Freescale MC9S08单片机原理与应用第01章Word文件下载.docx
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（3）16位微型计算机
用高性能的16位微处理器作CPU，数据总线宽度为16位。
16位微处理器不仅在集成度和处理速度、数据总线宽度、内部结构等方面与8位机有本质上的不同，由它们构成的微型机在功能和性能上已基本达到了当时的中档小型机的水平，特别是以Intel8086为CPU的16位微型机IBMPC／XT不仅是当时相当一段时间内的主流机型，而且其用户拥有量也是世界第一，以至在设计更高档次的微机时，都要保持对它的兼容。
16位机除原有的应用领域外，还在计算机网络中扮演了重要角色。
（4）32位微型计算机
32位微机使用32位的微处理器作CPU。
从应用角度看，字长32位是较理想的，它可满足了绝大部分用途的需要，包括文字、图形、表格处理及精密科学计算等多方面的需要。
典型产品有Intel80386、Intel80486、MC68020、MC68030、Z-80000等。
特别是1993年Intel公司推出Pentium微处理器之后，使32位微处理器技术进入一个崭新阶段。
不仅继承了其前辈的所有优点，而且在许多方面有新的突破，同时也满足了人们对图形图像、实时视频处理、语言识别、大流量客户机／服务器应用等应用领域日益迫切的需求。
（5）64位微型计算机
64位微机使用64位的微处理器作CPU，这是目前的各个计算机领军公司争相开发的最新产品。
其实高档微处理器早就有了64位字长的产品，只是价格过高，不适合微型计算机使用，通常用在工作站或服务器上。
2.按微型计算机的组装形式分类
微型计算机是由多个功能部件构成的一个完整的硬件系统，除核心部件微处理器之外，还配置有相应的存储部件、输入输出接口等。
按照微型机多个部件的组装形式分类，可分为多板微型计算机、单板机和单片机三类。
（1）多板微型计算机
多板微型计算机也称单机系统或系统机，把微处理器芯片、存储器芯片、各种I／O接口芯片和驱动电路、电源等装配在不同的印刷电路板上，各印刷电路板插在主机箱内标准的总线插槽上，通过系统总线相互连接起来，就构成了一个多插件板的微型计算机。
目前广泛使用的个人微型计算机（常称为PC）就是用这种方式构成的。
（2）单板机
如果将CPU芯片、存储器芯片、I／O接口芯片及简单的输入、输出设备（如键盘、数码显示器LED）装配在同一块印刷电路板上，这块印刷电路板就是一台完整的微型计算机，称为单板微型计算机，简称单板机。
单板机具有完全独立的操作功能，加上电源就可以独立工作。
国内曾经最流行的单板机是TP801（CPU为Zilog公司生产的Z-80），在教学及应用领域发挥过巨大作用。
TP801单板机的原理框图如图1-2所示。
图1-2TP801单板机的原理框图
由于单板机的输入/输出设备简单、存储容量有限，工作时只能用机器码（二进制）编程输入，故通常只能应用于一些简单控制系统和教学中。
（3）单片机
如果将构成微型计算机的各功能部件（CPU、RAM、ROM及I／O接口电路等）集成在同一块大规模集成电路芯片上，一个芯片就是一台微型机，则该微型机就称为单片微型计算机，早期的英文名称是Single-chipMicrocomputer，简称单片机。
后来将单片机称之为微控制器（Microcontroller），这也是目前比较正规的名称。
我国学者或技术人员一般使用“单片机”一词，所以本书后面还是统一使用“单片机”这个术语。
单片机的基本定义：
在一块芯片上集成了中央处理单元（CPU）、存储器（RAM/ROM等）、定时/计数器以及多种输入/输出（I/O）接口的比较完整的数字处理系统。
一个典型的单片机组成框图如图1-3所示。
图1-3一个典型的单片机组成框图
单片机具有集成度高、体积小、功耗低、可靠性高、使用灵活方便、控制功能强、编程保密化、价格低廉等特点。
利用单片机可以较方便地构成控制系统。
单片机在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信和分布式控制系统、家用电器等领域的应用日益广泛。
1.2单片机技术发展的特点
单片机技术的发展已经逐步走向成熟。
