第2章微处理器概论PPT讲稿.ppt
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1、第第2章微处理器概论章微处理器概论第1页,共113页,编辑于2022年,星期一2.1 微处理器概论 2.2 单片机 2.2.1 MCS-51 2.2.2 PIC单片机 2.2.3 MSP430 2.3 ARM单片机 2.4 DSP单片机 2.5 可编程逻辑器件 第2章 微处理器基础2022/9/17第2页,共113页,编辑于2022年,星期一2.1 微处理器概论 一、嵌入式计算机系统的概念嵌入式计算机系统的概念(1)嵌入式系统的的定义和特点:嵌入到对象体系中的专用计算机系统。“嵌入式”、“专用性”、“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是嵌入式系统所嵌入的宿主系统。2022/9/
2、17第3页,共113页,编辑于2022年,星期一A 面向用户、面向产品、面向应用B 嵌入式处理器的功耗、成本、体积、可靠性、处理能力、电磁兼容性、接口数量等方面均受到应用要求的制约C 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计,量体裁衣,去除沉余D 嵌入式系统的升级换代也是和具体产品同步进行的。(2)嵌入式系统具有的产品特征:2022/9/17第4页,共113页,编辑于2022年,星期一(3)嵌入式系统软件特征:软件要求固化存储软件要求固化存储软件代码高质量,高可靠性软件代码高质量,高可靠性系统软件的高实时性系统软件的高实时性2022/9/17第5页,共113页,编辑于2022年,星期一讨论问题
3、:讨论问题:嵌入式微处理器与通用计算机嵌入式微处理器与通用计算机嵌入式微处理器与通用计算机嵌入式微处理器与通用计算机CPUCPU的区别的区别的区别的区别 嵌入式微处理器的基础是通用计算机的CPU,在应用中,将微处理器装配在专门设计的电路板上,只保留和嵌入式应用相关的母板功能。系统体积上和功耗方面大大降低。在工作温度、抗电磁干扰、可靠性方面一般都做某些增强2022/9/17第6页,共113页,编辑于2022年,星期一二、微处理器的概述(1)微处理器的定义:一种单芯片的处理器。始于20世纪70年代,超大规模集成电路技术的应用使得将整个中央处理器集中到一块芯片上成为可能。2022/9/17第7页,共
4、113页,编辑于2022年,星期一(2)微处理器器的分类根据处理的字长,微处理器分成不同的等级字长用途代表产品4位速度要求不高,一般设计简单的控制器Intel 40048位使用最广泛的微处理器,可用于数据处理和控制8051,PIC系列16位适合大多数的数据处理工作,复杂数据处理和控制8086、M680032位高端的嵌入式系统,如指纹识别,语音识别ARM 9 ARM102022/9/17第8页,共113页,编辑于2022年,星期一(3)主流微处理器的类型 MCS51 MCS96系列MSP430系列 ARM7 ARM9 ARM10PIC系列2022/9/17第9页,共113页,编辑于2022年,星
5、期一(4)封装方式结构方面:DIPPLCCQFPBGA CSP;材料方面:金属、陶瓷陶瓷、塑料塑料;引脚形状:长引线直插短引线或无引线贴装球状凸点;装配方式:通孔插装表面组装直接安装2022/9/17第10页,共113页,编辑于2022年,星期一(4 4)微处理器选取原则)微处理器选取原则硬件原则字长功耗存储容量功能模块配置开发设备软件原则指令系统开发环境2022/9/17第11页,共113页,编辑于2022年,星期一2.2单片机Microcontroller 一、概述:单片机,顾名思义,将整个计算机系统集成到一个芯片上。一个重要历程碑-近代计算机技术发展史上的,它使计算机技术形成了通用计算机
6、系统和嵌入式计算机系统的两大分支。在单片机诞生之前,为了满足工业控制对象的嵌入式应用要求,只能将计算机机械加固、电气加固后嵌入到对象体系中。例:舰船测控应用中构成轮机监控系统。自动驾驶系统 脑电图仪2022/9/17第12页,共113页,编辑于2022年,星期一CPUCPU时钟电路时钟电路存储器存储器中断逻辑中断逻辑外围外围功能模块功能模块2022/9/17第13页,共113页,编辑于2022年,星期一二、单片机的用途 1、在智能仪表中的应用 2、在机电一体化中的应用(数控)3、在实时控制系统中的应用 4、在人们生活中的应用 5、在其他方面的应用2022/9/17第14页,共113页,编辑于2
