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1、單晶片微處理機簡介1.1.單晶片微處理器之應用與功能需求單晶片微處理器之應用與功能需求2.2.單晶片微處理機之功能模組單晶片微處理機之功能模組3.3.周邊模組之控制方法周邊模組之控制方法 4.4.單晶片系統之設計與發展單晶片系統之設計與發展1 1簡介uu單晶片微處理器主要義涵整個微處理機系統搭配簡單周邊模組與輸出入介面以單晶片型態完成，uu單晶片微處理器中包含系統運作所需之周邊模組與模組驅動程式、系統程式與應用程式。uu國內外有許多晶片公司，分別針對不同應用，設計有許多種單晶片微處理機系列，如：8051、PIC、ARM、等等 。2 2單晶片微處理器之應用與功能需求 uu目前各類之電子與家電產品
2、，皆可看到單晶片微處理機之蹤跡。如：電子表、微電腦控制洗衣機、防盜器、溫度控制器、電子耳溫槍、.等等。uu舉凡對現實環境之量測、監控與互動裝置皆可看到單晶片系統之蹤影。3 3環境、單晶與數位系統互動示意圖環境參數量測與轉換數位訊號轉換為環境參數、訊號、驅動訊號、等類比連續物理量量化離散數位訊號其他數位系統資訊串列現實環境資訊處理，如：計 算、儲存、分析等。時間管理，如：計時、定時、量測等。資料通訊4 4單晶片微處理機之功能模組 uu單晶片微處理機常見之功能模組有：uuCPU 核心、監督單元uuRAM與EEPROM/Flash ROMuu計時/計數器uu基本I/O埠、串列傳輸uuADC/DAC、
3、PWM、audio、RF.等等 5 5單晶片微處理機之架構 CPU 核心基本I/O 埠計時/計數器ADCDACPWM其它EEPROM/Flash ROMTiming generatePLL/ClockMonitorResetPower upBrown outSleep modeWatchdogsInterrupt controlSeries I/O:UART, I2CCompareCapture6 6中央處理單元（CPU）核心 uuCPUCPU核核心心由由暫暫存存器器、算算數數與與邏邏輯輯運運算算單單元元與與控控制制單單元元、指指令令解解碼碼器器與與指指令令集集所所組組成成。根根據據指指令令集
4、集之之設設計計技技術術，可可分分為為複複雜雜指指令令集集 (CISC)(CISC)與與精精簡簡指指令集令集(RISC) (RISC) 核心核心。 複複雜雜指指令令集集 ：指指令令數數目目多多( (數數百百個個) )、多多位位元元組組指指令令、指令週期長指令週期長、指令功能強指令功能強、運算元定址模模式多運算元定址模模式多。 精精簡簡指指令令集集：指指令令數數目目少少( (數數十十，一一般般約約5050個個指指令令左左右右) )、以以單單字字元元組組指指令令為為主主( (一一個個指指令令只只需需一一字字元元，適適合合使使用用管管線線化化 pipeline pipeline 加加速速技技術術) )
5、、指指令令週週期期短短，但但指指令令功功能較弱能較弱、運算元定址模模式少運算元定址模模式少。 7 7RAM與EEPROM/Flash ROMuu隨機存取記憶體(RAM)供CPU核心儲存各類資料。uu可讀寫式唯讀記憶體(EEPROM/Flash ROM)供存放程式或永久性資料，一般可透過線上寫入之動作做修改。uu由於單晶系統之指令位元數有限，記憶體系統可能採用分頁技巧或暫存器定址模式，以便節省運算元之定址位元。 8 8監督單元(monitor unit) uu對系統穩定性與多元應用之需求，單晶片微處理器皆設計監督單元，負責執行監督與管理系統，系統重置系統重置(Reset)(Reset)電源啟動電
