微控制器

　分類

　　微控制器（MicrocontrollerUnit，即MCU）可從不同方面進行分類：根據(jù)數(shù)據(jù)總線寬度可分為8位、16位和32位機；根據(jù)存儲器結(jié)構(gòu)可分為Harvard結(jié)構(gòu)和VonNeumann結(jié)構(gòu)；根據(jù)內(nèi)嵌程序存儲器的類別可分為OTP、掩膜、EPROM/EEPROM和閃存Flash；根據(jù)指令結(jié)構(gòu)又可分為CISC(ComplexInstructionSetComputer）和RISC(ReducedInstructionSetComputer）微控制器。

　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(chǔ)。在8051技術(shù)實現(xiàn)開放后，Philips、Atmel、Dallas和Siemens等公司紛紛推出了基于80C5l內(nèi)核（805l的CMC)S版本）的微控制器。這些各具特色的產(chǎn)品能夠滿足大量嵌入式應(yīng)用需求?；?0C51內(nèi)核的微控制器并沒有停止發(fā)展的腳步，例如現(xiàn)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(gòu)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(yīng)用的8位微控制器系列。

　　基于RISC架構(gòu)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(gòu)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(zhí)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(tǒng)和電池供電系統(tǒng)的理想選擇。

　　內(nèi)核

　　基于8051內(nèi)核的CISC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(xiàn)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(chǔ)上，每個機器周期僅為一個時鐘，實現(xiàn)了8051系列的最高吞吐率。一般而言，對于現(xiàn)有的基于8051的應(yīng)用軟件可以直接寫入DS89C430而無需進行更改。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(yīng)用提供了更多靈活性。下面介紹DS89C430不同于8051的功能和特點。

　　片內(nèi)程序存儲器及應(yīng)用

　　片內(nèi)程序存儲器邏輯上分為成對的8KB、16KB或32KB閃存單元，以支持在應(yīng)用編程。這允許器件在應(yīng)用軟件的控制下修改程序存儲器，應(yīng)用系統(tǒng)能夠在執(zhí)行其主要功能的情況下，完成在線軟件升級。DS89C430集成了64B加密陣列，允許用戶以加密形式查看數(shù)據(jù)，進行程序代碼校驗。

　　器件支持通過RS-232串口實現(xiàn)在系統(tǒng)編程。在系統(tǒng)編程通過將器件的一個或多個外部引腳設(shè)置為某特定狀態(tài)來激活引導(dǎo)加載程序。器件啟動后，開始執(zhí)行駐留于器件內(nèi)部專用ROM的加載程序。一旦收到一個回車符號，串口就執(zhí)行自動波特率功能，并與主機的波特率同步。如圖1所示是在系統(tǒng)編程的物理連接．簡單的引導(dǎo)加載程序接口允許使用幾種方法來實現(xiàn)PC機與目標微控制

　　器間的通信。最簡單的方法是使用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。

　　雙數(shù)據(jù)指針

　　8051微控制器是通過MOVX指令來訪問片外數(shù)據(jù)空間的，用MOVX@DPTR指令可訪問整個64KB的片外數(shù)據(jù)存儲器。傳統(tǒng)的8051只有一個數(shù)據(jù)指針DPTR，要將數(shù)據(jù)從一個地址移到另一個地址非常麻煩。DS89C430則具備雙數(shù)據(jù)指針DPTR0和DPTRl，因此軟件可以使用一個指針裝載源地址，另一個指針裝載目的地址。DPTR0的SFR地址與805l相同（82H和83H），因此使用該指針時源代碼無需更改，DPTRl位于84H和85H地址。所有與數(shù)據(jù)指針相關(guān)的操作都使用活動數(shù)據(jù)指針，活動指針通過控制位SEL選擇。每個指針還各有

　　一個控制位，決定INCDPTR操作是遞增還是遞減數(shù)據(jù)指針值。

　　在拷貝數(shù)據(jù)塊時，與使用單數(shù)據(jù)指針相比，雙數(shù)據(jù)指針可以節(jié)省大量代碼。用戶通過轉(zhuǎn)換SEL位來轉(zhuǎn)換活動數(shù)據(jù)指針，其中一種方法可通過執(zhí)行INCDPS指令來實現(xiàn)。對于這些大的數(shù)據(jù)塊拷貝，用戶必須頻繁執(zhí)行該指令來轉(zhuǎn)換DPTR0和DPTRl。為了在節(jié)省代碼的同時提高運行速度和效率，DS89C430又包含了一個轉(zhuǎn)換選擇位(TSL)，來確定執(zhí)行MOVX指令時硬件是否自動轉(zhuǎn)換SEL位，這樣就可以省去INCDPS指令并進一步提高運行速度。

