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1、 班 级 10电工(3)班 学生姓名 提交日期 2013年6月21日 第二章 微控制器芯片的概述 在这一章里，从内部结构，标准型号，基本设计结构，材料结构类型，操作过程，工作周期，工作环境，存储类型和软件的角度来简单的描述微控制器芯片。最后，一个典型的80C51型单芯片微控制器作为例子来简述。2-1 微控制器的标准配置 一块单芯片微控制器基本包括下面几个内部功能块： CPU（中央处理器）在某些必要的板块的控制下起核心作用； 接受由电源提供的外部能源和根据所有内部功能板块的用途来分配接受的能源的能源管理系统； 时钟和定时系统提供持续频率的时钟信号，在外部振动系统的帮助下使得整个操作过程在一个同步
2、的状态； 复位系统接受外部复位信号，和根据先前的逻辑操作过程回到开始的状态； 控制逻辑存储表示CPU如何来指导操作过程中运行的程序或指令组； 变量区域来存储在操作过程中产生的内部数据； 一个像嵌入式微控制器的微控制器的内部配置和跟外设相连的最基本原理如图2.1所示。 微控制器的家族通常叫做“单片机”，根据体积，形状，引脚数，功能，型号等等的不同可以分为许多不同的种类，在原理上可以分为“嵌入式微控制器”，“外部存储微控制器”和“数字信号处理器”三大类，在特点，结构，功能和应用范围有共同之处也有不同的地方。它们之间有的可以通过加入一些改进来相互代替，但是有些拥有它们特殊而不能在其他类型上找到的优缺
3、点。上面提到的每种类型的微控制器在后面将会简短的描述的。 图2.12-1-1 嵌入式微控制器图2.1所示的嵌入式微控制器的种类包括非常广泛的范围。它们共同的特点是一个单芯片含有独立工作的几乎所有的必要的功能，比如存储功能，输入输出接口，因此，用户只需要给嵌入式微控制器提供电源和时钟信号就能驱动它工作。 嵌入式微控制器能当做基于微处理器标准的单片机已经建立了，也可以当做由利用微控制器标准建立的系统。因此它能够实现许多功能就像在单片机上的单任务。 嵌入式微控制器一个基本的作用是提供廉价的程序逻辑控制器和接口。因此，它们不需要拥有好标准的复杂的功能，但它们能够根据不同的要求执行非常复杂的控制联系。
4、大致上微控制器有一下共同特点： CPU（中央处理器）； 复位（回到最初的地址）功能； 内部时钟定时功能； 程序存储器（EPROM,EEPROM）程序输入端口； 数据存储器（RAM）； I/O（输入/输出）引脚； 指令周期计时器. 基于上面提到的这个基本芯片的装置能够为电脑满足基本的要求，下面列举的增加的功能根据它们的I/O脚已经实现了： 内部安装监控/调试程序; 内部控制存储编程的能力在主机控制下执行的; 不同中断源引起的中断能力 模拟信号，PWM信号，DC信号的I/O口连续I/O口（同步和异步）平行I/O口，包括能和主处理器直接相连的接口外部存储接口 上面列举的特点让微处理器更灵活简单的使用
5、，而且能够实现许多正在解决的看起来不能实现的任务。2-1-2 外部存储微控制器 外部存储微控制器的基本结构如图2.2所示 图2.2 外部存储微控制器的一个典型应用是当做存储获取/缓冲区，从根本上分配和缓解大量的数据，通常速度能达到几兆。多亏了外部存储器，外部存储微控制器比嵌入式微控制器在相当高的速度上工作。 大多数外部存储微控制器有16位或者32位存储单元来存储运行程序。它们的运行过程完全依赖于它们的外部存储器，包括微控制器的程序存储器和所有的数据存储器。 典型的外部存储微控制器类型是英特尔公司的80188型芯片。80188型芯片的主体是IBM公司个人电脑运用的8088型芯片和它们的兼容型号。
6、在8088型芯片基础上，在微控制器的应用上一些电路在上面添加了一些典型功能运行。开发80188芯片的目的是提供一套包含有为应用科技开发工程师所需要的功能电路。 2-1-3 数字信号处理器（DSP） 这是一种在从模拟信号中抽样出的数据中起作用的相对较新颖的信号处理器，并且能够通过执行内部核心算法来计算出相应的价值。 DSP和它们的算术逻辑部位在很高的速度下运转，所以不能实现实时控制，并且它们包括大量数学计算系统，因此它们在高科技领域很受欢迎。 由于它们的高速和计算功能，DSP经常在某些方面比如飞机场的微电话机，电视中心的信号处理器用来消除噪音。 DSP算法发展是一个很特殊的领域，尤其是需要高水平
7、的算法的控制理论中的一个重要分支，比如Fusssy Logics,一个非经典的数学家，支持电脑系统控制。 DSP有各种各样的种类。它们都拥有在嵌入式微控制器和外部存储微控制器中能发现的共同特点。DSP不仅能单独的使用，还能结合一个被中央控制设备比如微控制器或者在接口帮助下组织的系统。 DSP主要用来控制外部数字化硬件，或者处理输入信号和工作在用等式描述的方式的结构输出信号。2-2 微控制器的基本设计结构 微控制器同样也属于微数字处理器的大家族，因此最开始的硬件和软件分类跟后来的是一样的。它们的软件结构包括CISC结构和RISC结构，硬件结构包括PLINSTON结构和HARVARD结构。2-2-
