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微控制器是將微型計算機的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計算機。微控制器誕生于20世紀70年代中期，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，其成本越來(lái)越低，而性能越來(lái)越強大，這使其應用已經(jīng)無(wú)處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機控制、條碼閱讀器／掃描器、消費類(lèi)電子、游戲設備、電話(huà)、HVAC、樓宇安全與門(mén)禁控制、工業(yè)控制與自動(dòng)化和白色家電(洗衣機、微波爐)等。 微控制器可從不同方面進(jìn)行分類(lèi)：根據數據總線(xiàn)寬度可分為8位、16位和32位機；根據存儲器結構可分為Harvard結構和Von Neumann結構；根據內嵌程序存儲器的類(lèi)別可分為OTP、掩膜、EPROM／EEPROM和閃存Flash；根據指令結構又可分為CISC(Complex Instruction Set Computer)和RISC(Reduced Instruction Set Computer)微控制器。本文將結合不同指令結構微控制器的發(fā)展及其特性進(jìn)行論述。 1 微控制器的發(fā)展歷程 Intel公司作為最早推出微處理器的公司，同樣也是最早推出微控制器的公司。繼1976年推出MCS-48后，又于1980年推出了MCS-51，為發(fā)展具有良好兼容性的新一代微控制器奠定了良好的基礎。在8051技術(shù)實(shí)現開(kāi)放后，Philips、Atmel、Dallas和Siemens等公司紛紛推出了基于80C5l內核(805l的CMC)S版本)的微控制器。這些各具特色的產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足大量嵌入式應用需求�；�80C51內核的微控制器并沒(méi)有停止發(fā)展的腳步，例如現在Maxim／Dallas公司提供的DS89C430系列微控制器，其單周期指令速度已經(jīng)提高到了805l的12倍。 基于CISC架構的微控制器除了80C51外，還包括Motorola提供的68HC系列微控制器，這也是大量應用的微控制器系列。 基于RISC架構的微控制器則包括Microchip的PIC系列8位微控制器等。在16位RISC架構的微控制器中，Maxim公司推出的MAXQ系列微控制器以其高性能、低功耗和卓越的代碼執行效率，成為許多需要高精度混合信號處理以及便攜式系統和電池供電系統的理想選擇。 2 基于8051內核的COSC微控制器 迄今為止，MCS-51已成為8位機中運行最慢的系列�，F在Dallas推出的DS89C430系列產(chǎn)品在保持與80C51引腳和指令集兼容的基礎上，每個(gè)機器周期僅為一個(gè)時(shí)鐘，實(shí)現了8051系列的最高吞吐率。一般而言，對于現有的基于8051的應用軟件可以直接寫(xiě)入DS89C430而無(wú)需進(jìn)行更改。除此之外，DS89C430還在許多其他方面引入了新的功能，從而為具體應用提供了更多靈活性。下面介紹DS89C430不同于8051的功能和特點(diǎn)。 2.1 片內程序存儲器及應用 片內程序存儲器邏輯上分為成對的8 KB、16 KB或32 KB閃存單元，以支持在應用編程。這允許器件在應用軟件的控制下修改程序存儲器，應用系統能夠在執行其主要功能的情況下，完成在線(xiàn)軟件升級。