7、022年,星期一2.2.1 MCS-51 代表厂商:Intel公司时间:20世纪80年代初 20世纪80年代中期专利转让特点:采用CMOS工艺代表产品:Atmel AT89C51/52/54/58Philips P8031/32 P80C51/522022/9/17第15页,共113页,编辑于2022年,星期一2022/9/17第16页,共113页,编辑于2022年,星期一80C51的功能硬件一个带有8路模拟输入通道的10位A/D转换器两个8位脉宽调制输出PWM0,PWM1一个16位定时/计数器和3个比较寄存器I2C串行总线口监视定时器T356个特殊功能寄存器SFR两个优先级的15个中断源结构
8、2022/9/17第17页,共113页,编辑于2022年,星期一不同管脚不同封装2022/9/17第18页,共113页,编辑于2022年,星期一仿真器伟福2022/9/17第19页,共113页,编辑于2022年,星期一8031的特点的特点8031片内不带程序存储器ROM,使用时用户需外接 程序存储器和一片逻辑电路373,外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改,必须先用一种特殊的紫外 线灯将其照射擦除,之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。8051的特点的特点8051片内有4k ROM,无须外接外存储器和373,更能体现
9、“单片”的简练。但是你编的程序你无法烧写到其ROM中,只有将程序交芯片厂代你烧写,并是一次性的,今后你和芯片厂都不能改写其内容。2022/9/17第20页,共113页,编辑于2022年,星期一讨论的问题:讨论的问题:单片机和单板机的区别?单片机和单板机的区别?单片机就是把CPU,ROM,以及外围接口电路如I/O电路都集成在一快芯片上,其基本拥有计算机的功能,由于其本身的集成度相当高,所以ROMRAM容量有限,接口电路也不多,适用与一般小系统中.单板机就是在一块PCB电路板上把CPU,一定容量的ROM,RAM以及I/O接口电路等大规模集成电路片子组装在一起而成的微机,并配有简单外设如键盘和显示器
10、,通常在PCB上固化有ROM或者EPROM的小规模监控程序.而单板机如TP-801,SDK-86等都是常用的单板机 其实与上面相对的还有双板机(和单板机相对)和多板机(就是PC)2022/9/17第21页,共113页,编辑于2022年,星期一2.2.2 PIC单片机 代表厂商:美国Microchip公司它是一家专门从事单片机开发、研制和生产的半导体厂商。它率先采用了精简指令集结构,传统单片机对PC结构存在的自然依赖性,加上哈弗总线的存储器结构、两级流水线指令结构、单周期指令等技术,从而在单片机硬件结构上独辟蹊径,大大提高了系统运行的效率。2022/9/17第22页,共113页,编辑于2022年
11、,星期一8-8-位位位位程序存储器程序存储器程序存储器程序存储器8-8-位位位位12/14/16-12/14/16-位位位位冯冯冯冯-诺伊曼结构诺伊曼结构诺伊曼结构诺伊曼结构CPU数据存储器数据存储器数据存储器数据存储器哈哈哈哈 佛佛佛佛结构结构结构结构程序和数据存储器程序和数据存储器程序和数据存储器程序和数据存储器CPU2022/9/17第23页,共113页,编辑于2022年,星期一指令集所谓,就是cpu中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合,而每一种新型的cpu在设计时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统。而指令集的先进与否,也关系到cpu的性能发挥,它也是cpu性能体现的一个
12、重要标志。精简指令集risc就是(reduced instruction set computing)的缩写,复杂指令集cisc则是(complex instruction set computing)的缩写。它们之间的不同之处就在于risc指令集的指令数目少,而且每条指令采用相同的字节长度,一般长度为4个字节,并且在字边界 上对齐,字段位置固定,特别是操作码的位置。而cisc指令集特点就是指令数目多而且复杂,每条指令的长度也不相等。在操作上,risc指令集中大多数操作都是寄存器到寄存器之间的操作,只以简单的load(读取)和sotre(存储)操作访问内存地址。因此,每条指令中访问的内存地址不
