2018年12月29日 单片机原理与应用 单片机概述

什么是单片机 计算机必须的部件 运算存储：CPU、内存、外存 输入设备：键盘、鼠标、话筒… 输出设备：显示器、音箱… 普通计算机：各部分独立 2018年12月29日 什么是单片机 计算机必须的部件 运算存储：CPU、内存、外存 输入设备：键盘、鼠标、话筒… 输出设备：显示器、音箱… 普通计算机：各部分独立 主板 显卡 声卡 存储器接口 网卡 输入输出接口 内存条 CPU

什么是单片机 普通计算机可满足所有计算需求吗？ …

计算机需求差异巨大，无法由单一计算机架构满足 什么是单片机 生产生活实践中对计算机的要求 功率控制：亚毫瓦到兆瓦 重量控制：克到顿 体积控制：指甲盖到整幢楼 价格控制：几元到几亿元 接口要求：至少数千种 运算要求：小于1MPS到百万亿次/秒 存储要求：KB到PB 计算机需求差异巨大，无法由单一计算机架构满足

什么是单片机 需求量最大的计算机？ 2014年MCU出货量：186亿(全球人均2.58个) 2014年手机出货量：18.8亿(智能机11.35亿) 2014年PC出货量：3.15亿

MCU：Micro Control Unit 什么是单片机 MCU：Micro Control Unit 业界需求最大的计算机 安装于智能设备中，主要完成控制功能，对运算、存储要求不高的微控制器 内存需求通常不超过KB级别，多数在几十字节 程序、数据存储通常不超过几十KB 运算速度需求通常不超过50MHz，甚至10MHz以下 需要丰富的IO接口 GPIO，AD/DA，PWM，UART，I2C，SPI…… 功耗限制往往较严格 很多在毫瓦级，部分亚毫瓦级 成本限制非常严格

什么是单片机-案例 太阳能计算器 内存：约10个64位数，80字节 外存：约几KB 运算速度：不超过1MHz IO接口：键盘、LCD、电池 最大功率：1kW * 1% * 4cm2 * 10% = 0.4mW Intel最低功耗CPU：Atom Z2760，1.7W 地面太阳直射功率 灯光强度 太阳能电池面积 效率

什么是单片机-案例 太阳能计算器 整机价格：10元 重量：整机112.5克 Intel Atom Z2760：41美元 联想MIIX10（Atom Z2760）：580克

什么是单片机 单片机：单芯片集成CPU、RAM、ROM和适当的IO接口 RAM、ROM不太丰富，主频不太高 功耗、体积、重量、价格均较低 添加少量外围芯片即可满足一定的控制需求

单片机历史 1976年：Intel MCS-48系列 1980年：Intel MCS-51系列 8048：64字节内存，1KB ROM 直到2000年仍有应用 1980年：Intel MCS-51系列 8位运算架构，16位地址空间，集成内存（~128B）、ROM、IO接口、时钟等辅助部件 对比8086/8：16位运算架构，1MB地址空间，无集成RAM/ROM，需要很多辅助部件 1982年：Intel MCS-96系列（16位） 16位MCU到2011年才超过4/8位MCU出货量

单片机历史 1990年：Intel 80960（32位） 2004年：ARM Cortex-M3 2009年：ARM Cortex-M0 相比51系列完全不成功 2004年：ARM Cortex-M3 第一个针对MCU市场优化的ARM 目前，ARM系列的MCU占32位MCU出货量90% 2009年：ARM Cortex-M0 最小ARM，号称8位的价格，32位的性能 2012年：AR Cortex-M0+ 比M0更节能，可选MPU 32位MCU出货量目前仍显著少于4/8/16位MCU 32位MCU产值于2010年超越4/8/16位MCU

单片机历史-MCU出货量

单片机历史-MCU产值

单片机发展趋势 永不过时的51 无处不在的ARM 大量的专业应用MCU 低廉的价格，大量的替代部件，海量的资源 过低的性能导致操作系统、开发环境支持弱 无处不在的ARM 通用性强，强大的OS、开发支持 价格、功耗稍高，细分市场针对性不足 大量的专业应用MCU 针对不同专业应用的细分市场，大量不同型号的较为专用的MCU具有很强的竞争优势 IO接口针对性、开发工具适应性、历史资源…… 例：机电控制多用PIC单片机

单片机开发 产品设计 系统设计 软件设计 客户定位，应用场景，价格范围，外观、包装、手册、宣传、销售渠道、售前售后…… 功率约束，体积重量约束，成本约束，性能约束 器件选型，原理设计，电路板设计 软件设计 操作系统：内存、外存、设备管理，中断，任务调度…… 应用软件：算法，设备接口，用户界面

单片机开发-软件开发所需能力 产品设计基本知识 系统设计知识 软件知识 目标客户群的使用习惯（用户界面重要参考） 物理界面与软件界面的协调 售前演示方案、售后保修方案设计 系统设计知识 各种设备软硬件接口，总线协议 设备功耗与性能的联系，功率控制与功能实现的权衡 软件知识 操作系统、算法、体系结构、编译原理、汇编……

课程内容 基于单片机开发产品是一个系统工程，需要方方面面的知识和能力 本课程内容 产品设计基础知识 系统设计知识 软件知识 操作系统、算法、体系结构、编译…… 单片机本身的基础知识 基本结构，可用资源，汇编，常用设备软件接口等 仅51系列单片机

课程内容 为什么选51 为什么不选ARM 虽然性能有限，但应用范围广泛 简单，易于上手 设备操作的原理是通用的 系统开发的思想是通用的 在有限的资源上开发是对能力的一种考验 为什么不选ARM 前置课程操作系统、体系结构、编译原理等 上手较为复杂，需要综合管理操作系统、库、应用软件，对系统能力要求较高