第2章微控制器的結(jié)構(gòu)

1、第第2章章 微控制器的結(jié)構(gòu)、時(shí)序和工作方式微控制器的結(jié)構(gòu)、時(shí)序和工作方式 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容2.1 微控制器結(jié)構(gòu)微控制器結(jié)構(gòu) 2.2 微控制器時(shí)序微控制器時(shí)序2.3 微控制器工作方式微控制器工作方式2.3 典型微控制器的特點(diǎn)典型微控制器的特點(diǎn)2.1 微控制器的結(jié)構(gòu)微控制器的結(jié)構(gòu)2.1.1 微控制器常用封裝微控制器常用封裝(a)雙列直插封裝（雙列直插封裝（DIP: Dual In-line Package）(b)塑料雙列直插封裝（塑料雙列直插封裝（PDIP: Plastic Dual In-line Package）(c)超小型雙列直插封裝（超小型雙列直插封裝（SDIP: Shrink D

2、ual In-line Package） （d） （e） （f）(d)塑料有引線芯片載體（塑料有引線芯片載體（PLCC: Plastic Leaded Chip Carrier）(e)四邊引出扁平封裝（四邊引出扁平封裝（QFP: Quad Flat Package）(f)薄形四邊引出扁平封裝薄形四邊引出扁平封裝 （LQFP: Low Quad Flat Package） （g） （h） （i） (g)薄小外形封裝薄小外形封裝 (TSOP: Thin Small Outline Package)(h)小外形集成電路封裝小外形集成電路封裝 (SOIC: Small Outline Integrat

3、ed Circuit Package) (i) 底觸點(diǎn)無引腳扁平封裝底觸點(diǎn)無引腳扁平封裝（ HVQFN : heatsink very thin quad flat pack no leads ）2.1.2 微控制器的體系結(jié)構(gòu)微控制器的體系結(jié)構(gòu) 具備了通用微型計(jì)算機(jī)的全部特征具備了通用微型計(jì)算機(jī)的全部特征 仍屬于經(jīng)典的仍屬于經(jīng)典的馮馮諾依曼諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 程序存儲和程序控制程序存儲和程序控制的基本思想是：將程序和數(shù)據(jù)都存的基本思想是：將程序和數(shù)據(jù)都存放在計(jì)算機(jī)的存儲器內(nèi)，當(dāng)用戶啟動存放在存貯器中的放在計(jì)算機(jī)的存儲器內(nèi)，當(dāng)用戶啟動存放在存貯器中的程序后，由位于存儲器內(nèi)的程序自

4、動控制計(jì)算機(jī)的運(yùn)行。程序后，由位于存儲器內(nèi)的程序自動控制計(jì)算機(jī)的運(yùn)行。即計(jì)算機(jī)按照程序中規(guī)定的次序和步驟逐條地執(zhí)行該計(jì)即計(jì)算機(jī)按照程序中規(guī)定的次序和步驟逐條地執(zhí)行該計(jì)算機(jī)程序中的指令，處理存放在存儲器中的數(shù)據(jù)、由算機(jī)程序中的指令，處理存放在存儲器中的數(shù)據(jù)、由I/OI/O設(shè)備提供的數(shù)據(jù)及用戶在運(yùn)行時(shí)刻隨機(jī)提供的少量設(shè)備提供的數(shù)據(jù)及用戶在運(yùn)行時(shí)刻隨機(jī)提供的少量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。圖圖2-2 MCU 的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)1. 存儲器與存儲器與CPU的連接的兩種方案的連接的兩種方案 有程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器，一般情況下前者使有程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器，一般情況下前者使用用ROM，后者使用，后者使用RAM。（1）

5、哈佛體系）哈佛體系 存儲單元的地址采用各自獨(dú)立編址。存儲單元的地址采用各自獨(dú)立編址。 Intel公司的公司的MCS-5196微處理器采用這種結(jié)構(gòu)。這微處理器采用這種結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)自分離編址結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能生成雙倍空間，例如種獨(dú)自分離編址結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能生成雙倍空間，例如使用使用16位地址線即能尋址位地址線即能尋址64KB程序存儲器與程序存儲器與64KB數(shù)數(shù)據(jù)存儲器，總計(jì)獲得了據(jù)存儲器，總計(jì)獲得了128KB存儲器容量。此外，分存儲器容量。此外，分離的總線通道還提高了訪問的速率。離的總線通道還提高了訪問的速率。（2）普林斯頓體系）普林斯頓體系 程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址在一個空間內(nèi)。程序存儲器與數(shù)據(jù)

6、存儲器統(tǒng)一編址在一個空間內(nèi)。Freescale公司的微處理器采用此種結(jié)構(gòu)。如使用公司的微處理器采用此種結(jié)構(gòu)。如使用16位地址線獲得位地址線獲得64KB統(tǒng)一空間結(jié)構(gòu)，由程序存儲器與數(shù)統(tǒng)一空間結(jié)構(gòu)，由程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器共享，按需分配，分段使用。據(jù)存儲器共享，按需分配，分段使用。注意：注意：哈佛結(jié)構(gòu)的存儲器地址出現(xiàn)重疊，但通過不同的哈佛結(jié)構(gòu)的存儲器地址出現(xiàn)重疊，但通過不同的控制線并配合不同的指令就可以區(qū)分開來。例如，在控制線并配合不同的指令就可以區(qū)分開來。例如，在Intel的的MCS-51指令系統(tǒng)中，用指令系統(tǒng)中，用MOVC指令訪問程序指令訪問程序存儲器，用存儲器，用MOVX指令訪問數(shù)據(jù)存儲器。

