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单片机和嵌入式系统概述
第一章单片机(和嵌入式系统)概述
1.1单片机〔和嵌入式系统〕的开展
1.1.1计算机开展的三个浪潮
1第一个浪潮〔1946~1975〕,大型机硬件导向:
计算机只能由专家操作,把处理后的信息交用户使用,信息处理与使用别离。
─集中处理时代
2第二个浪潮〔1976~1993〕台式计算机导向:
PC机普及,信息由处理者个人享有不能互发信息,难以共享。
信息处理与使用者结合。
─分散处理时代
3第三个浪潮〔1994~?
〕,网络导向:
计算机通过网络互连进行全球通信,引入网络就是计算机的新概念。
软件可以象数据一样驻留在网络上,软件程序可以实时执行,用户可随时到达存放所需程序的地址,而不受计算机类型和操作系统的限制。
信息收集、处理、分析和存储都商业化。
─网络处理时代
1.1.2计算机开展简史
第一代到第四代计算机都是以电子器件的开展更新来划分的,而第五代以后的计算机那么是以设计思想的更新来划分。
1第一代电子管计算机〔1946~1958〕
〔1〕硬件
逻辑器件:
电子管和继电器
内存:
汞延迟线,静电存储管,53年出现磁芯〔统治20年〕
外存:
磁带机、穿孔纸带机和卡片机,56年IBM生产磁盘机
〔2〕软件:
54年以前几乎没有软件,主要用机器语言--二进制代码指令
后期开展了汇编语言
〔3〕性能
运算速度:
几千次到几万次
平均稳定运行时间:
几小时
〔4〕特点
体积大、功耗大、价格大,速度慢、容量小、可靠性差
〔5〕典型机器
1942年美籍保加利亚人,爱荷华州立学院数学系文森特.阿培纳索夫〔VincentAtanasoff〕与其助手克里夫德.贝利〔CliffordBerry〕研制成功世界上第一台数字电子计算机ABC。
采用300个电子管,用电容器做存储器,穿孔卡片作为辅助存储器,运算速度为1次/s。
用于解线性代数方程。
1973年美国法院把创造权归属于阿培纳索夫。
由美国宾夕法尼亚大学的工程师埃克特〔J.PresperEckert〕和物理学家毛希利〔John.W.Mauchly〕于1945年12月研制成功,于1946年2月正式公开表演数字式电子计算机ENIAC〔ElectronicNumericalIntegratorAndComputer〕。
1947年运到马里兰州陆军阿伯丁试炮场的弹道研究实验室正式使用。
用了18800只电子管、12bit字长、内存17kB,300次乘法/s,
5000次加法/s,占地165m2,重量30T,耗电150kW。
1953年4月IBM-701
1954年11月IBM-650
1958年103〔DJS-1〕
104〔DJS-2〕
2第二代晶体管计算机〔1958~1964〕
〔1〕硬件
逻辑器件:
晶体管
内存:
磁芯
外存:
磁盘和磁带机
〔2〕软件
汇编语言、高级语言FORTRAN、COBOL(59年开发,61年完成)、ALGOL〔1960年〕的编译系统,管理/监控程序
〔3〕性能
运算速度:
几万到几十万次/秒
平均稳定运行时间:
数十小时
〔4〕典型机器
1959年11月IBM7090
1962年9月IBM7094
441B
108-乙〔DJS-6〕
109
X-2
3第三代集成电路计算机〔1964~1971〕
〔1〕硬件
逻辑器件:
中小规模集成电路
内存:
磁芯存储器和磁膜存储器
69年IBM360/85局部采用半导体存储器
70年IBM370/145全部采用半导体存储器
外存:
磁盘〔机〕
〔2〕软件
65年出现高级语言BASIC,60年代末创造高级语言PASCAL(67年开发,71年完成),并出现多道、分时操作系统和网络系统软件
〔3〕性能
运算速度:
几十万到几百万次/秒
平均稳定运行时间:
几百小时
〔4〕典型机器
1964年IBM360DJS-200
1971年IBM370709〔TQ-16〕
NOVA〔DJS-100〕
PDP-11〔DJS-180〕
1974DJS-130
4第四代大规模集成电路计算机〔1971~?
