第1章 单片机和basic语言概述

AVR 单片机技术与应用 河海大学理学院 宋建平 1-1 目录 第 1 章 概述 ............................................................................................................. 1 1.1 单片机组成 ........................................................................................................ 1 1.2 单片机应用领域 ................................................................................................ 1 1.3 单片机的工作过程和运行速度 ........................................................................ 2 1.4 单片机电源和功耗 ............................................................................................ 2 1.5 单片机典型参数 ................................................................................................ 3 1.6 常用输入输出设备及其连接 ............................................................................ 3 1.7 以程控洗衣机为例的应用举例 ........................................................................ 3 1.8 主要的单片机品种 ............................................................................................ 4 1.9 AVR 单片机概述 ................................................................................................. 4 1.10 AVR 单片机的主要特点 ................................................................................... 4 第 1 章 概述 1.1 单片机组成 单片机是一种超大规模集成电路芯片，硬件基本组成包括：1，微处理器（或称 CPU）； 2，程序存储器(或称只读存储器 ROM)；3，数据存储器(或称读写存储器 RAM)；4，具有与外 界交换数据功能的输入输出接口电路(或称 I/O口)。由此可见单片机把一个完整的计算机系 统集成在一块芯片上。 一些常用的扩充模块（外围器件） 也集成到这块芯片上，常见的扩充模 块有定时/计数器（T/C）、模数转换 器（A/D）、各种常用串行通信接口(例 如：通用同步/异步串行接口 UART， 同步串行接口 SPI，一总线接口，两 线串行总线接口 I2C及其兼容接口 TWI等)等。见图 1所示。 1.2 单片机应用领域 单片机一般嵌入在应用设备之 中，用以控制和确保设备的正常运行， 所以也称为单片式嵌入式系统。 单片机功耗低、体积小、重量轻、价格便宜、性价比高，与传统的模拟控制器或纯硬件 时序控制器比较使用灵活，技术优势突出，有极高的商业价值，因此迅速在各个领域获得广 泛应用，现代社会中到处可以看到单片机的踪影。 一般来说，单片机的主要应用领域有： 1， 智能仪表仪器和机电仪一体化领域； 图 1 第 1 章 概述 河海大学理学院 宋建平 1-2 2， 工业控制、机器人、自动化生产流水线； 3， 网络和通信； 4， 汽车应用； 5， 家用电器控制； 6， 电子医疗设备； 7， 电源技术。 1.3 单片机的工作过程和运行速度 单片机是在时钟产生的时序信号控制下工作的。单片机的 CPU从第一条指令开始逐一执 行预先存储在只读程序存储器(ROM)中的用户程序，产生的中间数据和结果（变量）存放在 CPU寄存器和数据存储器(RAM)中，并通过各种输入输出接口或集成在内部的外围器件与外 界交换数据信息，从而可以接受设备的状态信息数据、经过判断处理、输出各种控制信号来 控制和保证设备正常运行。 