單片機(jī)的分類(Ⅱ)
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單片機(jī)按字長(zhǎng)來分類主要有以下幾類:
1.4位單片機(jī)
4 位單片機(jī)的控制功能較弱,CPU 一次只能處理4 位二進(jìn)制數(shù)。這類單片機(jī)常用于計(jì)算器、各種形態(tài)的智能單元以及作為家用電器中的控制器。典型產(chǎn)品有NEC 公司的UPD 75××系列、NS 公司的COP400 系列、松下公司的MN1400 系列、ROCKWELL 公司的PPS/1系列、富士通公司的MB88 系列、夏普公司的SM××系列、Toshiba 公司的TMP47×××系列等等。
① 華邦公司的W741系列的4位單片機(jī)帶液晶驅(qū)動(dòng),在線燒錄,保密性高,低操作電壓(1.2V~1.8V)。
② 東芝單片機(jī)的4位機(jī)在家電領(lǐng)域有很大市場(chǎng)。
2.8位單片機(jī)
8 位單片機(jī) 8 位單片機(jī)的控制功能較強(qiáng),品種最為齊全。和4 位單片機(jī)相比,它不僅具有較大的存儲(chǔ)容量和尋址范圍,而且中斷源、并行I/O 接口和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器個(gè)數(shù)都有了不同程度的增加,并集成有全雙工串行通信接口。在指令系統(tǒng)方面,普遍增設(shè)了乘除指令和比較指令。特別是8 位機(jī)中的高性能增強(qiáng)型單片機(jī),除片內(nèi)增加了A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換器外,還集成有定時(shí)器捕捉/比較寄存器、監(jiān)視定時(shí)器(Watchdog)、總線控制部件和晶體振蕩電路等。這類單片機(jī)由于其片內(nèi)資源豐富和功能強(qiáng)大,主要在工業(yè)控制、智能儀表、家用電器和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用。代表產(chǎn)品有Intel 公司的MCS-48 系列和MCS-51 系列 、Microchip 公司的PIC16C××系列和PIC17C××系列以及PIC1400 系列、Motorola 公司的M68HC05 系列和M68HC11 系列、Zilog 公司的Z8 系列、荷蘭Philips 公司的80C51 系列(同MCS-51 兼容)、Atmel公司的AT89 系列(同MCS-51 兼容)、NEC 公司的UPD78××系列等等。
1)51系列單片機(jī)
8031/8051/8751是Intel公司早期的產(chǎn)品。應(yīng)用的早,影響很大,已成為世界上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。后來很多芯片廠商以各種方式與Intel公司合作,也推出了同類型的單片機(jī),如同一種單片機(jī)的多個(gè)版本一樣,雖都在不斷的改變制造工藝,但內(nèi)核卻一樣,也就是說這類單片機(jī)指令系統(tǒng)完全兼容,絕大多數(shù)管腳也兼容;在使用上基本可以直接互換。人們統(tǒng)稱這些與8051內(nèi)核相同的單片機(jī)為“51系列單片機(jī)”。
8031片內(nèi)不帶程序存儲(chǔ)器ROM,使用時(shí)用戶需外接程序存儲(chǔ)器和一片邏輯電路373,外接的程序存儲(chǔ)器多為EPROM的2764系列。用戶若想對(duì)寫入到EPROM中的程序進(jìn)行修改,必須先用一種特殊的紫外線燈將其照射擦除,之后再可寫入。寫入到外接程序存儲(chǔ)器的程序代碼沒有什么保密性可言。
8051片內(nèi)有4k ROM,無須外接外存儲(chǔ)器和373,更能體現(xiàn)“單片”的簡(jiǎn)練。但是所編的程序無法寫入到其ROM中,只有將程序交芯片廠代為寫入,并是一次性的,不能改寫其內(nèi)容。
8751與8051基本一樣,但8751片內(nèi)有4k的EPROM,用戶可以將自己編寫的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)的EPROM中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用,EPROM的改寫同樣需要用紫外線燈照射一定時(shí)間擦除后再寫入。
在眾多的51系列單片機(jī)中,要算 ATMEL 公司的AT89C51、AT89S52更實(shí)用,因他不但和8051指令、管腳完全兼容,而且其片內(nèi)的4K程序存儲(chǔ)器是FLASH工藝的,這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫,一般專為 ATMEL AT89xx 做的編程器均帶有這些功能。顯而易見,這種單片機(jī)對(duì)開發(fā)設(shè)備的要求很低,開發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密,這又很好地保護(hù)了你的勞動(dòng)成果。而且,AT89C51、AT89S51目前的售價(jià)比8031還低,市場(chǎng)供應(yīng)也很充足。