7、普林斯頓結(jié)指令訪問數(shù)據(jù)存儲器。普林斯頓結(jié)構(gòu)則可以使用同一指令訪問兩種存儲器，僅由指令中構(gòu)則可以使用同一指令訪問兩種存儲器，僅由指令中的地址參數(shù)尋址不同的單元即可。的地址參數(shù)尋址不同的單元即可。2. IO端口的編址的兩種方案端口的編址的兩種方案（1）分離編址方案）分離編址方案 為為IO端口再獨(dú)立開辟一個空間，用專門的端口再獨(dú)立開辟一個空間，用專門的IO訪問控制線與指令實(shí)現(xiàn)訪問控制線與指令實(shí)現(xiàn)IO操作。例如，操作。例如，Intel的的80 x86指令系統(tǒng)中就使用指令系統(tǒng)中就使用IN指令與指令與OUT指令。指令。Intel的的MCU將將IO端口作為內(nèi)部寄存器處理，獨(dú)立于程序存端口作為內(nèi)部寄存器處理，

8、獨(dú)立于程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器空間，類似哈佛結(jié)構(gòu)的分離編儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器空間，類似哈佛結(jié)構(gòu)的分離編址。址。（2）統(tǒng)一編址方案）統(tǒng)一編址方案 Freescale的的MCU則將則將IO地址與存儲器地址統(tǒng)地址與存儲器地址統(tǒng)一在一個空間，僅僅分配不同的單元地址而已。因而，一在一個空間，僅僅分配不同的單元地址而已。因而，與普林斯頓結(jié)構(gòu)類似。與普林斯頓結(jié)構(gòu)類似。3. 寄存器的結(jié)構(gòu)寄存器的結(jié)構(gòu) 在在80 x86與與Pentium系列的微處理器中，大量的系列的微處理器中，大量的CPU寄存器都有各自專門的命名符號，它們都與存儲寄存器都有各自專門的命名符號，它們都與存儲器或器或IO地址沒有關(guān)系。地址沒有關(guān)系

9、。Intel的的MCU使用內(nèi)部使用內(nèi)部RAM作作為寄存器，它們獨(dú)立于程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器，為寄存器，它們獨(dú)立于程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器，用用MOV指令訪問，類似分離編址的哈佛型結(jié)構(gòu)。指令訪問，類似分離編址的哈佛型結(jié)構(gòu)。 Freescale微控制器中的寄存器則占用存儲器資源，微控制器中的寄存器則占用存儲器資源，為它們分配了一些專用的地址空間。為它們分配了一些專用的地址空間。 結(jié)論：結(jié)論：各廠家在各廠家在MCU的設(shè)計(jì)上還有許多不同之處，都形的設(shè)計(jì)上還有許多不同之處，都形成了自己的風(fēng)格，而且體系結(jié)構(gòu)上的區(qū)別自然會造成成了自己的風(fēng)格，而且體系結(jié)構(gòu)上的區(qū)別自然會造成指令集的明顯不同。指令集的明顯

10、不同。2.1.3 微控制器的組成微控制器的組成 微控制器在同一塊芯片集成了微控制器在同一塊芯片集成了CPU（中央處理單（中央處理單元）、存儲器、并行和串行元）、存儲器、并行和串行I/O端口、定時(shí)器端口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)等功能部件，如圖中斷系統(tǒng)等功能部件，如圖2-2所示。所示。1CPU CPU是微控制器的核心部件，它通常由運(yùn)算器、是微控制器的核心部件，它通常由運(yùn)算器、控制器和中斷電路等組成?？刂破骱椭袛嚯娐返冉M成。CPU進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作的字長同樣有操作的字長同樣有4位、位、8位、位、16位和位和32位之分，字長位之分，字長越長運(yùn)算速度越快，數(shù)據(jù)處理能力也就

11、越強(qiáng)。越長運(yùn)算速度越快，數(shù)據(jù)處理能力也就越強(qiáng)。8位位CPU 的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)如圖的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。所示。圖圖2-3 8位位CPU 的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)（1）運(yùn)算器）運(yùn)算器運(yùn)算器用于對二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作；運(yùn)算器用于對二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作；由操作控制器控制其操作順序。由算術(shù)邏輯單元由操作控制器控制其操作順序。由算術(shù)邏輯單元ALU、累加器累加器A、通用寄存器、通用寄存器GR、暫存器、暫存器TR和程序狀態(tài)字寄和程序狀態(tài)字寄存器存器PSW等五部分組成。等五部分組成。 累加器累加器A (Accumulator)暫存器暫存器TR (Temporary Register

12、) 算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元ALU (Arithmetic and Logical Unit)，主，主要由加法器、移位電路和判斷電路等組成，用于對累加要由加法器、移位電路和判斷電路等組成，用于對累加器器A和暫存器和暫存器TR中兩個操作數(shù)進(jìn)行四則運(yùn)算和邏輯操中兩個操作數(shù)進(jìn)行四則運(yùn)算和邏輯操作。作。程序狀態(tài)字寄存器程序狀態(tài)字寄存器PSW (Program Status Word) 通用寄存器通用寄存器GR (Generalpurpose Register)（2）操作控制器）操作控制器 發(fā)布操作命令的指揮中心，由指令部件、時(shí)序部件發(fā)布操作命令的指揮中心，由指令部件、時(shí)序部件和微操作控制部件等三部分組