6、源啟動(Power up)(Power up)電源耗弱電源耗弱(Brown out)(Brown out)睡眠模式睡眠模式(Sleep mode)(Sleep mode)看門狗看門狗(Watchdogs)(Watchdogs)中斷控制器中斷控制器(Interrupt control)(Interrupt control)9 9系統重置(Reset) uu可可分分成成熱熱機機重重置置(hot (hot reset)reset)與與冷冷機機重重置置(cold (cold reset)reset)。uu冷冷機機重重置置(cold (cold reset)reset)指指的的是是電電源源剛剛啟啟動動之
7、之重重置置動動作作，此此時時單單晶晶系系統統內內之之記記憶憶體體與與暫暫存存器器皆皆處處於於未未使用狀態使用狀態，其內容為隨機之數值其內容為隨機之數值( (不可預測不可預測) )uu熱熱機機重重置置(hot (hot reset)reset)指指的的是是正正常常使使用用中中，因因各各種種異異常常訊訊號號或或使使用用者者設設定定，產產生生系系統統重重置置情情況況，此此時單晶片系統內之記憶體與暫存器皆已設定資料時單晶片系統內之記憶體與暫存器皆已設定資料。1010啟動電源管理概念 電源重置訊號重置訊號電源未穩定前之重置產生誤動作誤動作，可應用啟動計時器避免電源應用Power on reset避免誤動
8、作Power on重置訊號Power on reset 電路 1111各種常見電源不穩定現象 瞬間脈衝接地雜訊電源故障電源耗盡1212電源brown out現象偵測 偵測到,VTbor偵測不到VborTbor1313睡眠模式(Sleep mode)與看門狗計時器(Watchdogs timer)uu睡睡眠眠模模式式：單單晶晶系系統統設設計計睡睡眠眠模模式式或或省省電電模模式式。如如此此，便便可可在在非非使使用用時時期期停停止止系系統統運運作作或或降降低低運運作作之之功功率率，達達成成節節能能與與延延長長操操作作時時間間的的目目的的。因因此此，設設計計有有睡睡眠眠模模式式之之控控制制，包包含含設
9、設定定與與喚喚醒醒之之機制機制。uu看看門門狗狗計計時時器器(Watchdogs (Watchdogs timer) timer) ：為為預預防防長長時時間間當當機機之之事事件件發發生生，單單晶晶片片微微處處理理機機提提供供看看門門狗狗計計時時器器(Watchdogs (Watchdogs timer)timer)，定定時時檢檢視視系系統統是是否否正正常常，或將系統由睡眠模式喚醒或將系統由睡眠模式喚醒。1414中斷控制器(Interrupt control)uu中中斷斷控控制制器器管管理理功功能能包包括括中中斷斷向向量量、中中斷斷致致能能與與遮遮罩罩、中中斷優先權斷優先權、中斷旗標等中斷旗標等
10、。uu中中斷斷向向量量：發發生生中中斷斷時時，CPUCPU需需執執行行之之中中斷斷服服務務程程式式所所在在之位址之位址。單晶片微處理機一般使用固定向量模式單晶片微處理機一般使用固定向量模式。uu中中斷斷致致能能與與遮遮罩罩：各各周周邊邊模模組組之之中中斷斷功功能能可可透透過過中中斷斷控控制制器器加加以以致致能能( (使使周周邊邊產產生生中中斷斷) )、遮遮罩罩( (使使周周邊邊無無法法產產生生中中斷斷) )。uu中中斷斷優優先先權權：當當有有不不同同周周邊邊產產生生中中斷斷訊訊號號時時，依依中中斷斷優優先先權權執執行行對對應應之之中中斷斷服服務務程程式式。優優先先權權高高之之中中斷斷將將優優先
11、先執執行行，優先權高之中斷訊號優先權高之中斷訊號，可中斷優先權低之服務程式可中斷優先權低之服務程式。uu中中斷斷旗旗標標：當當有有周周邊邊產產生生中中斷斷訊訊號號時時，同同時時會會設設定定周周邊邊模模組之中斷旗標組之中斷旗標，供供CPUCPU辨識中斷來源辨識中斷來源。1515時脈產生器(Timing generate)uu數位系統運作需要有一基本之系統時脈。並以此為基礎訊號，乘除某些數值，以便得到各周邊模組所需之工作時脈。uu單晶系統中常以簡單之振盪晶體或RC振盪電路產生基本時脈訊號。若若要要產產生生更更高高之之系系統統時時脈脈，可可應應用用鎖鎖相相迴迴路路(phase lock loop,