一方面，不断出现性能更高、功能更多的16位单片机和32位单片机；
另一方面，在目前的实际应用中，还是以8位单片机居多，8位单片机也在不断地采用新技术，以取得更高的性能价格比。
单片机技术的发展特点有以下几个方面：
（1）集成度更高、功能更强
目前已经有许多单片机，不仅集成了构成微型计算机的中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出接口、定时器等传统功能单元，而且还集成了A/D转换模块、D/A转换模块和多种通信方式（如UART、CAN、SPI、I2C等）。
单片机技术朝着片上系统（SystemOnChip，SOC）的方向发展。
许多单片机都集成了在系统可编程（InSystemProgramming，ISP）功能，用户可以对已经焊接到用户电路板上的单片机进行编程，不再需要专门的编程器。
另外，有些单片机集成了在系统调试（InSystemDebugging，ISD）功能，用户可以省去价格较贵的仿真器，只要有计算机，结合相应的仿真软件就可以进行仿真调试。
如美国德州仪器公司（TexasInstruments，简称Ti）的MSC121X系列单片机就具有ISD功能。
有些单片机使用JTAG接口进行调试，如SiliconLaboratories公司的C8051系列单片机、Ti公司的MSP430系列单片机，等等。
Freescale公司的单片机采用BDM方式仿真调试。
以上特点，使得用户可以很方便容易地设计和调试测控系统。
（2）使用更加方便
许多单片机内部集成程序存储器（EPROM或FLASH）和数据存储器（RAM），在实际应用中一般不再需要外部扩展程序存储器和数据存储器，从而不再需要外部扩展总线。
构成系统的电路结构简单，体积减小，稳定性提高。
（3）低电压、低功耗
使用CMOS的低功耗电路，具有省电工作状态，如等待状态、休眠状态、关闭状态等。
有些单片机的工作电压也较低，如有些单片机的工作电压为3.3V，甚至为1.8V。
低电压、低功耗的单片机可以满足便携式或电池供电等仪器仪表应用的需求。
（4）价格更低
随着微电子技术的不断进步，许多公司陆续推出了价格更低的单片机。
可以说，在相当一部分以单片机为核心的嵌入式产品中，单片机的硬件成本已经占很小的比例，更多的是系统设计、软件开发与维护成本。
1.3常见的单片机
世界上一些著名的器件公司推出了不同的产品系列，下面介绍典型的单片机产品。
1.3.1Freescale单片机
Freescale公司（原Motorola公司半导体产品部）的单片机产品性能稳定，品种齐全，多数产品支持在线调试，方便了用户的应用开发。
本章对Freescale公司的部分8位、16位、32位以及DSC型单片机的功能特点进行简要介绍，以满足应用者个性化选型的需要。
图1-4示意了从1974年开始到现在，Freescale公司单片机的发展演变概况。
单片机种类繁多，型号各异，我们可以从不同角度对其进行分类。
由于CPU是MCU或DSP的核心部件，其性能，特别是字长，在很大程度上决定了MCU或DSP的性能。
图1-48位、16位和32位单片机的发展历程
1.Freescale8位单片机
Freescale单片机产品最早可以追溯到1974年推出的首个8位单片机MC6800。
1978年又发布了与6800兼容的6801。
1983年，Motorola公司推出了采用高速CMOS工艺的MC68HC05系列单片机，产品已突破20亿片。
1984年,Motorola公司又推出8位增强型单片机MC68HC11，以CPU11为内核，采用1.5µ
m的高速CMOS工艺。
CPU11有2个8位或1个16位累加器、2个16位变址寄存器和1个16位的堆栈指针，为准16位。
随着Freescale对旧产品不断改进和完善，8位单片机的产品系列和功能都有很大的提高和增强。
现今主流的8位单片机中，主要有3种不同的内核，分别是CPU08、S08和RS08。
2.Freescale16位单片机
根据内核的不同，可以把Freescale公司的16位单片机分为MC68HC12系列、MC9S12系列、MC68HC16系列和MC9S12X系列。
3.Freescale32位单片机
1979年，Motorola推出的MC68000（68K）系列的CPU，片内寄存器32位，外部总线16位。
