微控制器實用技術

2022-11-25 12:33:04 字數 4918 閱讀 7875

作者:shenxq301

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下面分別對微控制器晶元中所整合的各個組成部分予以簡要介紹。

1.mcu單元

mcu單元部分包括了cpu、時鐘系統、復位、匯流排控制邏輯等電路。cpu是按照面向測控物件、嵌入式應用的要求設計的,其功能有進行算術、邏輯、比較等運算和操作,並將結果和狀態資訊與儲存器以及狀態暫存器進行交換(讀/寫)。時鐘和復位電路實現上電復位、訊號控制復位,產生片內各種時鐘及功耗管理等。

匯流排控制電路則產生各類控制邏輯訊號,滿足mcu對內部和外部匯流排的控制。其中,內部匯流排用以實現片內各單元電路的協調操作和資料傳輸,而外部匯流排控制用於微控制器外圍擴充套件的操作管理。

2. 片記憶體儲器

微控制器的儲存器一般分成程式儲存器和資料儲存器,它們往往構成相互獨立的兩個儲存空間,分別定址,互不干擾。在這一點上,與通用計算機系統的結構是不同的。通用計算機系統通常採用「von-neumann」結構,在這種結構體系中採用了單一的資料匯流排用於指令和資料的訪問,因此資料和指令是存放在同乙個儲存空間中的,cpu使用同一條資料匯流排與資料和程式進行交換。

而微控制器的內部結構通常使用「harvard」體系結構,在這種體系中採用分開的指令和資料匯流排,以及分開的指令和資料位址空間。微控制器採用harvard雙(多)匯流排結構的優點是,指令和資料空間完全分開,分別通過專用的匯流排同cpu交換,可以實現對程式和資料的同時訪問,提高了cpu的執行速度和資料的吞吐率。

早期的微控制器,如典型的8031微控制器,在片內只整合少量的資料儲存器ram(128/節),沒有程式儲存器。因此程式儲存器和大容量的資料儲存器需要進行片外的擴充套件,增加外圍的儲存晶元和電路,這給構成嵌入式系統帶來了麻煩。後期的微控制器則在片內整合了相當數量的程式儲存器,如與8031相容的at89s51、at89s52在片內整合了4k/8k的flash程式儲存器。

而現在新型的微控制器,則在片內整合了更多數量和更多型別的儲存器。如**r系列的atmega16在片內就整合了16k位元組的flash程式儲存器,1k位元組的ram資料儲存器,以及節的eeprom資料儲存器,這就大大方便了應用。

3.程式儲存器

程式儲存器用於存放嵌入式系統的應用程式。由於微控制器嵌入式系統的應用程式在開發除錯完成後不需要經常改變,因此微控制器的程式儲存器多採用唯讀型rom儲存器,用於永久性的儲存系統的應用程式。為適應不同產品、使用者和不同場合的需要,微控制器的程式儲存器有以下幾種不同形式:

①romless型。該種形式的微控制器片內沒有整合程式儲存器,使用時必須在微控制器外部擴充套件一定容量的eprom器件。因此,使用這種型別的微控制器就必須使用並行擴充套件匯流排,增加晶元,增加了硬體設計的工作量。

②eprom型。微控制器片內整合了一定數量的eprom儲存器用於存放系統的應用程式。這類微控制器晶元的上部開有透明視窗,可通過約15分鐘的紫外線照射來擦除儲存器中的程式,再使用專用的寫入裝置寫入程式**和資料,寫入次數一般為幾十次。

③maskrom型。使用種型別的微控制器時,使用者要將除錯好的應用程式**交給微控制器的生產廠家,生產商在微控制器晶元製造過程的掩膜工藝階段將程式**掩膜到程式儲存器中。這種微控制器便成為永久性專用的晶元,系統程式無法改動,適合於大批量產品的生產。

④otprom型。這種型別的微控制器與maskrom型的微控制器有相似的特點。生產商提供新的微控制器晶元中的程式儲存器可由使用者使用專用的寫入裝置一次性程式設計寫入程式**,寫入後也無法改動了。

這種型別的微控制器也是適用於大批量產品的生產。

華東師範大學電子科學技術繫馬潮 2005.3.16

⑤flashrom型。這是一種可供使用者多次擦除和寫入程式**的微控制器。它的程式儲存器採用快快閃儲存器儲器(flashmemory),現在可實現大於1萬次的寫入操作。

內部整合flashrom型微控制器的出現,以及隨者flash儲存器**的下降,使得使用flashrom的微控制器正在逐步淘汰使用其它型別程式儲存器的微控制器。由於flashrom可多次擦除(電擦除)和寫入的特性,加上新型的微控制器又採用了****isp技術(in system program--既無需將晶元從系統板上取下,直接**將新的程式**寫入微控制器的程式儲存器中。),不僅為使用者在嵌入式系統的設計、開發和除錯帶來了極大的方便,而且也適用於大批量產品的生產,並為產品的更新換代提供了更廣闊的空間。

4. 資料儲存器

微控制器在片內整合的資料儲存器一般有兩類:隨機儲存器ram和電可擦除儲存器eeprom。

①隨機儲存器ram。在微控制器中,隨機儲存器ram是用來儲存系統程式在執行期間的工作變數和臨時資料的。一般在微控制器內部整合一定容量(32位元組至節或更多)的ram。