12、PLL)(phase lock loop, PLL)時脈合成器時脈合成器若若要要產產生生較較低低之之時時脈脈，可可經經由由計計數數器器除除頻頻產產生系統時脈生系統時脈 。1616 RC振盪電路 1717除頻電路之基本方塊圖 M-1比較器計數器clcok重置/reset相等clock/M1818相鎖迴路時脈合成器方塊圖 fsys電壓控制振盪器相位偵測器迴路濾波器除頻NFosc1919計時/計數器uu計時計時/ /數模組為單晶片系統之重要模組數模組為單晶片系統之重要模組。 輸輸入入訊訊號號透透過過預預除除器器(Prescaler)(Prescaler)，使使時時脈脈速速率率降降低低與與獲得較穩定訊
13、號獲得較穩定訊號。 計計數數後後之之輸輸出出，通通過過後後除除器器(Postescaler)(Postescaler)，可可將將計計數數結果分群輸出或降低模組計數輸出速率結果分群輸出或降低模組計數輸出速率。 uu妥妥善善應應用用計計時時器器模模組組所所輸輸出出之之計計數數數數值值，可可設設計各種周邊應用模組計各種周邊應用模組。 捕抓捕抓(capture)(capture)模組模組 比較比較(compare)(compare)模組模組 脈波寬調變脈波寬調變(pulse width modulation)(pulse width modulation)模組模組。 2020計時(計數)器模組架構 預
14、除器計時器或計數器後除器FOSCF_timer/MF_timerTimeroverflow or equal控制暫存器狀態暫存器其它模組計數數值2121馬錶訊號&超聲波測距訊號-捕抓(capture)模組應用2222捕抓(capture)模組之基本架構圖 輸入腳位預除器或邊緣偵測資料暫存器計時器控制暫存器狀態暫存器捕捉致能2323比較(compare)模組之基本架構圖 資料暫存器比較器計時/數器模組暫存器控制暫存器狀態暫存器輸出控制輸出腳位相等控制特殊模組2424PWM訊號與基本應用概念 週期Duty cyclePWM 訊號低通對應於Duty cycle直流平均訊號2525基本I/O埠uu單單
15、晶晶系系統統之之基基本本輸輸出出入入模模組組，可可設設定定規規劃劃各各模模組位元之輸出入方向組位元之輸出入方向( (輸入輸入、輸出或雙向輸出或雙向) )。uu輸出埠之設計模式輸出埠之設計模式 有有開開集集( (汲汲) )級級輸輸出出、三三態態輸輸出出、圖圖騰騰柱柱輸輸出出，以以及及是是否資料緩衝否資料緩衝(buffer)(buffer)。 推推動動能能力力從從數數mAmA至至數數十十mAmA，一一般般推推動動能能力力之之流流入入電流電流( (汲入汲入sink)sink)與流出電流與流出電流( (源出源出source)source)驅動力不同驅動力不同。uu輸入埠之設計模式輸入埠之設計模式 有有
16、弱弱提提升升電電阻阻(pullup (pullup resistance resistance ) )輸輸入入模模式式、史史密密特觸發模式特觸發模式、資料閂鎖資料閂鎖(latch)(latch)模式等模式等。uu在在省省電電模模式式底底下下，使使用用者者需需依依照照資資料料手手冊冊與與系系統設計將所有輸出入埠設定至省電狀態統設計將所有輸出入埠設定至省電狀態。2626同步傳輸&非同步傳輸 傳輸時脈資料位元資料位元傳輸時脈2727ADC與DACuuADC:類比數位轉換過程，若希望轉換完成之數位資訊保持所有原類比訊號之特徵。需依取樣定理(sampling theorem)取樣。uuDAC:將數位資訊