DS89C430集成了64 B加密陣列，允許用戶(hù)以加密形式查看數據，進(jìn)行程序代碼校驗。 器件支持通過(guò)RS-2 32串口實(shí)現在系統編程。在系統編程通過(guò)將器件的一個(gè)或多個(gè)外部引腳設置為某特定狀態(tài)來(lái)激活引導加載程序。器件啟動(dòng)后，開(kāi)始執行駐留于器件內部專(zhuān)用ROM的加載程序。一旦收到一個(gè)回車(chē)符號，串口就執行自動(dòng)波特率功能，并與主機的波特率同步。如圖1所示是在系統編程的物理連接．簡(jiǎn)單的引導加載程序接口允許使用幾種方法來(lái)實(shí)現PC機與目標微控制器間的通信。最簡(jiǎn)單的方法是使用Dallas的微控制器工具包(MTK)軟件．它具有高度前端特征，簡(jiǎn)化了目標配置，上傳、下載代碼以及特殊功能配置等任務(wù)操作。 2.2 雙數據指針 8051微控制器是通過(guò)MOVX指令來(lái)訪(fǎng)問(wèn)片外數據空間的，用MOVX@DPTR指令可訪(fǎng)問(wèn)整個(gè)64 KB的片外數據存儲器。傳統的8051只有一個(gè)數據指針DPTR，要將數據從一個(gè)地址移到另一個(gè)地址非常麻煩。DS89C430則具備雙數據指針DPTR0和DPTRl，因此軟件可以使用一個(gè)指針裝載源地址，另一個(gè)指針裝載目的地址。DPTR0的SFR地址與805l相同(82H和83H)，因此使用該指針時(shí)源代碼無(wú)需更改，DPTRl位于84H和85H地址。所有與數據指針相關(guān)的操作都使用活動(dòng)數據指針，活動(dòng)指針通過(guò)控制位SEL選擇。每個(gè)指針還各有一個(gè)控制位，決定INCDPTR操作是遞增還是遞減數據指針值。 在拷貝數據塊時(shí)，與使用單數據指針相比，雙數據指針可以節省大量代碼。用戶(hù)通過(guò)轉換SEL位來(lái)轉換活動(dòng)數據指針，其中一種方法可通過(guò)執行INCDPS指令來(lái)實(shí)現。對于這些大的數據塊拷貝，用戶(hù)必須頻繁執行該指令來(lái)轉換DPTR0和DPTRl。為了在節省代碼的同時(shí)提高運行速度和效率，DS89C430又包含了一個(gè)轉換選擇位 (TSL)，來(lái)確定執行MOVX指令時(shí)硬件是否自動(dòng)轉換SEL位，這樣就可以省去INCDPS指令并進(jìn)一步提高運行速度。大的數據塊拷貝需要源指針和目的指針逐字節尋址數據空間，傳統的方法是通過(guò)使用INCDPTR指令來(lái)增加數據指針。為了進(jìn)一步提高數據傳輸速率，引入了自動(dòng)增減控制位(AID)，用以確定執行MOVX指令時(shí)，是否會(huì )自動(dòng)增減活動(dòng)指針值。表l為各種情況下DS80C320和DS89C430進(jìn)行64B數據塊傳輸時(shí)的速度比較。從表l中可以看出，采用雙數據指針后運行速度得到極大提高。 2.3 電源管理和時(shí)鐘分頻控制 CMOS電路的功耗主要由兩部分組成：連續漏電流造成的靜態(tài)功耗以及對負載電容進(jìn)行充放電所需的轉換開(kāi)關(guān)電流造成的動(dòng)態(tài)功耗。其中，動(dòng)態(tài)功耗是總體功耗的主要部分，該功耗(PD)可以通過(guò)負載電容(CL)、電源電壓(VDD)和工作頻率(f)進(jìn)行計算，即：PD=CL×VDD2×f。 對于某具體應用，電容和電源電壓相對固定，而處理器的處理速度在不同時(shí)刻可能是不同的，因此工作頻率可以根據不同需要進(jìn)行調整，從而在不影響系統性能的前提下達到降低功耗的要求。