1 單片機 設 計 論 文 院 （系）： 機械工程學院 班 級： 10 機制 2 班 學生姓名： 陳藝文 導師姓名： 海深 2 一、 單片機歷史 單片機誕生于 20 世紀 70 年代末，經(jīng)歷了 SCM、 MCU、 SOC 三大階段。 1、 SCM 即 單片微型計算機 （ Single Chip Microcomputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。 “ 創(chuàng)新模式 ” 獲得成功，奠定了 SCM 與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展道路上， Intel 公司功不可沒。 2、 MCU 即微控制 器（ Micro Controller Unit）階段，主要的技術發(fā)展方向是：不斷擴展?jié)M足嵌入式應用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領域都與對象系統(tǒng)相關，因此，發(fā)展 MCU 的重任不可避免地落在電氣、電子技術廠家。從這一角度來看， Intel 逐漸淡出 MCU 的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展 MCU 方面，最著名的廠家當數(shù) Philips 公司。 Philips 公司以其在嵌入式應用方面的巨大優(yōu)勢，將 MCS-51 從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此，當我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時， 不要忘記 Intel 和 Philips 的歷史功績。 3、 嵌入式系統(tǒng) 單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路 ，向 MCU 階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了 SOC 化趨勢。隨著微電子技術、 IC 設計、 EDA 工具的發(fā)展，基于 SOC 的 單片機應用系統(tǒng)設計 會有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸 到單片應用系統(tǒng)。 單片機也被稱為微控制器（ Micro controller Unit），常用英文字母的縮寫 MCU表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領域。單片機由芯片內(nèi)僅有 CPU 的專用 處理器 發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和 CPU 集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。 INTEL 的Z80 是最早按照這種思想設計出的處理器， 從此以后，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。 3 二、 常用單片機芯片簡介 1、 STC 單片機 STC 公司的單片機主要是基于 8051內(nèi)核 ,是新一代增強型單片機 ,指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051,速度快 812 倍 ,帶 ADC,4 路 PWM,雙串口 ,有全球唯一 ID 號 ,加密性好，抗干擾強 . 2、 PIC 單片機： 是 MICROCHIP 公司的產(chǎn)品 ,其突出的特點是體積小 ,功耗低 ,精簡指令集 ,抗干擾性好 ,可靠性高 ,有較強的模擬接口 ,代碼保密性好 ,大部分芯片有其兼容的 FLASH 程序存儲器的芯片 . 3、 EMC 單片機： 是臺灣義隆公司的產(chǎn)品 ,有很大一部分與 PIC 8 位單片機兼容 ,且相兼容產(chǎn)品的資源相對比 PIC 的多 ,價格便宜 ,有很多系列可選 ,但抗干擾較差 . 4、 ATMEL 單片機 (51 單片機 )： ATMEL 公司的 8 位單片機有 AT89、 AT90 兩個系列 ,AT89 系列是 8 位 Flash 單片機 ,與 8051 系列單片機相兼容 ,靜態(tài)時鐘模式 ；AT90 系列單片機是增強 RISC 結(jié)構(gòu)、全靜態(tài)工作方式、內(nèi)載在線可編程 Flash 的單片機 ,也叫 AVR 單片機 . 5、 PHLIPIS 51PLC 系列單片機 (51 單片機 )： PHILIPS 公司的單片機是基于 80C51 內(nèi)核的單片機 ,嵌入了掉電檢測、模擬以及片內(nèi) RC 振蕩器等功能 ,這使 51LPC 在高集成度、低成本、低功耗的應用設計中可以滿足多方面的性能要求 . 6、 HOLTEK 單片機： 臺灣盛揚半導體的單片機 ,價格便宜 ,種類較多 ,但抗干擾較差 ,適用于消費類產(chǎn)品 . 7、 TI 公司單片機 (51 單片機 )： 德州儀器提供了 TMS370 和 MSP430 兩大系列通用單片機 .TMS370 系列單片機是8 位 CMOS 單片機 ,具有多種存儲模式、多種外圍接口模式 ,適用于復雜的實時控制場合 ；MSP430 系列單片機是一種超低功耗、功能集成度較高的 16 位低功耗單片機 ,特別適用于要求功耗低的場合 三、 單片機攻擊技術 4 目前，攻擊單片機主要有四種技術，分別是： （）軟件攻擊 該技術通常使用處理器通信接口并利用協(xié)議、加密算法或這些算法中的安全漏洞來進行攻擊。