单片机可以通过程序中的无限循环连续工作下去。 由此可知，单片机工作时必须具备以下三个条件： 1， 由器件和电路构成的硬件； 2， 由可运行用户程序构成的软件； 3， 可以产生时序信号的时钟； 特别要强调的是单片机是在时钟信号作用下工作的。时钟信号是一系列时间上顺序排列 的高低电平翻转，时钟信号被加到单片机的各个组成部分。时钟电平未翻转时，单片机的硬 件状态处于静止状态，不发生变化，只有在时钟信号发生电平翻转时硬件状态才发生变化。 例如：单片机各引脚的电平（数据）在时钟脉冲的高电平或低电平持续期间处于稳定状态， 当时钟脉冲由低变高或由高变低时（翻转）的瞬间，引脚上的数据才可能发生变化。因此单 片机在运行时一定需要一个时钟信号。时钟信号频率越高，单片机工作速度越快。 如果单片机处理数据时只有一个数据位就称为一位单片机，原则上只需要一条数据引线 输入或输入数据即可。通常单片机采用多位数据并行处理方式工作，这就像把多个 1位的单 片机并联起来，在同一个时钟电平翻转下就可以进行多位二进制数据的处理，这样使得单片 机的数据处理速度大大加快，单片机并行处理的数据位数一般有，4位，8位，16位，32 位或更高，本书的模型机采用 8位数据位宽的单片机，数据线有 8条。 单片机的数据处理能力在空间上取决于其并行处理的能力即数据位宽，在时间上取决于 其运行速度。数据越宽，运行速度越快，数据处理能力越强。 1.4 单片机电源和功耗 单片机工作时的能量来自于电源。其功耗主要取决于制造工艺、工作电压、运行速度（时 钟频率和并行数据的宽度）等。CMOS工艺是目前功耗较小的制造工艺，工作电压越低，运 行速度越低则功耗越低。典型的单片机工作电压为 2～5V，工作电流为数 mA量级，待机电 流可小于μ A量级。 AVR 单片机技术与应用 河海大学理学院 宋建平 1-3 1.5 单片机典型参数 现阶段单片机典型的硬件参数为： 1， 工作频率为 1～16MHz； 2， 位宽为 8～16 位； 3， ROM：1KB～256KB； 4， RAM：128B～8KB； 5， 功耗数微瓦～数毫瓦； 对比目前的 PC机的典型参数：工作频率为 1GMHz左右、位宽为 32～64位，ROM：数十～ 数百 GB、RAM：数百 MB～数 GB，功耗数瓦～数十瓦，比较 pc机，单片机性能虽然差别很大， 但是却更适合嵌入在具体应用对象里面，比如手机、MP3、电饭煲、空调、洗衣机等。 1.6 常用输入输出设备及其连接 如图 1所示，单片机通过 IO 接口或扩充模块接口与外部电路交换信息，这些接口通过 引脚与外部完成连接。交换的信息既有模拟信号又有数字信号，既有输入又有输出。 单片机的输入装置通常有各种物理量传感器，按键，开关，定时器，串行接口等，这些 输入装置有些需要通过信号调理匹配电路、AD转换电路、电平匹配电路方能连接到单片机 的输入引脚。 单片机的输出执行装置通常有用于控制的继电器，各种显示器装置，步进电机，光耦开 关，串行接口等。这些输出装置有些需要通过驱动和电平匹配电路方能连接到单片机的输出 引脚。 设计一个单片机应用系统，不仅需要具有对单片机本身开发设计的能力，而且需要对这 些常用输入输出设备及其应用电路设计有比较丰富的经验和较高的设计能力。 1.7 以程控洗衣机为例的应用举例 以程控洗衣机为例，单片 机的输入接口与水位传感器 (检测洗衣桶水位高低)，称重 传感器（检测被洗衣服总量）， 温度传感器（检测水温），混 浊度传感器等（检测干净程 度），按键开关（人机界面）， 单片机的输出接口与洗衣电 机（洗衣桶转动），电磁阀门 （进排水），加热器（控制水 温）显示器和指示灯（人机界 面）等执行设备连接。厂家把 洗衣的用户程序预先存储到 单片机的 ROM里，洗衣机运行 时，CPU在时钟控制下，逐条 图 2 第 1 章 概述 河海大学理学院 宋建平 1-4 执行用户程序，读取输入信息，对输入数据进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 处理，形成控制执行设备所需的数据， 通过输出接口控制执行设备运行，完成洗衣任务。 单片机控制的设备只要改变程序，硬件上不作任何改动，就可以改变设备的某些功能。 例如通过修改程序就可以增加某段洗衣程序的电机转速以提高洗涤强度，或把两个按键的功 能互相对换等，这在过去至少要改变洗衣机的时序控制器和硬件连线。 单片机在电子产品中广泛应用的意义不仅在于它的应用普及和由此带来的经济效益，而 且还在于它改变了传统的设计理念和控制方法。 