17、轉換為類比訊號之轉換過程 。uu取樣定理: 取樣時間 為類比訊號之最高頻率 2828類比訊號轉換數位資訊之轉變過程 3 6 7 4.取樣維持ADC連續類比訊號離散類比訊號離散數位資訊2929類比轉數位(ADC)基本架構圖 類比輸入資料暫存器控制暫存器狀態暫存器類比轉數位(ADC)取樣維持電路取樣轉換格式開始轉換轉換完成3030數位資訊轉換為類比訊號轉變過程3 6 7 4 .低通濾波器ADC一階維持重建離散數位資訊離散類比訊號連續類比訊號3131數位轉類比(DAC)基本架構圖資料暫存器數位轉類比(DAC)類比輸出重建濾波器電路3232周邊模組之控制方法uu一一般般可可分分為為兩兩類類：1 1、直
18、直接接控控制制模模式式，2 2、互互動動控制模式控制模式。uu直直接接控控制制模模式式：設設定定後後周周邊邊模模組組自自行行運運作作不不需需額額外外控控制制，如如：基基本本之之數數位位輸輸出出/ /輸輸入入埠埠、或或PMMPMM模組模組。uu互互動動控控制制模模式式：CPUCPU與與周周邊邊模模組組需需透透過過一一來來一一往往之之交交握握(handshake)(handshake)程程序序、或或答答詢詢過過程程，才才能能完完成成正正確確之之控控制制。一一般般依依互互動動處處理理方方式式，分分諮諮詢控制式與中斷控制式詢控制式與中斷控制式。3333周邊模組直接控制模式 處理模組資料開始繼續設定模組
19、控制資料開始繼續設定設定流程處理流程3434周邊模組諮詢控制模式 設定模組控制資料開始繼續設定是否資料備妥處理模組互動資料清除相關狀態旗標開始繼續諮詢是否設定流程處理流程3535周邊模組中斷控制模式 模組中斷服務程式模組產生中斷中斷返回設定模組控制資料設定模組中斷向量啟動模組與系統中斷功能開始繼續設定流程處理流程3636中斷服務程式之設計規則uu使使用用中中斷斷控控制制功功能能必必須須將將中中斷斷服服務務程程式式，設設定定至至對應之中斷向量對應之中斷向量。uu中斷服務程式必需執行下列步驟中斷服務程式必需執行下列步驟： 遮罩低階或全部中斷遮罩低階或全部中斷，避免中斷期間再中斷避免中斷期間再中斷。
20、 檢查中斷旗標檢查中斷旗標，確定中斷源是那一周邊所產生確定中斷源是那一周邊所產生。 暫存器保存與還原暫存器保存與還原。 迅速處理中斷資料迅速處理中斷資料。 清除中斷旗清除中斷旗，使下次中斷訊號可繼續產生使下次中斷訊號可繼續產生。uu中中斷斷服服務務程程式式必必需需以以最最短短之之時時間間結結束束，避避免免影影響響系統正常運作系統正常運作。uu中中斷斷服服務務程程式式之之資資料料區區，避避免免因因中中斷斷過過程程影影響響資資料之完整性料之完整性。3737中斷服務程式流程圖檢查中斷旗標是否模組中斷中斷訊號中斷返回遮罩低階或全部中斷保存CPU之暫存器還原CPU之暫存器中斷致能處理模組互動資料清除相關
21、中斷旗標是是3838單晶片系統之設計與發展uu系統設計開發過程包括有規格設定分析規格設定分析、系統架構設計系統架構設計、軟應體功能劃分軟應體功能劃分、功能模擬與驗證功能模擬與驗證、功能與系統測試功能與系統測試、系統修改系統修改3939單晶片之整合發展環境(integrate development environment, IDE)uu系統設計開發過程繁瑣，整合發展環境將所有功能整合在單一軟體界面，包括有：專案管理專案管理、文件編輯與編譯文件編輯與編譯、執行執行( (模擬模擬、執行執行、下載執行下載執行) )、偵錯功能偵錯功能、記憶體檢視記憶體檢視、反組譯功能反組譯功能、及其他檢查與控制功能及
22、其他檢查與控制功能 4040單晶片微處理器學習流程 uu瞭瞭解解基基本本之之單單晶晶架架構構與與周周邊邊模模組組關關係係及及各各模模組組之用途之用途。uu進一步瞭解模組之應用與模組設計之技巧進一步瞭解模組之應用與模組設計之技巧。uu熟熟練練基基本本之之軟軟體體程程式式技技巧巧，透透過過對對基基本本程程式式流流程程與與資資料料處處理理技技巧巧，可可以以以以各各種種語語言言撰撰寫寫程程式式( (因因為為單單晶晶片片講講究究效效率率，一一般般使使用用非非標標準準化化之之組組合合語語言言，每每一一種種系系列列CPUCPU有有自自己己之之語語言言，可可經經由由CPUCPU之之data sheetdata
