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单片机阅读材料
单片机种类
单片机分类及应用领域,目前据不完全统计,全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种,流行体系结构有30几个系列,其中8051体系的占有多半。
生产8051单片机的半导体厂家有20多个,共350多种衍生产品。
通常按单片机数据总线的位数将单片机分为4位、8位、16位、32位机。
4位单片机
四位单片机适合用于各种规模较小的家电类消费产品。
典型的四位单片机产品,有OKI公司的MSM64164C、MSM64481,NEC公司的75006×系列、EPSON公司的SMC62系列等。
典型应用领域有:
PC机用的输入装置(鼠标、游戏杆)、电池充电器(Ni-Cd电池、锂电池)、运动器材、带液晶显示的音、视频产品控制器、一般家用电器的控制及遥控器、玩具控制、记时器、时钟、表、计算器、多功能电话、LCD游戏机。
8位单片机
八位单片机是目前品种最为丰富、应用最为广泛的单片机,有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点。
目前主要分为MCS-51系列及其兼容机型和非MCS-51系列单片机。
51系列单片机以其典型的结构,众多的逻辑位操作功能,以及丰富的指令系统,堪称一代“名机”,目前,主要生产厂商有Atmel(爱特梅尔)、Philips(飞利浦)、Winbond(华邦)等。
非51系列单片机在中国应用较广的有Microchip(微芯)的PIC单片机、Atmel的AVR单片机、义隆EM78系列,以及Motorola(摩托罗拉)的68HC05/11/12系列单片机等。
八位单片机在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到广泛应用。
16位单片机
16位单片机操作速度及数据吞吐能力在性能上比8位机有较大提高。
目前,应用较多的有TI的MSP430系列、凌阳SPCE061A系列、Motorola的68HC16系列、Intel的MCS-96/196系列等。
十六位单片机主要应用于工业控制、智能仪器仪表、便携式设备等场合。
其中TI的MSP430系列以其超低功耗的特性广泛应用于低功耗场合。
32位单片机
∙ 32位单片机是单片机的发展趋势,32位单片机主要由ARM公司研制,因此,提及32位单片机,一般均指ARM单片机。
严格来说,ARM不是单片机,而是一种32位处理器内核(主要有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10等),它由英国ARM公司开发,但ARM公司自己并不生产芯片,而是由授权的芯片厂商如Samsung(三星)、Philips(飞利浦)、Atmel(爱特梅尔)、Intel(英特尔)等制造,芯片厂商可以根据自己的需要进行结构与功能的调整,因此,实际中使用的ARM芯片有很多型号,常见的ARM芯片主要有飞利浦的LPC2000系列、三星的S3C/S3F/S3P系列等。
ARM单片机
随着集成电路的发展及信息时代的到来,在2001年,32位ARM单片机市场占有率超过了75%,广泛应用在信息电器如掌上电脑、个人数字助理(PDA)、可视电话、移动电话、TV机顶盒、数码相机等嵌入式设备。
ARM已成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的RISC标准。
ARM(AdvancedRISCMachines)是微处理器行业的一家知名企业,是知识产权(IP)供应商,本身不生产芯片,靠转让设计许可由合作伙伴来生产各具特色的芯片。
ARM公司设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。
目前,有超过30家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议,其中包括Intel、IBM、SAMSUNG、OKI、LG、NEC、SONY、PHILIPS等大公司。
至于软件系统的合伙人,则包括微软、SYMBIAN和MRI等一系列知名公司。
ARM单片机特点
ARM处理器三大特点:
小体积、低功耗、低成本、高性能
16/32位双指令集
全球众多的合作伙伴
ARM32位体系结构被公认为业界领先的32位嵌入式RISC处理器结构,所有ARM处理器共享这一体系结构。
这可确保开发者转向更高性能的ARM处理器时,由于所有产品均采用一个通用的软件体系,所以相同的软件可在所有产品中运行(理论上如此),从而使开发者在软件开发可获得最大回报。
ARM处理器系列
ARM处理器当前有6个产品系列:
ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM11和SecurCore,其中ARM11为最近推出的产品。
进一步产品来自于合作伙伴,例如IntelXscale微体系结构和StrongARM产品。
ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10是4个通用处理器系列。
