1 單片機(jī) 設(shè) 計(jì) 論 文 院 （系）： 機(jī)械工程學(xué)院 班 級： 10 機(jī)制 2 班 學(xué)生姓名： 陳藝文 導(dǎo)師姓名： 海深 2 一、 單片機(jī)歷史 單片機(jī)誕生于 20 世紀(jì) 70 年代末，經(jīng)歷了 SCM、 MCU、 SOC 三大階段。 1、 SCM 即 單片微型計(jì)算機(jī) （ 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(jì)算機(jī)完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨(dú)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(shù)發(fā)展方向是：不斷擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時(shí)，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(lǐng)域都與對象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展 MCU 的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)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(dāng)數(shù) Philips 公司。 Philips 公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢，將 MCS-51 從單片微型計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展到微控制器。因此，當(dāng)我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時(shí)， 不要忘記 Intel 和 Philips 的歷史功績。 3、 嵌入式系統(tǒng) 單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展之路 ，向 MCU 階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了 SOC 化趨勢。隨著微電子技術(shù)、 IC 設(shè)計(jì)、 EDA 工具的發(fā)展，基于 SOC 的 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 會(huì)有較大的發(fā)展。因此，對單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、單片微控制器延伸 到單片應(yīng)用系統(tǒng)。 單片機(jī)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(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有 CPU 的專用 處理器 發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU 集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。 INTEL 的Z80 是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器， 從此以后，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。 3 二、 常用單片機(jī)芯片簡介 1、 STC 單片機(jī) STC 公司的單片機(jī)主要是基于 8051內(nèi)核 ,是新一代增強(qiáng)型單片機(jī) ,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(qiáng) . 2、 PIC 單片機(jī)： 是 MICROCHIP 公司的產(chǎn)品 ,其突出的特點(diǎn)是體積小 ,功耗低 ,精簡指令集 ,抗干擾性好 ,可靠性高 ,有較強(qiáng)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(chǔ)器的芯片 . 3、 EMC 單片機(jī)： 是臺(tái)灣義隆公司的產(chǎn)品 ,有很大一部分與 PIC 8 位單片機(jī)兼容 ,且相兼容產(chǎn)品的資源相對比 PIC 的多 ,價(jià)格便宜 ,有很多系列可選 ,但抗干擾較差 . 4、 ATMEL 單片機(jī) (51 單片機(jī) )： ATMEL 公司的 8 位單片機(jī)有 AT89、 AT90 兩個(gè)系列 ,AT89 系列是 8 位 Flash 單片機(jī) ,與 8051 系列單片機(jī)相兼容 ,靜態(tài)時(shí)鐘模式 ；AT90 系列單片機(jī)是增強(qiáng) 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(jī) ,也叫 AVR 單片機(jī) . 5、 PHLIPIS 51PLC 系列單片機(jī) (51 單片機(jī) )： PHILIPS 公司的單片機(jī)是基于 80C51 內(nèi)核的單片機(jī) ,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(yīng)用設(shè)計(jì)中可以滿足多方面的性能要求 . 6、 HOLTEK 單片機(jī)： 臺(tái)灣盛揚(yáng)半導(dǎo)體的單片機(jī) ,價(jià)格便宜 ,種類較多 ,但抗干擾較差 ,適用于消費(fèi)類產(chǎn)品 . 7、 TI 公司單片機(jī) (51 單片機(jī) )： 德州儀器提供了 TMS370 和 MSP430 兩大系列通用單片機(jī) .TMS370 系列單片機(jī)是8 位 CMOS 單片機(jī) ,具有多種存儲(chǔ)模式、多種外圍接口模式 ,適用于復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制場合 ；MSP430 系列單片機(jī)是一種超低功耗、功能集成度較高的 16 位低功耗單片機(jī) ,特別適用于要求功耗低的場合 三、 單片機(jī)攻擊技術(shù) 4 目前，攻擊單片機(jī)主要有四種技術(shù)，分別是： （）軟件攻擊 該技術(shù)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(jìn)行攻擊。軟件攻擊取得成功的一個(gè)典型事例是對早期 系列單片機(jī)的攻擊。