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微控制器(MCU)的架构说明

助工
2020-07-19 23:00:58    评分

 微控制器(MICroController)又可简称MCU或μC,也有人称为单芯片微控制器(SingleChipMicrocontroller),将ROM、RAM、CPU、I/O集合在同一个芯片中,为不同的应用场合做不同组合控制。微控制器在经过这几年不断地研究、发展,历经4位、8位,到现在的16位及32位,甚至64位。产品的成熟度,以及投入厂商之多、应用范围之广,真可谓之空前。目前在国外大厂因开发较早、产品线广,所以技术领先,而本土厂商则以多功能为产品导向取胜。但不可讳言的,本土厂商的价格战是对外商造成威胁的关键因素。

  由于制程的改进,8位MCU与4位MCU价差相去无几,8位已渐成为市场主流;针对4位MCU,大部份供货商采接单生产,目前4位MCU大部份应用在计算器、车表、车用防盗装置、呼叫器、无线电话、CD Player、LCD驱动控制器、LCD Game、儿童玩具、磅秤、充电器、胎压计、温湿度计、遥控器及傻瓜相机等;8位MCU大部份应用在电表、马达控制器、电动玩具机、变频式冷气机、呼叫器、传真机、来电辨识器(Caller ID)、电话录音机、CRT Display、键盘及USB等;16位MCU大部份应用在行动电话、数字相机及摄录放影机等;32位MCU大部份应用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、Router、工作站、ISDN电话、激光打印机与彩色传真机;64位MCU大部份应用在高阶工作站、多媒体互动系统、高级电视游乐器(如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy)及高级终端机等。

  而在MCU开发方面,以架构而言,可分为两大主流;RISC(如HOLTEK HT48XXX系列)与CISC(如华邦W78系列)。 RISC (Reduced Instruction Set Computer) 代表MCU的所有指令都是利用一些简单的指令组成的,简单的指令代表 MCU 的线路可以尽量做到最佳化,而提高执行速率,相对的使得一个指令所需的时间减到最短。HOLTEK的HT46XX(A/DMCU系列) HT47XX(R to F MCU系列) HT48XX(一般I/O MCU系列) HT49XX(LCD MCU系列) 便是采用 RISC 结构来设计。不管是 RISC 或是 CISC(Complex InstrucTIon Set Computer),设计MCU的目的便是为人类服务的,对于 RISC 来说,因为指令集的精简,所以许多工作都必须组合简单的指令,而针对较复杂组合的工作便需要由『编译程序』(compiler) 来执行,而 CISC MCU因为硬件所提供的指令集较多,所以许多工作都能够以一个或是数个指令来代替,compiler 的工作因而减少许多。

  微控制器(MCU)的架构说明

  图 1:MCU 架构方块示意图。

  程序内存

  程序内存(Program ROM)在微控制器中是只读而不可写入之记忆单元,此内存主要用来放 置使用者所开发之程序,而其性质乃属于不常更动或永不变动之资料,微控制器之动作便是 依据储存于此区之程序指令运作。在 8 位单芯片中常见的程序内存容量有 0.5K、IK、2K、4K 及 8K,而通常应用在微控制器的程序内存有下列几种方式,见(表一):

  微控制器(MCU)的架构说明

  表 1:在微控制器的程序内存通常有几种方式。

  另外关于程序保密部分,不论是加密或保险丝烧断保护 ,都是为了防止程序被未授权之使 用者窥看、窃取(如反组译程序 、修改内容 、盗取程序等)。程序保密这个功能选择只在提供 OTP、开窗型包装、EEPROM 及FLASH ROM上使用,因为这些 IC 可借由烧录器来回读取程序代码,在 Mask 版本则不需要进行程序保密的步骤 。 随机存取内存随机存取内存(Random ACCess Memory;RAM),亦称为读/写内存(Read-Write Memory),常是被用来暂时存放资料、或是程序执行存放资料的地方,用途相当广泛。以 HOLTEK 8 位 微控制器为例,其容量有 64、96、160 及 224 个 Byte 选择。

  累积器

  累积器(Accumulator),是 MCU 的运作中枢 ,80%的指令都与累积器有关 ;资料可以被存 放在累积器中,直到总线或其它单元准备接受它、或直到程序需要它为止 。

  缓存器

  缓存器(Register)是 MCU 内部用来暂时存放资料的地方,每个缓存器的功能各不相同,但 却有一共同的特性,就是可以直接读/写,因其位于 MCU 的内部,故减少了一些不必要的 等待及寻址时间,另外有些 MCU 的 I/O Port,也以缓存器型态来直接存取控制。

  堆栈及堆栈指针

  堆栈(Stack)及堆栈指针(Stack Pointer),堆栈就和盘子一样,一个一个由下往上堆,而取出 时则由上一个一个往下拿,不能由中间抽出,因此又称为后进先出队列(Last-In-First-Out Queues)」。功能如下;