每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能、体积的需求。
SecurCore是第5个产品系列,是专门为安全设备而设计的。
目前中国市场应用较成熟的ARM单片机以ARM7TDMI核为主。
主要的厂家有SAMSUNG、ATMEL、OKI等知名半导体厂商。
ARM单片机典型应用
ARM芯片是典型的32位RISC芯片──不论是在PDA、STB、DVD等消费类电子产品中,还是在GPS、航空、勘探、测量等军方产品中都得到了广泛的应用。
下面是ARM核芯片的典型应用:
无线产品:
手机、PDA,目前75%以上的手机是基于ARM的产品;比如我们中国的特产山寨手机很大部分是MTK(联发科)方案其中MT6205、MT6217、MT6218、MT6219、MT6226、MT6227、MT6228均为基带芯片,所以芯片均采用ARM7的核。
汽车产品:
车上娱乐系统、车上安全装置、导航系统等;
消费娱乐产品:
数字视频、Internet终端、交互电视、机顶盒、网络计算机、数字音频播放器、数字音乐板、游戏机;
数字影像产品:
信息家电、数字照相机、数字系统打印机;现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门,无所不在。
工业产品:
机器人控制、工程机械、冶金控制等;
网络产品:
PCI网络接口卡、ADSL调制解调器,路由器,无线LAN访问点等;
安全产品:
电子付费终端、银行系统付费终端、智能卡、32位SIM卡等;
存储产品:
PCI到Ultra2SCSI64位RAID控制器,硬盘控制器。
FPGA
FPGA(Field-ProgrammableGateArray),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
目前以硬件描述语言(Verilog或VHDL)所完成的电路设计,可以经过简单的综合与布局,快速的烧录至FPGA上进行测试,是现代IC设计验证的技术主流。
这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。
在大多数的FPGA里面,这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flip-flop)或者其他更加完整的记忆块。
系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来,就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。
一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变,所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。
FPGA一般来说比ASIC(专用集成芯片)的速度要慢,无法完成复杂的设计,而且消耗更多的电能。
但是他们也有很多的优点比如可以快速成品,可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。
厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。
因为这些芯片有比较差的可编辑能力,所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的,然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。
另外一种方法是用CPLD(复杂可编程逻辑器件备)。
FPGA的应用
FPGA的应用可分为三个层面:
电路设计,产品设计,系统设计
1.电路设计中FPGA的应用
连接逻辑,控制逻辑是FPGA早期发挥作用比较大的领域也是FPGA应用的基石.事实上在电路设计中应用FPGA的难度还是比较大的这要求开发者要具备相应的硬件知识(电路知识)和软件应用能力(开发工具)这方面的人才总是紧缺的,往往都从事新技术,新产品的开发成功的产品将变成市场主流基础产品供产品设计者应用在不远的将来,通用和专用IP的设计将成为一个热门行业!
搞电路设计的前提是必须要具备一定的硬件知识.在这个层面,干重于学,当然,快速入门是很重要的,越好的位子越不等人电路开发是黄金饭碗.
2.产品设计
把相对成熟的技术应用到某些特定领域如通讯,视频,信息处理等等开发出满足行业需要并能被行业客户接受的产品这方面主要是FPGA技术和专业技术的结合问题,另外还有就是与专业客户的界面问题产品设计还包括专业工具类产品及民用产品,前者重点在性能,后者对价格敏感产品设计以实现产品功能为主要目的,FPGA技术是一个实现手段在这个领域,FPGA因为具备接口,控制,功能IP,内嵌CPU等特点有条件实现一个构造简单,固化程度高,功能全面的系统产品设计将是FPGA技术应用最广大的市场,具有极大的爆发性的需求空间产品设计对技术人员的要求比较高,路途也比较漫长不过现在整个行业正处在组建"首发团队"的状态,只要加入,前途光明产品设计是一种职业发展方向定位,不是简单的爱好就能做到的!