DS89C430支持三種低功耗節電模式。 ①系統時(shí)鐘分頻控制：允許微控制器使用內部分頻的時(shí)鐘源繼續工作，以節省功耗。通過(guò)軟件設置時(shí)鐘分頻控制位，設置工作速率為每機器周期1024個(gè)振蕩器周期． ②空閑模式：以靜態(tài)方式保持程序計數器，并掛起處理器。在此模式中，處理器不取指令也不執行指令。除了外圍接口時(shí)鐘保持為活動(dòng)狀態(tài)以及定時(shí)器、看門(mén)狗、串口和電源監視功能仍然工作外，所有的資源均保存。處理器能夠使用允許的中斷源退出空閑模式。 ③停機模式：禁止處理器內部的所有電路。所有片內時(shí)鐘、定時(shí)器和串口通信都停止運行，處理器不執行任何指令。通過(guò)使用六個(gè)外部中斷中的任何一個(gè)，處理器都能夠退出停機模式。 3 基于RISC架構的微控制器 MAXQ2000微控制器是Maxino／Dallas公司推出的一款基于RIS(：架構的16位微控制器。理解這款微控制器的一些結構特點(diǎn)，可以使我們更好地理解RISO結構微控制器的最新發(fā)展趨勢和技術(shù)特點(diǎn)，從而為我們構建新型系統提供更加理想的選擇。MAXQ2000的指令讀取和執行操作在一個(gè)周期內完成，而沒(méi)有流水線(xiàn)操作，這是因為指令既包含了操作碼也包括了數據。字母Q表示這款微控制器的一個(gè)重要特點(diǎn)便是“安靜”，MAXQ架構通過(guò)智能化的時(shí)鐘管理來(lái)降低噪聲．這意味著(zhù)MAXQ只向那些需要使用時(shí)鐘的電路提供時(shí)鐘，這樣既降低了功耗，又為模擬電路的整合提供了一個(gè)最安靜的環(huán)境。它包含液晶顯示(I．CD)接口，最可以驅動(dòng)100或132段(兩種版本)。這款微控制器的功耗指標和MIPS／MHz代碼效率方面都在同類(lèi)微控制器當中遙遙領(lǐng)先．下面介紹MAXQ2000的主要特性。 3.1 指令集 指令集由23條對寄存器和存儲器進(jìn)行操作的固定長(cháng)度的16位指令組成。指令集高度正交，允許算術(shù)和邏輯操作使用累加器和任何寄存器。特殊功能寄存器控制外圍設備，并細分成寄存器模塊。產(chǎn)品系列的結構是模塊化的，因此新的器件和模塊能夠繼續使用為現有產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的代碼．該結構是基于傳送觸發(fā)的，這意味著(zhù)對某一寄存器位置的讀或寫(xiě)會(huì )產(chǎn)生額外作用。這些額外作用構成了由匯編器定義的高層操作碼的基礎，如ADDC、OR和JUMP等。 3.2 存儲器配置 MAXQ2000具有32KB閃存、lKBRAM、4KB的內部ROM存儲器塊和16級堆棧存儲器。存儲器缺省配置成Harvard結構，程序和數據存儲器具有獨立的地址空間，還可以使能為Vorl Ncumann存儲器配置模式，即將固定用途ROM、代碼和數據存儲器放置到一個(gè)連續的存儲器映射中．這適合于需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)程序修改或特殊存儲器配置的應用。閃存程序存儲器可以通過(guò)16字密鑰進(jìn)行密碼保護，從而防止未授權者訪(fǎng)問(wèn)程序存儲器。同時(shí)，還具有3個(gè)數據指針，支持高效快速地處理數據． 固定用途ROM由可以在應用軟件中進(jìn)行調用的子程序組成(缺省起始地址為8000H)．包括：通過(guò)JTAG或UART接口進(jìn)行在系統編程(引導加載程序)；在電路調試程序；測試程序(內部存儲器測試，存儲器加載等)；用于在應用閃存編程和快速查找表的用戶(hù)可調用程序。