23、 sheet快速學習指令集快速學習指令集) )。uu熟悉發展流程與發展之工具環境與應用技巧熟悉發展流程與發展之工具環境與應用技巧。4141學習重點 uu專案管理uu程式之撰寫與偵錯uu模組化之發展與偵錯uu模擬仿真偵錯技巧 uu軟硬體與系統整合偵錯技巧 4242模組化之發展與偵錯uu基本技巧為使用模擬激勵與資料，並透過虛擬架構(Dummy program)呼叫。uu單步執行(step)、中斷點(breakpoint)等設定程式觀察點，分析程式執行流程與結果，並判斷與預期是否相符。uu以中斷模式控制之模組，由於中斷程式會與偵錯技巧中，單步執行(step)、中斷點(breakpoint)等偵錯用中
24、斷模式互相影響。4343模擬仿真偵錯技巧uu當當硬硬體體尚尚未未正正確確完完成成時時，一一般般可可透透過過發發展展環環境境之之模模擬擬(simulation)(simulation)或或仿仿真真(emulation)(emulation)功功能能進進行行軟軟 硬硬 體體 之之 偵偵 錯錯 ， 可可 透透 過過 軟軟 、 硬硬 體體 之之 中中 斷斷 點點(breakpoint)(breakpoint)、流流程程追追蹤蹤(trace)(trace)、同同步步觸觸發發等等偵偵錯技巧發現程式間潛藏之錯誤錯技巧發現程式間潛藏之錯誤(BUG)(BUG)。 模模擬擬(simulation)(simulat
25、ion)，為為整整合合發發展展環環境境(IDE)(IDE)提提供供，以以軟軟體模擬該單晶片微處理器之核心與周邊模組功能體模擬該單晶片微處理器之核心與周邊模組功能。 仿仿 真真 (emulation)(emulation)： 線線 上上 仿仿 真真 器器 (in (in circuit circuit emulation, emulation, ICE)ICE)提提供供單單晶晶片片微微處處理理器器之之核核心心與與周周邊邊模模組組之之硬硬體體模模擬擬，並並可可與與外外部部之之硬硬體體電電路路連連接接，如如此此可輕易進行軟可輕易進行軟、硬體之交互偵測硬體之交互偵測。4444結論uu單單晶晶片片系系統
26、統是是各各種種系系統統整整合合應應用用之之核核心心，也也是是系系統統晶晶片片(SOC)(SOC)設設計計之之重重點點。由由於於應應用用與與晶晶片片種種類類之之多多樣樣化化。因因此此，學學習習時時應應以以各各種種周周邊邊模模組組之之設設計計、應應用用與與控控制制概概念念為為主主，配配合合相相關關晶晶片片之之實實作作演演練練，並並於於相相關關之之課課程程多多方方瞭瞭解解，如如此此必能收到事半功倍之效果必能收到事半功倍之效果。uu由由於於坊坊間間有有許許多多單單晶晶片片微微處處理理機機之之學學習習資資料料，可可挑挑選選容容易易實實作作演演練練之之晶晶片片系系列列學學習習。也也可可配配合合，晶晶片片公
27、公司司舉舉辦辦之之設設計計比比賽賽，透透過過比比賽賽學學習習該公司所開發設計之晶片系列該公司所開發設計之晶片系列。4545習題1.1.CPUCPU指指令令集集之之設設計計技技術術，可可分分為為複複雜雜指指令令集集 (CISC)(CISC)與精簡指令集與精簡指令集(RISC) (RISC) 核心核心，請說明比較請說明比較。2.2.列出監督單元常見之監督功能列出監督單元常見之監督功能。3.3.畫出基本之計時畫出基本之計時/ /計數器模組之方塊圖計數器模組之方塊圖。4.4.分分別別說說明明捕捕捉捉、比比較較、脈脈波波寬寬調調變變(capture, (capture, compare, PWM, CCP)compare, PWM, CCP)模組之功能概念模組之功能概念。5.5.請畫出中斷服務程式之流程請畫出中斷服務程式之流程，並說明之並說明之。6.6.請請說說明明模模擬擬(simulation)(simulation)或或仿仿真真(emulation)(emulation)功功能能，並指出並指出 4646
