《片机的硬件结构》课件

微控制器的硬件结构探索微控制器的内部构造和工作原理了解其关键硬件组件如何协同工作以实现,数字处理和控制功能什么是单片机集成电路电子设备微型控制单元12单片机是把计算机的各种部件单片机主要包括微处理器、存集成到一个芯片上的微型计算储器和输入输出接口等组成部机系统件广泛应用领域低成本高性能34单片机广泛应用于家电、工业随着集成电路技术的发展,单片设备、汽车等多个领域进行自机性能不断提升,成本也大幅降动控制低单片机的历史发展集成度提升1从早期离散元件到单片微型集成电路计算性能提升2从原始位到高性能位处理器8CPU32应用范围扩展3从工业控制到消费电子等广泛应用单片机的历史发展经历了从最初的大型计算机到小型化微型单片机的转变随着集成电路技术的不断进步单片机的集成度、计算性能和应,用范围都得到了大幅提升从工业控制领域逐步扩展到消费电子等众多领域,单片机的基本结构微处理器核心存储系统输入输出接口单片机的核心是微处理器负责执行指令和单片机拥有不同类型的存储器如、单片机通过、、、定时器等,,ROM GPIO ADC DAC控制整个系统的运作它包括中央处理器RAM和EEPROM,用于存储指令、数据和配外围接口与外部设备进行交互,从而完成各CPU、控制器和算术逻辑单元ALU置信息存储容量和速度决定了单片机的性种控制和监测任务能微处理器核心指令集架构内核结构性能指标能耗管理微处理器核心采用特定的指令典型的微处理器核心包括执行微处理器核心的性能指标包括现代微处理器核心采用动态电集架构,包括CISC和RISC两种单元、控制单元、寄存器文件时钟频率、指令吞吐率、乘除源管理技术,根据负载动态调主流类型它决定了处理器的等部分它们协作完成取指、性能等先进核心还集成了浮整工作频率和电压,以降低功指令集、寄存器集、数据类型译码、执行等基本功能点运算单元、分支预测等性能耗和发热以及执行方式优化模块存储系统ROM集成电路只读存储器，用于存储程序和固定数据RAM集成电路随机存取存储器，用于存储临时数据和变量FLASH非易失性电可擦除存储器，可重复编程存储程序代码输入输出接口丰富的接口类型灵活的配置单片机提供了多种输入输出接口,用户可以根据实际需求自由配置包括常见的、、、各种接口参数如数据位宽、波特GPIOADCUART,、等满足各种外围设备的率、采样频率等实现定制化的通SPI I2C,,需求信方式强大的功能输入输出接口不仅用于数据传输还可实现中断、定时、等功能扩展单,PWM,片机的应用能力时钟系统内部时钟源外部时钟源单片机通常包含一个内部振荡器,一些单片机可以接受外部的时钟提供基本的系统时钟信号这种输入,使用更精准的晶振作为系统内部时钟源可以保证单片机在任时钟,提高整个系统的性能和可靠何环境下都能正常运行性时钟分频单片机的内部时钟信号通常需要进行分频以适应不同外围设备的时序要求,这样可以提高系统的灵活性中断系统中断事件优先级中断向量中断过程中断系统能够及时响应外部或中断可设置不同优先级,高优先不同中断源对应不同的中断向中断发生后,CPU保存现场并转内部的重要事件,如I/O设备完成级中断可中断低优先级中断的量地址,CPU据此跳转到相应的入中断处理流程,处理完成后再工作、定时器溢出等处理中断服务程序返回和ADC DAC应用ADC DAC模数转换器是将模拟信号转换为数数模转换器是将数字信号转换为模和在单片机系统中广泛应用用于ADC DACADC DAC,字信号的电子设备它广泛应用于测量、拟信号的电子设备它可用于音频放大、采集各种物理量、控制行为和信号处理等控制和信号处理领域,能够实现模拟量到数电机控制等领域,实现数字量到模拟量的转功能它们是单片机与外部模拟世界进行字量的转换换接口的重要部件定时计数器/计时功能计数功能输出PWM单片机内置的定时器计数器可以用于精确定时器计数器还可以用作外部事件计数器定时器计数器可以生成可编程的脉宽调制//,/地测量时间,从而实现定时控制、频率测量可以精确统计脉冲信号的个数PWM信号,用于电机控制、DAC等等功能串行通信接口串行通信基础主要串行接口协议12串行通信是通过一条或多条线常见的串行接口协议包括UART路顺序传输数据的方式它可、SPI、I2C,它们应用广泛于单以实现设备之间的信息交换片机系统中接口和接口3UART4SPI