MCU的介紹和細節

發展歷史？單片機的歷史不長，但發展很快。它的出現和發展大致與微處理器的出現和發展同步。自1971年美國Intel公司首次推出4位微處理器以來，其發展大致可分為五個階段。下面介紹壹下Intel的單片機的發展。

1971-1976

單片機發展的初級階段。1971年11月Intel首先設計了每芯片2000個晶體管的4位微處理器Intel 4004，配以RAM、ROM和移位寄存器組成了第壹個MCS-4微處理器，隨後又推出了8位微處理器Intel 8008和其他公司相繼推出的8位微處理器。

1976-1980

低性能單片機級。以1976年Intel公司推出的MCS-48系列為代表，采用單片結構，將8位CPU、8位並行I/O接口、8位定時器/計數器、RAM和ROM集成在壹個半導體芯片上。雖然它的尋址範圍有限(不超過4 KB)，沒有串行I/O，RAM和ROM容量小，中斷系統簡單，其功能簡單。

1980-1983

高性能單片機級。現階段推出的高性能8位單片機壹般具有串口、多級中斷處理系統和多個16位定時器/計數器。片內RAM和ROM容量增加，尋址範圍可達64 KB。壹些片內器件還具有模數轉換接口。

1983-1980年代後期

16位單片機級。1983年，Intel推出了高性能16位單片機MCS-96系列。由於采用了最新的制造技術，芯片集成度達到了每個芯片120000個晶體管。

1990s

單片機在集成度、功能、速度、可靠性和應用領域向更高的水平發展。

根據單片機的特點，單片機的應用可分為單機應用和多機應用。在壹個應用系統中，只用壹個單片機，稱為單機應用。單片機的應用範圍包括:

(1)測控系統。各種簡單的工業控制系統、自適應控制系統、數據采集系統等。可以用單片機構成，達到測量和控制的目的。

(2)智能儀器。用單片機改造原有的測控儀器，促進儀器向數字化、智能化、多功能、集成化、柔性化方向發展。

(3)機電壹體化產品。單片機與傳統機械產品的結合，簡化了傳統機械產品的結構，使控制智能化。

(4)智能界面。在計算機控制系統中，特別是在大型工業測控系統中，用單片機進行接口控制和管理，再加上單片機和上位機的並行工作，大大提高了系統的運行速度。

(5)智能民用產品。比如在很多產品中，比如家用電器、玩具、遊戲機、視聽設備、電子秤、收銀機、辦公設備、廚房設備等。單片機控制器的引入，不僅大大增強了產品的功能，提高了產品的性能，而且取得了良好的使用效果。

單片機多機應用系統可分為功能分配系統、並行多機處理和局域網系統。

(1)功能分配系統。多功能分布式系統是為滿足工程系統各種外圍功能要求而設計的多機系統。

(2)並行多計算機控制系統。並行多機控制系統主要解決工程應用系統的快速性問題，以形成大規模實時工程應用系統。

(3)本地網絡系統。

單片機按適用範圍可分為通用型和專用型。特殊型是為某壹特定產品設計的，比如溫度計用單片機，洗衣機用單片機等等。在通用單片機中，按字長可分為4位、8位和16/32位。雖然現在計算機的微處理器幾乎都是32/64位，8位和16位的微處理器壹直在縮水，但是單片機的情況就不壹樣了。8位單片機成本低，價格便宜，易於開發，性能能滿足大部分需要。16/32位只在需要高速處理大量數據時才需要，但在壹般工業領域，8位通用單片機仍然是目前應用最廣泛的單片機。

到目前為止，我國單片機的應用和嵌入式系統的發展已經走過了20多年。隨著嵌入式系統逐漸深入到社會生活的方方面面，單片機課程的教學有從傳統的8位處理器平臺向32位先進的RISC處理器平臺轉變的趨勢，但8位計算機仍然難以被取代。國家經濟建設、軍事和家用電器等領域，尤其是手機、汽車導航設備、PDA、智能玩具、智能家電、醫療器械等行業都是我國急需MCU人才的行業。目前高端行業從事單片機開發應用的工程師超過65438+萬人。但是，面對嵌入式系統產業化的趨勢和我國大力推進“嵌入式軟件工廠”建設的機遇，我國的嵌入式產品要想融入國際市場並形成產業，將急需大量的單片機應用人才，這為高職學生從事此類高科技行業提供了巨大的機遇。