軟件攻擊取得成功的一個典型事例是對早期 系列單片機的攻擊。攻擊 者利用了該系列單片機擦除操作時序設計上的漏洞，使用自編程序在擦除 加密鎖 定 位后，停止下一步擦除片內(nèi)程序存儲器數(shù)據(jù)的操作，從而使加過密的單片機變成沒加密的單片機，然后利用編程器讀出片內(nèi)程序。 （） 電子探測攻擊 該技術通常以高時間分辨率來監(jiān)控處理器在正常操作時所有電源和接口連接的模擬特性，并通過監(jiān)控它的電磁輻射特性來實施攻擊。因為單片機是一個活動的電子器件，當它執(zhí)行 不同的指令時，對應的電源功率消耗也相應變化。這樣通過使用特殊的電子測量儀器和數(shù)學統(tǒng)計方法分析和檢測這些變化，即可獲取單片機中的特定關鍵信息。 （）過錯產(chǎn)生技術 該技術使用異常工作條件來使處理器出錯，然后提供額外的訪問來進行攻擊。使用最廣泛的過錯產(chǎn)生攻擊手段包括電壓沖擊和時鐘沖擊。低電壓和高電壓攻擊可用來禁止保護電路工作或強制處理器執(zhí)行錯誤操作。時鐘瞬態(tài)跳變也許會復位保護電路而不會破壞受保護信息。電源和時鐘瞬態(tài)跳變可以在某些處理器中影響單條指令的解碼和執(zhí)行。 （）探針技術 該技術是直接暴露芯 片內(nèi)部連線，然后觀察、操控、干擾單片機以達到攻擊目的。為了方便起見，人們將以上四種攻擊技術分成兩類，一類是侵入型攻擊（物理攻擊），這類攻擊需要破壞封裝，然后借助半導體測試設備、顯微鏡和微定位器，在專門的實驗室花上幾小時甚至幾周時間才能完成。所有的微探針技術都屬于侵入型攻擊。另外三種方法屬于非侵入型攻擊，被攻擊的單片機不會被物理損壞。在某些場合非侵入型攻擊是特別危險的，但是因為非侵入型攻擊所需設備通?？梢宰灾坪蜕?，因此非常廉價。 大部分非侵入型攻擊需要攻擊者具備良好的處理器知識和軟件知識。與之相反，侵入型 的探針攻擊則不需要太多的初始知識，而且通?？捎靡徽紫嗨频募夹g對付寬范圍的產(chǎn)品。 5 四、 單片機學習應用的 五 大重要部分 1、總線： 我們知道，一個電路總是由元器件通過電線連接而成的，在 模擬電路 中，連線并不成為一個問題，因為各器件間一般是串行關系，各器件之間的連線并不很多，但計算機電路卻不一樣，它是以 微處理器 為核心，各器件都要與微處理器相連，各器件之間的工作必須相互協(xié)調(diào)，所以需要的連線就很多了，如果仍如同模擬電路一樣，在各微處理器和各器件間單獨連線，則線的數(shù)量將多得驚人，所以在微處理機中引入了總線的概念，各個器件共同享用連線，所有器件的 8 根數(shù)據(jù)線全部接到 8 根公用的線上，即相當于各個器件并聯(lián)起來，但僅這樣還不行，如果有兩個器件同時送出數(shù)據(jù)，一個為 0，一個為 1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？這種情況是不允許的，所以要通過控制線進行控制，使器件分時工作 ，任何時候只能有一個器件發(fā)送數(shù)據(jù)（可以有多個器件同時接收）。器件的數(shù)據(jù)線也就被稱為數(shù)據(jù)總線，器件所有的控制線被稱為控制總線。在單片機內(nèi)部或者外部存儲器及其它器件中有存儲單元，這些存儲單元要被分配地址，才能使用，分配地址當然也是以電信號的形式給出的，由于存儲單元比較多，所以，用于地址 分配的線也較多，這些線被稱為地址總線。 2、數(shù)據(jù)、地址、指令： 之所以將這三者放在一起，是因為這三者的本質(zhì)都是一樣的 數(shù)字，或者說都是一串 0 和 1 組成的序列。換言之，地址、指令也都是數(shù)據(jù)。指令：由單片機芯片的設計者規(guī)定的 一種數(shù)字，它與我們常用的指令助記符有著嚴格的一一對應關系，不可以由單片機的開發(fā)者更改。地址：是尋找單片機內(nèi)部、外部的存儲單元、輸入輸出口的依據(jù)，內(nèi)部單元的地址值已由芯片設計者規(guī)定好，不可更改，外部的單元可以由單片機開發(fā)者自行決定，但有一些地址單元是一定要有的（詳見程序的執(zhí)行過程）。 6 3、 P0 口、 P2 口和 P3 的第二功能用法： 初學時往往對 P0 口、 P2 口和 P3 口的第二功能用法迷惑不解，認為第二功能和原功能之間要有一個切換的過程，或者說要有一條指令，事實上，各端口的第二功能完全是自動的，不需要用指令來轉(zhuǎn)換。如 P3.6、 P3.7 分別是 WR、 RD 信號，當微片理機外接 RAM 或有外部 I/O 口時，它們被用作第二功能，不能作為通用 I/O 口使用，只要一微處理機一執(zhí)行到 MOVX 指令，就會有相應的信號從 P3.6 或 P3.7 送出，不需要事先用指令說明。事實上 不能作為通用 I/O 口使用 也并不是 不能 而是（使用者） 不會 將其作為通用 I/O 口使用。你完全可以在指令中按排一條 SETB P3.7 的指令，并且當單片機執(zhí)行到這條指令時，也會使 P3.7 變?yōu)楦唠娖?，但使用者不會這么去做，因為這通常會導致系統(tǒng)的崩潰。 4、程序的執(zhí)行過程： 單片機在 通電復位后 8051 內(nèi)的程序計數(shù)器（ PC）中的值為 0000，所以程 序總是從 0000 單元開始執(zhí)行，也就是說：在系統(tǒng)的 ROM 中一定要存在 0000 這個單元，并且在 0000 單元中存放的一定是一條指令。 