13、成。和微操作控制部件等三部分組成。 指令部件指令部件：是一種能對指令進(jìn)行分析、處理和產(chǎn)生控：是一種能對指令進(jìn)行分析、處理和產(chǎn)生控制信號的邏輯部件，也是控制器的核心。通常，指令制信號的邏輯部件，也是控制器的核心。通常，指令部件由程序計(jì)數(shù)器部件由程序計(jì)數(shù)器PC (Program Counter)、指令寄存、指令寄存器器IR (Instruction Register)和指令譯碼器和指令譯碼器ID (Instruction Decoder)等三部分組成。等三部分組成。 時(shí)序部件時(shí)序部件：由時(shí)鐘系統(tǒng)和脈沖分配器組成，用于產(chǎn)生：由時(shí)鐘系統(tǒng)和脈沖分配器組成，用于產(chǎn)生微操作控制部件所需的定時(shí)微操作控制部件所

14、需的定時(shí) 脈沖信號。其中，時(shí)鐘脈沖信號。其中，時(shí)鐘系統(tǒng)系統(tǒng)(Clock System)產(chǎn)生機(jī)器的時(shí)鐘脈沖序列，脈沖產(chǎn)生機(jī)器的時(shí)鐘脈沖序列，脈沖分配器分配器(Pulse Distributor)又稱又稱“節(jié)拍發(fā)生器節(jié)拍發(fā)生器”，用，用于產(chǎn)生節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖。于產(chǎn)生節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖。微操作控制部件微操作控制部件：可以為：可以為ID輸出信號配上節(jié)拍電位和節(jié)輸出信號配上節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖，也可與外部進(jìn)來拍脈沖，也可與外部進(jìn)來 的控制信號組合，共同形成的控制信號組合，共同形成相應(yīng)的微操作控制序列，以完成規(guī)定的操作。相應(yīng)的微操作控制序列，以完成規(guī)定的操作。2存儲器存儲器 (1) RAM (Random

15、 Access Memory) 的內(nèi)容可讀、可寫，的內(nèi)容可讀、可寫，掉電后內(nèi)容消失。主要用來存放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或作為通用寄掉電后內(nèi)容消失。主要用來存放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或作為通用寄存器、數(shù)據(jù)堆棧和數(shù)據(jù)緩沖器之用。存器、數(shù)據(jù)堆棧和數(shù)據(jù)緩沖器之用。 (2) ROM (Read Only Memory)一般用于存放應(yīng)用程序，一般用于存放應(yīng)用程序，故又稱為程序存儲器?？刂葡到y(tǒng)研制成功后，其硬件和故又稱為程序存儲器?？刂葡到y(tǒng)研制成功后，其硬件和應(yīng)用程序均已定型。應(yīng)用程序均已定型。 存儲容量存儲容量2n 其中，其中，n為地址線條數(shù)。為地址線條數(shù)。 例如，對于一個有例如，對于一個有16條地址線和條地址線和8條數(shù)據(jù)線的條數(shù)據(jù)

16、線的ROM存儲存儲器，其存儲容量的地址范圍為器，其存儲容量的地址范圍為0000HFFFFH，共，共64KB。 特點(diǎn)特點(diǎn)：在微控制器內(nèi)部，只讀存儲器：在微控制器內(nèi)部，只讀存儲器ROM和隨機(jī)存取存儲和隨機(jī)存取存儲器器RAM存儲器是分開制造的。通常，存儲器是分開制造的。通常，ROM存儲器容量較存儲器容量較大，大，RAM存儲器的容量較小。存儲器的容量較小。3內(nèi)部總線內(nèi)部總線 微控制器內(nèi)部總線是微控制器內(nèi)部總線是CPU連接片內(nèi)各主要部件的紐連接片內(nèi)各主要部件的紐帶，是各類信息傳送的公共通道。帶，是各類信息傳送的公共通道。 內(nèi)部總線主要由三種不同性質(zhì)的連線組成內(nèi)部總線主要由三種不同性質(zhì)的連線組成:地址線、

17、地址線、數(shù)據(jù)線和控制狀態(tài)線。數(shù)據(jù)線和控制狀態(tài)線。 地址線地址線主要用來傳送存儲器所需要的地址碼或外部設(shè)備主要用來傳送存儲器所需要的地址碼或外部設(shè)備的設(shè)備號，通常由的設(shè)備號，通常由CPU發(fā)出并被存儲器或發(fā)出并被存儲器或IO接口電接口電路所接收。路所接收。 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線用來傳送用來傳送CPU寫入存儲器或經(jīng)寫入存儲器或經(jīng)IO接口送到輸接口送到輸出設(shè)備的數(shù)據(jù)，也可以傳送從存儲器或輸入設(shè)備經(jīng)出設(shè)備的數(shù)據(jù)，也可以傳送從存儲器或輸入設(shè)備經(jīng)IO接口讀入的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)線通常是雙向信號線接口讀入的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)線通常是雙向信號線 控制狀態(tài)線控制狀態(tài)線有兩類：一類是有兩類：一類是CPU發(fā)出的控制命令，如讀發(fā)出