在此基础上，以后继续推出了M.CORE系列、PowerPC系列、DragonBall（龙珠）系列和ColdFire（冷火）系列的微控制器。
1.3.28051内核的单片机
8051内核的单片机应用比较广泛。
常见的8051内核单片机有以下几种：
1）Intel公司的8051系列单片机
它构成了8051单片机的基本标准。
许多参考书上将这种单片机称为MCS-51系列单片机。
该系列有8051、8052、8031、8032、8751等多种产品。
其中，8051、8052带有片内ROM，8751带有片内EPROM，8031、8032无ROM（使用时需要外部扩展程序存储器）。
MCS-51系列单片机的典型产品为8051，它有4K×
8ROM，128字节RAM，2个16位定时/计数器，4个8位I/O口，一个串行口。
2）Atmel公司的89系列单片机
如目前市场上常见的89S2051（集成了2K的FLASH程序存储器）、89S51（集成了4K的FLASH程序存储器）、89S52（集成了8K的FLASH程序存储器）等。
公司网址：
。
3）PHILIPS公司的8051内核单片机。
4）Ti公司的MSC121X系列。
5）ST公司的增强型8051内核单片机
如uPSD32系列、uPSD33系列等，公司网址：
6）SiliconLaboratories公司的C8051系列单片机。
7）华邦公司的W78系列。
等等。
1.3.3其他单片机
除了以上单片机以外，比较有代表性的单片机有以下几种：
1）Microchip公司的PIC系列单片机（）。
2）Ti公司的MSP430系列16位单片机。
3）中国台湾盛扬半导体公司的HT系列单片机（）。
4）中国台湾凌阳半导体公司的SP系列单片机（）。
5）National公司的COP8系列单片机（）。
6）Zilog公司的Z8系列单片机（），等等。
还有其他的产品，在此不一一列举。
可以说，单片机技术的发展已经出现了百花齐放的大好局面，用户可以根据自己的实际需要进行选择。
几乎所有单片机的基本工作原理都一样，主要区别在于包含的资源不同，汇编语言的格式不同。
当使用C语言进行编程时，编程语言的差别就很小。
因此，只要学习了一种单片机的原理及应用，使用其他类型或厂家的单片机时，只需仔细阅读该单片机的手册就可以利用它进行项目或产品的开发。
1.4单片机的应用
1.4.1单片机的应用范围
20世纪80年代以来，单片机的应用已经深入到工业、交通、农业、国防、科研、教育以及日常生活用品（家电、玩具等）等各种领域。
单片机的主要应用范围如下：
（1）工业方面
单片机在工业方面的应用包括电机控制、数控机床、物理量的检测与处理、工业机器人、过程控制、智能传感器等。
（2）农业方面
农业方面的应用包括植物生长过程要素的测量与控制、智能灌溉以及远程大棚控制等。
（3）仪器仪表方面
智能仪器仪表、医疗器械、色谱仪、示波器、万用表等。
（4）通信方面
调制解调器、网络终端、智能线路运行控制以及程控电话交换机等。
（5）日常生活用品方面
移动电话、MP3播放器、照相机、摄像机、录像机、电子玩具、电子字典、电子记事本、电子游戏机、电冰箱、洗衣机、加湿器、消毒柜、可视电话、空调机、电风扇、IC卡设备、指纹识别仪等。
（6）导航控制与数据处理方面
鱼雷制导控制、智能武器装置、导弹控制、航天器导航系统、电子干扰系统、图形终端、复印机、硬盘驱动器、磁带机、打印机等。
（7）汽车控制方面
门窗控制、音响控制、点火控制、变速控制、防滑刹车控制、排气控制、节能控制、保安控制、冷气控制、汽车报警控制以及测试设备等。
几乎可以说，只要有控制的地方就有单片机的存在。
1.4.2单片机应用系统的设计
学习单片机的根本目的是应用单片机进行有关系统或产品的设计。
以单片机为核心的应用系统的开发流程如图1-5所示。
图1-5以单片机为核心的应用系统的开发流程
（1）可行性调研
可行性调研的目的是分析完成项目的可能性。
进行这方面的工作时，可参考国内外有关资料，看是否有人进行过类似的工作。
如果有，则可分析他人是如何进行这方面工作的，有什么优点和缺点，有什么是值得借鉴的；
如果没有，则需作进一步的调研，重点应放在“能否实现”这个环节，首先从理论上进行分析，探讨实现的可能性，所要求的客观条件是否具备（如环境、测试手段、仪器设计、资金等），然后结合实际情况，再决定能否立项的问题。