　　大的數(shù)據(jù)塊拷貝需要源指針和目的指針逐字節(jié)尋址數(shù)據(jù)空間，傳統(tǒng)的方法是通過使用INCDPTR指令來增加數(shù)據(jù)指針。為了進一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率，引入了自動增減控制位（AID），用以確定執(zhí)行MOVX指令時，是否會自動增減活動指針值。表l為各種情況下DS80C320和DS89C430進行64B數(shù)據(jù)塊傳輸時的速度比較。從表l中可以看出，采用雙數(shù)據(jù)指針后運行速度得到極大提高。

　　電源管理和時鐘分頻控制

　　CMOS電路的功耗主要由兩部分組成：連續(xù)漏電流造成的靜態(tài)功耗以及對負載電容進行充放電所需的轉(zhuǎn)換開關(guān)電流造成的動態(tài)功耗。其中，動態(tài)功耗是總體功耗的主要部分，該功耗（PD）可以通過負載電容（CL）、電源電壓（VDD）和工作頻率（f）進行計算，即：PD=CL×VDD2×f。

　　對于某具體應(yīng)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刻可能是不同的，因此工作頻率可以根據(jù)不同需要進行調(diào)整，從而在不影響系統(tǒng)性能的前提下達到降低功耗的要求。

　　DS89C430支持三種低功耗節(jié)電模式。

　?、傧到y(tǒng)時鐘分頻控制：允許微控制器使用內(nèi)部分頻的時鐘源繼續(xù)工作，以節(jié)省功耗。通過軟件設(shè)置時鐘分頻控制位，設(shè)置工作速率為每機器周期1024個振蕩器周期．

　　②空閑模式：以靜態(tài)方式保持程序計數(shù)器，并掛起處理器。在此模式中，處理器不取指令也不執(zhí)行指令。除了外圍接口時鐘保持為活動狀態(tài)以及定時器、看門狗、串口和電源監(jiān)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。

　?、弁C模式：禁止處理器內(nèi)部的所有電路。所有片內(nèi)時鐘、定時器和串口通信都停止運行，處理器不執(zhí)行任何指令。通過使用六個外部中斷中的任何一個，處理器都能夠退出停機模式。

　　架構(gòu)

　　基于RISC架構(gòu)的微控制器

　　MAXQ2000微控制器是Maxino/Dallas公司推出的一款基于RISC架構(gòu)的16位微控制器。理解這款微控制器的一些結(jié)構(gòu)特點，可以使我們更好地理解RISC結(jié)構(gòu)微控制器的最新發(fā)展趨勢和技術(shù)特點，從而為我們構(gòu)建新型系統(tǒng)提供更加理想的選擇。MAXQ2000的指令讀取和執(zhí)行操作在一個周期內(nèi)完成，而沒有流水線操作，這是因為指令既包含了操作碼也包括了數(shù)據(jù)。字母Q表示這款微控制器的一個重要特點便是“安靜”，MAXQ架構(gòu)通過智能化的時鐘管理來降低噪聲．這意味著MAXQ只向那些需要使用時鐘的電路提供時鐘，這樣既降低了功耗，又為模擬電路的整合提供了一個最安靜的環(huán)境。它包含液晶顯示（LCD）接口，最多可以驅(qū)動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微控制器當中遙遙領(lǐng)先．下面介紹MAXQ2000的主要特性。

　　指令集

　　指令集由23條對寄存器和存儲器進行操作的固定長度的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(shè)備，并細分成寄存器模塊。產(chǎn)品系列的結(jié)構(gòu)是模塊化的，因此新的器件和模塊能夠繼續(xù)使用為現(xiàn)有產(chǎn)品開發(fā)的代碼．該結(jié)構(gòu)是基于傳送觸發(fā)的，這意味著對某一寄存器位置的讀或?qū)憰a(chǎn)生額外作用。這些額外作用構(gòu)成了由匯編器定義的高層操作碼的基礎(chǔ)，如ADDC、OR和JUMP等。

　　存儲器

　　MAXQ2000具有32KB閃存、lKBRAM、4KB的內(nèi)部ROM存儲器塊和16級堆棧存儲器。存儲器缺省配置成Harvard結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)存儲器具有獨立的地址空間，還可以使能為VorlNcumann存儲器配置模式，即將固定用途ROM、代碼和數(shù)據(jù)存儲器放置到一個連續(xù)的存儲器映射中．這適合于需要進行動態(tài)程序修改或特殊存儲器配置的應(yīng)用。閃存程序存儲器可以通過16字密鑰進行密碼保護，從而防止未授權(quán)者訪問程序存儲器。同時，還具有3個數(shù)據(jù)指針，支持高效快速地處理數(shù)據(jù)．

　　固定用途ROM由可以在應(yīng)用軟件中進行調(diào)用的子程序組成（缺省起始地址為8000H）．包括：通過JTAG或UART接口進行在系統(tǒng)編程（引導(dǎo)加載程序）；在電路調(diào)試程序；測試程序（內(nèi)部存儲器測試，存儲器加載等）；用于在應(yīng)用閃存編程和快速查找表的用戶可調(diào)用程序。無論以任何方式復(fù)位，都從固定用途ROM開始運行程序。R。M軟件決定程序立刻跳轉(zhuǎn)到8000H位置、用戶應(yīng)用代碼的起始位置、還是上面提到的某特定用途子程序．用戶可訪問固定用途ROM中的程序，并且可以由應(yīng)用軟件調(diào)用這些程序。