产品设计领域会造就大量的企业和企业家,是一个近期的发展热点和机遇
3.系统级应用
系统级的应用是FPGA与传统的计算机技术结合,实现一种FPGA版的计算机系统如用Xilinx V-4,V-5系列的FPGA,实现内嵌POWER PC CPU,然后再配合各种外围功能,实现一个基本环境,在这个平台上跑LINIX等系统这个系统也就支持各种标准外设和功能接口(如图象接口)了这对于快速构成FPGA大型系统来讲是很有帮助的。
这种"山寨"味很浓的系统早期优势不一定很明显,类似ARM系统的境况但若能慢慢发挥出FPGA的优势,逐渐实现一些特色系统也是一种发展方向。
若在系统级应用中,开发人员不具备系统的扩充开发能力,只是搞搞编程是没什么意义的,当然设备驱动程序的开发是另一种情况,搞系统级应用看似起点高,但不具备深层开发能力,很可能会变成爱好者,就如很多人会做网页但不能称做会编程类似以上是几点个人开发,希望能帮助想学FPGA但很茫然无措的人理一理思路。
这是一个不错的行业,有很好的个人成功机会。
但也肯定是一个竞争很激烈的行业,关键看的就是速度和深度当然还有市场适应能力。
单片机的发展历程
单片机的发展经历了探索---完善---MCU化---百花齐放四个阶段。
1、芯片化探索阶段
20世纪70午代,美国的Fairchild(仙童)公司首先推出了第一款单片机F-8,随后Intel公司推出了影响面大、应用更广的MCS48单片机系列。
MCS48单片机系列的推出标志着在工业控制领域,进入到智能化嵌入式应用的芯片形态计算机的探索阶段。
参与这一探索阶段的还有Motorola、Zilog和Ti等大公司,它们都取得了满意的探索效果,确立了在SCMC的嵌入式应用中的地位。
这就是SingleChipMicrocomputer的诞生年代,单片机一词即由此而来。
这一时期的特点是:
◆嵌入式计算机系统的芯片集成设计;
◆少资源、无软件,只保证基本控制功能。
2.结构体系的完善阶段
在MCS-48探索成功的基础上很快推出了完善的、典型的单片机系列MCS-5l。
MCS-51系列单片机的推出,标志SingleChipMicrocomputer体系结构的完善。
它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机的体系结构。
①完善的总线结构:
◆并行总线:
8位数据总线、16位地址总线及相应的控制总线,两个独立的地址空间;
◆串行总线:
通信总线,扩展总线。
②完善的指令系统:
◆具有很强的位处理功能和逻辑控制功能,以满足工业控制等方面的需要;
◆功能单元的SFR(特殊功能寄存器)集中管理。
③完善的MCS-51成为SCMC的经典体系结构。
日后,许多电气商在MCS-51的内核和体系结构的基础上,生产出各具特色的单片机。
3.从SCMC向MCU化过渡阶段
Intel公司推出的MCS96单片机,将一些用于测控系统的模数转换器(ADC)、程序运行监视器(WDT)、脉宽调制器(PWM)、高速I/O口纳入片中,体现了单片机的微控制器特征。
MCS-51单片机系列向各大电气商的广泛扩散,许多电气商竞相使用80C51为核,将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、可靠性技术应用到单片机中;随着单片机内外围功能电路的增强,强化了智能控制器特征。
微控制器(Microcontrollers)成为单片机较为准确表达的名词。
其特点是:
①满足嵌入式应用要求的外围扩展,如WDT、PWM、ADC、DAC、高速I/0口等。
②众多计算机外围功能集成,如:
◆提供串行扩展总线:
SPI、I2C、BUS、Microwire;
◆配置现场总线接口:
CANBUS。
③CMOS化,提供功耗管理功能。
④提供OTP供应状态,利于太规模和批量生产。
4.MCU的百花齐放阶段
单片机发展到这一阶段,表明单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具-----小到玩具、家电行业,大到车载、舰船电子系统,遍及计量测试、工业过程控制、机械电子、金融电子、商用电子、办公自动化、工业机器人、军事和航空航天等领域。
为满足不同的要求,出现了高速、大寻址范围、强运算能力和多机通信能力的8位、16位、32位通用型单片机,小型廉价型、外围系统集成的专用型单片机,以及形形色色各具特色的现代单片机。
可以说,单片机的发展进人了百花齐放的时代,为用户的选择提供了空间。
这一时期的特点为:
(1)电气商、半导体商的普遍介入
MCS-48的成功,刺激了许多半导体公司竞相研制和发展自己的单片机系列。
到目前为止,世界各地厂商已相继研制出大约50个系列300多个品种的单片机产品,其中较有代表性的有Motorola公司的6801、6802,Zilog公司的Z-8系列,Microchip公司的PIC系列等。