〕
〔1〕硬件
逻辑器件:
大规模集成电路
内存:
大规模集成电路
外存:
磁盘、光盘
〔2〕软件
高级语言FORTH〔70年〕、C〔72年〕、Ada〔79年〕、LOGO
人工智能语言LISP、Prolog
操作系统、数据库管理系统、Windows
〔3〕性能
运算速度:
几千万到几亿次/秒
〔4〕典型机器
1981年Cyber-205、Cray-1、YH-1〔1亿次/秒〕
ILLIAC-IV〔美宇航局阿姆斯中心〕:
64个处理机,1.5亿~2亿次/秒
PEPE〔美弹道导弹防御局〕:
256个处理机,10亿次/秒
70年代计算机技术开始加速,80年代2~3年就一个档次飞跃,90年代一年一个样,机器的生命周期仅1~1.5年。
Intel8086/8088IBMPC/RT
80286IBMPC/AT
80386
80486
PentiumCPU含310万个晶体管,速度可达1.12亿次/秒
PentiumProCPU含520万+1550万个晶体管
Motorola68000→68010→68020→68030→68040AppleMacintosh
5第五代人工智能计算机
这是面向知识处理的新型计算机,其目标是能通过推理做出判断,能听懂自然语言,能识别印刷体和手写体字,能对语言的意义加以理解,能说自然语言,甚至可能在思考问题方面超过人类的个体。
但是由于种种原因,日本实施的第五代计算机方案未能成功。
6第六代神经网络计算机
这是一种仿真人大脑结构的新型计算机。
目标是可以对图形、图像直接处理,对非逻辑的复杂问题具有推断和知觉判断的能力,甚至还具有总结经验教训、归纳推理的能力。
95年11月中科院半导体所研制成功数字和模拟混合电路的神经网络计算机“预言神一号〞,2000万亿次/秒,可用于图像、文字和语音识别。
1.1.3微处理器与微型计算机开展简况
1.×86系列
Intel
7172747879828589
4040→8008→8080→8085→8086→8088→80186→80286→80386→80486
4bit8bit16bit准16bit32bit
93.396979799.22000.11
Pentium→PentiumPro→MMXPentium→PentiumⅡ→PentiumⅢ→Pentium4
→Merced(Intel+HP)
64bit
AMD
K5→K6→K6-2→k6-3→K7(Athlon)→
2.其他系列
Motorola6800→68000→68010→68020→68030→68040
(AppleMacintosh)
→6502(Apple机)
ZilogZ80→Z8000→Z80000
IBM+Apple+Motorola:
PowerPC601→602→603e→604→620
3.高端处理器:
用于工作站、效劳器
DEC(Compaq):
Alpha21064→21164→21264→21364→21464(5万亿次)
Sun:
SPARC→UltraSPARC可扩展性〔1000多个μp〕
〔集成度达1600万T〕
MIPS:
R4400→R8000→R10000(用于SGI图形工作站)
ARM:
ARM7系列低功耗
ARM9系列
ARM9E系列
ARMl0系列
SecurCore SCl00
Strong ARM
XScale
ARMl1系列
微处理器开展的另一个方向是小型化、面向控制,开展成微控制器
1.1.4单片机〔微控制器〕的开展概况
71年Intel:
4040μp
74年Fairchild:
准单片机F8(需加一片3851-1kROM+CTC+PIO×2)
75年TI:
4位单片机TMS-1000
76年Intel:
MCS-48系列-8048〔ROM〕,8748(EPROM),8035(无ROM)
78年Motorola:
M6801
78年Zilog:
Z8系列,Super8
80年Intel:
8位MCS-51系列-8051〔ROM〕,8751(EPROM),8031(无ROM)
82年Intel:
16位MCS-96系列8096
88年准16位8098于98年停产
90年Motorola:
68HC05→68HC11→68HC12→68HC16→683××
90年代后,微控制器的开展百花齐放、五彩缤纷,老公司不断推陈出新,新的公司鼎故革新,推出了很多各具个性的微控制器。
1.Intel:
7172747680828588
4040→8008→8080→8085→8048→8051→8096→80196→8098
→Philips80C51(I2C)
→AtmelAT89C51(Flash)
→AVRAT90S××××〔高速〕
→AVRAT91系列〔ARMCore〕
→CygnalC8051F(高速,SoC)
2.TI:
MSP430系列〔低功耗〕
3.SCENIX:
SX系列〔极高速〕
4.Microchip:
PIC系列〔高性能价格比〕
1.1.5嵌入式系统的开展
1.低中端嵌入式系统应用
面向控制的应用都采用微控制器〔单片机〕实现,过去都是采用汇编语言编程,用仿真器调试。
没有开发平台,只能通过软硬兼施,从设计硬件电路原理图开始,印制板设计、加工、安装、焊接、编程、调试、测试都要熟悉。
既难又繁,容易出错,需要慢慢积累经验才能得心应手。
采用C-51高级语言编程,利用C编译器编译成机器码再下载执行,大大提高了开发效率.