AT89S51、52是2003年ATMEL推出的新型品種,除了完全兼容8051外,還多了ISP編程和看門狗功能。
ATMEL公司的51系列還有AT89C2051、AT89C1051等品種,這些芯片是在AT89C51的基礎(chǔ)上將一些功能精簡(jiǎn)掉后形成的精簡(jiǎn)版。AT89C2051取掉了P0口和P2口,內(nèi)部的程序FLASH存儲(chǔ)器也小到2K,封裝形式也由51的P40腳改為20腳,相應(yīng)的價(jià)格也低一些,特別適合在一些智能玩具,手持儀器等程序不大的電路環(huán)境下應(yīng)用;AT89C1051在2051的基礎(chǔ)上,再次精簡(jiǎn)掉了串口功能等,程序存儲(chǔ)器再次減小到1k,當(dāng)然價(jià)格也更低。
51 單片機(jī)目前已有多種型號(hào),市場(chǎng)上目前供貨比較足的芯片還要算ATMEL 的51、52 芯片, HYUNDAI 的GMS97 系列,WINBOND 的78e52,78e58,77e58 等。
GMS97 系列是一次性燒寫,一般只有大量生產(chǎn)的人才買。at89c51,52 因可以很容易地解密,一般人們只用它來做實(shí)驗(yàn),或者用在一些即使解了密也無關(guān)緊要的場(chǎng)合。89c2051 只有20 腿,體積小巧,在一些簡(jiǎn)單應(yīng)用和體積有限的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。
2)PIC系列單片機(jī)
由美國(guó)Microchip公司推出的PIC單片機(jī)系列產(chǎn)品,首先采用了RISC結(jié)構(gòu)的嵌入式微控制器,其高速度、低電壓、低功耗、大電流LCD驅(qū)動(dòng)能力和低價(jià)位OTP技術(shù)等都體現(xiàn)出單片機(jī)產(chǎn)業(yè)的新趨勢(shì)。
現(xiàn)在PIC系列單片機(jī)在世界單片機(jī)市場(chǎng)的份額排名中已逐年升位,尤其在8位單片機(jī)市場(chǎng),據(jù)稱已從1990年的第20位上升到目前的第二位。PIC單片機(jī)從覆蓋市場(chǎng)出發(fā),已有三種(又稱三層次)系列多種型號(hào)的產(chǎn)品問世,所以在全球都可以看到PIC單片機(jī)從電腦的外設(shè)、家電控制、電訊通信、智能儀器、汽車電子到金融電子各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用?,F(xiàn)今的PIC單片機(jī)已經(jīng)是世界上最有影響力的嵌入式微控制器之一。
① PIC 8位單片機(jī)的分類
PIC 8位單片機(jī)產(chǎn)品共有三個(gè)系列,即基本級(jí)、中級(jí)和高級(jí)。
a?基本級(jí)系列 該級(jí)產(chǎn)品的特點(diǎn)是低價(jià)位,如PIC16C5X,適用于各種對(duì)成本要求嚴(yán)格的家電產(chǎn)品選用。又如PIC12C5XX是世界第一個(gè)8腳的低價(jià)位單片機(jī),因其體積很小,完全可以應(yīng)用在以前不能使用單片機(jī)的家電產(chǎn)品的空間。
b?中級(jí)系列 該級(jí)產(chǎn)品是PIC最豐富的品種系列。它是在基本級(jí)產(chǎn)品上進(jìn)行了改進(jìn),并保持了很高的兼容性。外部結(jié)構(gòu)也是多種的,從8引腳到68引腳的各種封裝,如PIC12C6XX。該級(jí)產(chǎn)品其性能很高,如內(nèi)部帶有A/D變換器、E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、比較器輸出、PWM輸出、I2C和SPI等接口。PIC中級(jí)系列產(chǎn)品適用于各種高、中和低檔的電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中。
c?高級(jí)系列 該系列產(chǎn)品如PIC17CXX,其特點(diǎn)是速度快,所以適用于高速數(shù)字運(yùn)算的應(yīng)用場(chǎng)合中,加之它具備一個(gè)指令周期內(nèi)(160ns)可以完成8×8(位)二進(jìn)制乘法運(yùn)算能力,所以可取代某些DSP產(chǎn)品。再有PIC17CXX具有豐富的I/O控制功能,并可外接擴(kuò)展EPROM和RAM,使它成為目前8位單片機(jī)中性能最高的機(jī)種之一。所以很適用于高、中檔的電子設(shè)備中使用。
上述的三層次(級(jí))的PIC 8位單片機(jī)還具有很高的代碼兼容性,用戶很容易將代碼從某型號(hào)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)型號(hào)中。PIC 8位單片機(jī)具有指令少、執(zhí)行速度快等優(yōu)點(diǎn),其主要原因是PIC系列單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上與其它單片機(jī)不同。該系列單片機(jī)引入了原用于小型計(jì)算機(jī)的雙總線和兩級(jí)指令流水結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與一般采用CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī))的單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上是有不同的。