此外,开本的NEC公司、日立公司也都推出了各自具有特色的单片机品种。
(2)大力发展专用单片机
通用型与专用型是按某一型号单片机适用范围区分的。
例如,80C51是通用型单片机,它并不是为某一种专门用途设计的单片机;而专用型单片机是针对某一类产品甚至某个产品需要而设计、生产的单片机。
例如,来电显示电话中配有液晶驱动器接口的单片机和全自动洗衣机中的微控制器,都是专用单片机;特别是小家电、玩具领域的单片机,因为小封装、价格低廉一外围器件、外设接口集成度高,多数为专用单片机。
(3)提高综合品质
在体系结构(RISC)、电磁兼容性能(EMC)、开发环境(高级语言支持ISP、IAP等)、功耗管理等诸方面得到了提高。
根据控制单元设计的方式与采用的技术不同,目前市场上的这些单片机可区分为两大类型:
繁杂指令集结构(CISC架构)和精简指令集结构(RISC架构)。
繁杂指令集结构(CISC)的特点是指夺数量多,寻址方式丰富,较适合初学者系统学习,如INTEL的80C51或80C196、MC68K;而精简指令集结构(RISC)具有较少的指令与寻址模式,结构简单,成本较低,执行程序的速度较快,成为单片机的后起之秀,如PIC、EM78XXX和Z86HCXX。
ISP(InSystemProgramming)和IAP(InApplicationProgramming)方式是两种先进的实时在线开发方式。
它们无须传统的开发装置,借助计算机和单片机的高性能,实现了真正的在线仿真。
(4)C语言的广泛支持
◆单片机普遍支持C语言编程,为后来者学习和应用单片机提供了方便;
◆高级语言减少了选型障碍,便于程序的优化、升级和交流。
单片机的主要应用领域
由于单片机有许多优点,因此其应用领域之广,几乎到了无孔不入的地步。
单片机应用的主要领域有:
1) 智能化家用电器:
各种家用电器普遍采用单片机智能化控制代替传统的电子线路控制,升级换代,提高档次。
如洗衣机、空调、电视机、录像机、微波炉、电冰箱、电饭煲以及各种视听设备等。
2) 办公自动化设备:
现代办公室中使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。
如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。
3) 商业营销设备:
在商业营销系统中已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等都采用了单片机控制。
4) 工业自动化控制:
工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一。
如各种测控系统、过程控制、机电一体化、PLC等。
在化工、建筑、冶金等各种工业领域都要用到单片机控制。
5) 智能化仪表:
采用单片机的智能化仪表大大提升了仪表的档次,强化了功能。
如数据处理和存储、故障诊断、联网集控等。
6) 智能化通信产品:
最突出的是手机,当然手机内的芯片属专用型单片机。
7) 汽车电子产品:
现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器(黑匣子)等都离不开单片机。
8) 航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域:
单片机的应用更是不言而喻。
单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益。
更重要的意义在
于,单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。
以前采用硬件电路实现的大部分控制功能,正在用单片机通过软件方法来实现。
以前自动控制中的PID调节,现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制和自适应控制。
这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控技术。
随着单片机应用的推广,微控制技术将不断发展完善。
单片机的技术发展趋势
一、内部结构的进步
单片机在内部已集成了越来越多的部件,这些部件包括一般常用的电路,例如:
定时器,比较器,A/D转换器,D/A转换器,串行通信接口,Watchdog电路,LCD控制器等。
有的单片机为了构成控制网络或形成局部网,内部含有局部网络控制模块CAN。
例如,Infineon公司的C505C,C515C,C167CR,C167CS-32FM,81C90;Motorola公司的68HC08AZ系列等。
特别是在单片机C167CS-32FM中,内部还含有2个CAN。
因此,这类单片机十分容易构成网络。
特别是在控制,系统较为复杂时,构成一个控制网络十分有用。
为了能在变频控制中方便使用单片机,形成最具经济效益的嵌入式控制系统。