　　寄存器組

　　器件的大多數(shù)功能是由寄存器組來控制的。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(shè)寄存器。寄存器分成兩大類：系統(tǒng)寄存器和外設(shè)寄存器．公共寄存器組也稱作系統(tǒng)寄存器，包括ALU、累加器寄存器、數(shù)據(jù)指針、堆棧指針等。外設(shè)寄存器定義了可能包含在基于MAXQ架構(gòu)的不同產(chǎn)品中的附加功能．

　　電源管理

　　MAXQ2000同時提供了先進的電源管理功能，根據(jù)系統(tǒng)不同時刻的不同性能需求，可以動態(tài)設(shè)置處理速度，從而大大降低功耗。通過軟件選擇分頻功能，來選擇系統(tǒng)時鐘周期是l、2、4或者8個振藹周期。為進一步降低功耗，還有另外三種低功耗模式，256分頻、32kH。和停機模式。

　　中斷

　　提供多個中斷源，可對內(nèi)部和外部事件快速響應(yīng)。MAXQ結(jié)構(gòu)采用了單一中斷向量（IV）和單一中斷服務(wù)程序(ISR）設(shè)計。必須在用戶中斷程序內(nèi)清除中斷標志，以避免由同一中斷源引發(fā)重復(fù)中斷。當檢測到使能的中斷時，軟件跳轉(zhuǎn)到一個用戶可編程的中斷向量位置。

　　一旦軟件控制權(quán)轉(zhuǎn)移到ISR，可以使用中斷識別寄存器（IIR）來判定中斷源是系統(tǒng)寄存器還是外設(shè)寄存器。然后，就可以查詢特定模塊以確定具體中斷源，并采取相應(yīng)的操作。由于中斷源是由用戶軟件識別的，因此用戶可以為每種應(yīng)用確立一個獨特的中斷優(yōu)先級方案。

　　硬件乘法器

　　集成的硬件乘法器模塊執(zhí)行高速乘法、乘方和累加操作，并能在一個周期內(nèi)完成一個16位×16位乘法和累加操作。硬件乘法器由2個]6位并行加載操作數(shù)寄存器（MA，MB）和1個累加器組成。加載寄存器能夠自動啟動操作，從而節(jié)省了重復(fù)計算的時間。硬件乘法器的累加功能是數(shù)字濾波、信號處理以及PII）控制系統(tǒng)中的一個基奉單元，這使得MAXQ2000可以勝任需要大量數(shù)學運算的應(yīng)用。

　發(fā)展前景

　　通過以上兩種基于CISC．和RISC架構(gòu)的微控制器的對比分析，會發(fā)現(xiàn)許多共同的特性，如安全特性、外圍設(shè)備、電源管理和在系統(tǒng)編程等。顯然．它們都是適應(yīng)具體應(yīng)用的共性要求而增加的功能。兩者最大的不同是指令結(jié)構(gòu)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(yīng)的機器指令有單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)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(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)指令。比較而言，RIS（：微控制器的所有指令是由一些簡單、等長度的指令構(gòu)成．精簡指令使微控制器的線路可以盡量優(yōu)化，硬件結(jié)構(gòu)更加簡單，從而可以實現(xiàn)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，二者取舍之間沒有絕對優(yōu)勢，只能說根據(jù)應(yīng)用的不同需求和側(cè)重來進行選擇。

　　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(shè)集于一身，為多種應(yīng)用開創(chuàng)了新局面，并將繼續(xù)發(fā)揮不可替代的作用。

　體系結(jié)構(gòu)

　　哈佛結(jié)構(gòu)

　　哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)。中央處理器首先到程序指令存儲器中讀取程序指令內(nèi)容，解碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù)，并進行下一步的操作（通常是執(zhí)行）。程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位寬度，而數(shù)據(jù)是8位寬度。

　　哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。其程序指令和數(shù)據(jù)指令分開組織和存儲的，執(zhí)行時可以預(yù)先讀取下一條指令。目前使用哈佛結(jié)構(gòu)的中央處理器和微控制器有很多，除了上面提到的Microchip公司的PIC系列芯片，還有摩托羅拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安謀公司的ARM9、ARM10和ARM11，51單片機也屬于哈佛結(jié)構(gòu)。

　　諾伊曼結(jié)構(gòu)

　　馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)也稱普林斯頓結(jié)構(gòu)，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結(jié)構(gòu)。程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置，因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同，如英特爾公司的8086中央處理器的程序指令和數(shù)據(jù)都是16位寬。

　　目前使用馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的中央處理器和微控制器有很多。除了上面提到的英特爾公司的8086，英特爾公司的其他中央處理器、安謀公司的ARM7、MIPS公司的MIPS處理器也采用了馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)。