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1、单片机训练要点硬件构成要素软件设计结构,嵌入式（单片机）系统中的常见硬件资源,微处理器 存储器 定时器 通讯、接口电路、总线 AD/DA, PWM 复位控制与看门狗 其它,一、 微处理器类型与选择,微处理器类型: 指令结构上 :精简指令集 复杂指令集 数据与地址总线结构上: 典型器件如8086 ;MCS51; TI公司的DSP等等 程序启动方式: 是否需要引导(root) 工作模式: 虚拟模式 实地址模式 概念参考80386 , (系统模式 用户模式 异常模式等) 参考ARM 寄存器: 方便在多种模式之间程序切换,支持多任务操作系统 工作目标: 数据处理型(DSP) 控制型(单片机),几种典型
2、的微处理器,MCS51系列（通用单片机，有广泛的用户群。） AVR系列 PIC系列（低功耗，低成本） ARM系列（多组寄存器结构支持多用户操作系统） TI DSP系列（极强的数字信号处理功能和速度） 还有一些微处理器集成LCD驱动器、USB接口、CAN总线、以太网络接口，特别适合于相关技术的开发。,中断和异常（概念）,中断-被定义为改变CPU执行指令顺序的事件，这些事件对应于CPU芯片 和 外部硬件电路 产生的电信号。 中断可分为同步synchronous和异步asynchronous 1）同步 -由CPU控制单元产生，同步的产生与指令有关.或说同步是由于执行了一些“不恰当”的指令引起的.在指
3、令终止执行后，CPU才发出中断-称为同步！ 2）异步 其他硬件设备需要CPU提供服务时向CPU提出的一种请求。对进程而言，由于随机性！ 80X86中，把同步和异步分别称为异常（exception）和中断（interrupt） 。（有时候，我们也统称为中断）,硬件中断（interruptions）,1）可屏蔽中断 这些中断请求被送到CPU的INTR引脚。通过清除 flags的IF标志，可以disable它！ 2）不可屏蔽中断 这些中断请求被送到CPU的NMI引脚。只有很少的事件，例如硬件错误，会给一个高电平到不可屏蔽中断,异常exceptions （80X86为例 ）,CPU执行指令时，发现异常
4、情况，产生exceptions，根据eip寄存器的值可分如下类型： 1）故障（fault） 存在eip中的值是引起故障的指令地址。异常处理结束时，该指令要被重新执行。例如“缺页异常处理”例子。 2）陷阱（trap） eip中存的是引发陷阱指令的下一条指令。表示没必要再重新执行引发陷阱的指令。这个主要用于调试程序！ 3）异常结束（abort） 发生严重错误时触发，不能在eip放有意义的值。控制单元直接让程序退出！ 4）编程异常（programmed exception） 程序员（的程序）向系统提交请求时会触发。由int或者int3指令触发。例如int 0 x80是程序员发出系统调用请求！。-也叫
5、软中断。一般用于系统调用和给调试程序通知一个特定事件。,中断管理（应用）,多中断源是中断管理的需求背景 中断屏蔽：全局屏蔽、个别屏蔽 中断向量中断服务子程序与中断源的对应关系; 优先级管理各中断事件的优先权问题（中断嵌套），有时只用高低两级。 管理的途径 ：1、专门的器件（51集成在内部）；2、通过软件查询,中断子程序编写时注意要点：,确保中断向量正确； 现场保护与恢复是关键（汇编语言）； 通过全局变量和主程序交换信息；通过静态变量处理同一中断源的不同次之间的逻辑关系； 在多中断源时，要特别注意中断嵌套的问题； 调试时，对中断要专门调试测试，确认正确性。,二 、存储器,很多类型的存储设备在现代