（2）系统方案设计
在进行可行性调研后，如果可以立项，下一步工作就是系统方案的设计。
工作的重点应放在该项目的技术难度上，此时可参考这一方面更详细、更具体的资料，根据系统的不同部分和功能，参考国内外同类产品的性能，提出合理而可行的技术指标，编写出设计任务书，完成系统方案设计。
（3）设计方案细化，确定软硬件功能
系统方案决定下来后，下一步可以将该项目细化，即需明确哪些部分用硬件来完成，哪些部分用软件来完成。
由于硬件结构与软件方案会相互影响，因此，从简化电路结构、降低成本、减少故障率、提高系统的灵活性与通用性方面考虑，提倡软件能实现的功能尽可能由软件来完成；
但也应考虑以软件代硬件的实质是以降低系统实时性、增加处理进行为代价的，而且软件设计费用、研制周期也将增加，因此系统的软、硬件功能分配应根据系统的要求及实际情况而合理安排，统一考虑。
在确定软硬件功能的基础上，设计工作就开始涉及到一些具体的问题，如仪器的体积及与具体技术指标相对应的硬件实现方案，软件的总体规划等。
在确定人员分工、安排工作进度、规定接口参数后，考虑硬件和软件的具体设计问题。
（4）硬件原理图设计
进行应用系统的硬件设计时，首要的问题是确定硬件电路的总体方案，并需进行详细的技术论证。
所谓硬件电路的总体设计，就是为实现该项目全部基本功能所需要的硬件电气连线原理图。
就硬件系统来讲，电路的各部分是紧密相关、互相协调的，任何一部分电路的考虑不充分，都会给其他部分带来难以预料的影响，轻则使系统整体结构受破坏，重则导致硬件总体返工。
从时间上看，硬件设计的绝大部分工作量往往在最初方案的设计阶段，一个好的设计方案往往会有事半功倍的效果。
一旦总体方案确定下来，下一步的工作就会很顺利进行，即使需要作部分修改，也只是在此基础上进行一些完善工作，而不会造成整体返工。
在进行硬件的总体方案设计时，所涉及到的具体电路可借鉴他人在这方面进行的工作。
因为经过别人调试和考验过的电路往往具有一定的合理性（尽管这些电路常常与教科书或者手册上提供的电路可能不完全一致，但这正是经验所在）。
在此基础上，结合自己的设计目的进行一些修改。
这是一种简便、快捷的做法。
当然，有些电路还需要自己设计，完全照搬是不太可能的。
参考别人的电路时，需对其工作原理有较透彻的分析和理解，根据其工作机理了解其适用范围，从而确定其移植的可能性和需要修改的地方；
对于有些关键性和尚不完全理解的电路，需要仔细分析，在设计之前先进行试验，以确定这部分电路的正确性，并在可靠性和精度等方面进行考验，尤其是模拟电路部分，更需进行这方面的工作。
为使硬件设计尽可能合理，根据经验，系统的电路设计应注意以下几个方面：
1）尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构的灵活性。
2）在条件允许的情况下，尽可能选用功能强、集成度高的电路或芯片。
因为采用这种器件可能代替某一部分电路，不仅元件数量、接插件和相互连线减少，使系统可靠性增加，而且成本往往比用多个元件实现的电路要低。
3）选择通用性强、市场货源充足的元器件，尤其在大批量生产的场合，更应注意这个问题。
一旦某种元器件无法获得，也能用其他元器件直接替换或对电路稍作改动后用其他器件代替。
4）考虑硬件系统总体结构时，同样要注意通用性的问题。
对于一个较复杂的系统，设计者往往希望将其模块化，即对中央控制单元、输入接口、输出接口、人机接口等分块进行设计，然后采用一定的连接方式将其组合成一个完整的系统。
5）在满足应用系统功能要求的基础上，系统的扩展及各功能模块的设计应适当留有余地，以备将来修改、扩展之需。
6）设计时应尽可能地多做调研，采用最新的技术。
因为电子技术发展迅速，器件更新换代很快，市场上不断推出性能更优、功能更强的芯片，只有时刻注意这方面的发展动态，采用新技术、新工艺，才能使产品具有最先进的性能，不落后于时代发展的潮流。
7）电路设计时，要充分考虑应用系统各部分的驱动能力。
不同的电路有不同的驱动能力，对后级系统的输入阻抗要求也不一样。
如果阻抗匹配不当，系统驱动能力不够，将导致系统工作不可靠甚至无法工作。
值得注意的是，这种不可靠很难通过一般的测试手段来确定，而排除这种故障往往需要对系统作较大的调整。
