【大学课件】单片机硬件系统

单片机硬件系统欢迎来到单片机硬件系统课程本课程将深入探讨单片机的结构、功能和应用，帮助您掌握这一重要的嵌入式技术让我们一起揭开单片机的神秘面纱，探索其强大功能什么是单片机集成电路独立系统单片机是一种高度集成的微它能够独立完成特定的控制型计算机芯片，将处理器、任务，无需外部计算机辅助存储器和外围设备集成在一个芯片上低功耗多功能单片机具有低功耗特性，适可以通过编程实现各种功能用于便携式和嵌入式设备，适用于广泛的应用领域单片机的基本组成中央处理器CPU1控制和执行指令存储器2存储程序和数据输入/输出接口3与外部设备通信时钟系统4提供系统时序外围设备5如定时器、中断控制器等单片机中央处理器功能特点架构执行指令、处理数据、控制单片机各部指令集精简、执行速度快、功耗低常见有哈佛架构和冯·诺依曼架构分工作单片机中的存储器程序存储器数据存储器通常为只读存储器（ROM），用于存储程序代码随机存取存储器（RAM），用于存储临时数据EEPROM Flash存储器电可擦除可编程只读存储器，用于存储需要保留的数据可擦除可编程只读存储器，用于程序和数据存储单片机的时钟系统时钟源频率范围可以是晶体振荡器、RC振荡器或外从几kHz到几百MHz不等，取决于应部时钟用需求功耗影响时钟频率直接影响单片机的功耗和性能单片机的输入输出接口并行接口1如通用I/O端口，可同时传输多位数据串行接口2如UART、SPI、I2C，用于与外部设备通信模拟接口3如ADC和DAC，用于处理模拟信号特殊功能接口4如PWM输出、CAN总线等单片机的中断系统中断源外部事件、定时器溢出、串口接收等中断控制器管理多个中断源的优先级和响应中断服务程序处理特定中断事件的程序代码中断返回完成中断处理后返回主程序单片机的模数转换器/采样1对模拟信号进行周期性采样量化2将采样值转换为离散数字量编码3将量化结果转换为二进制数字存储处理/4数字信号可被CPU处理或存储单片机的脉冲输入输出系统/捕获功能比较功能PWM输出精确测量外部脉冲的时间间隔在特定时间点产生输出脉冲生成可调占空比的脉宽调制信号单片机的定时计数器/时基生成事件计数12提供精确的时间基准，用于统计外部事件发生的次数定时和延时波形生成中断触发34产生各种频率和占空比的波定时器溢出或达到特定值时形触发中断串行通信接口UART SPI通用异步收发传输器，用于点对点串行外设接口，高速同步通信通信I2C两线制串行总线，用于多设备通信单片机外围设备单片机的电源系统工作电压电源管理常见有

3.3V和5V两种，需要稳包括电压调节、低功耗模式和定的电源供应休眠唤醒功能电源滤波复位电路使用去耦电容减少电源噪声，确保单片机在上电或异常时能提高系统稳定性正确初始化单片机的引脚分配电源引脚1VCC和GND，为芯片提供工作电源I/O引脚2通用输入输出端口，可编程控制功能引脚3如串口、ADC、中断等特定功能引脚时钟引脚4连接外部晶振或时钟源单片机的工作模式正常运行模式空闲模式睡眠模式全功能运行，功耗最高CPU停止，外设继续工作大部分功能关闭，功耗极低单片机的启动过程上电复位电源稳定后，复位电路释放复位信号初始化寄存器CPU将关键寄存器设置为默认值加载启动程序从特定存储器地址加载初始化代码执行主程序跳转到主程序入口点开始执行用户代码与架构CISC RISCCISCRISC复杂指令集计算机，指令数量多，单条指令功能强大精简指令集计算机，指令数量少，执行速度快，功耗低位单片机的特点8简单易用成本低廉适合入门学习和简单控制应价格便宜，广泛应用于消费用电子产品功耗极低丰富的外设适合电池供电的便携设备集成多种常用外设，减少外部元件位单片机的特点16更强的处理能力更大的地址空间相比8位单片机，计算和数据可以访问更大的存储器，支持处理能力显著提升更复杂的应用丰富的外设资源低功耗设计通常集成更多高级外设，如采用先进工艺，在提高性能的CAN、USB等同时保持较低功耗位单片机的特点32高性能1运算速度快，适合复杂控制和信号处理大容量存储2支持更大的程序和数据存储丰富的外设3集成高速接口和先进的通信协议支持操作系统4可运行嵌入式操作系统，提高开发效率功耗控制5先进的电源管理技术，平衡性能和功耗单片机的应用领域单片机与传统硬件的区别集成度灵活性成本单片机高度集成，减少外部元件传统单片机通过软件编程实现功能变更传单片机总体成本较低，适合大规模生产硬件需要多个分立元件统硬件需要改变电路设计传统硬件制造和维护成本高单片机的发展历程1971年1英特尔推出世界首款单片机40041980年代28位单片机广泛应用，如8051系列1990年代316位单片机兴起，性能显著提升2000年代432位ARM架构单片机快速发展现在5物联网和人工智能推动单片机向更高集成度和智能化发展单片机硬件的未来趋势AI集成安全强化集成人工智能处理单元，实现边缘增强硬件加密和安全功能，应对网计算络威胁超低功耗采用新工艺和设计，进一步降低功耗嵌入式系统概述定义特点专用计算机系统，集成硬件实时性、可靠性、小型化、和软件完成特定功能低功耗组成应用处理器、存储器、外设、操广泛应用于消费电子、工业作系统和应用软件控制、汽车电子等领域嵌入式系统硬件架构处理器1嵌入式CPU或微控制器存储系统2ROM、RAM、Flash外设接口3串口、并口、网络接口输入输出设备4传感器、显示器、按键电源管理5电池管理、低功耗设计嵌入式系统的特点实时性可靠性能够在规定时间内响应外部事件长时间稳定运行，适应恶劣环境小型化低功耗体积小，便于集成到各种设备中采用各种节能技术，延长电池寿命嵌入式系统的应用领域消费电子汽车电子工业控制智能手机、数码相机、智能家电等发动机控制、安全系统、娱乐系统等工业自动化、机器人、智能制造等嵌入式系统与单片机的关系单片机是嵌入式系统的核心功能差异应用范围单片机常作为嵌入式系统的处理器和控嵌入式系统通常比单片机系统更复杂，单片机适用于较简单的控制任务，嵌入制单元可能包含操作系统式系统可处理复杂应用。