系列单片机实用接口技术 李华 主编 北京航
空航天大学出版社
微型计算机IBM-PC/XT[0520系列]系统原理及应用（上） 清华大学出版社 周明德
课程规划 （1）微机原理基础知识介绍 （2） MCS-51单片机原理介绍 （3） MCS-51单片机的系统扩展（接口技术）
研究对象到底是什么？ 与我们日常生活有无关系？ 国内外发展的历史，现状以及趋势？ 单片机系统的开发过程？
1.1单片微型计算机发展简况
单片机的定义
用一块集成电路芯片集成微型计算机的基本功能部件，
则此芯片被成为单片机。（Single-chip Microcomputer）
MCU
(Micro Controllor Unit)
几种单片机封装形式
单片机的特点——与PC的区别
（1） 单片机小巧，灵活，易于组织成实用系统。 小巧在于单片机集成了微处理器的基本功能（而不 是全部功能）
（2） 特殊的单片机有专门的用途：如有用做控制的 单片机，用做数据处理的单片机（3）最主要的源自：价格便宜单片机的广泛应用
（1） 工业上：数控机床、机器人控制、汽车控制、 飞行器制导系统
ARM知识产权无处不在
●工业控制：
工业设备是机电产品中最大一类
过去在工业过程控制、数字机床、电力系统、 电网安全、电网设备监测、石油化工系统等方 面，大部分低端型设备主要采用是８位单片机。
随着技术发展，目前许多设备除了进行实时 控制，还须将设备状态，传感器的信息等在显 示屏上实时显示。
●信息家电
Microcontroller:
扩展了许多控制功能
A/D PWM WDT 高速I/O等
单片机的发展史(以美国intel公司为例)
第一代：8位通用单片机—— MCS-48系列， 第二代：8位增强型单片机—— MCS－51系列， 第三代：外部接口电路扩展—— MCS-96系列，
80C51系列 ARM
小体积、低功耗、成本低、高性能； 16位/32位双指令集 全球众多的合作伙伴
ARM（Advanced RISC Machines）是英国知 识产权核（IP）设计公司，既可以认为是一个 公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的 通称，还可以认为是一种技术的名字。
ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开 发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从 事芯片生产，靠转让设计许可。
信息家电将成为嵌入式系统最大的应用领域。
只有按钮、开关的电器显然已经不能满足人 们的日常需求。 具有用户界面，能远程控制，智能管理的电 器是未来的发展趋势，如冰箱、空调等的网 络化、智能化等。
●消费类电子
智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。
●交通管理、环境监测
交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与 汽车服务方面，目前GPS设备已经从尖端产品 进入了普通百姓的家庭，只需要几千元 • 水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监
测、 堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水
源 和空气污染监测。 •加油站、停车场管理
思考题(一)：
1 什么叫做单片机，它与单板机，多板机有何区别？ 微处理器( CPU) : 控制器+运算器 集成在一片或几片芯片里，是 微型计算机的核心部件，是衡量微型计算机性能的重要指标。 单板机：将CPU，存储器，接口电路，键盘，显示屏等设计在一 块电路板上。例如：Z80单板机。 单片机：将CPU，存储器，接口电路等集成在一片芯片里。 例如：Intel 8051、Intel 8098
新的发展——ARM
ARM公司是享誉全球的知识产权（IP）供应商，提供高性 能低功耗IP设计的授权。
全球20家最大的半导体厂商中有19家是ARM的用户 发售了超过10亿个ARM微处理器内核 在2001年，全行业74.6%采用的是ARM的微处理器结构。
ARM公司通过出售芯片技术授权，而非生产或销售芯片， 建立起新型的微处理器设计、生产和销售商业模式。
嵌入式计算机的定义：
嵌入到对象体系中的专用计算机系统 关键词：计算机、嵌入性、专用性
特点：由嵌入对象紧耦合引起的
采样、控制要求（接口电路、实时性） 环境要求（体积、可靠性） 专用要求（软硬件的裁剪性）
知识平台的基本特点
平台的广义性（广泛到人类领域） 明确的工具性（给他人使用的工具） 知识的黑洞性（不断扩展的知识） 傻瓜应用界面（使用时不需了解平台知识） 平台的商业性（平台创建与平台应用的市场