攻擊 者利用了該系列單片機(jī)擦除操作時(shí)序設(shè)計(jì)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(chǔ)器數(shù)據(jù)的操作，從而使加過密的單片機(jī)變成沒加密的單片機(jī)，然后利用編程器讀出片內(nèi)程序。 （） 電子探測攻擊 該技術(shù)通常以高時(shí)間分辨率來監(jiān)控處理器在正常操作時(shí)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(shí)施攻擊。因?yàn)閱纹瑱C(jī)是一個(gè)活動(dòng)的電子器件，當(dāng)它執(zhí)行 不同的指令時(shí)，對應(yīng)的電源功率消耗也相應(yīng)變化。這樣通過使用特殊的電子測量儀器和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法分析和檢測這些變化，即可獲取單片機(jī)中的特定關(guān)鍵信息。 （）過錯(cuò)產(chǎn)生技術(shù) 該技術(shù)使用異常工作條件來使處理器出錯(cuò)，然后提供額外的訪問來進(jìn)行攻擊。使用最廣泛的過錯(cuò)產(chǎn)生攻擊手段包括電壓沖擊和時(shí)鐘沖擊。低電壓和高電壓攻擊可用來禁止保護(hù)電路工作或強(qiáng)制處理器執(zhí)行錯(cuò)誤操作。時(shí)鐘瞬態(tài)跳變也許會(huì)復(fù)位保護(hù)電路而不會(huì)破壞受保護(hù)信息。電源和時(shí)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(shù) 該技術(shù)是直接暴露芯 片內(nèi)部連線，然后觀察、操控、干擾單片機(jī)以達(dá)到攻擊目的。為了方便起見，人們將以上四種攻擊技術(shù)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(dǎo)體測試設(shè)備、顯微鏡和微定位器，在專門的實(shí)驗(yàn)室花上幾小時(shí)甚至幾周時(shí)間才能完成。所有的微探針技術(shù)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(jī)不會(huì)被物理損壞。在某些場合非侵入型攻擊是特別危險(xiǎn)的，但是因?yàn)榉乔秩胄凸羲柙O(shè)備通常可以自制和升級，因此非常廉價(jià)。 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，而且通常可用一整套相似的技術(shù)對付寬范圍的產(chǎn)品。 5 四、 單片機(jī)學(xué)習(xí)應(yīng)用的 五 大重要部分 1、總線： 我們知道，一個(gè)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(gè)問題，因?yàn)楦髌骷g一般是串行關(guān)系，各器件之間的連線并不很多，但計(jì)算機(jī)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(dú)連線，則線的數(shù)量將多得驚人，所以在微處理機(jī)中引入了總線的概念，各個(gè)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(dāng)于各個(gè)器件并聯(lián)起來，但僅這樣還不行，如果有兩個(gè)器件同時(shí)送出數(shù)據(jù)，一個(gè)為 0，一個(gè)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(jìn)行控制，使器件分時(shí)工作 ，任何時(shí)候只能有一個(gè)器件發(fā)送數(shù)據(jù)（可以有多個(gè)器件同時(shí)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(jī)內(nèi)部或者外部存儲(chǔ)器及其它器件中有存儲(chǔ)單元，這些存儲(chǔ)單元要被分配地址，才能使用，分配地址當(dāng)然也是以電信號的形式給出的，由于存儲(chǔ)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?yàn)檫@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(jī)芯片的設(shè)計(jì)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(yán)格的一一對應(yīng)關(guān)系，不可以由單片機(jī)的開發(fā)者更改。地址：是尋找單片機(jī)內(nèi)部、外部的存儲(chǔ)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(shè)計(jì)者規(guī)定好，不可更改，外部的單元可以由單片機(jī)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(xué)時(shí)往往對 P0 口、 P2 口和 P3 口的第二功能用法迷惑不解，認(rèn)為第二功能和原功能之間要有一個(gè)切換的過程，或者說要有一條指令，事實(shí)上，各端口的第二功能完全是自動(dòng)的，不需要用指令來轉(zhuǎn)換。如 P3.6、 P3.7 分別是 WR、 RD 信號，當(dāng)微片理機(jī)外接 RAM 或有外部 I/O 口時(shí)，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(jī)一執(zhí)行到 MOVX 指令，就會(huì)有相應(yīng)的信號從 P3.6 或 P3.7 送出，不需要事先用指令說明。事實(shí)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(huì) 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(dāng)單片機(jī)執(zhí)行到這條指令時(shí)，也會(huì)使 P3.7 變?yōu)楦唠娖剑褂谜卟粫?huì)這么去做，因?yàn)檫@通常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。 