  一。 暂时存放 PC(Program Count)的值,适用于“子程序呼叫”,或中断发生时将 PC 的值暂 时储存起来;

  二。 可视为缓存器使用,以 Push,Pop 来完成;

  三。 有些 MCU 其 Stack Level 数是固定的(如 HOLTEK μC 系列),有些则可自定。 运算逻辑单元

  运算逻辑单元(Algorithm Logic Unit;ALU),其功能在于执行算术指令及逻辑判断,除了产生 结果之外,也产生相关的 Flag(Zero、Carry、Borrow、Status),每一个 MCU 都不完全一 样,尤其是 Carry Flag 一定要查看指令解说表。

  输入/输出(I/O Port)

  在单芯片微电脑应用系统中,I/O 的扩充不是目的,而是为了提供外部设备一个输入/输出的 信道,做为外界与 MCU 间的沟通管道。例如接键盘、显示器、驱动开关控制或测量等;在I/O 扩充时必须考虑与之相连接的外围设备硬件电路特性,如:电位匹配、干扰抑制、驱动能 力(如 Source,Sink 能力)等。

  微控制器在 I/O 埠方面备有多种电路形式,其中有多端口可以经由软件以位单位来设定输出/入方向。各埠附加大电流、高耐压的缓冲器,以直接驱动LED与高功率晶体管,以及做模 拟讯号的输入之用。

  定时器、定时器

  定时器(TIme Counter)、定时器(TImer),由外加振荡晶体,经除频电路来提供 MCU 数种不 同的时基(TIme Base)。常应用于:

  一。 时钟之时基(如 1sec、500ms、62.5ms、15.625ms 等);

  二.PWM(Pulse Width Modulation)之 Time Base;

  三。 Key SCAN;

  四.LEDScan;

  五.Frequencyoutput;

  六。 Pulse Reading;

  七。 APO (Auto Power OFF)等。 计数器

  计数器(Event Counter)专用于累计外部的事件个数,可能为 Pulse 或其它资料,也可用以 产生正确的时间延迟。常应用于:

  一、另一种 Time Base,外加固定频率; 二、计数器; 三、可规划成另一种立即中断输入;

  四、计速器(Speed Meter)、转速表(Tachometer)。 中断中断(Interrupt)用来处理立即事件、或列为优先处理之事件,负责时间计数器超时中断、及 外部事件产生中断请求等工作。大部分微控制器的中断处理系统是多层的,内设有中断优先 级电路,以决定先后顺序。常应用于:

  一、MCU 呈被动 Standby 状态(Halt-Stop),由外加信号来 Wakeup;

  二、需要立即处理(传感器、开关、警报器、电源故障预警器); 三、需要一个固定间隔来处理(Display ,Key Scan ,Read-Time CLOCk); 微控制器上的外围资源

  看了这么多微控制器的的基本架构后,让我们继续来了解微控制器还可以加挂那些外围资 源,以扩充、延伸其功能。

  串行输出(Serial I/O)

  微控制器内含 Serial I/O 是为了提供对外部外围 DevICe 的通讯管道,各家种类不同,常见 的有以下几种:

  ◆UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter):Intel,Atmel;

  ◆USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter ):Siemens;

  ◆SPI(Serial Peripheral Interface):Motorola;

  ◆SCI(Sertal Communications Interface):这是 UART 的加强版;

  ◆I2C bus(lnter Integrated Circuit bus):Philips;

  ◆Microwire/Plus:National SEMIconductor;

  液晶驱动装置(LCDDriver)

  在显示接口上,LCD(Liquid Crystal Display)是常运用的显示装置,例如在一些多功能的电 话、数字温度计、呼叫器、大哥大、掌上型游戏机以上皆可以发现它的踪迹。因此内含 LCD 驱动线路的微控制器运用相当广泛,有两种驱动方式可供选用:Segment 和 Dot Matrix, 例如:之前流行的宠物蛋是使用 Dot Matrix 的 LCD 显示器;日系的微控制器厂商提供多样内含 LCD 驱动装置的微控制器可供选用,另外 HOLTEK HT49XX 系列 也提供 LCD 驱动装置 的微控制器。

  萤光管驱动装置(VFT Driver)

  LCD 显示器在无光源或无背光的环境下,我们即无法读取显示器之内容,而 VFT 显示器可提供高亮度、且色彩多变化的视觉效果,常应用于高级的家电产品上,如:碟影机、DSP均 衡器。要求炫丽输出效果的产品,在微控制器的选择上 VFT(Vacuum Fluorescent Tube)Driver 是重要的资源之一。

  OSD对于电视及监视器人性化接口是不可缺少的功能之一,OSD(On Screen Display)部分显示 回路为接收水平同步信号(H-Sync)及垂直同步信号(V-Sync),再将信号透过 RGB 及Blanking 将屏幕信息送出,其显示颜色至多可达八种。




高工
2020-07-19 23:12:49    评分
2楼

这个架构和ARM架构完全不一样


工程师
2020-07-28 23:03:48    评分
3楼

确实不错


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