上述的三層次(級(jí))的PIC 8位單片機(jī)還具有很高的代碼兼容性,用戶很容易將代碼從某型號(hào)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)型號(hào)中。PIC 8位單片機(jī)具有指令少、執(zhí)行速度快等優(yōu)點(diǎn),其主要原因是PIC系列單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上與其它單片機(jī)不同。該系列單片機(jī)引入了原用于小型計(jì)算機(jī)的雙總線和兩級(jí)指令流水結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與一般采用CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī))的單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上是有不同的。
雙總線結(jié)構(gòu)
具有CISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)均在同一存儲(chǔ)空間取指令和數(shù)據(jù),片內(nèi)只有一種總線。這種總線既要傳送指令又要傳送數(shù)據(jù)(如圖1-a所示)。因此,它不可能同時(shí)對(duì)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問。因與CPU直接相連的總線只有一種,要求數(shù)據(jù)和指令同時(shí)通過,顯然“亂套”,這正如一個(gè)“瓶頸”,瓶?jī)?nèi)的數(shù)據(jù)和指令要一起倒出來,往往就被瓶頸卡住了。所以具有這種結(jié)構(gòu)的單片機(jī),只能先取出指令,再執(zhí)行指令(在此過程中往往要取數(shù)),然后,待這條指令執(zhí)行完畢,再取出另一條指令,繼續(xù)執(zhí)行下一條。這種結(jié)構(gòu)通常稱為馮•諾依曼結(jié)構(gòu),又稱普林斯頓結(jié)構(gòu)。
在這里PIC系列單片機(jī)采用了一種雙總線結(jié)構(gòu),即所謂哈佛結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有兩種總線,即程序總線和數(shù)據(jù)總線。這兩種總線可以采用不同的字長(zhǎng),如PIC系列單片機(jī)是八位機(jī),所以其數(shù)據(jù)總線當(dāng)然是八位。但低檔、中檔和高檔的PIC系列機(jī)分別有12位、14位和16位的指令總線。這樣,取指令時(shí)則經(jīng)指令總線,取數(shù)據(jù)時(shí)則經(jīng)數(shù)據(jù)總線,互不沖突。
② 兩級(jí)指令流水線結(jié)構(gòu)
由于PIC系列單片機(jī)采用了指令空間和數(shù)據(jù)空間分開的哈佛結(jié)構(gòu),用了兩種位數(shù)不同的總線。因此,取指令和取數(shù)據(jù)有可能同時(shí)交疊進(jìn)行,所以在PIC系列微控制器中取指令和執(zhí)行指令就采用指令流水線結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)谝粭l指令被取出后,隨即進(jìn)入執(zhí)行階段,這時(shí)可能會(huì)從某寄存器取數(shù)而送至另一寄存器,或從一端口向寄存器傳送數(shù)等,但數(shù)據(jù)不會(huì)流經(jīng)程序總線,而只是在數(shù)據(jù)總線中流動(dòng),因此,在這段時(shí)間內(nèi),程序總線有空,可以同時(shí)取出第二條指令。當(dāng)?shù)谝粭l指令執(zhí)行完畢,就可執(zhí)行第二條指令,同時(shí)取出第3條指令,……如此等等。這樣,除了第一條指令的取出,其余各條指令的執(zhí)行和下一條指令的取出是同時(shí)進(jìn)行的,使得在每個(gè)時(shí)鐘周期可以獲得最高效率。
在大多數(shù)微控制器中,取指令和指令執(zhí)行都是順序進(jìn)行的,但在PIC單片機(jī)指令流水線結(jié)構(gòu)中,取指令和執(zhí)行指令在時(shí)間上是相互重疊的,所以PIC系列單片機(jī)才可能實(shí)現(xiàn)單周期指令。
只有涉及到改變程序計(jì)數(shù)器PC值的程序分支指令(例如GOTO、CALL)等才需要兩個(gè)周期。
此外,PIC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還體現(xiàn)在寄存器組上,如寄存器I/O口、定時(shí)器和程序寄存器等都是采用了RAM結(jié)構(gòu)形式,而且都只需要一個(gè)周期就可以完成訪問和操作。而其它單片機(jī)常需要兩個(gè)或兩個(gè)以上的周期才能改變寄存器的內(nèi)容。上述各項(xiàng),就是PIC系列單片機(jī)能做到指令總數(shù)少,且大都為單周期指令的重要原因。