2.中高端嵌入式系统应用
面向数字信号处理、通信、网络应用等复杂的应用,由于涉及到TCP/IP等协议和用户图形界面〔GUI〕的复杂性,一般都需要借助于嵌入式操作系统EOS平台,采用高级语言C/C++/Java进行开发。
1.2嵌入式系统的技术特征
1.专用计算机系统(非PC机形态):
看不到计算机的计算机应用系统
以应用为中心,量体裁衣定制。
以计算机技术为根底,硬件与软件紧密结合。
适应应用系统对功能、可靠性、本钱、体积、功耗严格要求。
2.知识集成系统
技术密集、资金密集。
高度分散、不可垄断。
面向应用、不断创新。
1.3嵌入式系统应用
嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景,其应用领域可以包括:
1.工业控制
基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的开展空间,目前已经有大量的8、16、32位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网平安、电网设备监测、石油化工系统等领域。
就传统的工业控制产品而言,低端型往往采用的是8位单片机,但是随着技术的开展,32位、64位的微处理器逐渐成为工业控制设备的核心,在未来几年内必将获得更大的开展。
2.交通管理控制
在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车效劳方面,嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用,内嵌GPS模块、GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。
目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭,只需要几千元,就可以随时随地找到你的位置。
图1-11即是GPS手持机。
图1-1GPS手持机
3.信息家电
这将成为嵌入式系统最大的应用领域,冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。
即使不在家里,也可以通过线、网络进行远程控制。
在这些设备中,嵌入式系统将大有用武之地。
图1-2是信息家电的一种——家庭网络视频。
图1-2信息家电:
家庭网络视频
4.家庭智能管理系统
水、电、煤气表的远程自动抄表,平安防火、防盗系统,其中嵌入的专用控制芯片将代替传统的人工检查,并实现更高、更准确和更平安的性能。
目前在效劳领域中,一些手持设备已经表达出了嵌入式系统的优势。
5.POS网络
公共交通无接触智能卡〔CSC-ContactlessSmartCard〕发行系统、公共卡发行系统、自动售货机〔如图1-3所示〕、各种智能ATM终端将全面走入人们的生活,到时手持一卡就可以行遍天下。
图1-3智能售货机
6.环境监测
环境监测包括水文资料实时监测、防洪体系及水土质量监测、堤坝平安、地震监测网、实时气象信息网、水源和空气污染监测。
在很多环境恶劣、地况复杂的地区,嵌入式系统将实现无人监测。
7.机器人
嵌入式芯片的开展将使机器人在微型化、高智能方面优势更加明显,同时会大幅度降低机器人的价格,使其在工业领域和效劳领域获得更广泛的应用。
除了以上这些应用领域,嵌入式系统还有其他方面的应用。
可以毫不夸张地说,嵌入式系统已经进入到现代社会人们生活的方方面面,可是说是“无处不在〞,尤其是在控制方面的应用。
就远程家电控制而言,除了开发出支持TCP/IP的嵌入式系统之外,家电产品控制协议也需要制订和统一,这需要家电生产厂家来做。
同样的道理,所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现接口,然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。
所以,开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。
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