单晶片原理与应用.ppt

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1、单晶片原理与应用 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望n微電腦與單晶片系統微電腦與單晶片系統n單晶片的發展與未來單晶片的發展與未來n80C51核心單晶片核心單晶片n8位元位元RISC單晶片單晶片n嵌入式晶片嵌入式晶片n單晶片的應用單晶片的應用 本章課程大綱微處理機內部架構微處理機內部架構 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)。微處理機內部結構包括算術邏輯運算單元(ALU)，暫存器(Register)，控

2、制單元(CU)，內部匯流排(Internal BUS)。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-and-execute 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。微電腦系統架構微電腦系統架構微處理機內部架構圖微處理機內部架構圖微處理機內部架構說明微處理機內部架構說明n術邏輯運算單元術邏輯運算單元(ALU)：馬蹄型結構，執行算術邏輯運算馬蹄型結構，執行算術邏輯運算,資料經由資料匯流排送入輸入埠，結果由輸出埠送回累加器資料經由資料匯流排送入輸入埠，結果由輸出埠送回累加器n

3、暫存器暫存器(Register)：存放微處理機運作過程的暫時資料，如存放微處理機運作過程的暫時資料，如累加器；程式計數器累加器；程式計數器(PC)；狀態暫存器或旗標，；狀態暫存器或旗標，一般資料暫存器，記憶體位址暫存器等一般資料暫存器，記憶體位址暫存器等n控制單元控制單元：指揮微處理機運作的邏輯電路。控制單元透過控指揮微處理機運作的邏輯電路。控制單元透過控制匯流排執行指令的提取，解碼，並發出執行指令的訊號制匯流排執行指令的提取，解碼，並發出執行指令的訊號 n內部匯流排內部匯流排：區分為資料匯流排區分為資料匯流排,位址匯流排位址匯流排,控控制匯流排三種匯流排制匯流排三種匯流排微電腦與單晶片微電腦

4、與單晶片將微電腦CPU集成一IC晶片，稱為微處理機（微處理機（P)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P、記憶體、輸、記憶體、輸出入埠於同一晶片上，形成單晶片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。微處理機基本特性微處理機基本特性 字語長度字語長度:處理資料的基本長度，如8位元、16位元、32位元。可定址空間可定址空間:決定可存取外部記憶體與/O埠的數量。執行速度執

5、行速度:提取指令-執行指令時間，由振盪電路提供(Clock)。暫存器暫存器：暫存器寬度、數量、型式。指令集指令集：指令是執行微處理機動作的機械控制碼。定址方式定址方式：程式中存取記憶體資料的方式。輸出入埠輸出入埠:微處理機與外界週邊界面溝通並交換資料的埠口。系統與週邊界面的支援功能系統與週邊界面的支援功能:如計時/計數功能，中斷控制、串列通訊UART功能，數位類比訊號輸出入(ADC、DAC)，看門狗(WDT)，省電低耗功能。單晶片的發展單晶片的發展第一代單晶片第一代單晶片:1976年，Intel公司首先發展單晶片結構模式的專用型CPU，以MCS-48為代表。第二代單晶片第二代單晶片:1978年

6、，Intel公司的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

7、片未來驅勢單晶片未來驅勢主流機型發展：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。全面全面CMOS化：化：提供低功率低耗晶片。RISC興起興起，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：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：降低成本：FlashROM可重複燒洗，提高程式修改次數。ISP發展環境：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：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

8、診斷與管理軟體嵌入。推動串列擴充匯流排：推動串列擴充匯流排：採用串列埠，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、I2C 匯流排、SPI、1-Wire、Microwire 等。80C51核心單晶片核心單晶片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，FlashRO

9、M。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的單晶片種類的單晶片種類 8C052：延伸自8052系列晶片，RAM有256Bytes,ROM達8K(80C51僅4K)。3個計時計數器80C31：延伸自8031系列晶片，無內建程式記憶體(ROM-less)，系統必須自行建置程式記憶體電路。87C51：延伸自8751系列晶片，程式記憶體採用EPROM的

10、8051產品。89C51：內建的程式記憶體採用EEPROM的8051產品，可直接以電子式燒錄器重複寫入與抹去。80C51相關產品相關產品ATMEL公司AT89C51採用FlashROM技術，廣為業界與教學使用。PHILIPS(飛利浦)公司的P87C51、P89C51.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

11、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Cypress公司推出的EZ-USB系列晶片，是以8051為核心的USB界面晶片。其中包括EZ-USB的2100系列、CY7C60600系列 8位元位元RISC晶片晶片-PICPIC(Peripheral Interface Controller)是美國Microchip公司於1989年出品的8位元單晶片。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，大量應用在家

12、電產品，玩具，攜帶式控制裝置。晶片體積小，耗電少，價位低。採用RISC架構，高效率的執行速度。PIC單晶片的指令簡單易學，共計35個指令指令的執行採管線架構(Pipe Line)，可大幅提高指令執行速度。單一指令週期(Instruction cycle)，容易掌握程式執行時間。PIC單晶片的種類繁多，根據不同需求提供多樣化的週邊界面。提供工業控制所需看門狗(WDT)監控功能。零件包裝有多種選擇DIP包裝、PLCC、TQFC、MQFP等。高速單晶片高速單晶片-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

13、修改的次數。低耗電(1A2.5mA)、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1020mA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

14、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

15、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。單晶片的應用單晶片的應用家家電電用用品品：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。辦辦公公室室自自動動化化設設備備：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。工工業業自自動動化化：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

16、統、生產線自動化、數位控制加工機上。商商業業應應用用：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。智智慧慧型型儀儀表表與與量量測測：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。交交通通與與通通訊訊：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。單晶片的應用單晶片的應用