3)AVR系列單片機(jī)
AVR單片機(jī)是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī)。AVR的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。
①AVR單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)
a、AVR單片機(jī)易于入手、便于升級(jí)、費(fèi)用低廉。 單片機(jī)初學(xué)者只需一條ISP下載線,把編輯、調(diào)試通過的軟件程序直接在線寫入AVR單片機(jī),即可以開發(fā)AVR單片機(jī)系列中的各種封裝的器件。AVR單片機(jī)因此在業(yè)界號(hào)稱“一線打天下”。 AVR程序?qū)懭胧侵苯釉陔娐钒迳线M(jìn)行程序修改、燒錄等操作,這樣便于產(chǎn)品升級(jí)。AVR單片機(jī)可使用ISP在線下載編程方式(即把PC機(jī)上編譯好的程序?qū)懙絾纹瑱C(jī)的程序存儲(chǔ)器中),不需購(gòu)買仿真器、編程器、擦抹器和芯片適配器等,即可進(jìn)行所有AVR單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用,這可節(jié)省很多開發(fā)費(fèi)用。程序存儲(chǔ)器擦寫可達(dá)10000次以上,不會(huì)產(chǎn)生報(bào)廢品。
b、高速、低耗、保密。首先,AVR單片機(jī)是高速嵌入式單片機(jī): AVR單片機(jī)具有預(yù)取指令功能,即在執(zhí)行一條指令時(shí),預(yù)先把下一條指令取進(jìn)來,使得指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行。多累加器型,數(shù)據(jù)處理速度快。AVR單片機(jī)具有32個(gè)通用工作寄存器,相當(dāng)于有32條立交橋,可以快速通行。中斷響應(yīng)速度快。AVR單片機(jī)有多個(gè)固定中斷向量入口地址,可快速響應(yīng)中斷。AVR單片機(jī)耗能低。對(duì)于典型功耗情況,WDT關(guān)閉時(shí)為100nA,更適用于電池供電的應(yīng)用設(shè)備。有的器件最低1.8 V即可工作。AVR單片機(jī)保密性能好。它具有不可破解的位加密鎖Lock Bit技術(shù),保密位單元深藏于芯片內(nèi)部,無法用電子顯微鏡看到。
c 、I/O口功能強(qiáng),具有A/D轉(zhuǎn)換等電路。AVR單片機(jī)的I/O口是真正的I/O口,能正確反映I/O口輸入/輸出的真實(shí)情況。工業(yè)級(jí)產(chǎn)品,具有大電流(灌電流)10mA~40mA,可直接驅(qū)動(dòng)可控硅SSR或繼電器,節(jié)省了外圍驅(qū)動(dòng)器件。AVR單片機(jī)內(nèi)帶模擬比較器,I/O口可用作A/D轉(zhuǎn)換,可組成廉價(jià)的A/D轉(zhuǎn)換器。ATmega48/8/16等器件具有8路10位A/D。部分AVR單片機(jī)可組成零外設(shè)元件單片機(jī)系統(tǒng),使該類單片機(jī)無外加元器件即可工作,簡(jiǎn)單方便,成本又低。AVR單片機(jī)可重設(shè)啟動(dòng)復(fù)位,以提高單片機(jī)工作的可靠性。有看門狗定時(shí)器實(shí)行安全保護(hù),可防止程序走亂(飛),提高了產(chǎn)品的抗干擾能力。
d、有功能強(qiáng)大的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及通訊接口。定時(shí)/計(jì)數(shù)器T/C有8位和16位,可用作比較器。計(jì)數(shù)器外部中斷和PWM(也可用作D/A)用于控制輸出,某些型號(hào)的AVR單片機(jī)有3~4個(gè)PWM,是作電機(jī)無級(jí)調(diào)速的理想器件。AVR單片機(jī)有串行異步通訊UART接口,不占用定時(shí)器和SPI同步傳輸功能,因其具有高速特性,故可以工作在一般標(biāo)準(zhǔn)整數(shù)頻率下,而波特率可達(dá)576K。
②AVR 8-Bit MCU的最大特點(diǎn)
與其它8-Bit MCU相比,AVR 8-Bit MCU最大的特點(diǎn)是:
哈佛結(jié)構(gòu),具備1MIPS / MHz的高速運(yùn)行處理能力;
超功能精簡(jiǎn)指令集(RISC),具有32個(gè)通用工作寄存器,克服了如8051 MCU采用單一ACC進(jìn)行處理造成的瓶頸現(xiàn)象;
快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng),大大優(yōu)化了目標(biāo)代碼的大小、執(zhí)行效率,部分型號(hào)FLASH非常大,特別適用于使用高級(jí)語言進(jìn)行開發(fā);
作輸出時(shí)與PIC的HI/LOW相同,可輸出40mA(單一輸出),作輸入時(shí)可設(shè)置為三態(tài)高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入,具備10mA-20mA灌電流的能力;
