微處理機實習第一章

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达操谢
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1 單晶片原理與應用

2 課程大綱微電腦與單晶片系統單晶片的發展與未來 80C51 核心單晶片 8 位元 RISC 單晶片單晶片的應用

3 微電腦系統架構

4 微電腦, 微處理機與單晶片將微電腦 CPU 集成一 IC 晶片, 稱為微處理機 (μp) 80 年代, 由於科技進步與功能需求, 微處理機的逐漸朝兩大方向發展朝具有較寬的資料路徑, 系統電路更複雜, 指令集功能更強大方向發展, 應用在通用型電腦主機上, 如 Pentium 系列晶片朝向高度整合系統發展, 結合微處理機 μp 記憶體輸出入埠於同一晶片上, 形成單晶片, 又稱微控制器應用在工業控制與家電產品上, 以 8051 系列晶片最具經典代表

5 微處理機定義與功能微處理機相當是微電腦的 CPU, 即具有資料處理與計算能力的數位積體電路 (LSI 或 VLSI) 微處理的基本運作包括提取指令 (Fetch), 解碼並選擇線路予與執行 (Execute), 即 Fetch-andexecute cycle 微處理機無法單獨執行工作, 必須配備記憶體, 輸出入埠, 電源, 與相關的週邊界面等, 才具有完整工作能力

6 單晶片定義與功能單晶片 (Single Chip) 是一個整合電腦的 CPU, 記憶體,I/O 埠於一個單一 IC 晶片上, 其功能相當是一部小型的微電腦由於單晶片結構比一般通用型微電腦簡單, 價格低, 開發容易, 因此應用在工業控制與家電產品上, 又稱微控制器 (Microcontroller), 以 8051 系列晶片最具經典代表

7 單晶片的發展第一代單晶片 : 1976 年, Intel 公司首先發展單晶片專用型 CPU, 以 MCS-48 為代表第二代單晶片 :1978 年,Intel 公司 MCS-51, 提昇功能包括 16 位元的定址空間, 串列通訊 UART 功能, 特殊功能暫存器 (SFR) 的集中管理模式, 具重要地位的單晶片系列第三代單晶片 : 1982 年, 外部介面電路增強, 滿足測控功能與更便捷的程式儲放與修改,ADC DAC, 高速 I/O 埠,WDT( 看門狗 ),FlashROM.. 等如 ATMEL 的 89C51 RISC 的 PIC 第四代單晶片 : 1990 年至今, 市場針對不同需求, 發展各具特色單晶片, 如以 89C51 為核心的單晶片,AVR 與 ARM 新一代嵌入式系統 (Embedded system), 讓單晶片的應用由工業控制玩具家電, 朝向數位行動通訊方向發展

8 單晶片發展驅勢 -1 主流機型發展 : 8 位元為主流機型 ; 高功能 32 位元晶片 (ARM) 後勢看好全面 CMOS 化 : 提供低功率低耗晶片 RISC 興起, 採單一指令週期, 實現流水管線操作, 提昇執行速度專用型單晶片的發展 : 採用模組化的快速設計與 IC 製程, 針對產品需求設計, 做最大限度簡化系統結構, 提昇資源利用效率 OTPROM 降低成本 : FlashROM 可重複燒洗, 提高程式修改次數

9 單晶片發展驅勢 -2 ISP 發展環境 : 實現程式線上串列下載, 促使系統模擬發展重新興起系統軟體嵌入 : 大幅提昇單晶片性能如即時作業系統 RTOS; 常用副程式與函式庫 ; 或系統診斷與管理軟體嵌入推動串列擴充匯流排 : 採用串列埠口, 減少接腳數, 簡化系統結構常見串列傳輸包括, 移位暫存器埠口 I2C 匯流排 SPI 1-Wire Microwire 等