13、会超过1个,指令访问内存的操作不会与算术操作混在一起。精简指令集可以大大简化处理器的控制器和其他功能单元的设计,不必使用大量专用寄存器,特别是允许以硬件线路来实现指令操作,从而节约的处理器的制造成本。2022/9/17第24页,共113页,编辑于2022年,星期一二、PIC的优势 1、PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积,而是从实际出发,重视产品的性能与价格比,靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。2、精简指令使其执行效率大为提高3、产品上市零等待(Zero time to market)4、PIC有优越开发环境。5、其引脚具有防瞬态能力,通过限流电阻可以接至220V交流电源,可直接与继电器
14、控制电路相连,无须光电耦合器隔离。6、彻底的保密性。2022/9/17第25页,共113页,编辑于2022年,星期一指令流水线Flush FetchFlush Fetch 4 4Fetch SUB_1Fetch SUB_1 大部分单片机大部分单片机,其取指和执行过程是顺序进行的其取指和执行过程是顺序进行的.指令流水线的引入,允许取指令和执行可以同步进行指令流水线的引入,允许取指令和执行可以同步进行.使得指令可以在一个指令周期内执行使得指令可以在一个指令周期内执行.程序分支例外程序分支例外(如如 GOTO,CALL GOTO,CALL 或直接修改或直接修改PC)PC),这需,这需两个指令周期两个
15、指令周期.Tcy0 Tcy1 Tcy2 Tcy3 Tcy0 Tcy1 Tcy2 Tcy3 Tcy4Tcy4 Execute 1Execute 1Fetch 3Fetch 31.MOVLW 55h1.MOVLW 55h Fetch 1Fetch 1Execute 3Execute 3Fetch 2Fetch 2Execute 2Execute 2 Fetch 4Fetch 42.MOVWF PORTB2.MOVWF PORTB3.CALL SUB_13.CALL SUB_14.BSF PORTA,BIT34.BSF PORTA,BIT32022/9/17第26页,共113页,编辑于2022年,星
16、期一PIC家族2022/9/17第27页,共113页,编辑于2022年,星期一2022/9/17第28页,共113页,编辑于2022年,星期一PIC16F87X的封装的封装2022/9/17第29页,共113页,编辑于2022年,星期一PIC仿真器2022/9/17第30页,共113页,编辑于2022年,星期一讨论问题:讨论问题:PIC系列单片机与MCS-51系列单片机的区别:(1)总线结构:MCS-51的总线结构是冯-诺依曼型,计算机在同一个存储空 间取指令和数据,两者不能同时进行;而PIC的总线结构是哈佛结构,指令和数据空间是完全分开的,一个用于指令,一个用于数据,由于可以对程序和数据同时
17、 进行访问,所以提高了数据吞吐率。正因为在PIC系列单片机中采用了哈佛双总线结构,所以与常见的微控制器不同的一点是:程序和数据总线可以采用不同的宽 度。数据总线都是8位的,但指令总线位数分别位12、14、16位。(2)流水线结构:MCS-51的取指和执行采用单指令流水线结单指令流水线结构,即取一条指令,执行完后再取下一条指令;而PIC的取指和执行采用双指令流水线结构双指令流水线结构,当一条指令被执行时,允许下一条指令同时被取出,这样就实现了单周期指令。(3)寄存器组:PIC的所有寄存器,包括I/O口,定时器和程序计数器等都采用RAM结构形式,而且都只需要一个指令周期就可以完成访问和操作;而MC
18、S-51需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。2022/9/17第31页,共113页,编辑于2022年,星期一2.2.3 MSP430一、什么是一、什么是 MSP430?德州仪器(TI)的超低功率微处理器解决电池供电测量应用在保持独一无二的低功率的同时同步连接至模拟信号、传感器和数字组件。2022/9/17第32页,共113页,编辑于2022年,星期一F40 xin designx31xLCD92x32xLCD84ADC14x33xLCD120Timer_AUSARTMPYROM/OTP2.5-5VLCDDriverFLLTimer/PortBasicTimer8-bitT/CFlas
19、h1.8-3.6VBasicClockTimer_AFlash1.8-3.6VLCDDriver.1996199920002002MSP430 发展历程2001x11x1Comp_AX12xUSARTin designF13xTimer_BADC12USARTComp_AF14xTimer_BADC122USARTMPYComp_ANewNewF41xin designF42xin designF44xin design性能性能2022/9/17第33页,共113页,编辑于2022年,星期一注注:1-可由Comparator_A实现2-可由Timer/Port实现3-有256BFLASH和Bo