18、的控制命令，如讀命令、寫命令、中斷響應(yīng)等；另一類是存儲器或外設(shè)的狀命令、寫命令、中斷響應(yīng)等；另一類是存儲器或外設(shè)的狀態(tài)信息，如外設(shè)的中斷請求、存儲器忙和系統(tǒng)復(fù)位信號等。態(tài)信息，如外設(shè)的中斷請求、存儲器忙和系統(tǒng)復(fù)位信號等。4IO端口端口 微控制器通過微控制器通過IO端口對外部實(shí)現(xiàn)控制、信息交換、過端口對外部實(shí)現(xiàn)控制、信息交換、過程中的速度匹配、隔離和增強(qiáng)負(fù)載能力。程中的速度匹配、隔離和增強(qiáng)負(fù)載能力。 通常，微控制器都有幾個通常，微控制器都有幾個并行并行IO端口端口，通過其中的任何一，通過其中的任何一個，個，CPU輸出數(shù)據(jù)時(shí)可以被鎖存，輸入數(shù)據(jù)時(shí)可以得到緩沖。輸出數(shù)據(jù)時(shí)可以被鎖存，輸入數(shù)據(jù)時(shí)可以得

19、到緩沖。 還有一個以上全雙工的可編程還有一個以上全雙工的可編程串行串行IO端口端口，可以把，可以把CPU的的并行數(shù)據(jù)變成串行數(shù)據(jù)一位一位地從發(fā)送數(shù)據(jù)線并行數(shù)據(jù)變成串行數(shù)據(jù)一位一位地從發(fā)送數(shù)據(jù)線TxD發(fā)送出發(fā)送出去，也可以把接收線去，也可以把接收線RxD串行接收到的數(shù)據(jù)變成八位并行數(shù)串行接收到的數(shù)據(jù)變成八位并行數(shù)據(jù)送給據(jù)送給CPU。發(fā)送和接收可以同時(shí)也可以單獨(dú)地進(jìn)行。發(fā)送和接收可以同時(shí)也可以單獨(dú)地進(jìn)行。趨勢趨勢：隨著微控制器時(shí)鐘頻率的提高，串行傳輸?shù)乃俣仍絹碓剑弘S著微控制器時(shí)鐘頻率的提高，串行傳輸?shù)乃俣仍絹碓娇?，其占用引腳少、對外布線方便的優(yōu)點(diǎn)越來越受到重視，快，其占用引腳少、對外布線方便的優(yōu)點(diǎn)

20、越來越受到重視，各種不同功能、不同總線的串行接口已成為微控制器各種不同功能、不同總線的串行接口已成為微控制器IO端端口的一大特色?？诘囊淮筇厣?。5定時(shí)器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器 微控制器內(nèi)部還至少有一個可編程序的定時(shí)器微控制器內(nèi)部還至少有一個可編程序的定時(shí)器計(jì)數(shù)器，在計(jì)數(shù)器，在定時(shí)器模式定時(shí)器模式下，計(jì)數(shù)脈沖由微控制器時(shí)鐘下，計(jì)數(shù)脈沖由微控制器時(shí)鐘脈沖經(jīng)分頻后提供，定時(shí)時(shí)間和微控制器時(shí)鐘頻率有脈沖經(jīng)分頻后提供，定時(shí)時(shí)間和微控制器時(shí)鐘頻率有關(guān)。在關(guān)。在計(jì)數(shù)器模式計(jì)數(shù)器模式下，計(jì)數(shù)脈沖由引腳輸入。下，計(jì)數(shù)脈沖由引腳輸入。. 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng) CPU 接受中斷請求，接受中斷請求， 暫停原程序執(zhí)行，暫停原

21、程序執(zhí)行， 轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷服轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷服務(wù)程序，務(wù)程序， 并在服務(wù)完后回到斷點(diǎn)，并在服務(wù)完后回到斷點(diǎn)， 繼續(xù)執(zhí)行原程序的過程繼續(xù)執(zhí)行原程序的過程稱為稱為中斷中斷。 處理上述中斷過程所需要的電路稱為處理上述中斷過程所需要的電路稱為中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)。 產(chǎn)生中斷請求信號的來源稱為產(chǎn)生中斷請求信號的來源稱為中斷源中斷源。 通常通常外部中斷源外部中斷源是外部設(shè)備，是外部設(shè)備， 產(chǎn)生的中斷請求信號可以產(chǎn)生的中斷請求信號可以從引腳輸入，從引腳輸入， 有電平或邊沿兩種觸發(fā)方式。有電平或邊沿兩種觸發(fā)方式。內(nèi)部中斷源內(nèi)部中斷源有定時(shí)器計(jì)數(shù)器和串行口等多種，有定時(shí)器計(jì)數(shù)器和串行口等多種， 定時(shí)器計(jì)數(shù)器當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)器

