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第 1 章 概述
51 单 片 机
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第 1 章 概述
第1章 概述
本章内容与具体芯片无关。主要内容有：简要给出嵌入式系统定义、 由来及特点；简要阐述嵌入式系统的知识体系，分析如何避免进入嵌入式系统的学习误区， 根据嵌入式系统的特点，就如何学习嵌入式系统提出几点建议；归纳嵌入式系统的常用术语。 1.1 嵌入式系统定义、由来及特点 1.1.1 嵌入式系统的定义
嵌入式系统（Embedded system）有多种多样的定义，但本质是相同的。本书关于嵌 入式系统的定义取自美国 CMP Books 出版的 Jack Ganssle 和 Michael Barr 著作《Embedded System Dictionary》①。
嵌入式系统的定义：一种计算机硬件和软件的组合，也许还有机械装置，用于实现一 个特定功能。在某些特定情况下，嵌入式系统是一个大系统或产品的一部分。世界上第一 个嵌入式系统是 1971 年 Busicom 公司用 Intel 单芯片 4004 微处理器完成的商用计算器系 列。该词典还给出了嵌入式系统的一些示例：微波炉、手持电话、计算器、数字手表、录 像机、巡航导弹、GPS 接收机、数码相机、传真机、跑步机、遥控器和谷物分析仪等，难 以尽数。通过与通用计算机的对比可以更形象地理解嵌入式系统的定义。该词典给出的通 用计算机定义是：计算机硬件和软件的组合，用做通用计算平台。PC、MAC 和 Unix 工 作站是最流行的现代计算机。
我国《国家标准 GB/T 5271 信息技术词汇－嵌入式系统与单片机》部分，给出的嵌入 式系统定义是：置入应用对象内部起操作控制作用的专用计算机系统。
国内对嵌入式系统定义曾进行过广泛讨论，有许多不同说法。其中嵌入式系统定义涵 盖面问题是主要争论焦点之一。例如，有的学者认为不能把手持电话叫嵌入式系统，而只 能把其中起控制作用的部分叫嵌入式系统，而手持电话可以称为嵌入式系统的应用产品。 其实，这些并不妨碍人们对嵌入式系统的理解，所以不必对定义感到困惑。有些国内学者 特别指出，在理解嵌入式系统定义时，不要把嵌入式系统与嵌入式系统产品相混淆。实际 上，从口语或书面语言角度，不区分“嵌入式系统”与“嵌入式系统产品”，只要不妨碍 对嵌入式系统的理解就没有关系。
为了更清楚阐述嵌入式系统特点，首先介绍大多数嵌入式系统的核心部件－单片机 （微控制器）的基本概念。
① 中译本：Jack Ganssle 等著，马广云等译，《英汉双解嵌入式系统词典》，北京航空航天大学出版社， 2006 年。
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第 1 章 概述
1.1.2 嵌入式系统的由来及其与微控制器的关系
1．单片机（微控制器）的基本含义
单片机是单片微型计算机的简称，早期的英文名是 Single-chip Microcomputer，后
来 大多数称之为微控制器或嵌入式计算机（Embedded computer）。现在 Microcontroller 已经 是计算机中一个常用术语，但在 1990 年代之前，大部分英文词典并没有这个词。我国学 者一般使用中文“单片机”一词，而缩写使用“MCU”①。所以本书后面的简写一律以 MCU 为准。MCU 的基本含义是：在一块芯片上集成了中央处理单元（CPU）、存储器 （RAM/ROM 等）、定时器/计数器及多种输入输出（I/O）接口的比较完整的数字处理系统。 图 1-1 给出了典型的 MCU 组成框图。
MCU 是在计算机制造技术发展到一定阶段的背景下出现的，它使计算机技术从科学 计算领域进入到智能化控制领域。从此，计算机技术在两个重要领域——通用计算机领域 和嵌入式（Embedded）计算机领域都获得了极其重要的发展，为计算机的应用开辟了更 广阔的空间。
就 MCU 组成而言，虽然它只是一块芯片，但包含了计算机的基本组成单元，仍由运 算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成，只不过这些都集成在一块芯片 上，这种结构使得 MCU 成为具有独特功能的计算机。
2．嵌入式系统的由来
通俗地说，计算机是因科学家需要一个高速的计算工具而产生的。直到二十世纪七十 年代，电子计算机在数字计算、逻辑推理及信息处理等方面表现出非凡的能力。在通信、 测控与数据传输等领域，人们对计算机技术给予了更大的期待。这些领域的应用与单纯的 高速计算要求不同，主要表现在：直接面向控制对象；嵌入到具体的应用体中，而非计算 机的面貌出现；能在现场连续可靠地运行；体积小，应用灵活；突出控制功能，特别是对 外部信息的捕捉与丰富的输入输出功能等。由此可以看出，满足这些要求的计算机与满足 高速数值计算的计算机是不同的。因此，一种称之为单片机或微控制器的技术得以产生并 发展。为了区分这两种计算机类型，通常把满足海量高速数值计算的计算机称为通用计算
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机系统，而把嵌入到实际应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，
简称嵌入式系统。
3．嵌入式系统与MCU的关系
何立民先生说：“有些人搞了十多年的单片机应用，不知道单片机就是一个最典型的 嵌入式系统”。实际上，MCU 是在通用 CPU 基础上发展起来的，MCU 具有体积小、价 格低、稳定可靠等优点，它的出现和迅猛发展，是控制系统领域的一场技术革命。MCU 以其较高的性能价格比、灵活性等特点，在现代控制系统中具有十分重要的地位。大部分 嵌入式系统以 MCU 为核心进行设计。MCU 从体系结构到指令系统都是按照嵌入式系统的 应用特点专门设计的，它能很好地满足应用系统的嵌入、面向测控对象、现场可靠运行等 方面的要求。因此以 MCU 为核心的系统是应用最广的嵌入式系统。在实际应用时，开发者 是根据具体要求选用最佳型号的 MCU 嵌入到实际应用系统中。
在 MCU 出现之前，人们必须用模拟电路、数字电路实现大部分计算与控制功能，这 样使得控制系统体积庞大，易出故障。MCU 出现以后，情况发生了变化，系统中的大部 分计算与控制功能由 MCU 的软件实现。其它电子线路成为 MCU 的外围接口电路，承担 着输入、输出与执行动作等功能，而计算、比较与判断等原来必须用电路实现的功能，可 以用软件取代，大大地提高了系统的性能与稳定性，这种控制技术称之为嵌入式控制技术。 在嵌入式控制技术中，核心是 MCU，其它部分依此而展开。 1.1.3 嵌入式系统的特点
要谈嵌入式系统特点，不同学者也许有不同说法。这里从与通用计算机对比角度谈嵌 入式系统的特点。
1．嵌入式系统是计算机系统，但不单独以通用计算机面目出现
嵌入式系统的本名叫嵌入式计算机系统（Embedded computer system），它不仅具有通 用计算机的主要特点，又具有自身特点。嵌入式系统也必须要有软件才能运行，但其隐含 在种类众多的具体产品中。同时，通用计算机种类屈指可数，而嵌入式系统不仅芯片种类 繁多，而且由于应用对象大小各异，嵌入式系统作为控制核心，已经融入到各个行业的产 品之中。
2．嵌入式系统开发需要专用工具和特殊方法
嵌入式系统不像通用计算机那样有了计算机系统就可以进行应用开发。一般情况下， MCU 芯片本身不具备开发功能，必须要有一套与相应芯片配套的开发工具和开发环境。 这些工具和环境一般基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波 器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为程序的执行 机，开发时需要交替结合进行。
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