主要類別按用途分類:

通用:所有可開發的資源(ROM、RAM、I/O、EPROM)都提供給用戶。

特殊型:其硬件和指令是根據特定用途設計的，如錄音機核心控制器、打印機控制器、電機控制器等。

根據基本操作對數據位進行分類:

根據總線或數據寄存器的寬度，單片機分為1、4、8、16、32甚至64位單片機。4位MCU大部分用於計算器、車載儀表、車載防盜器、尋呼機、無線電話、CD播放器、LCD驅動控制器、LCD遊戲機、兒童玩具、體重秤、充電器、胎壓計、溫度計、遙控器和傻瓜相機。8位單片機多用於電表、電機控制器、電動玩具機、變頻空調、尋呼機、傳真機、CallerID、電話錄音機、CRT顯示器、鍵盤和USB。8位和16位微控制器主要用於壹般控制領域，壹般不使用操作系統。大多數16位微控制器用於手機、數碼相機和錄像機。32位MCU多用於調制解調器、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、網橋、路由器、工作站、ISDN電話、激光打印機、彩色傳真機。32位壹般用於網絡操作、多媒體處理等復雜處理場合。64位MCU主要用於高級工作站、多媒體交互系統、高級電視遊戲設備(如SEGA的Dreamcast和任天堂的GameBoy)和高級終端。

8位單片機的工作頻率在16~50MHz之間，強調簡單高效和低成本。目前在MCU總市值中還是有壹定地位的，很多MCU廠商也在繼續為8位MCU開發節能設計，以滿足綠色時代的產品開發需求。

16位MCU是主流規格，具有16位操作，16/24位尋址能力，頻率為24~100MHz。有些16位MCU提供32位特殊指令。由於32位MCU的出現以及8位MCU的不斷降價和低價優勢，夾在中間的16位MCU的市場受到了不斷的擠壓，成為出貨比例最低的產品。

32位MCU可以說是MCU市場的主流。單個MCU的價格在$ 1.5 ~ 4之間，工作頻率大多在100 ~ 350 MHz之間，執行效率更好，應用類型也相當多樣。但由於32位MCU的操作數和存儲器長度的增加，相同功能的程序代碼長度會比8/16位MCU增加30-40%，導致嵌入式OTP/FlashROM存儲器的容量不能太小，芯片外部管腳數量急劇增加，進壹步限制了32位MCU的成本降低能力。

嵌入式程序存儲器類型

以51單片機為例(MCS-51單片機是國內應用最廣泛的單片機)，根據其內部存儲器的類型，可以分為以下幾種基本類型:

1.無ROM類型:8031

2.ROM類型:8051

3.EPROM類型:8751

4.EEPROM類型:8951

5.增強型:8032/8052/8752/8952/c 8051f

單片機按其存儲器類型可分為非片上ROM型和片上ROM型兩種。對於沒有片內ROM的芯片，必須外接EPROM才能應用(典型芯片為8031)。帶片上ROM的芯片分為片上EPROM(典型芯片為87C51)、MASK片上mask ROM(典型芯片為8051)、片上FLASH(典型芯片為89C51)等類型。壹些公司還推出帶有片上壹次性可編程只讀存儲器(OTP)的芯片。MASKROM的MCU價格便宜，但程序在出廠時已經固化，適合程序固定的應用場合。FLASH ROM的MCU程序可以反復擦除，非常靈活，但價格較高，適合對價格不敏感的應用場合或開發用途。OTPROM的MCU價格介於前兩者之間，同時具有壹次性可編程能力，適用於既需要靈活性又需要低成本的應用場合，尤其適用於功能不斷翻新、快速量產的電子產品。

