第1章 概论

本章主要内容 1.1 微控制器概述 1.2 MCU和MPU 1.3 微控制器和嵌入式系统 1.4 微控制器的应用开发 1.1 微控制器概述 1.2 MCU和MPU 1.3 微控制器和嵌入式系统 1.4 微控制器的应用开发 1.4.1 硬件和软件的协同设计 1.4.2 微控制器系统的设计方法 1.5 微控制器的历史与发展

1.1 微控制器概述 早期称为 Single-chip Microcomputer（单片机） 现一般称为 1.1 微控制器概述 早期称为 Single-chip Microcomputer（单片机） 现一般称为 MCU, Microcontroller Unit (微控制器) 或 Embedded Microcontroller （嵌入式微控制器）

微控制器定义： 在一块芯片上集成了中央处理单元（CPU）、存储器（RAM/ROM等）及输入输出（I/O）接口的比较完整的计算机系统。 优点： 体积小，价格低，稳定可靠，较高性价比和灵活性。代替模拟、数字电路实现大部分计算、控制功能。

1.2 MCU和MPU 微计算机技术的发展，形成了两大分支：微控制器和微处理器。 微处理器MPU（Microprocessor Unit）是计算机的核心部件，计算机系统的主要用途是科学计算、数据处理、图像分析、数据库管理、人工智能、数字模拟和仿真等。 微控制器MCU主要用于控制目的。要求构成的检测控制系统有实时、快速的外部响应，能迅速采集到大量数据，做出逻辑判断与推理后实现对被控制对象的参数调整与控制。

1.3 微控制器和嵌入式系统 面向测控对象，嵌入到实际应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统（Embedded System）。 微控制器是典型的嵌入式系统。它应嵌入式计算机系统应用的要求而生，并以嵌入式应用为唯一目的。

嵌入式系统的类型： 从形式上可将嵌入式系统分为系统级、板级和器件级： 系统级为各种类型的工控机，包括通用机改装的工控机、各种总线方式的工控机或模块组成的工控机如PC104等。 板级有各种类型的带CPU的主板及OEM产品。 器件级则以微控制器最为经典。

工控机机箱前面视图

主板视图 台湾研华6184奔腾四级工控主机 http://www.hopecontrol.net/yhp46184.htm

AX10402 386SX-based Embedded Control Engine http://axiomtek.com.cn/products/productdetail.asp?prodid=82

Intel 8051 Motorola 68HC908GP32CP Elan EM78M447BP

1.4 微控制器的应用开发 1.4.1 硬件和软件的协同设计 硬件和软件的协同设计在微控制器的应用开发中占有重 要地位。 1.4 微控制器的应用开发 1.4.1 硬件和软件的协同设计 硬件和软件的协同设计在微控制器的应用开发中占有重 要地位。 微控制器系统将硬件和软件结合起来，构成一个专门的计算装置，完成特定的功能或任务。它是一个大系统或大的电子设备中的一部分，工作在一个与外界发生交互 并受到时间约束的环境中，在没有人工干预的情况下进行实时控制。其中，软件用以实现有关功能并使系统具有适应性和灵活性；硬件（处理器、ASIC、存储器等）用以满足性能乃至安全的需要。

1.4.2 微控制器系统的设计方法 通常，设计微控制器系统的方法有以下三种： 1．以印制板计算机辅助设计软件和在线仿真器为主要工具 硬件设计主要是根据性能参数要求对各功能模块所需要使用的元器件进行选择和组合，选择的基本原则就是选购性价比最高的通用元器件。从模块到系统找到相对优化的方案，画出电路原理图。硬件设计的关键是利用印制板（PCB）计算机辅助设计（CAD）软件对系统的元器件进行布局和布线，然后加工印制板、装配和硬件调试。

软件设计贯穿整个系统的设计过程，主要包括任务分析、资源分配、模块划分、流程设计和细化、编码调试等。软件设计的工作量主要集中在程序调试，在线仿真器（In-Circuit Emulator，ICE）对软件调试的作用非常重要。

2．以嵌入式操作系统和电子设计自动化综合开发平台为主要工具 嵌入式操作系统 （Embedded Operating System，EOS）和高性能的电子设计自动化（EDA）综合开发平台的推出，为开发复杂的微控制器系统应用软件提供了底层支持和高效率开发平台。EOS是一种功能强大、应用广泛的实时多任务系统软件，与通用系统机中的OS相比，内核短小精悍、开销小、实时性强和可靠性高，还提供各种设备的驱动程序和TCP/IP协议支持。用户可以通过应用程序接口（API）调用函数形式来实现各种资源管理，用户程序可以在EOS的基础上开发并运行。

