单晶片原理与应用分析.ppt

單晶片原理與應用 魏兆煌 整理 南台科技大學 電機系 Sep. 2009 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 微處理機內部架構圖 微處理機內部架構說明 術邏輯運算單元(ALU)：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 暫存器(Register)：存放微處理機運作過程的暫時資料，如「累加器」；「程式計數器(PC)」；「狀態暫存器或旗標」，「一般資料暫存器」，「記憶體位址暫存器等 控制單元：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 內部匯流排：區分為「資料匯流排」,「位址匯流排」,「控制匯流排」三種匯流排 微電腦與單晶片 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。 微處理機基本特性 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: 決定可存取外部記憶體與Ｉ/O埠的數量。 執行速度:「提取指令-執行指令」時間，由振盪電路提供(Clock)。 暫存器：暫存器寬度、數量、型式。 指令集：指令是執行微處理機動作的機械控制碼。 定址方式：程式中存取記憶體資料的方式。 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: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 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:1978年， 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: 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。 單晶片未來驅勢 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。 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，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 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