22、當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)自動提出中斷請求；計(jì)數(shù)溢出時(shí)自動提出中斷請求； 串行口則在每發(fā)送完或串行口則在每發(fā)送完或接收到一個數(shù)據(jù)后自動提出中斷請求。為了滿足實(shí)時(shí)控制接收到一個數(shù)據(jù)后自動提出中斷請求。為了滿足實(shí)時(shí)控制的要求，的要求， 微控制器可以對多個中斷請求信號進(jìn)行排隊(duì)和微控制器可以對多個中斷請求信號進(jìn)行排隊(duì)和控制，控制， 并響應(yīng)其中并響應(yīng)其中優(yōu)先權(quán)優(yōu)先權(quán)最高的中斷請求。最高的中斷請求。 中斷系統(tǒng)還包括中斷允許控制器和中斷優(yōu)先級控制器。中斷系統(tǒng)還包括中斷允許控制器和中斷優(yōu)先級控制器。. 微控制器時(shí)序微控制器時(shí)序2.2.1時(shí)鐘周期、機(jī)器周期和指令周期時(shí)鐘周期、機(jī)器周期和指令周期. 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期 時(shí)鐘周期時(shí)

23、鐘周期T 又稱為振蕩周期，又稱為振蕩周期， 是振蕩電路產(chǎn)生的時(shí)鐘是振蕩電路產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖頻率脈沖頻率fOSC 的倒數(shù)，是計(jì)算機(jī)的基本工作脈沖，的倒數(shù)，是計(jì)算機(jī)的基本工作脈沖， 常用常用作時(shí)序中的最小時(shí)間單位。作時(shí)序中的最小時(shí)間單位。. 機(jī)器周期機(jī)器周期 機(jī)器周期是實(shí)現(xiàn)特定功能所需的時(shí)間，機(jī)器周期是實(shí)現(xiàn)特定功能所需的時(shí)間， 由多個時(shí)鐘周由多個時(shí)鐘周期組成。期組成。. 指令周期指令周期 指令周期是執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間。不同指令所包含指令周期是執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間。不同指令所包含的機(jī)器周期數(shù)也不相同。的機(jī)器周期數(shù)也不相同。提高指令執(zhí)行速度的兩種方法：提高指令執(zhí)行速度的兩種方法：（）（） 提高時(shí)鐘

24、頻率提高時(shí)鐘頻率 典型的典型的MCS-1 時(shí)鐘頻率上限是時(shí)鐘頻率上限是12 MHz ，目前微控，目前微控制器已可達(dá)到制器已可達(dá)到 MHz 甚至更高。甚至更高。（）（） 提高總線速度提高總線速度 典型的典型的MCS-1 的機(jī)器周期為時(shí)鐘頻率的的機(jī)器周期為時(shí)鐘頻率的12分頻，分頻，即在即在 MHz 時(shí)鐘頻率下，時(shí)鐘頻率下， 單周期指令速度為單周期指令速度為 MIPS （ 每秒百萬條指令，每秒百萬條指令，million instructions per second）。）。CCPU 總線結(jié)構(gòu)的改進(jìn)可以將機(jī)器總線結(jié)構(gòu)的改進(jìn)可以將機(jī)器周期縮短到時(shí)鐘頻率的分頻或周期縮短到時(shí)鐘頻率的分頻或 分頻。分頻。RI

25、SC 結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、單字長指令、流水線操作的單字長指令、流水線操作的AT90SXXXX 等，則達(dá)到了等，則達(dá)到了單周期指令速度與時(shí)鐘脈沖頻率之比為單周期指令速度與時(shí)鐘脈沖頻率之比為 的極限狀態(tài)。的極限狀態(tài)。2. 2. 2 取指令和執(zhí)行指令時(shí)序取指令和執(zhí)行指令時(shí)序 執(zhí)行任何一條指令，執(zhí)行任何一條指令， 都可以分為取指令階段和執(zhí)行都可以分為取指令階段和執(zhí)行指令階段。在取指令階段，指令階段。在取指令階段， 根據(jù)程序計(jì)數(shù)器根據(jù)程序計(jì)數(shù)器PC 中指示的中指示的地址，地址， 從程序存儲器中取出需要執(zhí)行指令的操作碼和操從程序存儲器中取出需要執(zhí)行指令的操作碼和操作數(shù)；作數(shù)； 在指令執(zhí)行階段，在指令執(zhí)行階段， 對

26、指令操作碼進(jìn)行譯碼，對指令操作碼進(jìn)行譯碼， 產(chǎn)生產(chǎn)生一系列控制信號以完成指令的執(zhí)行。不同指令的字節(jié)數(shù)和一系列控制信號以完成指令的執(zhí)行。不同指令的字節(jié)數(shù)和機(jī)器周期數(shù)不同，機(jī)器周期數(shù)不同， 取指令操作也隨之不同。取指令操作也隨之不同。 可以按照可以按照指令字節(jié)數(shù)指令字節(jié)數(shù)和和機(jī)器周期數(shù)機(jī)器周期數(shù)將指令分類，將指令分類， 例例如，如， 的指令可分為六類，的指令可分為六類， 分別對應(yīng)于六種基本分別對應(yīng)于六種基本時(shí)序：時(shí)序： 單字節(jié)單周期指令、單字節(jié)雙周期指令、單字節(jié)單字節(jié)單周期指令、單字節(jié)雙周期指令、單字節(jié)四周期指令、雙字節(jié)單周期指令、雙字節(jié)雙周期指令和三四周期指令、雙字節(jié)單周期指令、雙字節(jié)雙周期指令