设计人员从过去选择和使用标准通用集成电路器件，逐步转向利用各种 EDA工具和标准的半定制逻辑器件，如复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）等，自己设计和制作部分专用的集成电路器件，然后把用户定义的集成电路CSIC（Customer Specified Integrated Circuit）、可编程外围器件、所选择的ASIC与微控制器在印制板上布局、布线构成系统。

3．以IP（Intellectual Property）内核库为设计基础，软硬件协同设计单片系统 目前,集成设计已进入单片系统（System on a chip ，SoC）设计阶段，并开始实用。单片系统设计从整个系统性能要求出发，把微处理器、模型算法、芯片结构、外围器件各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，并通过建立在全新理念上的系统软件和硬件的协同设计，在单个芯片上完成整个系统的功能。达到高密度、高速度、高性能、小体积和低电压等指标，特别是低功耗要求。

Philips、Atmel和TI等厂商就是利用Intel MCS-5l的IP内核模块，开发出了各具特长的与 Intel MCS-51兼容的微控制器。 常用的 IP内核模块有各种不同的 CPU（32／64位CPU或 8／16位微控制器）、 32／64位 DSP、DRAM、RAM、EEPROM、Flashmemory、 A／D、 D／A、MPEG／JPEG、LJSB、PCI、标准接口、网络单元、编译器、编码／解码器和模拟器件模块等。丰富的 IP内核模块库是快速地设计ASIC和SoC从而尽快占领市场的基本保证。

结论： 上述三种微控制器系统设计方法将会长期并存，各有各的应用范围。 大多数应用开发人员在相当长的一段时间内，都会采用前两种方法。第一种设计方法目前仍为电子系统设计人员广泛采用，并且比较适合于初级应用设计人员和小规模应用，可以根据需要，逐步向第二种方法过渡和发展。 第三种设计方法实现的SoC是具有一定规模、广泛使用的应用系统。复杂的SoC需要大的半导体厂商才能设计和实现，对应用人员来说主要是选用问题。

1.5 微控制器的历史与发展 1.5.1 微控制器的发展历史 第一代： 20世纪70年代 初级阶段 1.5 微控制器的历史与发展 1.5.1 微控制器的发展历史 第一代： 20世纪70年代 初级阶段 Intel MCS-48 将CPU、串并行口、定时器和 128字节 RAM 集成在一个芯片内 ，使用NMOS工艺 第二代：20世纪80年代 发展阶段 Intel MCS-51、96 使用CMOS、CHMOS工艺 第三代：20世纪90年代至今 高速发展阶段 采用OTPROM、FlashROM等工艺

1.5.2 微控制器的种类 按位数分 4、8、16、32位等 按结构分 CISC（繁杂指令集微电脑）架构 按位数分 4、8、16、32位等 按结构分 CISC（繁杂指令集微电脑）架构 Intel MCS-51 MCS-96 Motorola 68××系列 ATMEL 89C51 89C52 …… RISC（精简指令集微电脑）架构 Microchip PIC16F87×系列 Elan EM78×××系列 Zilog Z86HC××

1.5.3 微控制器的主要应用领域 一、微控制器的应用特性 ① 体积小 ② 可靠性高———总线在芯片内，不易受干扰 ③ 功能强———面向控制，实时控制功能强 ④ 使用方便———应用系统的硬件设计非常简单 ⑤ 性能价格比高 ⑥ 容易产品化

二、微控制器的主要应用领域 工业：电机控制、物理量测量处理、机器人、过程控 制、数学控制、智能传感器、数据传送…… 仪器仪表：智能仪器仪表、医疗器械、色谱仪、示波 器…… 民用：玩具、字典、冰箱、洗衣机、消毒柜…… 电讯：调制解调器、智能线路运行控制、程控电话交换 机…… 导航控制：鱼雷制导、智能武器装置、导弹控制、导 航、电子干扰系统…… 数据处理：图形终端、复印机、硬盘驱动器、磁带机、 打印机…… 汽车：点火、变速、……

1.5.4 微控制器发展的新特点 价格更低 使用更加方便 功耗更低 OTP型(One Time Programmable) 低电压型 Flash型

习题与思考题 1.1 微控制器（MCU）和微处理器（MPU）有何不同? 为什么说微控制器是典型的嵌入式系统? 1.2 简述微控制器的发展历史和主要技术发展方向。 1.3 微控制器的应用开发有什么特点? 1.4 为什么在未来较长一段时期内，8位微控制器仍将是主流机型？ 1.5 你的身边有哪些设施应用了嵌入式控制技术？分析微控制器在其中的作用。 1.6 你认为在哪个领域中微控制器的应用将得到较大发展？简述该领域的现状和技术发展趋势。