1、 普通高等教育“十二五”规划教材 电子信息科学与工程类专业规划教材 单片机原理与 嵌入式系统设计 原理、应用、Proteus 仿真、实验设计 张 齐 朱宁西 毕 盛 编著 内 容 简 介 本书系统地介绍基于单片机的嵌入式系统的基本原理和应用技术，共 10 章，主要内容包括单片机与嵌入式系统概述、嵌入式系统基础知识、单片机嵌入式系统的开发环境、80C51 系列单片机硬件基础及编程语言、80C51单片机内嵌外设和外部扩展应用、多任务实时操作系统 RTX-51 及应用实例、教学实验和课程设计等。本书实例丰富，以 C51 高级语言作为编程教学语言，实用性较强。提供电子课件、大部分程序的源代码和 Kei
2、l Vision2 IDE调试配合的 Proteus 单片机仿真电路。本书可作为高等学校电子、计算机、机械等专业嵌入式系统和单片机等课程的教材，也可作为相关领域应用工程师和业余爱好者的参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 单片机原理与嵌入式系统设计：原理、应用、Proteus 仿真、实验设计/张齐，朱宁西，毕盛编著.北京：电子工业出版社，02011.8 电子信息科学与工程类专业规划教材 ISBN 978-7-121-14083-9 .单 .张朱毕 .单片微型计算机高等学校教材 单片微型计算机 系统设计高等学校教材 .TP
3、368.1 TP360.21 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2011）第 136849 号 策划编辑：王羽佳 责任编辑：王羽佳 特约编辑：王 崧 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编：100036 开 本：7871092 1/16 印张：21.25 字数：602.7 千字 印 次：2011 年 8 月第 1 次印刷 印 数：4000 册 定价：39.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：
4、（010）88258888。III 前 言 2003 年，国内单片机教学以8 位机和16 位机为主，80C51 单片机是其中的主流机型，尽管当时许多使用80C51 单片机开发产品的工程师已开始使用C51 高级语言开发软件，但在高校里，许多老师仍然以汇编语言作为教学语言，许多大学生感到单片机的开发抽象且难以理解，从此放弃进入此行业。为了在高校推广单片机高级语言教学，笔者在广泛收集材料的基础上，于 2004 年在电子工业出版社出版了单片机应用系统设计技术基于C 语言编程，前后印刷4 次，被不少学校、培训单位选为教材。2008 年秋季学期，因课程调整，遂产生对教材进行修订的想法，第1 版教材到200
5、8 年已过去4 年，国内外单片机系统软硬件开发技术也得到了很大发展，如在我国香港地区乃至国外单片机开发中，非常普遍地应用了 Proteus 虚拟仿真技术。Proteus 提供了一种可视化仿真开发环境，很好地解决了单片机及其外围电路的设计和协同仿真问题，可以在没有实际单片机系统硬件的条件下，利用 PC 进行虚拟仿真，实现单片机系统的软硬件协同设计。在原理图设计阶段即可对系统性能进行评估，验证所设计的电路是否达到了功能和性能要求，使设计过程变得简单容易。修订教材的想法在电子工业出版社的大力支持下很快变为现实，单片机应用系统设计技术基于 C51 的 Proteus 仿真（第 2 版）于2009 年与
6、读者见面，随后又出版了配套的仿真实验教材 单片机原理与应用系统设计基于 C51 的Proteus 仿真实验与解题指导。至 2011 年 1 月底已重印 4 次，被国内 30 多所高校选为教材，得到读者的广泛好评。笔者长期从事与嵌入式系统有关的科研与教学工作，近年来一直有这样的愿望，即编写一部嵌入式系统课程方面的教材，内容包括嵌入式系统基础、8 位单片机原理与应用、32 位单片机原理与应用。大量的实践经验表明，只有学习完单片机和 C 语言，并已经很好地掌握了其中的知识点，才有可能进一步学习 ARM、Linux 等高级嵌入式课程。我们最终决定将上述内容分为两个不同层次编写：本书为第一层次是基于 8