6、计算机系统中都是比不可少的。作为一个嵌入式工程师，必须明白它们之间的差别以及理解怎么有效地使用每一种类型的存储器。 半导体存储器分类：随机存取的（RAM）、只读的（ROM）。 在一个RAM 设备中，存储在存储器中每一个位置的数据都可以在需要的时候读或者写。 在一个ROM 设备中，存储在存储器中每一个位置的数据可以随意的读取，但是不能够写入。有些时候，在一个类ROM 设备中改写其中的数据是可能的。这种设备叫作混合存储器，因为它们同时表现了RAM 和ROM 的一些特征。 注：在嵌入式微处理器中，一般集成了少量的RAM 和E2PROM，还有足够的FLASH（用于存储程序代码、表格）,RAM 的类型A
7、RAM,在RAM 家族中有两种重要的存储设备：SRAM 和DRAM。它们之间的主要差别是存储于其中的数据的寿命。SRAM（静态RAM）只要是芯片有电就会保留其中的内容。然而，如果电源切断了或者是暂时断电了，其中的内容就会永远的丢失。另一方面，DRAM（动态RAM）只有极短的数据寿命通常不超过0.25 秒。即使是在连续供电的情况下也是如此。 然而，一个叫作DRAM控制器的简单硬件可以使DRAM的行为更像SRAM。DRAM 控制器的任务是周期性地刷新DRAM 中存储的数据。通过一秒钟之内几次刷新数据，DRAM 控制器就可以在需要的时间内保持DRAM 中数据有效。因此DRAM 归根结底和SRAM 是
8、同样有用的。,特点：,在决定选用哪一种类型的存储器的时候，系统设什者要考虑存取时间和成本。SRAM 设备提供了使用方便、极快的存取时间（大约比DRAM 快四倍），但是制造起来十分的昂贵，容量小，功耗大。 通常SRAM 只是用于那此存取速度极端重要的场合。在大量的RAM 需要的时候，每字节的更低价格使得DRAM 很吸引人。很多嵌入式系统两种类型都包括：关键数据通道上的一小块SRAM（几百个千字节）和其他所有地方的一大块DRAM（以兆计） PSRAM (伪静态RAM）：容量大、使用方便、功耗小,ROM 的类型,ROM 家族中的存储器是按照向其中写入新数据的方法（通常叫作编程）及其可以重写的次数来区
9、分的。这个划分反映了ROM 设备从硬连线，到一次性可编程，到可擦写可编程的演化过程。这些设备的一个共同的特性就是它们都能够永久地保存数格和程序，甚至是断电之后。真正第一个ROM 是硬连线设备，它包含一组预先编排的数据或者指令。ROM 中的内容不得不在芯片生产出来之前指定。因此实际的数据被用来安排芯片内部的晶体管。硬连线内存仍旧在使用，但是它们现在叫作“掩膜ROM”以和其他类型的ROM 区分。掩膜ROM 主要的优点是低的产品成本。不幸的是，只有在需要成百上千相同ROM 的拷贝时，成本才是低廉的。,PROM， EPROM,比掩膜ROM 更进一步的是PROM（可编程ROM）。它买来的时候处于未被编程
10、的状态。如果你要看一个未经编程的PROM 的内容，你会看到数据的每一位完全由1 组成。把你的数据写人PROM 的过程涉及到一个特殊的设备、叫作设备编程器。设备编程器通过向芯片的管脚加电，每一次向设备中写入一个字节。一旦一个PROM 通过这种方法被编程了，其中的内容就再也不能改变了。如果存储在PROM 中的代码或者数据必须改变，目前这个设备就必须废弃。 PROM 也称一次性可编程设备。 EPROM（可擦写可编程ROM）编程的方式和PROM 完全一样。然而，EPROM 是可以被擦除并且反复被编程的。为了擦除一个EPROM，你只要把设备暴露在强紫外线光源下。（在设备的顶端有一个让紫外线照射到硅的窗口
11、。）这样做，你基本上可以把整个芯片重置到其初始状态未编程状态。尽管比PROM 要贵，但是它们可以被再编程的能力使得EPROM 成为软件开发及测试过程必需的一部分。,快闪存储器（FLASH MEMORY） 和非易失RAM （nonvolatile RAM）,快闪存储器是存储器技术最新的发展。快闪存储设备具有高密度、低价格、非易失性、快速（读取，而不是写入）以及电气可重编程等特点。这些优点作为一个直接的结果，快闪存储器在嵌入式系统中的使用迅速增长。从软件的观点来说快速存储和EEPROM 技术十分的类似。主要的差别是快速存储设备一次只能擦除一个扇区，而不是一个字节一个字节的擦除。典型的扇区的大小是在