27、和三字節(jié)雙周期指令，字節(jié)雙周期指令， 其中幾種主要的指令時(shí)序如圖其中幾種主要的指令時(shí)序如圖- 所所示。示。圖圖- MCS-51 指令的取指執(zhí)行時(shí)序指令的取指執(zhí)行時(shí)序. 微控制器工作方式微控制器工作方式微控制器的工作方式通常包括微控制器的工作方式通常包括復(fù)位方式復(fù)位方式、程序執(zhí)行方程序執(zhí)行方式式、節(jié)電方式節(jié)電方式以及以及程序的寫入和校驗(yàn)程序的寫入和校驗(yàn)方式四種。方式四種。2. 3. 1 復(fù)位方式復(fù)位方式 微控制器都具備復(fù)位功能，微控制器都具備復(fù)位功能， 以保證微控制器的以保證微控制器的CPU 及其他功能部件都從一個確定的初始狀態(tài)開始或重新開及其他功能部件都從一個確定的初始狀態(tài)開始或重新開始工作。

28、復(fù)位可以人工進(jìn)行，始工作。復(fù)位可以人工進(jìn)行， 也可以自動實(shí)現(xiàn)。也可以自動實(shí)現(xiàn)。 自動上電復(fù)位、人工按鈕復(fù)位和系統(tǒng)同步復(fù)位電路自動上電復(fù)位、人工按鈕復(fù)位和系統(tǒng)同步復(fù)位電路分別如圖分別如圖- （a）、（）、（b） 、（、（c）所示。）所示。圖圖- MCS-51 復(fù)位電路復(fù)位電路2. 3. 2程序執(zhí)行方式程序執(zhí)行方式 程序執(zhí)行通?？梢苑譃閱尾綀?zhí)行和連續(xù)執(zhí)行兩種程序執(zhí)行通?？梢苑譃閱尾綀?zhí)行和連續(xù)執(zhí)行兩種工作方式。工作方式。 單步執(zhí)行方式單步執(zhí)行方式是指給一次單步執(zhí)行脈沖，是指給一次單步執(zhí)行脈沖， 微控制微控制器就執(zhí)行一條指令的方式。通常用于用戶程序的調(diào)試。器就執(zhí)行一條指令的方式。通常用于用戶程序的調(diào)試

29、。 連續(xù)執(zhí)行方式連續(xù)執(zhí)行方式是微控制器的實(shí)際工作方式，是微控制器的實(shí)際工作方式， 被執(zhí)被執(zhí)行程序可以放在片內(nèi)或片外行程序可以放在片內(nèi)或片外ROM 的任何區(qū)域，的任何區(qū)域， 但但MCS-51 必須在必須在0000H 處放一條轉(zhuǎn)移指令，處放一條轉(zhuǎn)移指令， 指向被執(zhí)指向被執(zhí)行程序的起始地址。以便微控制器復(fù)位后跳轉(zhuǎn)到被執(zhí)行行程序的起始地址。以便微控制器復(fù)位后跳轉(zhuǎn)到被執(zhí)行程序入口。而程序入口。而M68HC08則必須將用戶自己定義的中斷則必須將用戶自己定義的中斷向量地址放在向量地址放在$FFFE $FFFF，以便復(fù)位后送到程序計(jì)，以便復(fù)位后送到程序計(jì)數(shù)器數(shù)器PC 中。中。2. 3. 3 節(jié)電工作方式節(jié)電工

30、作方式 節(jié)電工作方式是節(jié)電工作方式是CHMOS 型微控制器特有的低功耗應(yīng)型微控制器特有的低功耗應(yīng)用方式，用方式， 有空閑等待和掉電停機(jī)兩種。有空閑等待和掉電停機(jī)兩種。. 掉電停機(jī)方式掉電停機(jī)方式 掉電時(shí)微控制器進(jìn)入停機(jī)方式，掉電時(shí)微控制器進(jìn)入停機(jī)方式， 振蕩器和片內(nèi)所有功振蕩器和片內(nèi)所有功能部件停止工作，能部件停止工作， 但片內(nèi)但片內(nèi)RAM 和和SFR 中內(nèi)容保持不變。中內(nèi)容保持不變。在掉電停機(jī)期間，在掉電停機(jī)期間， 電源電源VCC 可以降到可以降到RAM 保持電壓（由保持電壓（由后備電源如電池供電）后備電源如電池供電） 。. 空閑等待方式空閑等待方式 程序執(zhí)行過程中，程序執(zhí)行過程中， 不需要

31、不需要CPU 工作時(shí)可以讓它進(jìn)入等工作時(shí)可以讓它進(jìn)入等待狀態(tài)。微控制器進(jìn)入等待狀態(tài)時(shí)，待狀態(tài)。微控制器進(jìn)入等待狀態(tài)時(shí)， CPU 停止工作。但停止工作。但中斷、串行口和定時(shí)器計(jì)數(shù)器可以繼續(xù)工作。此時(shí)，中斷、串行口和定時(shí)器計(jì)數(shù)器可以繼續(xù)工作。此時(shí)， CPU 現(xiàn)場、片內(nèi)現(xiàn)場、片內(nèi)RAM 和和SFR 中內(nèi)容均維持不變。中內(nèi)容均維持不變。節(jié)電工作方式的退出：節(jié)電工作方式的退出： CHMOS 型器件退出節(jié)電工作方式的方法有兩種：型器件退出節(jié)電工作方式的方法有兩種： 一種是讓被允許中斷的中斷源發(fā)出中斷請求（例如定一種是讓被允許中斷的中斷源發(fā)出中斷請求（例如定時(shí)器時(shí)間到）時(shí)器時(shí)間到） ， 中斷系統(tǒng)響應(yīng)后，中斷