片內(nèi)集成多種頻率的RC振蕩器、上電自動(dòng)復(fù)位、看門狗、啟動(dòng)延時(shí)等功能,外圍電路更加簡(jiǎn)單,系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠;
大部分AVR片上資源豐富:帶E2PROM,PWM,RTC,SPI,UART,TWI,ISP,AD,Analog Comparator,WDT等;
大部分AVR除了有ISP功能外,還有IAP功能,方便升級(jí)或銷毀應(yīng)用程序。
(3)16-BIT 單片機(jī)
16 位單片機(jī)是在1983 年以后發(fā)展起來的。這類單片機(jī)的特點(diǎn)是:CPU是16 位的,運(yùn)算速度普遍高于8 位機(jī),有的單片機(jī)的尋址能力高達(dá)1MB,片內(nèi)含有A/D 和D/A轉(zhuǎn)換電路,支持高級(jí)語言。這類單片機(jī)主要用于過程控制、智能儀表、家用電器以及作為計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的控制器等。典型產(chǎn)品有Intel 公司的MCS-96/98 系列、Motorola 公司的M68HC16系列、NS 公司的783××系列、TI公司的MSP430系列等等。
其中,以MSP430系列最為突出。它采用了精簡(jiǎn)指令集( RISC )結(jié)構(gòu),具有豐富的尋址方式( 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址)、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令;大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算;還有高效的查表處理指令;有較高的處理速度,在 8MHz 晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為 125 ns 。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。
在運(yùn)算速度方面, MSP430 系列單片機(jī)能在 8MHz 晶體的驅(qū)動(dòng)下,實(shí)現(xiàn) 125ns 的指令周期。 16 位的數(shù)據(jù)寬度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能實(shí)現(xiàn)乘加)相配合,能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法(如 FFT 等)。
MSP430 系列單片機(jī)的中斷源較多,并且可以任意嵌套,使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí),用中斷請(qǐng)求將它喚醒只用 6us 。
超低功耗 MSP430 單片機(jī)之所以有超低的功耗,是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷杭办`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。
首先, MSP430 系列單片機(jī)的電源電壓采用的是 1.8~3.6V 電壓。因而可使其在 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí), 芯片的電流會(huì)在 200~400uA 左右,時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有 0.1uA 。
其次,獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在 MSP430 系列中有兩個(gè)不同的系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng):基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)( FLL 和 FLL+ )時(shí)鐘系統(tǒng)或 DCO 數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。有的使用一個(gè)晶體振蕩器( 32768Hz ) , 有的使用兩個(gè)晶體振蕩器)。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下,打開和關(guān)閉,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。
由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)打開的功能模塊不同,即采用不同的工作模式,芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式( AM )和五種低功耗模式( LPM0~LPM4 )。在等待方式下,耗電為 0.7uA ,在節(jié)電方式下,最低可達(dá) 0.1uA 。