12、256 字节到16 千字节的范围。尽管如此，快速存储设备比EEPROM 要流行的多，并且还迅速地取代了很多ROM 设备。 混合存储器的第三个成员是NVRAM（nonvolatile RAM，非易失RAM）。非易失性是ROM 及混合存储器前面讨论过的一个特征。然而，NVRAM 物理上与那些设备非常不同。NVRAM 通常只是一个带有后备电池的SRAM。当电源接通的时候，NVRAM 就像任何一个其他的SRAM 一样。但是当电源切断的时候，NVRAM 从电池中获取足够的电力以保持其中现存的内容。NVRAM 在嵌入式系统中是十分普遍的。然而，它是十分的昂贵甚至比SRAM 还要昂贵因此，它的应用被限制于存
13、储仅仅几百字节的系统关键信息，这些信息不可能有更好的存储办法了。 FLASH有擦除次数寿命 ； nonvolatile RAM没有,双口RAM,单口ram一般指有一组地址线，一个写使能线，一个使能线，一组输入线，一组数据输出。双口ram指有两组地址口，控制信号和数据线，他们公用一个存储器体单元。他们是独立的。两个口都可以读写数据。不过在写的时候不可以两个口同时写。因为不可以同时往一个存储块写。两个口的时钟可以不一样。 双口RAM 一般用于在两个数字功能模块之间传输数据,先进先出(FIFO)存储器,先进先出(FIFO)存储器是一种特殊存储器件，其特点是在同一个芯片里的同一个存储单元配备有两个数据
14、口，一个是输入口，只负责数据的写入，另一个是输出口，只负责数据的输出。 另外在对这种存储器进行读和写的操作时不需要地址线参与寻址，它的数据是按照一种环形结构依次进行存放的。先进先出(FIFO)存储器的另一个与传统存储器不同的地方，就是写入先进先出(FIFO)存储器中的存储单元的数据一旦被读取后，则这个数据再也无法被读取，就像永久消失一样。 所以，先进先出(FIFO)存储器在操作时由“空”和“满”的标志位来表示存储器内部的状态。 FIFO RAM 在两个数字功能模块之间传输数据,NAND FLASH和SD卡,一种可顺序访问的、并可分块擦除的大容量的FLASH存储器。从操作特点上看，更像一个半导体
15、磁盘。广泛应用于需要大容量记录数据的多媒体设备中。 注：有多种接口方式；为降低成本、体积、功耗等常常和其他功能电路集成在一起。,存储器要点：,单片机内部一般具有少量的SRAM和足够的多的ROM，也有一些单片机内部集成E2PROM。要知道各自的用法； 在一些信号处理类型的应用中，内部的SRAM可能不够用，需要掌握RAM扩展的基本技术；熟悉市场上常见的产品； 特别说明：扩展容量时要知道地址范围，并确保不和其它接口地址冲突。 FIFO存储器作为一种“块数据”的缓冲方式，在一些题目中特别有用，应关注IDT公司的该类型产品。,存储器的接口形式,并行总线形式 （地址、数据、控制信号） 串行总线形式（I2C
16、 ，SPI ）,三、定时器/计数器,实时时钟 (real timer) ：年月日时分秒毫秒，一般内部集成可充电电池 看门狗（watch dog timer)：程序跑飞之后产生复位信号，一般的 无人职守系统中需要用到看门狗。 定时器（有带捕获或比较功能，也有不带捕获或比较功能）：可以设置一定的时间间隔引起中断或异常。利如时间延迟、时间等待、超时判断、波特率发生器、时间分片等。 捕获：在普通定时器的基础上增加一个锁存器后，可以获得两个不同（或相同）事件脉冲之间的时间差。 比较：在普通定时器的基础上增加几个数字比较器后，可以在计数器的值计数到设置值时，向位处理器提出中断请求。 捕获和比较大大增加了定时器的功能。典型应用PWM,复位控制与看门狗,看门狗是一种与复位电路相联系的可清零定时器（计数器），当定时器的定时时间到时，复位电路自动产生复位信号，使系统复位。 所以在正常情况下，应该确保定时时间不能到达设定值（一般为固定的默认值）。方法是在程序中增加指令对定时器清零。当程序由于干扰等原因“跑飞“时，就出现了我们所说的”死机“。此时定时器也不