32、系統(tǒng)響應(yīng)后， CPU 便可繼續(xù)執(zhí)便可繼續(xù)執(zhí)行程序；行程序； 另一種是硬件復(fù)位，另一種是硬件復(fù)位， 例如，例如， 在在C 的的RST 引腳上外加一個足夠?qū)挼膹?fù)位正脈沖。引腳上外加一個足夠?qū)挼膹?fù)位正脈沖。節(jié)電工作方式下的功耗：節(jié)電工作方式下的功耗： 例如，例如， MCS-51 的的CHMOS 型微控制器正常工作型微控制器正常工作時(shí)消耗電流為時(shí)消耗電流為11 20mA ，空閑狀態(tài)時(shí)電流為，空閑狀態(tài)時(shí)電流為 1.7 5mA ， 掉電狀態(tài)時(shí)電流僅為掉電狀態(tài)時(shí)電流僅為 5 50A 。2. 3. 4 程序的寫入、校驗(yàn)和擦除程序的寫入、校驗(yàn)和擦除寫入是指將代碼寫入微控制器程序存儲器，寫入是指將代碼寫入微控制器

33、程序存儲器， 校驗(yàn)校驗(yàn)是對剛剛寫入的代碼進(jìn)行讀出驗(yàn)證。微控制器的程序存是對剛剛寫入的代碼進(jìn)行讀出驗(yàn)證。微控制器的程序存儲器有：儲器有： 掩模掩模ROM 、一次性編程（、一次性編程（ one time programmable ， OTP） ROM 、EPROM 、E2PROM 及閃速存儲器（及閃速存儲器（Flash Memory） 。 掩模掩模ROM 的寫入必須在制造廠進(jìn)行，的寫入必須在制造廠進(jìn)行， 其他幾種可其他幾種可由用戶在專用的編程器中進(jìn)行寫入、校驗(yàn)或保密寫入，由用戶在專用的編程器中進(jìn)行寫入、校驗(yàn)或保密寫入， 應(yīng)當(dāng)注意的是，應(yīng)當(dāng)注意的是， 在每種工作狀態(tài)下，在每種工作狀態(tài)下， 各引腳的輸

34、入電各引腳的輸入電平各不相同，平各不相同， 特別是編程電源電壓不能超過規(guī)定，特別是編程電源電壓不能超過規(guī)定， 以以免造成器件的永久性損壞。免造成器件的永久性損壞。掩模掩模ROM 適于大批量定制，適于大批量定制， 可以降低成本、提高可可以降低成本、提高可靠性，靠性， 但上市周期長、市場風(fēng)險(xiǎn)大。但上市周期長、市場風(fēng)險(xiǎn)大。 OTP 芯片的低端價(jià)格已經(jīng)接近掩模芯片的低端價(jià)格已經(jīng)接近掩模ROM ， 適于小適于小批量試制和生產(chǎn)，批量試制和生產(chǎn)， 可以對市場需求作出靈活反應(yīng)。近年可以對市場需求作出靈活反應(yīng)。近年來，來， 基于基于EPROM 的的OTP 技術(shù)取代了可靠性較差的技術(shù)取代了可靠性較差的“熔熔絲式絲

35、式” 一次性編程一次性編程PROM ， 可以整合產(chǎn)品生命周期中的可以整合產(chǎn)品生命周期中的開發(fā)、采購、生產(chǎn)、市場拓展、營銷各個環(huán)節(jié)，開發(fā)、采購、生產(chǎn)、市場拓展、營銷各個環(huán)節(jié)， 大大提大大提高了市場競爭力。高了市場競爭力。 EPROM 中的程序代碼可在專用的紫外線擦除器中中的程序代碼可在專用的紫外線擦除器中擦除后改寫，擦除后改寫， 適于開發(fā)研制和小批量試制，適于開發(fā)研制和小批量試制， 但成本較高。但成本較高。一旦信息被擦除，一旦信息被擦除， 存儲器中代碼均變?yōu)榇鎯ζ髦写a均變?yōu)椤啊?。E2PROM 原理與原理與EPROM 相似，相似， 特點(diǎn)是用電擦除特點(diǎn)是用電擦除器擦除后可以在線編寫和修改程序，器

36、擦除后可以在線編寫和修改程序， 但寫入周期較長但寫入周期較長（幾毫秒）（幾毫秒） ， 重復(fù)改寫的次數(shù)也有限制。重復(fù)改寫的次數(shù)也有限制。 Flash Memory 可按字節(jié)讀和寫，可按字節(jié)讀和寫， 塊擦除功能能夠塊擦除功能能夠擦掉任何一個擦掉任何一個Flash 字節(jié)塊，字節(jié)塊， 片內(nèi)擦除操作可以擦掉整片內(nèi)擦除操作可以擦掉整個程序存儲器。讀出數(shù)據(jù)傳輸率高于其他存儲器。它是個程序存儲器。讀出數(shù)據(jù)傳輸率高于其他存儲器。它是固有非易失性、廉價(jià)的高密度存儲容量、可直接與固有非易失性、廉價(jià)的高密度存儲容量、可直接與CPU 連接存取的固態(tài)器件，連接存取的固態(tài)器件， 特別適合于便攜式系統(tǒng)。特別適合于便攜式系統(tǒng)。