系統(tǒng)工作穩(wěn)定 上電復(fù)位后,首先由 DCOCLK 啟動(dòng) CPU ,以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行,保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時(shí)間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用做 CPU 時(shí)鐘 MCLK 時(shí)發(fā)生故障, DCO 會(huì)自動(dòng)啟動(dòng),以保證系統(tǒng)正常工作;如果程序跑飛,可用看門狗將其復(fù)位。
豐富的片上外圍模塊 MSP430 系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗( WDT )、模擬比較器 A 、定時(shí)器 A ( Timer_A )、定時(shí)器 B ( Timer_B )、串口 0 、 1 ( USART0 、 1 )、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、 10 位 /12 位 ADC 、 I 2 C 總線直接數(shù)據(jù)存?。?DMA )、端口 O ( P0 )、端口 1~6 ( P1~P6 )、基本定時(shí)器( Basic Timer )等的一些外圍模塊的不同組合。其中,看門狗可以使程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位;模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較,配合定時(shí)器,可設(shè)計(jì)出 A/D 轉(zhuǎn)換器; 16 位定時(shí)器( Timer_A 和 Timer_B )具有捕獲 / 比較功能,大量的捕獲 / 比較寄存器,可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、 PWM 等;有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用;具有較多的 I/O 端口,最多達(dá) 6*8 條 I/O 口線; P0 、 P1 、 P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入; 12/14 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率,最高可達(dá) 200kbps ,能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用;能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá) 160 段;實(shí)現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換;硬件 I 2 C 串行總線接口實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器串行擴(kuò)展;以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度,而采用直接數(shù)據(jù)傳輸( DMA )模塊。 MSP430 系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。
方便高效的開發(fā)環(huán)境 目前 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件,這些器件的開發(fā)手段不同。對(duì)于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后在燒寫或掩膜芯片;對(duì)于 FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境,因?yàn)槠骷瑑?nèi)有 JTAG 調(diào)試接口,還有可電擦寫的 FLASH 存儲(chǔ)器,因此采用先下載程序到 FLASH 內(nèi),再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行,由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開發(fā)。這種方式只需要一臺(tái) PC 機(jī)和一個(gè) JTAG 調(diào)試器,而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和 C 語言。
MSP430 單片機(jī)目前主要以 FLASH 型為主。
(4)32-BIT 單片機(jī)
32 位單片機(jī)的字長(zhǎng)為32 位,是單片機(jī)的頂級(jí)產(chǎn)品,具有極高的運(yùn)算速度。近年來,隨著家用電子系統(tǒng)的新發(fā)展,32 位單片機(jī)的市場(chǎng)前景看好。