5、堆棧： 堆棧是一個區(qū)域，是用來存放數(shù)據(jù)的，這個區(qū)域本身沒有任何特殊之處，就是內(nèi)部 RAM 的一部份，特殊的是它存放和取用數(shù)據(jù)的方式，即所謂的 先進后出，后進先出 ，并且堆棧有特殊的數(shù)據(jù)傳輸指令，即 PUSH 和 POP ，有一個特殊的專為其服務的單元，即堆棧指針 SP，每當執(zhí)一次 PUSH 指令時， SP 就（在原來值的基礎上）自動加 1，每當執(zhí)行一次 POP 指令， SP 就（在原來值的基礎上）自動減 1。由于 SP中的值可以用指令加以改變，所以只要在程序開始階段更改了 SP 的值，就可以把堆棧設置在規(guī)定的內(nèi)存單元中，如在程序開始時，用一條 MOV SP， #5FH 指令，就時把堆棧設置在從內(nèi)存單元 60H 開始的單元中。一般程序的開頭總有這么一條設置堆棧指針的指令，因為開機時， SP 的初始值為 07H，這樣就使堆棧從 08H 單元開始往后，而08H 到 1FH 這個區(qū)域正是 8031 的第二、三、四工作寄存器區(qū)，經(jīng)常要被使用，這會造成數(shù)據(jù)的混亂。不 同作者編寫程序時，初始化堆棧指令也不完全相同，這是作者的習慣問題。當設置好堆棧區(qū)后，并不意味著該區(qū)域成為一種專用內(nèi)存，它還是可以象普 7 通內(nèi)存區(qū)域一樣使用，只是一般情況下編程者不會把它當成普通內(nèi)存用了。 五、 單片機開創(chuàng)了現(xiàn)代電子系統(tǒng)時代 單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分如下幾個范疇： 1、 在 智能儀器 儀表 上的應用 單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的 傳感器 ，可實現(xiàn)諸如電壓、 功率 、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得 儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或 數(shù)字電路 更加強大。例如精密的測量設備（ 功率計 ， 示波器 ，各 種分析儀）。 2、 在工業(yè)控制中的應用 用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管 3、 在家用電器中的應用 可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯褒、洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、彩電、其他 音響 視頻器材、再到 電子秤 量設備，五花八門，無所不在。 4、 在計算機網(wǎng)絡和通信領域中的應用 現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡和通信設備間的應用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機，電話機、小型 程控交換機 、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信， 無線電 對講機等。 5、 單片機在醫(yī)用設備領域中的應用 單片機在醫(yī)用設備中的用途亦相當廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設備及病床呼叫系統(tǒng)等等。 6、 在各種大型電器中的模塊化應用 某些專用單片機設計用于實現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應用，而不要求使用人員了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如音樂集成單片機，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機的原理），就需要復雜的類 似于計算機的原理。如：音樂信 8 號以數(shù)字的形式存于存儲器中（類似于 ROM），由微控制器讀出，轉(zhuǎn)化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。 在大型電路中，這種模塊化應用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換。 7、 單片機在汽車設備領域中的應用 單片機在汽車電子中的應用非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動機控制器，基于 CAN 總線的汽車發(fā)動機智能電子控制器， GPS 導航系統(tǒng)， abs 防抱死系統(tǒng)，制動系統(tǒng)等等。 此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。 致 謝 本 課 程設計 是在我的導師 海深 老師 的親切關懷和細心指導下完成的，在設計過程中，自始至終凝聚著導師的心血。恩師那治學嚴謹?shù)膽B(tài)度，淵博的學識感染著我。他那誨人不倦、寬厚樸實的作風給我們留下了不可磨滅的影響，是我學習的榜樣，使我終生受益無窮。在此論文完成之際，特向恩師表達誠摯的謝意同時以最崇高的敬意。 我還要感謝我的一些同學，他們在我最需要幫助的時候無私的伸出了援助之手，在此，對于他們無私的幫助我表示深深的感謝。可以說如果沒有他們的幫助我就不可能順利的按時完成畢業(yè)設計。 真誠的感謝所有的幫助過我的老師們，同學們和朋友們。 感謝對本設計進行評審的 老師 們，感謝他們給我提出的寶貴意見和建議。 參考文獻 1 陳大欽