最小系统设计-李玉柏.ppt
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1、 最小系最小系统设计概述概述 电子科技大学通信学院:李玉柏子科技大学通信学院:李玉柏1.主要内容主要内容n引言引言n微控制器的概念微控制器的概念n微控制器微控制器软硬件硬件结构构n典型微控制器典型微控制器n微控制器最小系微控制器最小系统开开发n最小系最小系统设计的关的关键点点 2.1、前言、前言n在两年一度的全国大学生在两年一度的全国大学生电子子竞赛中,中,处理器最小系理器最小系统是是竞赛作品作品设计与制作的基与制作的基础。n全国大学生全国大学生电子子竞赛中需要的最小系中需要的最小系统已已经超超过了最初了最初单片机最小系片机最小系统的范畴:的范畴:一方面是一方面是处理器本身从最基本的理器本身从
2、最基本的单片机片机发展到含展到含义更更广泛的微控制、嵌入式系广泛的微控制、嵌入式系统微微处理器,甚至数字信号理器,甚至数字信号处理器理器DSP;另一方面是最小系另一方面是最小系统的功能也在的功能也在扩展,如展,如显示系示系统、键控系控系统、ROM/RAM存存储系系统、时钟系系统、A/D转换系系统和和D/A转换电路,甚至包括复路,甚至包括复杂模模拟电路、和路、和基于基于FPGA或或CPLD可可编程高速数字程高速数字电路等。路等。3.前言前言n开开设最小系最小系统设计与与应用用课程程目的是最小系目的是最小系统设计与制作与制作 n最具代表意最具代表意义的三种的三种处理器理器为例,例,进行了具体最小系
3、行了具体最小系统设计和和应用。用。这三种三种处理器:理器:微控制器的代表微控制器的代表MSP430系列系列工工业控制的控制的DSP处理器理器TMS320C/F28系列系列以及嵌入式微控制以及嵌入式微控制Cortex-M3 ARM系列。系列。4.2、微控制器基本概念、微控制器基本概念 n计算机的算机的处理器芯片可以分理器芯片可以分为微微处理器、微控制器和数字理器、微控制器和数字信号信号处理器三种理器三种类型。型。微微处理器(理器(MPU)通常代表一个功能)通常代表一个功能强大的大的CPU,不,不为任何已有的特定任何已有的特定计算目的而算目的而设计片。片。这种芯片往往是种芯片往往是个人个人计算机和
4、高端工作站的核心算机和高端工作站的核心CPU。微控制器(微控制器(MCU),),针对智能控制和信息智能控制和信息处理的小型理的小型化化应用。早期的微控制器是将一个用。早期的微控制器是将一个计算机集成在一个芯算机集成在一个芯片中,称片中,称单片机(片机(Single chip microcomputer)。随后,)。随后,为了更好地了更好地满足控制足控制领域的嵌入式域的嵌入式应用,用,单片机中不断片机中不断扩展一些展一些满足特定需求和控制的足特定需求和控制的电路路单元。元。5.微控制器基本概念微控制器基本概念 u也有由微也有由微处理器理器发展而来的微控制器。它与基展而来的微控制器。它与基础嵌嵌入
5、式入式应用的微控制器不同,一般用的微控制器不同,一般应用于高端嵌入式用于高端嵌入式应用。用。这类微控制器包括:微控制器包括:Advanced RISC Machines公司的公司的ARM、Silicon Graphics公司的公司的MIPS、IBM和和Motorola的的Power PC等。等。数字信号数字信号处理器(理器(DSPs)里的)里的CPU是是专门设计用来更用来更快速地快速地进行数字信号行数字信号处理理计算的,比如那些需要算的,比如那些需要进行行音音频和和视频通信的通信的场合。合。DSPs内含乘加器,能比其他内含乘加器,能比其他处理器更快地理器更快地进行行这类运算。最常运算。最常见的
6、是的是TI的的TMS320CXX系列和系列和Motorola的的5600X系列。系列。6.1)微控制器与嵌入式系)微控制器与嵌入式系统 n尽管微控制器特尽管微控制器特别适合适合应用于嵌入式系用于嵌入式系统,但是微控制器,但是微控制器不等同于一个嵌入式系不等同于一个嵌入式系统。根据根据IEEE(电气和气和电子工程子工程师协会)的定会)的定义,嵌入式,嵌入式系系统是是“控制、控制、监视或者或者辅助装置、机器和助装置、机器和设备运行的运行的装置装置”(devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machin