無(wú)論以任何方式復位，都從固定用途ROM開(kāi)始運行程序。R。M軟件決定程序立刻跳轉到8000H位置、用戶(hù)應用代碼的起始位置、還是上面提到的某特定用途子程序．用戶(hù)可訪(fǎng)問(wèn)固定用途ROM中的程序，并且可以由應用軟件調用這些程序。 3.3 寄存器組 器件的大多數功能是由寄存器組來(lái)控制的。這些寄存器為存儲器操作提供工作空間，并配置和尋址器件上的外設寄存器。寄存器分成兩大類(lèi)：系統寄存器和外設寄存器．公共寄存器組也稱(chēng)作系統寄存器，包括ALU、累加器寄存器、數據指針、堆棧指針等。外設寄存器定義了可能包含在基于MAXQ架構的不同產(chǎn)品中的附加功能． 3.4 電源管理 MAXQ2000同樣提供了先進(jìn)的電源管理功能，根據系統不同時(shí)刻的不同性能需求，可以動(dòng)態(tài)設置處理速度，從而大大降低功耗。通過(guò)軟件選擇分頻功能，來(lái)選擇系統時(shí)鐘周期是l、2、4或者8個(gè)振藹周期。為進(jìn)一步降低功耗，還有另外三種低功耗模式，256分頻、32 kH。和停機模式。 3.5 中 斷 提供多個(gè)中斷源，可對內部和外部事件快速響應。MAXQ結構采用了單一中斷向量(IV)和單一中斷服務(wù)程序(ISR)設計。必須在用戶(hù)中斷程序內清除中斷標志，以避免由同一中斷源引發(fā)重復中斷。當檢測到使能的中斷時(shí)，軟件跳轉到一個(gè)用戶(hù)可編程的中斷向量位置。 一旦軟件控制權轉移到ISR，可以使用中斷識別寄存器(IIR)來(lái)判定中斷源是系統寄存器還是外設寄存器。然后，就可以查詢(xún)特定模塊以確定具體中斷源，并采取相應的操作 。由于中斷源是由用戶(hù)軟件識別的，因此用戶(hù)可以為每種應用確立一個(gè)獨特的中斷優(yōu)先級方案。 3．6 高速硬件乘法器 集成的硬件乘法器模塊執行高速乘法、乘方和累加操作，并能在一個(gè)周期內完成一個(gè)16位×16位乘法和累加操作。硬件乘法器由2個(gè)]6位并行加載操作數寄存器(MA，MB)和1個(gè)累加器組成。加載寄存器能夠自動(dòng)啟動(dòng)操作，從而節省了重復計算的時(shí)間。硬件乘法器的累加功能是數字濾波、信號處理以及PII)控制系統中的一個(gè)基奉單元，這使得MAXQ2000可以勝任需要大量數學(xué)運算的應用。 4 結 論 通過(guò)以上兩種基于CISC．和RISC架構的微控制器的對比分析，會(huì )發(fā)現許多共同的特性，如安全特性、外圍設備、電源管理和在系統編程等。顯然．它們都是適應具體應用的共性要求而增加的功能。兩者最大的不同是指令結構的差異。MCS一5l有50條基本指令，若累計各種不同尋址方式，指令共計lll條，對應的機器指令有單字節、雙字節和三字節指令~68H(：05有62條基本指令，加上多種尋址方式，最終指令達210條，也分為單字節、雙字節和三字節指令。比較而言，RIS(：微控制器的所有指令是由一些簡(jiǎn)單、等長(cháng)度的指令構成．精簡(jiǎn)指令使微控制器的線(xiàn)路可以盡量?jì)?yōu)化，硬件結構更加簡(jiǎn)單，從而可以實(shí)現較低的成本和功耗，當然完成相同的工作可能需要更多的指令。所以，二者取舍之間沒(méi)有絕對優(yōu)勢，只能說(shuō)根據應用的不同需求和側重來(lái)進(jìn)行選擇。 微處理器是20世紀偉大的技術(shù)創(chuàng )新之一，由此而衍生的微控制器將微處理器和外設集于一身，為多種應用開(kāi)創(chuàng )了新局面，并將繼續發(fā)揮不可替代的作用。 |