有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路,这些单片机有Fujitsu公司的MB89850系列、MB89860系列;Motorola公司的MC68HC08MR16、MR24等。
在这些单片机中,脉宽调制电路有6个通道输出,可产生三相脉宽调制交流电压,并内部含死区控制等功能。
特别引人注目的是:
现在有的单片机已采用所谓的三核(TrCore)结构。
这是一种建立在系统级芯片(Systemonachip)概念上的结构。
这种单片机由三个核组成:
一个是微控制器和DSP核,一个是数据和程序存储器核,最后一个是外围专用集成电路(ASIC)。
这种单片机的最大特点在于把DSP和微控制器同时做在一个片上。
虽然从结构定义上讲,DSP是单片机的一种类型,但其作用主要反映在高速计算和特殊处理如快速傅立叶变换等上面。
把它和传统单片机结合集成大大提高了单片机的功能。
这是目前单片机最大的进步之一。
这种单片机最典型的有Infineon公司的TC10GP;Hitachi公司的SH7410,SH7612等。
这些单片机都是高档单片机,MCU都是32位的,而DSP采用16或32位结构,工作频率一般在60MHz以上。
二、功耗、封装及电源电压的进步
现在新的单片机的功耗越来越小,特别是很多单片机都设置了多种工作方式,这些工作方式包括等待,暂停,睡眠,空闲,节电等工作方式。
Philips公司的单片机P87LPC762是一个很典型的例子,在空闲时,其功耗为1.5mA,而在节电方式中,其功耗只有0.5mA。
而在功耗上最令人惊叹的是TI公司的单片机MSP430系列,它是一个16位的系列,有超低功耗工作方式。
它的低功耗方式有LPM1、LPM3、LPM4三种。
当电源为3V时,如果工作于LMP1方式,即使外围电路处于活动,由于CPU不活动,振荡器处于1~4MHz,这时功耗只有50?
A。
在LPM3时,振荡器处于32kHz,这时功耗只有1.3?
A。
在LPM4时,CPU、外围及振荡器32kHz都不活动,则功耗只有0.1?
A。
现在单片机的封装水平已大大提高,随着贴片工艺的出现,单片机也大量采用了各种合符贴片工艺的封装方式出现,以大量减少体积。
在这种形势中,Microchip公司推出的8引脚的单片机特别引人注目。
这是PIC12CXXX系列。
它含有0.5~2K程序存储器,25~128字节数据存储器,6个I/O端口以及一个定时器,有的还含4道A/D,完全可以满足一些低档系统的应用。
扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是今天单片机发展的目标之一。
目前,一般单片机都可以在3.3~5.5V的条件下工作。
而一些厂家,则生产出可以在2.2~6V的条件下工作的单片机。
这些单片机有Fujitsu公司的MB89191~89195,MB89121~125A,MB89130系列等,应该说该公司的F2MC-8L系列单片机绝大多数都满足2.2~6V的工作电压条件。
而TI公司的MSP430X11X系列的工作电压也是低达2.2V的。
三、工艺上的进步
现在的单片机基本上采用CMOS技术,但已经大多数采用了0.6?
m以上的光刻工艺,有个别的公司,如Motorola公司则已采用0.35?
m甚至是0.25?
m技术。
这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性。
以单片机为核心的嵌入式系统
单片机的另外一个名称就是嵌入式微控制器,原因在于它可以嵌入到任何微型或小型仪器或设备中。
目前,把单片机嵌入式系统和Internet连接已是一种趋势。
但是,Internet一向是一种采用肥服务器,瘦用户机的技术。
这种技术在互联上存储及访问大量数据是合适的,但对于控制嵌入式器件就成了"杀鸡用牛刀"了。
要实现嵌入式设备和Internet连接,就需要把传统的Internet理论和嵌入式设备的实践都颠倒过来。
为了使复杂的或简单的嵌入式设备,例如单片机控制的机床、单片机控制的门锁,能切实可行地和Internet连接,就要求专门为嵌入式微控制器设备设计网络服务器,使嵌入式设备可以和Internet相连,并通过标准网络浏览器进行过程控制。
目前,为了把单片机为核心的嵌入式系统和Internet相连,已有多家公司在进行这方面的较多研究。
这方面较为典型的有emWare公司和TASKING公司。
EmWare公司提出嵌入式系统入网的方案--EMIT技术。
这个技术包括三个主要部分:
即emMicro,emGateway和网络浏览器。
其中,emMicro是嵌入设备中的一个只占内存容量1K字节的极小的网络服务器;emGateway作为一个功能较强的用户或服务器,它用于实现对多个
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