這些小容量的資料儲存器以高速ram的形式整合在微控制器晶元內部,作為臨時的工作儲存器使用,可以提高微控制器的執行速度。

在微控制器中,常把內部暫存器(如工作暫存器、i/o暫存器等)在邏輯上也劃分在ram空間中,這樣即可以使用專用的暫存器指令對暫存器進行操作,也可將暫存器當做ram使用,為程式設計提供了方便和靈活性。

對一些需要使用大容量資料儲存器的系統,就需要在外部擴充套件資料儲存器。這時,微控制器就必須具備並行擴充套件匯流排的功能,同時外圍也要增加ram晶元和相應的位址鎖存、位址解碼等電路。這不僅增加了硬體設計的工作量,產品的成本,同時降低了系統的可靠性。

②電可擦除儲存器eeprom。一些新型的微控制器,在晶元中還整合了電可擦除儲存器型eeprom的資料儲存器。這類資料儲存器用於存放一些永久或比較固定的系統引數,如放大倍率、**號碼、時間常數等。

eeprom的壽命大於10萬次,具有掉電後不丟失資料的特點,並且通過系統程式可以隨時修改,這些特性都給使用者設計開發產品帶來極大的方便和想象空間。

5. 輸入/輸出(i/o)埠

為了滿足嵌入式系統「面向控制」的實際應用需要,微控制器提供了數量眾多、功能強、使用靈活的輸入/輸出埠,簡稱i/o。埠的型別可分為以下幾種型別:

① 並行匯流排輸入/輸出埠(並型i/o口)。用於外部擴充套件儲存器或擴充i/o等使用,包括資料匯流排、位址匯流排和讀寫控制訊號等。

② 通用數字i/o埠。用於外部電路邏輯訊號的輸入和輸出控制。

③ 片內功能單元的輸入/輸出埠。如:定時器/計數器的計數脈衝輸入,外部中斷源訊號的輸入等。

④ 序列i/o通訊口。用於系統之間或與採用專用序列協議的外圍晶元之間的連線和交換資料。如:uart序列介面(rs-232),i2c序列介面,spi序列介面,usb序列口等。

⑤ 其它專用介面。一些新型的微控制器還在片內整合了某些專用功能的模擬或數字的i/o埠,如a/d輸入、d/a輸出介面,模擬比較輸入埠,脈寬調變(pwd)輸出埠等。更有的微控制器還將lcd液晶顯示器的介面也整合到微控制器晶元中了。

為了減少晶元引腳的數量,又能提供更多效能的i/o埠給使用者使用,大多數的微控制器都採用了i/o埠的復用技術,既某一埠,它即可作為一般通用的數字i/o埠使用,也可作為某個特殊功能的埠使用,使用者可根據系統的實際需要來定義使用。這樣就為設計開發提供了方便,大大拓寬了微控制器的應用範圍。

6. 操作管理暫存器。

華東師範大學電子科學技術繫馬潮 2005.3.16

操作管理暫存器也是微控制器晶元中的重要組成部分之一。它的功能是管理、協調、控制和操作微控制器晶元中的各功能單元的使用和執行。這類暫存器的種類有:

狀態暫存器、控制暫存器、方式暫存器、資料暫存器等等。各種暫存器的定義、功能、狀態、相互之間的關係和應用相對比較複雜,而且往往同相應的功能單元的使用緊密相關,因此,使用者應非常熟悉各個暫存器的作用以及如何與不同的功能單元的配合使用,這樣才能通過程式指令對其程式設計操作,以實現對微控制器晶元中各種功能的正確使用,充分發揮微控制器的所有特點和效能,設計和開發出高效能、低成本的電子產品。可以這樣講,當你對某個微控制器晶元中各個操作管理暫存器的作用、功能、定義非常透徹的掌握了,那麼你已經完全精通和能夠熟練使用該微控制器了。

**r系列產品是採用新架構生產的晶元,整個系列都具有良好的相似性,晶元結構也非常容易理解和掌握。好了,

現在我們就來開始看看**r器件的基本知識吧。

首先,**r系列產品可以分為3大種類:

tiny **r(簡化版晶元)

**r (常用晶元)

mega **r (增強型)

這3類器件的區分是很明顯的,譬如tiny晶元在管腳和功能上有所裁減。但是3類器件都採用同樣的結構和儲存器管理

方式,如果將外圍管腳以及一些特殊的模組除去,每乙個**r晶元都具有相同的核心,這樣的效能保證公升級晶元時

非常的便利。

有些適用於特殊領域的**r器件帶有sram、eeprom、擴充套件sram介面、adc、uart等等模組。

選擇合適的**r晶元

從上面的介紹來看3類**r晶元是有差別的,我們可以從晶元的效能上去區分:高效能的——mega

**r,簡化版本的——tiny **r,在兩者之間的——標準**r。

首先,請放鬆,我們首先要做的只是****r開發軟體和相關的資料。**前確保這些軟體有效,**的時間

取決於你連線網際網路的速度。

**以下檔案到你的計算機中(如c:\temp)

**r studio 4

(~15mb)

this file contains the **r studio 4 program. this

program is a complete development suite, and contains

an editor and a simulator that we will use to write our

code, and then see how it will run on an **r device.

assembly sample code

(~1kb)

this file contains the assembly sample code you will

need to complete this guide.

at90s8515 datasheet

(~4mb)

this is the datasheet for the at90s8515 **r

microcontroller. this is a convenient "getting started"

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