10 80C51 核心單晶片 INTEL 公司公開 80C51 核心技術, 全球知名公司, 飛利浦 Dallas Simens ATMEL 華邦等以 80C51 為核心開發的許多各具特色的單晶片系列, 這些具有相同核心的單晶片統稱為 80C51 系列 80C51 核心不變性 : 實現指令不變, 匯流排不變, 封裝接腳不變, 有更佳的相容性速度的擴充 : 提供多種時脈, 最高可達 40MHZ 在記憶體上的擴充 : 擴展 OTPROM,FlashROM 在 ROM 擴充達 64KB RAM 擴展達 1024Byte 等基本功能擴充 : 增加計時 / 計數與中斷源數量提昇 UART 功能周邊界面功能擴充 : 加入 ADC PWM WDT I2C CAN USB 等界面擴充功能刪減內部資源 : 刪減局部功能單元與匯流排數量, 以降低成本, 提供更小型與廉價的單晶片

11 80C51 相關產品 ATMEL 公司 AT89C51 採用 FlashROM 技術, 廣為業界與教學使用目前最廣泛使用的 AT89S51 具有 ISP 線上修改與燒錄程式功能 PHILIPS ( 飛利浦 ) 公司的 P89S51 P87C51... 屬於增強型的 80C51, 具備 ISP 功能, 可直接線上修改與燒錄程式此外, 其中 80C552 具備 10bit 的 A/D PWM WDT I2C 功能 80C591 具備 CAN 功能 Siemens ( 西門子 ) 公司推出經晶片中,Infineon 的 C500 系列是 CMOS 的 8051 核心晶片其中 C504-L 具有 A/D PWM WDT 功能 C505C- L 具有 CAN A/D PWM WDT 等功能 WINBOND( 華邦電子 ) 公司的 W78E516B 內建 64K 的 ROM, 可滿足大量程式記憶體的需求 W77E58 具 WDT 功能 Silicon Labs 公司的 C8051F350 內建 24/16 bit 的 ADC, 具 ISP, SPI,PCA, 等介面與通訊功能

12 8 位元 RISC 晶片 -PIC 簡介 PIC (Peripheral Interface Controller) 是美國 Microchip 公司 1989 年出品的 8 位元 RISC 單晶片簡單易用價格便宜低耗電, 高速, 高輸出驅動電流豐富多樣化週邊界面提供選擇等優點, 很短時間就急速竄紅, 廣為業界採用廣泛應用在工業控制, 家電產品, 玩具, 攜帶式控制裝置, 消耗性電子產品上

13 義隆電子的 EM78 EM78 系列是義隆公司 8 位元微控制器, 具低功率耗損, 高速執行的特性看門狗計時器廣為工業界採用, 具有下列特色 : OTP 型單晶片價格低廉, 容易完成商品化精簡指令結構 RISC, 提供 55 個高功能指令, 易學易懂 1 指令週期 2 時脈週期, 大部份指令只需一個指令週期提供程式保護碼功能可選擇四種不同的時脈振盪電路具強大 I/O 的驅動能力耗電低抗雜訊能力高提供 R-Option 功能, 可選擇執行晶片內部, 不同的應用程式內含電源下降偵測電路, 避免電壓不穩, 造成系統的問題

14 盛群的 Holtek 晶片系列國內盛群半導體公司研發 8 位元 Holtek 系列微控制器, 它可以在低電壓工作 (~2.2V) 造技術, 具有看門狗計時器休眠功能, 尤其針對多元專用輸出入產品設計, 強調其高性能高品質之特性, 並以其價格優勢及全系列的 OTP 形式版本, 為業界提供完美而快速的解決方案, 具有相當的簡便性與實用性盛群半導體公司推出的 Holtek 晶片系列產品包括有 : I/O 型 MCU LCD 型 MCU A/D 型 MCU Sensor 系列 MCU Battery charger MCU 家電用 MCU 遙控器 MCU 等, 各型不同應用範圍及記憶容量的產品

15 微控制器 MCU IC & 特色微控制器 MCU IC : 是一個小型的 SOC 單晶片, 可以單獨執行特定功能本身已相當於一小型電腦 Digital In R / F A / D.. ROM HT-8 Kernel RAM Digital Out IR Carrier D / A 應用廣泛符合輕薄短小趨勢價格適當, 容易創造產品附加價值設計有彈性, 可符合不斷創新的應用....

