單晶片原理與應用
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
微電腦系統架構
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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....
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,128-512 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
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
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
單晶片的應用 -1
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
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