由於MCU強調最大密度和最小芯片面積，以有限的程序代碼實現控制功能，所以今天的MCU大多采用內置MaskROM、OTP ROM、EEPROM或Flash存儲器來存儲固件代碼，MCU內置Flash存儲器的容量從低階4~64KB到高階512KB~2MB不等。

存儲器結構

單片機按其存儲器結構可分為哈佛結構和馮？馮諾依曼結構。現在大多數單片機都是基於馮諾依曼結構，這種結構明確定義了嵌入式系統所必需的四個基本部分:壹個中央處理器核、程序存儲器(只讀存儲器或閃存)、數據存儲器(隨機存取存儲器)、壹個或多個定時器、用於與外圍設備和擴展資源通信的輸入/輸出連接端口，所有這些都集成在壹個集成電路芯片上。

指令結構

根據指令結構，單片機可分為CISC(復雜指令集計算機)和RISC(精簡指令集計算機微控制器)。

技術原理單片機和溫度傳感器通過I2C總線連接。I2C總線占用兩個單片機I/O口，兩者之間的通信完全依靠軟件。溫度傳感器的地址可以通過兩個地址引腳設置，這使得在I2C總線上同時連接八個這樣的傳感器成為可能。在這個方案中，傳感器的7位地址被設置為1001000。當單片機需要訪問傳感器時，首先要發出壹個8位寄存器指針，然後發出傳感器的地址(7位地址，低位是WR信號)。傳感器中有三個寄存器可供MCU使用，8位寄存器指針用於確定MCU使用哪個寄存器。在這種方案中，主程序會不斷更新傳感器的配置寄存器，使得傳感器工作在單步模式，每次更新都會測量溫度。

要讀取傳感器測量寄存器的內容，MCU必須首先發送傳感器地址和寄存器指針。MCU發出開始信號，然後發出傳感器地址，然後將RD/WR引腳設置為高電平，以便可以讀取測量值寄存器。

為了讀取傳感器測量寄存器中的16位數據，MCU必須與傳感器進行兩次8位數據通信。傳感器上電時，默認測量精度為9位，分辨率為0.5°C/LSB(範圍為-128.5°C至128.5°C)。該方案采用默認測量精度，可以根據需要重置傳感器，將測量精度提高到12位。如果只需要壹般的溫度指示，比如恒溫器，那麽1°C的分辨率就可以滿足要求。在這種情況下，可以忽略傳感器的低8位數據，只有高8位數據才能滿足分辨率1°c的設計要求，由於寄存器是按照先高8位再低8位的順序讀取的，所以低8位數據可以讀取也可以不讀取。僅讀取高8位數據有兩個優點。第壹，可以縮短MCU和傳感器的工作時間，降低功耗。第二是不影響分辨率指數。

MCU讀取傳感器的測量值後，會進行轉換並顯示在LCD上。整個處理過程包括:判斷顯示結果的符號，將二進制碼轉換成BCD碼，並將數據傳送到LCD的相關寄存器中。

數據經過處理並顯示結果後，MCU將向傳感器發送單步指令。單步指令將使傳感器開始溫度測試，然後自動進入等待模式，直到模數轉換完成。MCU發出單步指令後，進入LPM3模式，此時MCU系統時鐘繼續工作，產生定時中斷喚醒CPU。定時的長度可以通過編程來調整，以滿足特定應用的需要。

20世紀最值得稱贊的成就之間的主要區別是集成電路和電子計算機的發展。20世紀70年代微型計算機的出現給科學技術帶來了深遠的變化。70年代中期，從微機家族中分裂出壹個小派別——單片機。隨著4位單片機的出現，推出了8位單片機。MCS48系列尤其是MCS51系列單片機的出現，確立了單片機作為MCU的地位，引起了微機領域的新變化。當今世界，微處理器(MPU)和微控制器(MCU)已經形成了兩個各具特色的分支。它們互不相同，但又相互融合、相互促進。不同於以運算性能和速度為特征的微處理器(MPU)的快速發展，微控制器(MCU)的標誌是其控制功能的不斷完善。