16 高速單晶片 -AVR 美國 ATMEL 公司針對 PIC 與 MCS-51 優缺點加以改良, 於 1997 年推出 AVR 增強型精簡微控制器 OTP 改用 Flash 架構, 提高程式修改的次數低耗電 (1UA~2.5mA) 高速度 (50nS), 具 SLEEP 功能 VR 具有一個指令一個時脈的高速執行能力 RISC 精簡指令架構,32 個工作暫存器, 個內部靜態 SRAM, 可靈活運用的 118 個指令,C 高階語言, 易學易用工業級產品, 具 WDT 安全保護功能, 具大電流輸出 10~20mA 或 40mA 的單一輸出, 可直接驅動 SSR 或繼電器 UART 不佔用計數器及 SCI 傳輸功能, 可高速工作達 576K

17 新一代嵌入式晶片在電腦網際網路與通信高速發展, 結合高科技微處理機軟硬體與通訊技術, 嵌入式系統 (Embedded System) 開啟微電腦應用的另一個新紀元嵌入式系統包含硬體和軟體兩部分 : 硬體架構上以嵌入式處理器為中心, 配置記憶體 I/O 設備通信模組等必要的裝置 ; 軟體部分以軟體發展平臺為核心, 並配合嵌入式即時操作系統 RTOS(Real Time Operating System) 的軟體支援嵌入式系統中, 軟體和硬體緊密配合, 協調工作, 共同完成系統預定的功能

18 嵌入式晶片 -ARM 隨著單晶片的成熟技術與完備功能, 在引入嵌入式系統, 方便了工程技術人員進行嵌入式系統的技術開發和產品的應用領域嵌入式系統應用需求的多樣性, 市場上基於 RISC 結構的嵌入式處理器提供商也日漸增多, 其中 ARM 公司的晶片最受矚目 ARM 即 Advance Risc Machane 的簡寫 ARM 公司是 1990 年成立, 專門投入晶片設計, 發展出 32 位元的 ARM 嵌入式微處理機 ARM 的核心以高性能體積小低功率耗損並與多家知名供應商合作而聞名

19 單晶片的應用 -1

20 單晶片的應用 -2 家電用品 : 取代家電傳統的控制電路例如洗衣機電冰箱冷氣機微波爐電子鍋電視機數位相機 / 攝影機視聽與音響設備.. 等辦公室自動化設備 : 現代辦公室中, 如鍵盤磁碟機驅動印表機影印機傳真機電話電腦週邊設備等工業自動化 : 單晶片微電腦引入工業自動化系統, 將傳統機電控制設備導向控制智慧化功能多元化, 構成新一代的機電整合產品目前廣泛應用在工業自動化的程序控制可程式控制器工廠監控系統生產線自動化數位控制加工機上

21 單晶片的應用 -3 商業應用 : 在電子商務與物流管理的快速普及的現代化社會, 單晶片微電腦設備再此一領域亦扮演重要腳色例如應用的裝置設備涵蓋, 自動販賣機電子秤提款機條碼機盤點機冷凍空調系統保全監控系統智慧型儀表與量測 : 儀表控制與量測裝置都朝向數位化智慧化多功能化綜合化.. 等方向發展單晶片微電腦的引入, 提供更多元的功能擴充與發展, 例如誤差值的修正, 線性的問題, 以及與資料捷取與傳輸交通與通訊 : 應用在汽車的自動化裝置, 航空鐵路的電子監控系統此外, 目前新一代的嵌入式系統晶片, 透過網路通訊, 已朝向數位行動通訊, 與遠端資料捷取功能的無線化智慧型化的應用方向上發展

,,, PCB, AR M VxWorks DSP,,,,,,,,,,, (CIP) /,,.:,2005 ISBN TP36 CIP (2005) : ( 10 ) : : (010 ) : (010)

,,, PCB, AR M VxWorks DSP,,,,,,,,,,, (CIP) /,,.:,2005 ISBN 7-5635-1099-0...............TP36 CIP (2005)076733 : ( 10 ) :100876 : (010 )62282185 : (010)62283578 : publish@bupt.edu.cn : : : 787 mm960 mm 1/