1.8 主要的单片机品种 目前我国市面上流行的主要单片机品种有： 1：Intel公司 MCS-51 系列：该系列是目前应用最广泛的 8位单片机，ATMEL、LG、SIEMENS、 PHILIPS等公司都生产该系列兼容的芯片。 2：Intel公司的 51系列和 96系列 3： ATMEL公司 AVR系列 ，该系列为本书采用的模型单片机。 4： Microchip公司 PIC系列 5： Zilog公司 Z86系列 6： TI公司 MSP430系列超低功耗系列 7： 其它常用的单片机有 OKI、日立、东芝、三星、EPSON、国半等公司的单片机。 1.9 AVR 单片机概述 ATMEL公司是著名的集成电路生产商，在 Flash 存储器技术方面处领先地位，早在 80 年代末就推出带有片内集成电可擦写程序存储器的 89C51系列单片机，以其低廉的价格进入 市场，迅速提高了其市场份额，成为单片机市场的后起之秀。 ATMEL公司生产的 AVR系列单片机内核是基于增强的 AVR RISC （Reduced Instruction Set CPU，精简指令集 CPU）结构的低功耗 CMOS单片机，具有 8位数据宽度，由于其先进的 指令集（大部分指令长度为一个字长）以及单时钟周期指令执行时间，可使数据吞吐率达 1MIPS／MHz，以减缓系统功耗和速度之间的矛盾，AVR内核具有以字长为指令长度的精简指 令集和 32个通用寄存器，每个寄存器都与算数运算单元相连接，使得一条指令在一个时钟 周期内可以同时访问两个独立的寄存器，这种结构相当于有 32个累加器，大大提高了代码 效率，并具有比普通 SISC（Complex Instruction Set CPU,复杂指令集 CPU）结构单片机 高至 10倍的数据吞吐率。AVR 单片机片内 ISP Flash 允许程序存储器通过 ISP 串行接口编 程，可以迅速地反复地直接在用户板上修改和下载程序，大大简化了单片机的应用开发。 AVR系列单片机是在其内核基础上，通过对内核 ROM、RAM大小的配置、对扩充模块的 取舍、对封装的优化，形成不同功能需要和市场定位的高中低档数十个型号的单片机。 1.10 AVR 单片机的主要特点 ATMEL公司的 AVR 内核和其先进的 Flash存储器技术相结合，使 AVR单片机具有如下优 点： 1， 速度快。采用增强的 AVR RISC结构，使数据吞吐率达 1MIPS／MHz ； 2， 容量大： 内部程序存储器 ROM可达 256K； AVR 单片机技术与应用 河海大学理学院 宋建平 1-5 内部静态低功耗数据存储器 SRAM达 128～4KB 大部分场合不必再扩充 ROM和 RAM； 3， 功耗低，采用 CMOS工艺制造； 4， 程序存储器 ROM为 FLASH存储器（俗称：闪存、FLASH），可多次擦写，擦写寿命 多达 1万次； 5， FLASH程序存储器配有 ISP串行接口。可使用 ISP串行接口把目标程序快速地、多 次地下载到 AVR单片机的 FLASH程序存储器中，故用户可以直接在用户目标板上 反复修改、下载和调试程序，不必使用仿真器或专用编程器，大大提高产品的开 发效率，缩短开发时间。这个功能还使教学时老师可以在课堂上修改、编译、下 载、运行示例程序，学生也可以脱离实验室在课外进行编程下载等实验，使单片 机教学模式彻底改观，学习实践紧密结合，提高教学效果。 6， 集成硬件乘法器。内部有只需两个时钟周期的硬件乘法器，以提高运算速度； 7， 通用 IO口驱动能力强，每个端口输出电流达 10～20mA，输入电流达 40mA，可以不 加外部驱动器就直接驱动 LED、光耦等常用器件。 8， 很多型号集成了多通道 10位 A/D转换器和模拟比较器。如 mega8、mega16等。 9， 很多型号具有内部的 RC振荡器，可提供 1/2/4/8MHz的可校正时钟，在无需精密定 时的场合可以省去外部时钟电路。 10， 内含多个 8位和 16位定时器/计数器（T / C），定时器/计数器功能强大，可 实现定时、计数、捕获、比较匹配、PWM输出等功能； 11， 内部集成很多常用外设和接口，如：RS232、I2C、SPI、E2PROM、看门狗定时 器等； 12， 有 6种睡眠模式，有利于进一步降低系统功耗，方便应用于低功耗场合。 13， 工作电压范围宽 2.7V～5.5V 14， 内置上电复位和系统电源低电压检测功能，简化断电保护的硬件电路。 ---------------------------------------------------------------------- 本章参考文献： 1.《AVR快速导引》（英文，CDROM），ATMEL，www.atmel.com