8、1 CISC和RISC基本结构 CISC结构相当于一种复杂指令系统计算机的结构，RISC相当于一种精简指令系统计算机的结构。这两种结构类型的主要不同之处的关键点在下面列举出的不同指令结构。 运转速度尽管一些CISC类型的处理器被当做类似RISC类型，但通常RISC微控制器的运转速度要高于CISC微控制器。许多CISC类型的处理器比RISC类型能更快的执行运转代码，或者运用更高水平的技术，这一点是RISC类型不能够实现的。指令存储与实现CSIC：通常很多指令存储在处理器, 实现了一个单一的操作不同的步骤, 如直接数据读取或填充,和标志寄存器测试, 每个操作来实现由设计师需要设置一个指令的组合.R
9、ISC：通常，每个指令存储在处理器中存在一个最小单位的基础上对用户自己设计所需要的操作，这不是由设计者预先做好的。例如，一个堆栈的过程包括两个操作设置，进栈和出栈。进栈操作设置在一个中断过程的开始实施，包括将所有相关数据，地址和状态标志，有序的堆栈寄存器，他们将在那里暂存；出栈操作是中断处理后实施，包括捕捉相同的数据，地址和状态标志，在相反的顺序，从暂存它们堆栈寄存器。实现在RISC处理器上面提到的所有操作只需要两个指令：“把数据从寄存器中取出”和“将数据输入寄存器”， 但很多编程任务由用户完成，然而，在CISC处理器中，实现所有相同的操作两个指令结合，进栈和出栈，它们被设计者设计和编程，然后
10、作为一种产品供用户使用。2-2-2 基本的硬件结构哈佛和普林斯顿 哈佛和普林斯顿结构是被哈佛大学和普林斯顿大学的专家在1970年为了满足公众需求而创立的，为了与高运行速度和变化的环境相适应。普林斯顿结构的原理如图2.3所示。为了存储控制程序和数据结构，在这种结构中常见的存储器是阵列的，如变量和堆栈以及存储器接口的使用，以构造任意通道指向的内存空间，&支持处理器与内部寄存器之间的数据传输。图2.3 普林斯顿结构当多通道数据取出或放进在很短的时间内，普林斯顿结构的问题“瓶颈效应”就会出现，因此数据流将被拒绝。在哈佛结构有灵活的连接和接口之间的处理器，控制存储器，寄存器和堆栈空间，因此“瓶颈效应”，
11、并且作为一个结果数据的阻止是可以避免的，但是当一系列复杂的操作被完成时普林斯顿结构的优点就能体现出来（图2.4）。图2.4 哈佛结构2-3 PMOS，NMOS，BMOS和CMOS芯片技术随着微控制器制造业的发展，像所有其它的电子产品，微型计算机已经变得越来越小，运行得越来越快，功耗越来越低，并且价格越来越便宜，主要是由于制造技术的提高，特别在材料加工技术方面。这个CMOS逻辑技术现在广泛用于微控的材料加工技术方面，它已经在提供电脑功能和电气接口方面做出了巨大的贡献，主要是一个PMOS和NMOS晶体管结合的推拉技术，如图2.5所示，包括在一个CMOS反相器或“非”门，当输入信号为低电平时，PMO
12、S晶体管将导通并且NMOS晶体管将被截止。也就是说，晶体管扮演着“开关”的作用，在高电平将会被导通，在信号响应于输入信号为“低电平”时提供高电平。相反的，当收到一个“高电平”信号，NMOS晶体管将会被导通，将该输出线到地面提供一个“低电平的输出信号。提到的三个方面的全名将在下面给出：图2.5 CMOS非门P型和N型MOSP型和N型的金属氧化硅半导体这些早期的PMOS和NMOS用于微控制器的微处理器制造历史材料技术的方面；BMOS双极性金属氧化硅半导体这种材料技术是P型和N型的结合，现代被用于微控制器制造业的材料结构；CMOS互补型金属氧化硅半导体这个逻辑技术的优势是硅晶体结构类型的组合的优化开
13、发，因此这种微控制器有低功耗，价格便宜，运转速度快和大容量的优点。随着芯片技术越来越成熟，下面提及的一些重要的术语和问题能够被解释得越来越清楚。1）功耗与工作频率的关系在上面提及的状态转换期间，流过晶体管的电流是非常小的。随着工作频率（运行频率）的增加，在一个给定的时间段内电流会流得更频繁，因此平均电流，也就是装置的功耗将会上升。2）“睡眠模式”在这种工作模式下，没有输入信号被接收或对任何输入信号没有运行反应，也就是说没有门打开，因此没有电流流过这个装置，这时的功耗就接近于零。3)信号交换点在用任何装置之前，检查输入信号交换点是否符合装置的输入阈值是重要的。对于CMOS装置典型的是1.4V到V
14、cc的一半。但不同型号的装置它是不同的。4)高低压水平CMOS能够与最积极的逻辑技术直接接口，逻辑“1”表示高电平，逻辑“0”表示低电平。因此在所有的情况下能够确保高电平与低电平的区别是重要的，高电平的输入总是高于阀值电压的。2-4 微处理器的基本操作过程微处理器的最基本的操作过程包括下面几步，如图2.6所示：1） 指令提取CPU从内部或外部的控制存储器ROM的空间里取出指令，根据上一步计算的地址来确认指令的内容；2） 指令代码的计算CPU的指令代码计算器计算指令的代码，例如，给最后计算出来的代码加1；3） 指令执行根据一系列的指令由CPU执行运行控制操作系统；4） 地址计算地址计算器计算下一个地址，例如，给最后一个计算出来的地址加一地址增量；5） 重复重复步骤1）并且开始下一个循环。一个过程的所有步骤由运行逻辑控制系统控制并且被一个有内部或外部时钟系统帮助的定时系统所同步（图