20、otROM4-Input/Output+Output外围模块外围模块:TIMERS:WDT-Watchdog定时器8bitT-8位定时器/计数器BT1-BasicTimer1T_A-Timer_A(x)捕捉/比较寄存器T_B-Timer_B(x)捕捉/比较寄存器UART软件实现,或通用同步/异步接口数MPY硬件乘法器I/O数字I/O,及OutputMSP430 系列2022/9/17第34页,共113页,编辑于2022年,星期一MSP430 有工业级有工业级 16 bit RISC MCU.-40 -85 CMSP430 编程方便,开发工具廉价编程方便,开发工具廉价ADD MEM1,MEM2
21、;MEM2=MEM1+MEME2MSP430:全新的微控制器MSP430 的能效极高的能效极高.I/O 和和 CPU 运行是能用不同的时钟运行是能用不同的时钟CPU 功耗的开关通过状态寄存器的控功耗的开关通过状态寄存器的控制位实现制位实现MSP430 的功耗极低的功耗极低.执行时为执行时为 160uA 1.8V (Flash)备用时为备用时为 0.1uA(Flash)MSP430 极大地延长了电电池寿命极大地延长了电电池寿命RUN THE MARATHON,NOT THE MILE.TIsFlashMSP430MCUreducespowerconsumptiondrastically,soyo
22、urbatteriesrunlonger.2022/9/17第35页,共113页,编辑于2022年,星期一超低功耗超低功耗1.8V.3.6V供电电压范围200A1MHz,2.2V,活动模式0.7A备用模式0.1A保持RAM数据6s从备用模式唤醒强大的强大的 CPU 内核内核16-BitRISC结构125ns指令周期8MHz灵活多样的外围模块灵活多样的外围模块12-bitA/D(8+4通道,转换10s)16-bitTimer_Awith3C/C寄存器16-bitTimer_Bwith7C/C寄存器1-2个USART接口硬件乘法器模拟信号比较器基本时钟模块-由可编程内部电阻控制频率-由单一外部电阻
23、控制频率-32kHz晶振产生低频-高频晶振产生高频-可选择外部时钟源RUN THE MARATHON,NOT THE MILE.TIsFlashMSP430MCUreducespowerconsumptiondrastically,soyourbatteriesrunlonger.MSP430F1xx:FLASH 系列特性2022/9/17第36页,共113页,编辑于2022年,星期一中断:中断:向量表向量表(3x,11x,11x1)2022/9/17第37页,共113页,编辑于2022年,星期一寻址方式和指令寻址方式和指令MSP430的寄存器的寄存器MSP430的寻址方式的寻址方式 MSP4
24、30 指令:指令:27条条 (RISC指令)指令)采用模拟指令后为采用模拟指令后为 51条条2022/9/17第38页,共113页,编辑于2022年,星期一片上外围模块:片上外围模块:定时器,比较器定时器,比较器BASIC Timer12x8 位或位或 16 位计数器,做实时钟、位计数器,做实时钟、LCD 帧频时钟帧频时钟定时器定时器/端口端口2x8 位或位或 16 位计数器,与比较器及位计数器,与比较器及 TP 端配合实现斜坡端配合实现斜坡 A/D 定时器定时器/计数器计数器8 位计数器,可预置定时值,可实现软件位计数器,可预置定时值,可实现软件 UARTPWM定时器定时器8 位计数器,可产
25、生低精度位计数器,可产生低精度 D/A看门狗定时器看门狗定时器看门狗功能,或看门狗功能,或 16 位定时器功能位定时器功能Timer_A16 位,带比较器位,带比较器/捕捉器,可实现捕捉器,可实现 UART、PWM、斜坡、斜坡 A/DTimer_B16 位,带比较器位,带比较器/捕捉器,可实现捕捉器,可实现 UART、PWM、斜坡、斜坡 A/D Compare_A模拟信号比较器,监视外部模拟电压模拟信号比较器,监视外部模拟电压2022/9/17第39页,共113页,编辑于2022年,星期一片上外围模块:片上外围模块:硬件乘法器硬件乘法器 乘法乘法 无符号乘无符号乘 有符号乘有符号乘 无符号乘加
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