I2C是单片机最常用的串行通和是同步串行通信接口UART SPII2C,信接口,提供异步串行数据传输,应用于外设与单片机之间的数广泛应用于各类嵌入式系统据交换片内外围电路单片机中除了、存储器、外围接口等核心部件外还包含许多CPU,辅助电路这些辅助电路统称为片内外围电路这些外围电路主要,包括电源管理、时钟生成、复位电路、看门狗、调试接口等功能模块这些外围电路为单片机提供基本的工作环境和支持功能确,保单片机的正常运行位单片机结构8位单片机采用位微处理器作为核心集成内存、输入输出接口等外围电路构成88,,一个简单且功能强大的微控制器系统其体积小、功耗低、价格便宜广泛应用,于各种嵌入式系统中位单片机一般包括位、程序存储器、数据存储器、输入输出接口以及其88CPU他外围电路其采用结构具有独立的程序存储器和数据存储器使程序执Harvard,,行和数据访问可以并行进行位和位单片机结构1632位单片机具有更大的寻址范围和更强的数据处理能力适用于需16,要更高性能的应用场景位单片机则在运算速度、内存容量等32方面有更大优势常用于复杂的嵌入式系统无论是位还是位,1632,单片机的基本结构都包括微处理器核心、存储系统、输入输出接口等重要模块单片机电源系统稳压整流电池供电12将交流电转换为直流电并调节采用电池作为电源,适用于便携电压稳定性保护单片机免受式和嵌入式应用需要考虑电电压波动影响池容量和续航时间热量管理电源开关34单片机在工作时会产生热量需单片机需要可靠的开关电源确,,要采取散热措施以确保稳定运保系统启动和关闭可控行单片机时钟系统时钟源时钟分频单片机通常采用晶振或振荡器单片机内部包含时钟分频电路可RC,作为内部时钟源,提供系统运行所以根据需要将时钟信号分频至合需的时钟信号适的频率时钟模式时钟管理大多数单片机都支持多种时钟模单片机还可通过软硬件手段实现式如外部时钟、内部时钟等可对时钟的动态管理如降频节电等,RC,,根据具体应用选择合适的模式功能单片机中断系统中断概念中断类型中断优先级中断处理中断是一种特殊的硬件信号,常见的中断类型包括外部中断单片机中断通常有多个优先级当发生中断时,CPU会自动保存可暂时中断当前的程序执行流、定时器中断、串行通信中断,高优先级的中断会优先得到现场信息,跳转到对应的中断程,转而执行优先级更高的中、ADC中断等不同的单片机响应和处理合理设置中断优服务程序执行中断服务程序断服务程序这种机制可以提型号支持的中断类型会有所不先级可以确保关键任务不被延完成后,会返回并恢复现场,继高单片机的响应速度和系统实同迟续执行原来的程序时性单片机GPIO输入输出多功能接口程序控制单片机可以用作输入接口单片机也可以用作输出端许多支持复用功能如定时的输入输出状态由单片机GPIO,GPIO GPIO,GPIO读取外部模拟或数字信号常口,控制驱动LED、电机等外围器、串行通信等,提高了单片机程序实时控制,可实现复杂的自见应用如按键、传感器等设备输出电平由程序控制的集成度和灵活性动化控制功能单片机定时器精确计时中断触发输出PWM单片机内置的定时器能提供精确的计时功能定时器计时到预设值时会触发中断,可用于定时器还可以产生PWM波形输出,用于电机,用于各种应用场景如测速、延时控制等执行各种定时任务和实现定时控制速度控制、LED亮度调节等应用单片机ADC模拟信号输入分辨率采样速率多路复用单片机内置可以将模拟信单片机的分辨率决定了数单片机可以以一定的采样单片机通常具有多路复用ADC ADC ADCADC号转换为数字值实现对各种模字值的精度通常为位、位、速率对模拟信号进行连续采样功能可以依次采集多个模拟信,,810,,拟量的检测和监控12位或更高满足实时监控的需求号通道单片机UART串行通信基础工作原理功能特点接口连接UART UART UART（采用异步通信方式，数具有双向、全双工通信通常使用、、UART UniversalUARTUARTUART TXRX