7、 位单片机的嵌入式计算机系统，这个层次是面向目前最广泛的中低端应用，带有明显的电子系统设计特点。第二个层次则是基于 32 位单片机的嵌入式计算机系统，这个层次主要是面向中高端应用，如移动信息设备、网络产品等。从8 位AVR 或51 单片机，到32 位ARM、Linux 和Windows Embedded 等高端嵌入式系统，使读者可以从一个没有任何基础的初学者，循序渐进地成长为可以进行复杂嵌入式系统设计和开发的工程师。教学计划上，建议两个层次安排在不同学期，前者为嵌入式系统的入门教材，作为必修课，后者为嵌入式系统的高级教程，作为高年级选修课或作为研究生课程。许多公司推出了 1T 规格的 80C5
8、1 单片机，即 1 个时钟周期为 1 个机器周期，与标准的 80C51 相比，指令执行速度提高了约12 倍；同时进一步增强了单片机的 SoC 功能，如片内集成大容量存储器、A/D 转换器、PWM、DataFlash、多种串行通信接口等外设；并直接使用标准的异步串口下载程序。基于这些特性，第一层次的机型仍选用 80C51 单片机。全书包含理论知识、教学实验和课程设计，共 10 章。第 1 章阐述嵌入式系统的定义、组成、概念、特点和分类，介绍嵌入式处理器的分类和选择方法、嵌入式操作系统的特点与分类、基于单片机的嵌入式系统、常用的单片机系列。第 2 章阐述与计算机有关的数学知识及嵌入式计算机系统中最
9、基本的单元电路。第 3 章从实用的角度介绍单片机化产品的研制步骤和软硬件开发环境，着重介绍 Keil C51 的集成开发环境 Vision2 IDE 和支持微处理芯片仿真的 Proteus VSM 软件。IV 第 4 章阐述 80C51 单片机中的 CPU 结构、存储器结构及 I/O 端口的功能。第 5 章阐述单片机指令系统和程序设计语言。第6 章阐述80C51 单片机的内嵌外设：中断系统、定时器/计数器、串行口的工作原理与应用编程。第 7 章阐述 80C51 单片机系统扩展与应用编程。第 8 章以电梯控制器为设计实例，介绍 80C51 单片机嵌入式系统硬件电路设计和软件编程方法。第 9 章阐
10、述多任务实时操作系统 RTX-51，并以 Proteus 交通信号灯控制器仿真电路为实例，介绍RTX-51 TINY 实时操作系统的应用。第 10 章为教学实验和课程设计内容，共包含 11 个教学实验和 3 个课程设计。本书大部分程序均配有与此程序相对应的Proteus 格式的电路原理图，打开原理图文件，单击“运行”按钮可以看到该示例程序的仿真运行情况。Keil Vision2 IDE 调试配合 Proteus 单片机仿真电路，解决了以往单片机课堂教学无法现场演示的问题。为了方便教师备课和读者学习，本书除提供 PPT 格式的教学课件外，还包括各章的 Proteus 仿真电路、相应的源程序及工程
11、文件，单击 PPT 课件中的 CAI 图标，即可打开相应的仿真电路。本书由张齐、朱宁西和毕盛编著。在成书过程中，莫锦辉、李蕾、赵峙岳、曾令华、李大新、张英彬、胡佳、劳炽元、李攀登、杨琴波、何俊伟、王京林、甘义成等参与了部分内容的编写、仿真电路设计和程序调试等工作，限于幅面，封面和扉页上无法一一署名。本书得以顺利出版与电子工业出版社的大力支持和帮助是分不开的，王羽佳编辑对本书的出版做了大量细致的工作。本书部分程序示例来自于互联网，许多网友只是用昵称或符号表示，无法署名，在此一并表示衷心的感谢。本书配套电子课件和大部分程序的源代码以及 Keil Vision2 IDE 调试配合的 Proteus