37、 注意注意：E2PROM 和和Flash Memory 均屬電可改寫器件，均屬電可改寫器件， 應(yīng)注意它們在強(qiáng)干擾環(huán)境下的可靠性。應(yīng)注意它們在強(qiáng)干擾環(huán)境下的可靠性。. 典型微控制器的特點(diǎn)典型微控制器的特點(diǎn)2.4.1 P89LPC936 的特點(diǎn)的特點(diǎn) Intel 公司的公司的MCS-51系列微控制器在我國被廣系列微控制器在我國被廣泛應(yīng)用，泛應(yīng)用， 該系列的核心電路是該系列的核心電路是80C51 。其他公司也在。其他公司也在此基礎(chǔ)上開發(fā)了制造工藝和性能特點(diǎn)各不相同、具有此基礎(chǔ)上開發(fā)了制造工藝和性能特點(diǎn)各不相同、具有各種功能的多種型號微控制器。例如，各種功能的多種型號微控制器。例如， Philips

38、公司公司的的LPC900系列微控制器采用增強(qiáng)型系列微控制器采用增強(qiáng)型80C51為內(nèi)核，為內(nèi)核， 有多種封裝形式（有多種封裝形式（DIP TSSOP PLCC HVQFN） （封裝和引腳見圖（封裝和引腳見圖-） ， 片內(nèi)集成了許片內(nèi)集成了許多系統(tǒng)級功能模塊，多系統(tǒng)級功能模塊， 可靠性和集成度高，可靠性和集成度高， 大大降低了大大降低了系統(tǒng)外圍元器件數(shù)目、電路面積和系統(tǒng)花費(fèi)。具有先系統(tǒng)外圍元器件數(shù)目、電路面積和系統(tǒng)花費(fèi)。具有先進(jìn)的進(jìn)的Flash 工藝（低功耗的工藝（低功耗的V Flash 存儲器，集成存儲器，集成的的E2PROM ，128256768 字節(jié)的字節(jié)的SRAM） 等強(qiáng)等強(qiáng)大性能。大性能

39、。圖圖- LPC900系列封裝和引腳系列封裝和引腳 圖圖- P89LPC936 功能框功能框圖圖P89LPC936 的主要特點(diǎn)的主要特點(diǎn):. 存儲器存儲器 16KB 可字節(jié)擦除的可字節(jié)擦除的Flash 程序存儲器，程序存儲器， 組織架構(gòu)為組織架構(gòu)為KB扇區(qū)和扇區(qū)和 字節(jié)頁；字節(jié)頁；256 字節(jié)字節(jié)RAM 數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)存儲器和一個器和一個512 字節(jié)的附加片內(nèi)字節(jié)的附加片內(nèi)RAM ；512 字節(jié)片內(nèi)用戶字節(jié)片內(nèi)用戶數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)E2 PROM 存儲區(qū)，存儲區(qū)， 可用來存放器件序列碼及設(shè)置參可用來存放器件序列碼及設(shè)置參數(shù)。數(shù)。. 定時(shí)計(jì)數(shù)器定時(shí)計(jì)數(shù)器 個個16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器（每一個定時(shí)器均可設(shè)置為溢位定

40、時(shí)計(jì)數(shù)器（每一個定時(shí)器均可設(shè)置為溢出時(shí)觸發(fā)相應(yīng)端口輸出或作為出時(shí)觸發(fā)相應(yīng)端口輸出或作為PWM 輸出）輸出） 和和 個個 位的系統(tǒng)定時(shí)器，位的系統(tǒng)定時(shí)器， 系統(tǒng)定時(shí)器可用作實(shí)時(shí)時(shí)鐘。系統(tǒng)定時(shí)器可用作實(shí)時(shí)時(shí)鐘。. 輸入輸出輸入輸出 28 腳腳TSSOP 、PLCC 和和HVQFN 封裝。最少有封裝。最少有23 個個IO 口，口， 當(dāng)選擇片內(nèi)振蕩器和片內(nèi)復(fù)位時(shí)當(dāng)選擇片內(nèi)振蕩器和片內(nèi)復(fù)位時(shí)IO 口可高達(dá)口可高達(dá)26 個。個。 4 個中斷優(yōu)先級。個中斷優(yōu)先級。8 個鍵盤中斷輸入，另加個鍵盤中斷輸入，另加2路外部中斷路外部中斷輸入。輸入。 2個個4路輸入的路輸入的8 位位AD 轉(zhuǎn)換器；轉(zhuǎn)換器； 2個模擬比較器，個模擬比較器， 可選可選擇輸入和參考源。擇輸入和參考源。 捕獲比較單元（捕獲比較單元（CCU） 提供提供PWM ， 輸入捕獲和輸出輸入捕獲和輸出比較功能。比較功能。 I2C 總線通信端口和總線通信端口和SPI 通信端口。通信端口。. 電壓與頻率電壓與頻率 選擇片內(nèi)高精度選擇片內(nèi)高精度RC 振蕩器時(shí)不需要外接振蕩器件。可振蕩器時(shí)不需要外接振蕩器件?？蛇x擇選擇RC 振蕩器選項(xiàng)并且其頻率可進(jìn)行很好的調(diào)節(jié)。通過用戶振蕩器選項(xiàng)并且其頻率可進(jìn)行很好的調(diào)節(jié)。通過用戶可編程可編程Flash 配置位可選擇片內(nèi)振蕩器及其頻率范圍。振蕩配置位可選擇片內(nèi)振蕩器及其