GNDAsynchronousReceiver-据按位发送、接收发送和接、可编程波特率、无需外部同三根线进行连接两个UARTTransmitter）是单片机常用收使用独立的数据线，传输速步信号等特点,广泛应用于单设备的TX和RX交叉相连即可的串行通信接口之一通过率可编程设置片机系统实现数据传输可进行点对点的串行数UART据传输单片机SPI概述硬件接口通信过程SPI SPISPI是一种同步硬件接口包括串行时钟、通信采用主从模式主机发送时钟信号SPISerial PeripheralInterface SPISCLKMOSI SPI,串行通信总线协议常用于单片机与外围设主机输出从机输入、主机输入从机同时在线上发送数据从机在,MISO SCLK,MOSI,备之间的数据传输它采用主从结构通过输出和片选信号线这些信号线将单线上返回数据整个过程由主机完全,4SSMISO根信号线实现全双工通信片机与外围设备连接起来控制单片机I2C简介工作原理是一种简单、双向的二线制同通信采用主从模式主机控制数I2C I2C,步串行通信总线协议它广泛应据传输时序,从机根据地址响应并用于单片机与外围设备之间的通收发数据信主要特点传输速率灵活、线路简单、兼容性强是单片机与外设通信的理想选择I2C,单片机CAN无线网络的基石高效的数据传输12总线是工业控制和车载电子系统中广泛应用的现场总线协议能以高速率进行点对点或多点广播式数据通信实现CAN CAN,系统,提供了可靠的无线通信设备之间的实时信息交换强大的错误处理能力广泛的应用领域34总线采用自动重发机制能有效避免和检测通信错误确广泛用于工控、汽车电子、医疗设备等各种自动化系统CAN,,CAN保传输可靠性中,为单片机提供了强大的通信能力单片机以太网接口以太网通信IP地址配置单片机可以通过以太网接口与其他设备进行数据通信实现远程访问单片机需要配置有效的地址、子网掩码和网关以确保与网络的正,IP,和监控确连接协议支持应用场景常见的以太网协议包括TCP/IP、UDP、HTTP、FTP等,单片机需要提以太网接口使单片机能够与远程监控系统、互联网服务器等设备进供相应的协议栈行交互和控制单片机PWM什么是应用工作原理特点PWM PWM PWM PWM（脉冲宽度调制）是单常用于电机控制、灯光由单片机的定时器计数输出信号简单易实现、PWMPWMPWM/PWM片机常用的一种输出信号调制调光、音量调节等场景通过器模块产生定义高电平和低功耗低、精度高通过软件编方式通过改变高电平占空比灵活调整占空比可实现连续的电平的时间比例即可实现占空程即可实现复杂的PWM波形来控制输出功率功率输出控制比调节输出单片机看门狗（）Watchdog监控系统稳定性防止程序故障提高系统可靠性单片机看门狗电路能够监测系统是否出现故看门狗在检测到程序运行异常时会自动触发通过在单片机中集成看门狗电路,可以大大障或卡死并在必要时自动复位系统确保系复位避免系统由于软件问题而陷入无法恢提高系统的抗干扰能力和整体可靠性确保,,,,统持续稳定运行复的状态系统长期安全稳定运行单片机JTAG接口调试功能1JTAG2接口可以用于在线监控单JTAGJoint TestAction JTAG是一种用于测试印刷电片机运行状态方便进行调试和Group,路板上集成电路连接的标准接故障排查口程序下载硬件实现34接口还可以用于将程序下接口在单片机中通常由JTAG JTAG4-载至单片机内存无需拆卸电路个引脚实现包括时钟、数据,5,板等信号单片机功耗管理低功耗设计动态电源管理电池寿命管理低功耗休眠模式通过优化硬件和软件,采用高效根据实际工作需求,灵活调整单通过监测电池电压并采取相应当单片机无需执行任务时,可进的电源管理策略以降低单片机片机的工作频率和功耗模式达措施合理管理电池使用寿命确入低功耗休眠模式大幅降低系,,,,,在各种工作模式下的功耗到功耗优化的目标保设备长期稳定运行统功耗,以延长电池使用时间综合应用案例智能家居控制1单片机可用于控制家中的照明、温度、安全等系统实现智能家,居的自动化管理工业自动化2单片机在工厂生产线上广泛应用实现对生产过程的监控和自动,化控制医疗设备3单片机被广泛用于医疗设备如血压检测仪、心电图监测仪等提,,高了诊断的精确性。