4、程序的執(zhí)行過程： 單片機(jī)在 通電復(fù)位后 8051 內(nèi)的程序計(jì)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(gè)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(gè)區(qū)域，是用來存放數(shù)據(jù)的，這個(gè)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(jìn)后出，后進(jìn)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(gè)特殊的專為其服務(wù)的單元，即堆棧指針 SP，每當(dāng)執(zhí)一次 PUSH 指令時(shí)， SP 就（在原來值的基礎(chǔ)上）自動(dòng)加 1，每當(dāng)執(zhí)行一次 POP 指令， SP 就（在原來值的基礎(chǔ)上）自動(dòng)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(shè)置在規(guī)定的內(nèi)存單元中，如在程序開始時(shí)，用一條 MOV SP， #5FH 指令，就時(shí)把堆棧設(shè)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(shè)置堆棧指針的指令，因?yàn)殚_機(jī)時(shí)， 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(gè)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(huì)造成數(shù)據(jù)的混亂。不 同作者編寫程序時(shí)，初始化堆棧指令也不完全相同，這是作者的習(xí)慣問題。當(dāng)設(shè)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(huì)把它當(dāng)成普通內(nèi)存用了。 五、 單片機(jī)開創(chuàng)了現(xiàn)代電子系統(tǒng)時(shí)代 單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個(gè)范疇： 1、 在 智能儀器 儀表 上的應(yīng)用 單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的 傳感器 ，可實(shí)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(jī)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(qiáng)大。例如精密的測量設(shè)備（ 功率計(jì) ， 示波器 ，各 種分析儀）。 2、 在工業(yè)控制中的應(yīng)用 用單片機(jī)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(yīng)用 可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控制，從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他 音響 視頻器材、再到 電子秤 量設(shè)備，五花八門，無所不在。 4、 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話機(jī)、小型 程控交換機(jī) 、樓宇自動(dòng)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(dòng)電話，集群移動(dòng)通信， 無線電 對講機(jī)等。 5、 單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)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(yīng)用 某些專用單片機(jī)設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進(jìn)行模塊化應(yīng)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(jī)，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機(jī)的原理），就需要復(fù)雜的類 似于計(jì)算機(jī)的原理。如：音樂信 8 號以數(shù)字的形式存于存儲(chǔ)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(yīng)用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯(cuò)誤率，也方便于更換。 7、 單片機(jī)在汽車設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 單片機(jī)在汽車電子中的應(yīng)用非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，基于 CAN 總線的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)智能電子控制器， GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)， abs 防抱死系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)等等。 此外，單片機(jī)在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。 致 謝 本 課 程設(shè)計(jì) 是在我的導(dǎo)師 海深 老師 的親切關(guān)懷和細(xì)心指導(dǎo)下完成的，在設(shè)計(jì)過程中，自始至終凝聚著導(dǎo)師的心血。恩師那治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，淵博的學(xué)識感染著我。他那誨人不倦、寬厚樸實(shí)的作風(fēng)給我們留下了不可磨滅的影響，是我學(xué)習(xí)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(dá)誠摯的謝意同時(shí)以最崇高的敬意。 我還要感謝我的一些同學(xué)，他們在我最需要幫助的時(shí)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(shí)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。 真誠的感謝所有的幫助過我的老師們，同學(xué)們和朋友們。 感謝對本設(shè)計(jì)進(jìn)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(xiàn) 1 陳大欽