因此，在电路设计时，要注意增加系统的驱动能力或减少系统的功耗。
电路原理图设计可以使用专门的电路设计软件，如常见的Protel、ORCAD等。
（5）印刷电路板设计
设计完了硬件原理图，就可以进行印刷电路板（PCB）的设计了。
在进行PCB设计时，应注意以下几个方面：
1）元器件布局要尽量合理。
2）模拟地与数字地尽量分开，以减少干扰。
3）地线加粗、覆铜。
4）根据工艺要求，设计机箱、面板、配线、接插件等，这也是一个初次进行系统设计人员容易疏忽但又十分重要的问题。
设计时要充分考虑到安装、调试、维修的方便。
印刷电路板设计好后，应进行检查，核对是否与原理图相符，并且检查有无其他的电气问题。
确认所设计的印刷电路板没有错误后，将设计的PCB文件交给电路板制作厂家进行印刷电路板的制作。
印刷电路板的设计可以使用专门的印刷电路板设计软件，如Protel。
（6）程序设计与模拟调试
印刷电路板的制作一般需要十天左右的时间。
在印刷电路板制作期间，可以进行某些程序模块的编写和模拟调试。
特别是对那些与硬件关系不大的程序模块进行模拟调试，如数据运算、逻辑关系测试等。
这样可以加快项目的开发。
目前，许多集成开发环境具有模拟调试功能，如著名的KeiluVision2集成环境、万利公司的MedWin、Holtek公司的HT-IDE等。
应用系统种类繁多，程序设计人员的编程风格也不尽相同，因此应用程序因系统而异，因人而异。
尽管如此，优秀的应用程序还是有其共同特点和规律的。
设计人员在进行程序设计时应从以下几个方面加以考虑：
1）模块化、结构化的程序设计。
根据系统功能要求，将软件分成若干个相对独立的模块，实现各功能程序的模块化、子程序化。
根据模块之间的联系和时间上的关系，设计出合理的软件总体结构，使其清晰、简捷、流程合理。
这样，既便于调试，又便于移植、修改。
2）建立正确的数学模型。
即根据功能要求，描述出各个输入和输出变量之间的数学关系，它是关系到系统性能好坏的重要因素。
3）为提高软件设计的总体效率，以简明、直观的方法对任务进行描述，在编写应用软件之前，一般应绘制出程序流程图。
这不仅是程序设计的一个重要组成部分，而且是决定成败的关键部分。
从某种意义上讲，设计正确恰当的程序流程图，可以缩短源程序编辑调试时间。
4）合理分配系统资源，包括ROM、RAM、定时/计数器、中断源等。
其中，片内RAM的分配是关键，当资源规划好后，应列出一张资源详细分配表，以方便编程查阅。
5）注意在程序的相关位置写上功能注释，提高程序的可读性。
6）加强软件抗干扰设计，这是提高计算机应用系统可靠性的有力措施。
通过编辑软件编辑出的源程序，必须用编译程序汇编后生成目标代码。
如果源程序有语法错误则返回编辑过程，修改源文件后再继续编译，直到无语法错误为止。
这之后就可以利用目标码进行程序调试或者模拟调试了，在运行中，如果发现设计上的错误，则需要重新修改源程序并编译调试，如此反复直到成功。
（7）印刷电路板的测试
印刷电路制作完成后，需要对其进行必要的测试，如检查是否存在短路等。
然后，进行元器件的焊接。
元器件的焊接按照元器件的高度从低到高的顺序进行焊接。
焊接完毕，应在不接电源的情况下，再进行必要的检查（如检查是否存在因焊接引起的短路问题）。
若没有问题，则可以上电进行仿真调试了。
（8）系统在线仿真调试
将所设计的印刷电路板连接到仿真环境中，进行程序的仿真调试工作。
这个阶段的工作可以按照功能要求，分模块进行，将各个模块逐一进行仿真调试。
各个模块都调试成功后，将各个模块组合到一起进行系统的整体仿真调试。
直到所有的功能都能够正常工作为止。
（9）系统试运行
系统所有的功能模块都设计完毕并进行了仿真调试后，就可以将程序写入到单片机中，进行系统试运行。
若试运行中出现问题，则对出现的现象进行分析，然后修改程序，并转到（8），直到系统试运行不出现问题为止。
系统试运行成功后，可以进行项目的验收。
习题与思考题
1.1简述微型计算机的基本构成及分类。
1.2简述一般单片机的结构及各个部分的功能。
1.3简述单片机技术的特点及应用。
1.4简述单片机应用系统设计的方法和过程。
1.5设计印刷电路板时，应注意哪些事项？
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