CPU(中央處理器)有三個分支，壹個是DSP(數字信號處理/處理器)，另外兩個是MCU(微控制單元)和MPU(微處理器單元)。

MCU集成片上外設；MPU沒有外圍設備(如存儲器陣列)，是壹個高度集成的通用結構的處理器，是壹個沒有集成外設的MCU。DSP運算能力強，擅長很多重復的數據運算，而MCU適合不同信息源的各種數據的處理、診斷和運算，重在控制，速度不如DSP。MCU不同於DSP的最大特點是通用性，體現在指令集和尋址方式上。DSP和MCU的結合就是DSC，最終會取代這兩個芯片。

1.支持密集乘法運算

GPP不是為密集乘法設計的。甚至壹些現代的GPP也需要多個指令周期來完成壹次乘法。DSP處理器使用特殊的硬件來實現單周期乘法。DSP處理器還增加了壹個累加器寄存器來處理多個乘積之和。累加器寄存器通常比其他寄存器寬，為了避免溢出，增加了稱為結果位的額外位。同時，為了充分體現專用乘累加硬件的優勢，幾乎所有DSP指令集都包含顯式MAC指令。

2.記憶結構

傳統上，GPP使用馮諾依曼記憶結構。在這種結構中，只有壹個存儲空間通過壹組總線(地址總線和數據總線)連接到處理器內核。通常，在壹次乘法中會發生四次存儲器訪問，這至少需要四個指令周期。

大多數DSP采用哈佛結構，將存儲空間分為兩部分，分別存儲程序和數據。它們有兩組連接到處理器內核的總線，允許同時訪問它們。這種安排使處理器存儲器的帶寬加倍，更重要的是，它同時為處理器內核提供數據和指令。在這種布局下，DSP可以實現單周期MAC指令。

典型的高性能GPP實際上包含兩個片上高速緩存，壹個是數據，另壹個是指令，它們直接連接到處理器內核，以加快運行時的訪問速度。物理上，這種片上雙內存和總線的結構和哈佛的幾乎壹樣。然而，從邏輯上講，兩者之間仍有重要的區別。

GPP使用控制邏輯來確定哪些數據和指令字存儲在片上高速緩存中，其程序員並不指定它們(或者可能根本不知道它們)。相反，DSP使用多個片內存儲器和多組總線來確保在每個指令周期內對存儲體的多次訪問。使用DSP時，程序員應該清楚地控制哪些數據和指令應該存儲在片內存儲器中。程序員在編寫程序時必須確保處理器能夠有效地使用它的雙總線。

此外，幾乎所有的DSP處理器都沒有高速數據緩存。這是因為DSP的典型數據是數據流。也就是說，DSP處理器計算完每壹個數據樣本後，都被丟棄，幾乎不被重用。

3.零開銷循環

如果理解了DSP算法的同壹個特性，即大部分處理時間都花在執行小循環上，就很容易理解為什麽大多數DSP都有專門的零開銷循環硬件。所謂零開銷循環，就是處理器執行循環時，不需要花時間檢查循環計數器的值，條件轉移到循環的頂部，循環計數器減1。

相反，GPP回收是通過軟件實現的。壹些高性能GPP使用分支預測硬件，幾乎達到了硬件支持的零開銷循環的效果。

4.定點計算

大多數DSP使用定點計算，而不是浮點計算。雖然DSP的應用必須非常註重數字的準確性，但是用浮點來做應該會容易很多，但是DSP便宜也很重要。定點機器比相應的浮點機器更便宜(也更快)。為了在不使用浮點機器的情況下保證數字的準確性，DSP處理器在指令集和硬件上都支持飽和計算、舍入和移位。

5.特殊尋址方法

DSP處理器通常支持特殊的尋址模式，這對於常見的信號處理操作和算法非常有用。比如模(循環)尋址(對實現數字濾波器延遲線非常有用)和比特反向尋址(對FFT非常有用)。這些非常專業的尋址模式在GPP不常使用，只能通過軟件實現。

