單晶片微處理機系統.docVIP

第十一章 單晶片微處理器 什麼是單晶片微處理器主要義涵？將微處理機系統搭配簡單周邊模組與輸出入介面以單晶片型態完成。也就是說，單晶片微處理器中包含系統運作所需之周邊模組與模組驅動程式、系統程式與應用程式。國內外有許多晶片公司，分別針對不同應用，設計有許多種單晶片微處理機系列，如：8051、PIC、ARM、…等等。因此本單元並不打算針對某系列之單晶片說明，而是希望以概念性之架構，由單晶模組之組成架構、模組應用與控制概念、單晶片系統設計發展切入說明，並提供一系統學習之流程，使入門者對單晶片系統有一全面性瞭解。本章首先介紹單晶系統之應用與功能需求。進一步說明常見之單晶片系統周邊模組功能與控制方式介紹，最後簡介單晶系統設計流程與單晶片系統學習方案建議。 單晶片微處理器之應用與功能需求 單晶片微處理機系統之應用與功能需求為何？目前各類之電子與家電產品，皆可看到單晶片微處理機之蹤跡。如：電子表、微電腦控制洗衣機、防盜器、溫度控制器、電子耳溫槍、….等等。舉凡對現實環境之量測、監控與互動裝置皆可看到單晶片系統之蹤影。由上述應用之情形，可以整理出一般環境系統與單晶片系統互動所需之功能概念。 如圖11-1所示，環境之各種類比連續之物理量，需透過量測與轉換(ADC、邊緣偵測、整形重建…)，產生量化離散之數位訊號，由單晶系統以數位模式進行資料與時間之處理、管理與通訊，結果可透過資訊串列方式傳至其他系統，也可透過轉換與驅動電路還原為連續類比之物理量，進行監控環境。 單晶片微處理機之功能模組 單晶片微處理機常見之功能模組有：CPU 核心、RAM與EEPROM/Flash ROM、監督單元、時脈產生器等組成單晶系統之控制中樞，及因應不同之使用與設計目的，搭配各種周邊應用模組，如：計時/計數器、基本I/O埠、串列傳輸、ADC/DAC、PWM、audio、RF….等等。一般單晶片微處理機之架構如圖11-2； 以MICRO CHIP公司所設計之PIC16F877為例，包含8資料位元之CPU核心、4Kbyte EEPROM與8Kword(14bit)Flash ROM、Monitor、三組獨立運作之計時器(timer0,timer1,timer2)、捕抓比較脈波寬調變模組(CCP)、10-bit數位類比轉換器ADC、五組基本輸出入埠(可提供並列I/O埠功能)、串列傳輸埠(Series I/O)，幾乎所有模組功能皆具備。 中央處理單元（CPU）核心： 單晶片微處理機系統具備一運算與控制單元稱中央處理單元(CPU), 一般依運算處理位元數，區分為8-位元、16-位元、32-位元之CPU核心。常見之CPU核心為8-位元，如：8051、PIC16系列、…等等。CPU核心由暫存器、算數與邏輯運算單元與控制單元、指令解碼器與指令集所組成。根據指令集之設計技術，可分為複雜指令集 (CISC)與精簡指令集(RISC) 核心。 複雜指令集 (CISC)：指令之機械碼特徵有，指令數目多(數百個以上)、多字元組指令、指令週期長、指令功能強、運算元定址模模式多。 精簡指令集(RISC)：指令之機械碼特徵有，指令數目少(數十，一般約50個指令左右)、以單字元組指令為主(一個指令只需一字元，適合使用管線化 pipeline 加速技術)、指令週期短，但指令功能較弱(僅基本之運算與控制功能)、運算元定址模模式少。然因核心架構簡單，為目前單晶微處理機CPU核心之設計主流。 隨機記憶體與可讀寫式唯讀記憶體 隨機存取記憶體(RAM)供CPU核心儲存各類資料，可讀寫式唯讀記憶體。(EEPROM/Flash ROM)供存放程式或永久性資料，一般可透過線上寫入之動作做修改。由於單晶系統之指令位元數有限，一般記憶體系統可能採用分頁技巧或暫存器定址模式，以便節省運算元之定址位元。 監督單元(monitor unit)： 由於對系統穩定性與多元應用之需求，單晶片微處理器皆設計監督單元，負責執行監督與管理系統，如：系統重置(Reset)、電源啟動(Power up)、電源耗弱(Brown out)、睡眠模式(Sleep mode)、看門狗(Watchdogs)、中斷控制器(Interrupt control)等功能。 系統重置(Reset)： 系統重置狀態，可分成熱機重置(hot reset)與冷機重置(cold reset)。冷機重置(cold reset)指的是電源剛啟動之重置動作，此時單晶系統內之記憶體與暫存器皆處於未使用狀態，其內容為隨機之數值(不可預測)，此時需要設定適當之初值，給所有可能使用到之記憶體與周邊模組暫存器，避免不正常之誤動作產生。熱機重置(hot reset)指的是正常使用中，因各種異常訊號或使用者設定，產生系統重置情況，此時單晶片系統內之記憶體與暫存器皆已設定資料，因此需根據重