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《单片机原理及应用》

 
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  机电工程学院学术成果

         

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               电工技术
 

学院简介

     机电工程学院原为河北农业大学农机系,始建于1958年,1987年改称机电工程系,1994年成立机电工程院。学院现有三个系,即农业机械化系、机械工程系、电气工程系。设有农业机械化及其自动化、机械设计制造与自动化、工业设计、农业电气化与自动化、电气工程及电子信息工程、测控技术与仪器七个本科专业和机电工程、工业工程、电子信息工程、电气工程及自动化、机械设计制造及自动化、汽车运用与维修六个专科专业。 学院在教学工作中,坚持“厚基础、宽专业、因材施教、理论联系实际”的原则,特别注重对学生的综合素质教育和专业技能的训练,着眼于培养基础扎实、具有创新意识的智能型复合人才。展望新世纪,学院将继续坚持“三个面向”的教育方针,为科教兴国、振兴河北做出更大的贡献. 

微处理器史话

   1946年在美国宾夕法尼亚大学由J.W.Mauchley及J.P.Eckert等人合作研制成功世界上第一台由程序控制的电子计算机ENIAC(Electronic Numcrical Integrator And Calculator)诞生,标志着人类进入了电子计算机时代,它的字长为12位,使用了18800多只电子管和1500只继电器,它的体积有一座房子那么大,占地150m2,重量30多吨,耗资百万美元,耗电量需要由一个小型发电厂供电(150kW),这便是第一台电子计算机,这样一台庞然大物,当时的运算能力只有每秒钟5000次的加法运算,但它对后来几十年计算机的发展影响是深远的,例如程序存储和数字编码技术为以后的计算机发展奠定了技术基础。
    1946--1958年计算机的组成仍以电子管为主,计算机的内存储器先是采用了汞延迟线,后来采用了磁鼓和磁芯,由于磁带记录技术已经成熟,所以外存储已经使用了磁带记录器,软件普遍采用机器语言,后期才开始使用汇编语言,主要应用于科学计算。
    1958--1964年,晶体管的诞生带动了计算机技术的发展,计算机逐步以晶体管取代了电子管,逻辑元件基本上采用了体积小耗电省的晶体管,内存储器仍采用磁芯,但外存储器已开始使用磁盘,软件也开始出现了一些高级语言,以科学计算、数据处理及一些工业控制为主要应用。


 

  1969年,INTEL公司受日本Busicom计算器公司委托,要求为其一个计算器研制一套程序控制器(如上图),Busicom公司提出一个方案是采用12片专用的集成芯片,而INTEL公司的一位叫Ted hoff的电气工程师则大胆地提出了一种新的理念,即采用通用型的数据处理芯片,正是这一理论带来了微处理器的诞生。随着集成电路的产生,集成度朝着中规模方向发展,使得计算机也朝着小型化、微型化方向发展,1971年,INTEL公司发布了具有4位并行处理能力的微处理器4004(如下图),标志着人类史上第一块微处理器诞生,它内部集成了约2000多个晶体管,采用P-MOS工艺技术制造,虽然的它的面积不足1cm2,但它却具有比ENIAC强大的计算能力,同时开创了集成电路计算机的新时代。

  虽然在中规模集成电路单片上的4004还不能算是一台完善的电子计算机,但它集成了作为中央处理单元大量的逻辑电路,一块集成芯片代替了电子管或晶体管时代构成计算机的几千个单元电路。4004虽然只包含了46条基本指令,系统相对简单,但作为简单的控制还是合适的,因为当时并非需要太复杂的算术运算,况且在当时并不容易找到可编程的逻辑器件。

 由于4004采用的是P-MOS(P沟道金属氧化物半导体)工艺制造,工作频率低,用于构成真正的计算机,功能仍很差,为此,INTEL公司于1972年发布了第二代微处理器8008(如下图),8008仍沿用4004的P-MOS生产工艺,集成了3500个晶体管,但它的数据宽度已经提高到了8位,指令也增加到了48条,所以8008比起4004指令进行周期明显加快,并允许8位的操作数,同时8008可寻址16384个存储单元,具备7个寄存器、存储器堆栈以及简单的中断功能,形成了现代微处理器的雏形。80084004的指令系统并不兼容,但8008发布以后,很快投放市场,并在其它领域获得应用。

1973年,INTEL公司又相继发布了8080微处理器(如下图),可以这样说,80808008的升级改进型,指令系统兼容8008微处理器,8008上的软件基本上都可以在8080上运行。更骄傲的是8080放弃了以前处理器所使用的P-MOS生产工艺,改用全新的N-MOS生产技术,从而使处理器的运行速度有了质的飞跃,达到了2MHz,两个8位操作数的加法运算速度达到了50万次/每秒。显然,80808008的数据传送周期短了许多。

  8080硬件上在8008的基础上作了很大的改进,存储器的寻址空间达到了64k,为克服CPU内部的7级堆栈的限制,8080在存储器本身也设置了堆栈。此外,CPU还具备了处理BCD码的能力,即可以实现两个BCD码间的加法操作。同时,8080还具备允许对外部存储器进行直接寻址的扩展寻址能力,这使其得到更广泛的应用。 8080的研制成功,并广泛投放市场之后,微处理器才真正在电子领域得到了应用,80808008多了30条指令,达到了78条,使该处理能力进一步加强。

单片机简介

    单片机是一种集成电路芯片,采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算,逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU),随机存取数据存储器(RAM),只读程序存储器(ROM),输入输出电路(I/O口),可能还包括定时计数器,串行通信口(SCI),显示驱动电路(LCD或LED驱动电路),脉宽调制电路(PWM),模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上,构成一个最小然而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。由此来看,单片机有着微处理器所不具备的功能,它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能,这是单片机最大的特征。然而单片机又不同于单板机,芯片在没有开发前,它只是具备功能极强的超大规模集成电路,如果赋予它特定的程序,它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统,它与单板机或个人电脑(PC机)有着本质的区别,单片机的应用属于芯片级应用,需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术,用这样特定的芯片设计应用程序,从而使该芯片具备特定的功能。


 

  不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征,即它们的技术特征均不尽相同,硬件特征取决于单片机芯片的内部结构,用户要使用某种单片机,必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等,这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境,指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式,数据处理和逻辑处理方式,输入输出特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性,支持软件(包含可支持开发应用程序的软件资源)及硬件资源。要利用某型号单片机开发自己的应用系统,掌握其结构特征和技术特征是必须的。      

    单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统,可以软件控制来实现,并能够实现智能化,现在单片机控制范畴无所不在,例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等,单片机的应用领域越来越广泛。诚然,单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益,更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。是控制技术的一次革命,是一座重要的里程碑。



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