7、ery or plants)。从)。从中可以看出嵌入式系中可以看出嵌入式系统是是软件和硬件的件和硬件的综合体。合体。嵌入式系嵌入式系统包括一个包括一个处理器,涉及理器,涉及对硬件的直接控制,硬件的直接控制,是是为了嵌入到了嵌入到对象体系中完成某种特定的功能而象体系中完成某种特定的功能而设计的,的,还包括包括软件,在件,在软件的管理下完成件的管理下完成应用功能。用功能。7.2)CISC/RISC微控制器微控制器n早期的微控制器指令系早期的微控制器指令系统按照微型按照微型计算机的指令系算机的指令系统进行行发展,其指令集称展,其指令集称为复复杂指令集指令集CISC(Complex Instructi
8、on Set Computer)。)。复复杂指令集可以有效地减少代指令集可以有效地减少代码指令数目,使取指指令数目,使取指操作所需要的内存操作所需要的内存访问数量达到最小化。数量达到最小化。但是但是为了支持复了支持复杂指令集,指令集,CISC通常包括一个复通常包括一个复杂的数据通路和一个微程序控制器。的数据通路和一个微程序控制器。nRISC(Reduced Instruction Set Computer,精,精简指令指令集集计算机),是算机),是针对CISC微微处理器而提出来的,是一理器而提出来的,是一种种执行行较少少类型、功能型、功能简明的明的计算机指令的微算机指令的微处理器。理器。8.C
9、ISC/RISC微控制器微控制器 RISC处理器能理器能够以更快的速度以更快的速度执行操作,因行操作,因为计算机算机执行每个指令行每个指令类型都需要型都需要额外的晶体管和外的晶体管和电路元件,路元件,计算机指令集越大就会使微算机指令集越大就会使微处理器更复理器更复杂,执行操作行操作也会更慢。也会更慢。n目前大部分微控制器都是目前大部分微控制器都是RISC体系,其中以体系,其中以MSP430系系列和列和ARM处理器核是典型代表。理器核是典型代表。9.3)微控制器)微控制器软硬件硬件结构构 n随随着着微微控控制制器器集集成成度度越越来来越越高高,一一个个微微控控制制器器内内部部一一般般集集成成了了
10、算算术逻辑计算算单元元ALU、寄寄存存器器堆堆、振振荡器器、多多个个定定时计数数器器、内内部部总线、I/O单元元、异异步步通通信信口口UART、容容量量不不大大的的静静态存存储器器和和一一定定容容量量的的程程序序存存储器器,部部分分微微控控制制器器内内部部甚甚至至集集成成了了E2PROM、I2C接接口口、SPI接接口口、ISP/JTAG接接口口、8-12位位A/D转换器器、PWM接口等。接口等。nMCS-51微控制器的微控制器的结构方框构方框图:10.微控制器微控制器软硬件硬件结构构 11.微控制器微控制器软硬件硬件结构构 n除除开开硬硬件件结构构,每每一一个个微微控控制制器器提提供供软件件开
11、开发环境境,包包括括编译、调试以及目以及目标代代码引引导等。等。n用用户软件件可可以以使使用用汇编语言言或或者者高高级语言言开开发,最最小小系系统的底的底层软件一般鼓励使用件一般鼓励使用汇编语言。言。n一个完整的一个完整的汇编程序的内容如下程序的内容如下图所示。所示。12.微控制器微控制器软硬件硬件结构构 13.3、常用微控制器介、常用微控制器介绍 nMCS-51系列微控制器是系列微控制器是美国美国Intel公司在公司在1980年推年推出的高性能出的高性能8位位单片微型片微型计算机,算机,较原来的原来的MCS-48系列系列结构更构更为先先进,功能,功能更更强,是最,是最经典的微控制典的微控制器
