单晶片原理与应用

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1、單晶片原理與應用魏兆煌整理南台科技大學電機系Sep.2009微電腦與單晶片系統單晶片的發展與未來80C51核心單晶片8位元RISC單晶片嵌入式晶片單晶片的應用本章課程大綱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(InternalBUS)」。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)

2、」，即Fetch-and-executecycle。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

3、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

4、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

5、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:199

6、0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(Embeddedsystem)，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

7、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

8、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、提昇UART功能。周邊界面功能擴充：加入ADC、PWM、W