12、单片机仿真电路，请登录华信教育资源网 http：/ 者 2011 年 7 月 V 目 录 第 1 章 单片机与嵌入式系统概述（1）1.1 现代计算机的技术发展史 （1）1.1.1 始于微型计算机时代的嵌入式 应用 （1）1.1.2 现代计算机技术的两大分支 （1）1.1.3 两大分支发展的里程碑事件 （1）1.2 嵌入式系统的定义与特点 （2）1.2.1 嵌入式系统的定义 （2）1.2.2 嵌入式系统组成 （2）1.2.3 嵌入式系统中的有关概念 （3）1.2.4 嵌入式系统的特点 （3）1.2.5 嵌入式系统的种类与发展 （5）1.3 嵌入式处理器 （5）1.3.1 嵌入式处理器简介 （5）
13、1.3.2 嵌入式处理器的分类 （6）1.3.3 几种嵌入式处理器之关系 （8）1.3.4 如何选择嵌入式处理器 （8）1.4 嵌入式操作系统 （9）1.4.1 嵌入式操作系统特点 （9）1.4.2 嵌入式操作系统分类 （10）1.4.3 使用嵌入式操作系统的优缺点 （10）1.5 基于单片机的嵌入式系统 （10）1.5.1 单片机开创了嵌入式系统独立 发展道路 （10）1.5.2 单片机的技术发展史 （11）1.5.3 嵌入式系统应用的高低端 （11）1.5.4 单片机嵌入式系统的特点 （12）1.6 单片机的分类和技术指标 （13）1.6.1 单片机的分类 （13）1.6.2 单片机的技术
14、指标 （13）1.7 常用的单片机系列 （14）1.8 单片机嵌入式系统的应用领域 （16）1.9 单片机嵌入式系统的发展趋势 （17）本章小结 （18）习题 1 （19）第 2 章 嵌入式系统基础知识 （20）2.1 数制与编码 （20）2.1.1 进位计数制 （20）2.1.2 进位计数制的相互转换 （21）2.1.3 数码和字符的代码表示 （22）2.2 数字集成电路 （24）2.2.1 常用的逻辑门电路 （24）2.2.2 集电极开路门输出电路 （26）2.2.3 常用组合逻辑电路 （28）2.2.4 常用时序逻辑电路 （32）2.3 存储器电路 （34）2.3.1 存储器概述 （34
15、）2.3.2 存储器有关概念 （34）2.3.3 RAM 存储器 （35）2.3.4 ROM 存储器 （39）2.3.5 闪速存储器 （41）2.4 电源电路 （42）2.5 时钟与复位电路 （45）2.5.1 时钟电路 （45）2.5.2 复位电路简介 （46）2.5.3 简单复位电路 （46）本章小结 （49）习题 2 （49）第 3 章 单片机嵌入式系统的开发环境 （51）3.1 单片机嵌入式系统的研制步骤和 方法 （51）3.1.1 总体设计 （51）3.1.2 硬件系统 （52）3.1.3 软件系统 （53）3.2 单片机嵌入式系统开发的软硬件 环境 （54）3.2.1 单片机嵌入式
16、系统开发的软硬件 环境构成 （54）3.2.2 单片机嵌入式系统开发工具选择 原则 （55）VI 3.2.3 使用 JTAG 界面单片机仿真开发 环境 （56）3.2.4 单片机的在线编程 （56）3.3 Keil C51 高级语言集成开发环境 Vision2 IDE （57）3.3.1 Vision2 IDE 主要特性 （57）3.3.2 Vision2 IDE 集成开发环境 （58）3.3.3 Vision2 IDE 的使用 （61）3.3.4 Keil C51 中 printf 库函数 （70）3.4 基于 Proteus 的单片机系统仿真 （70）3.4.1 Proteus 7 Professional 界面介绍 （71）3.4.2 绘制电路原理图 （73）3.4.3 Proteus VSM与Vision2的联调 （77）3.4.4 Proteus VSM 中的电源、复位与 时钟 （80）本章小结 （80）习题 3 （81）第 4 章 80C51 单片机硬件基础知识 （82）4.1 MCS-51 系列及 80C51 系列 单片机简介 （82）4.1.1 MCS-51 系列和 8