繼16 位單片機(jī)出現(xiàn)后不久,幾大公司先后推出了代表當(dāng)前最高性能和技術(shù)水平的32 位單片微機(jī)系列。32 位單片機(jī)具有極高的集成度,內(nèi)部采用新穎的RISC(精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī))結(jié)構(gòu),CPU 可與其他微控制器兼容,主頻頻率可達(dá)33MHz 以上,指令系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化,運(yùn)算速度可動(dòng)態(tài)改變,設(shè)有高級(jí)語言編譯器,具有性能強(qiáng)大的中斷控制系統(tǒng)、定時(shí)/事件控制系統(tǒng)、同步/異步通信控制系統(tǒng)。代表產(chǎn)品有Intel 公司的MCS-80960 系列、Motorola 公司的M68300 系列、Hitachi 公司的Super H(簡(jiǎn)稱SH)系列等等。
這類單片機(jī)主要應(yīng)用于汽車、航空航天、高級(jí)機(jī)器人、軍事裝備等方面。它代表著單片機(jī)發(fā)展中的高、新技術(shù)水平。
ARM在32位MCU中的主流地位是毫無疑問的。ARM公司于1991年成立于英國(guó)劍橋,主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。目前,采用ARM技術(shù)智能財(cái)產(chǎn)(IP)核心的處理器,即我們通常所說的ARM處理器,已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng),基于ARM技術(shù)的處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場(chǎng),ARM技術(shù)不止逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面,我們甚至可以說,ARM于人類的生活環(huán)境中,已經(jīng)是不可或缺的一環(huán)。
目前市面上常見的ARM處理器架構(gòu),可分為ARM7、ARM9以及ARM11,新推出的Cortex系列尚在進(jìn)行開發(fā)驗(yàn)證,市面上還未有相關(guān)產(chǎn)品推出。ARM也是嵌入式處理器中首先推出多核心架構(gòu)的廠商。
ARM首個(gè)多核心架構(gòu)為ARM11 MPCore,架構(gòu)于原先的ARM11處理器核心之上。ARM11核心是發(fā)布于2002年10月份,為了進(jìn)一步提升效能,其管線長(zhǎng)度擴(kuò)展到8階,處理單元?jiǎng)t增加為預(yù)取、譯碼、發(fā)送、轉(zhuǎn)換?。疢AC1、執(zhí)行/MAC2、內(nèi)存存?。疢AC3和寫入等八個(gè)單元,體系上屬于ARM V6指令集架構(gòu)。ARM11采用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的0.13μm制造制程,運(yùn)行頻率最高可達(dá)500到700MHz。如果采用90nm制程,ARM11核心的工作頻率能夠輕松達(dá)到1GHz以上—對(duì)于嵌入式處理器來說,這顯然是個(gè)相當(dāng)驚人的程度,不過顯然1GHz在ARM11體系中不算是個(gè)均衡的設(shè)定,因此幾乎沒有廠商推出達(dá)到1GHz的ARM11架構(gòu)處理器。
ARM11的邏輯核心也經(jīng)過大量的改進(jìn),其中最重要的當(dāng)屬“靜/動(dòng)態(tài)組合轉(zhuǎn)換的預(yù)測(cè)功能”。ARM11的執(zhí)行單元包含一個(gè)64位、4種狀態(tài)的地址轉(zhuǎn)換緩沖,它主要用來儲(chǔ)存最近使用過的轉(zhuǎn)換地址。當(dāng)采用動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換預(yù)測(cè)機(jī)制而無法在尋址緩沖內(nèi)找到正確的地址時(shí),靜態(tài)轉(zhuǎn)換預(yù)測(cè)功能就會(huì)立刻接替它的位置。在實(shí)際測(cè)試中,單純采用動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率為88%,單純采用靜態(tài)預(yù)測(cè)機(jī)制的準(zhǔn)確率 只有77%,而ARM11的靜/動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)組合機(jī)制可實(shí)現(xiàn)92%的高準(zhǔn)確率。針對(duì)高時(shí)脈速度帶來功耗增加的問題,ARM11采用一項(xiàng)名為“IEM?。↖ntelligent Energy Manager)”的智能電源管理技術(shù),該技術(shù)可根據(jù)任務(wù)負(fù)荷情況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)處理器的電壓,進(jìn)而有效降低自身的功耗。這一系列改進(jìn)讓ARM11的功耗效能比得以繼續(xù)提高,平均每MHz只需消耗0.6mW(有快取時(shí)為0.8mW)的電力,處理器的最高效能可達(dá)到660 Dhrystone MIPS,遠(yuǎn)超過上一代產(chǎn)品。