12、之一。器之一。nMCS-51系列中主要有系列中主要有8031、8051、8751三种型三种型号,它号,它们的指令系的指令系统与芯与芯片引脚完全兼容,片引脚完全兼容,仅片内片内ROM有所不同。有所不同。XTAL1 P0 P1 XTAL2 P2 P3 RST 8051 8751 EA+5V+5V14.常用微控制器介常用微控制器介绍 nAVR微控制器是微控制器是ATMEL公司推出的公司推出的RISC单片机,吸收了片机,吸收了DSP双双总线的特点,采用的特点,采用Harvard总线结构。因此,微控构。因此,微控制器的程序存制器的程序存储器和数据存器和数据存储器是分离的。器是分离的。AVR微控制器具有多
13、个系列,包括微控制器具有多个系列,包括 ATtiny、AT90、ATmega。每个系列又包括多个。每个系列又包括多个产品,它品,它们在功能和存在功能和存储器容量等方面有很大的不同,但基本器容量等方面有很大的不同,但基本结构和原理都构和原理都类似,而且似,而且编程方式也相同。程方式也相同。15.常用微控制器介常用微控制器介绍 型型 号号FlashRAMEEPROMI/OAD10 bitUARTTWI兼容兼容I2CBOD+WDT+RCPWMATtiny12L-4SU1KB32B64B61YATtiny26-162KB128B128B1611Y1ATtiny2313-202KB128B128B181
14、Y1型型 号号FlashSRAMEEPROMI/OA/D10 bitUARTTWISpeedPWMATmega8-16PU/AU8KB1KB512B2381116MHz3ATmega16-16PU/AU16KB1KB512B3281116MHz4ATmega32-16PU/AU32KB2KB1024B3281116MHz4ATmega128-16AU128KB4KB4096B5382116MHz816.常用微控制器介常用微控制器介绍 n美国美国TI公司的公司的MSP430系列微控制器可以分系列微控制器可以分为以下几个以下几个系列:系列:MSP430X1、MSP430X3和和MSP430X4,而
15、且,而且还在在不断不断发展。从存展。从存储器使用的情况,器使用的情况,MSP430系列微控制系列微控制器又可分器又可分为ROM(C型)、型)、OTP(P型)、型)、EPROM(E型)、型)、Flash Memory(F型)。型)。nMSP430系列微控制器集成了系列微控制器集成了许多的数字、模多的数字、模拟单元元电路,与路,与16位微位微处理集成在一起而形成高性能的理集成在一起而形成高性能的处理机。理机。系列的全部成系列的全部成员均均为软件兼容,可以方便地在系列各型件兼容,可以方便地在系列各型号号间移植。移植。nMSP430系列微控制器的系列微控制器的MCU设计成各种成各种应用的用的16位位结
16、构。它采用构。它采用“冯-纽曼曼结构构”,因此,因此,RAM、ROM和全和全部外部外围模模块都位于同一个地址空都位于同一个地址空间内。内。17.常用微控制器介常用微控制器介绍 nMotorola是是世世界界上上最最大大和和最最早早的的微微控控制制器器生生产厂厂家家之之一一,品种品种较全。其中:全。其中:8位位 微微 控控 制制 器器 主主 要要 有有 M68HC05、M68HC08和和M68HC11三个系列三个系列16位微控制器有位微控制器有M68HC12和和M68HC16系列系列32位微控制器有位微控制器有683XX系列。系列。n其其中中,M68HC05系系列列微微控控制制器器是是最最基基本
17、本的的一一个个系系列列,具具有有功功能能全全面面、性性价价比比高高、系系统电路路与与软件件设计简单、使使用用方方便便、功功耗耗低低等等特特点点。特特别适适用用于于家家用用电器器、通通信信、仪器器仪表、自表、自动控制、汽控制、汽车等等领域。域。18.常用微控制器介常用微控制器介绍 nCOP8系系列列微微控控制制器器是是美美国国国国家家半半导体体公公司司的的产品品,该公公司司以以生生产先先进的的模模拟电路路著著称称,能能生生产高高水水平平的的数字模数字模拟混合混合电路。路。COP8系系列列微微控控制制器器内内集集成成了了高高速速A/D转换器器,这是是一般微控制器中不多一般微控制器中不多见的。的。D
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