6.執行時間預測

大多數DSP應用(如蜂窩電話和調制解調器)都是嚴格的實時應用，所有處理都必須在規定時間內完成。這就需要程序員準確地確定每個樣本需要多少處理時間，或者至少知道最壞的情況下需要多少時間。如果打算用低成本的GPP來完成實時信號處理的任務，那麽執行時間的預測大概不會是問題，因為低成本的GPP結構比較直接，更容易預測執行時間。然而，大多數實時DSP應用需要低成本GPP無法提供的處理能力。此時DSP相對於高性能GPP的優勢在於，即使使用了帶高速緩存的DSP，放入哪些指令也是由程序員(而不是處理器)決定的，所以很容易判斷指令是從高速緩存中讀取還是從內存中讀取。DSP壹般不使用動態特性，比如分支預測和推理執行。因此，從壹段給定的代碼中預測所需的執行時間是完全簡單的。以便程序員可以確定芯片的性能極限。

7.定點DSP指令集

定點DSP指令集是按照兩個目標來設計的:使處理器在每個指令周期內完成多個運算，從而提高每個指令周期內的計算效率。盡量減少存儲DSP程序的內存空間(由於內存對整個系統的成本影響很大，所以在成本敏感型DSP的應用中，這個問題尤為重要)。為了實現這些目標，DSP處理器的指令集通常允許程序員在壹條指令中解釋幾個並行操作。例如，壹條指令包含MAC操作，即同時進行壹次或兩次數據移動。在壹個典型的例子中，壹條指令包含計算壹段FIR濾波器所需的所有操作。這種高效率的代價是，它的指令集既不直觀，也不好用(與GPP的指令集相比)。GPP程序通常不關心處理器的指令集是否好用，因為它們壹般使用C或C++等高級語言。不幸的是，對於DSP程序員來說，主要的DSP應用程序都是用匯編語言編寫的(至少部分是用匯編語言優化的)。原因有二:第壹，大多數廣泛使用的高級語言，如C，都不適合描述典型的DSP算法。其次，DSP結構的復雜性，如多存儲空間、多總線、不規則指令集和高度專業化的硬件，使得為其編寫高效的編譯器很困難。即使C源代碼被編譯器編譯成DSP的匯編代碼，優化的任務依然很重。典型的DSP應用需要大量的計算和嚴格的開銷，這使得程序的優化必不可少(至少對於程序最關鍵的部分)。因此，選擇DSP的壹個關鍵因素就是是否有足夠多的程序員能夠更好地適應DSP處理器的指令集。

8.開發工具的要求

由於DSP應用的是需要高度優化的代碼，所以大多數DSP廠商都會提供壹些開發工具來幫助程序員完成優化工作。例如，大多數制造商為處理器提供模擬工具，以準確模擬處理器在每個指令周期中的活動。這些是確保實時操作和代碼優化的有用工具。GPP供應商通常不提供這樣的工具，主要是因為GPP程序員通常不需要這個級別的詳細信息。GPP缺乏精確到指令周期的仿真工具是DSP應用開發者面臨的壹個大問題:因為幾乎不可能預測給定任務的高性能GPP所需的周期數，也就不可能解釋如何提高代碼的性能。

應用大會:單片機技術創新與嵌入式應用大會是壹個關於單片機技術的交流與應用論壇，與高交會電子展同期進行。由深圳創意時代展覽有限公司舉辦，內容通常安排國內專業人士上午進行單片機知識及創新應用演講，下午進行論壇，自由暢談交流技術及行業趨勢。

第四屆會議

時間:2065438+2002年8月21。

地點:深圳會展中心

相關展會:2012嵌入式系統展

會議全稱:第四屆單片機技術創新與嵌入式應用大會。

支撐媒體:電子展覽網

主旨發言(上午):

從MCU到SoC

單片機技術的集成、開放與創新

嵌入式系統到32位MCU的無縫升級

更環保、更可靠的嵌入式設計等。