單片機(jī)專業(yè)英語翻譯

1、JINGCHU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 班 級 10電工(3)班 學(xué)生姓名 P20） 韓濤（P21P24） P28） 提交日期 2013年6月21日 第二章 微控制器芯片的概述 在這一章里，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)型號，基本設(shè)計結(jié)構(gòu)，材料結(jié)構(gòu)類型，操作過程，工作周期，工作環(huán)境，存儲類型和軟件的角度來簡單的描述微控制器芯片。最后，一個典型的80C51型單芯片微控制器作為例子來簡述。2-1 微控制器的標(biāo)準(zhǔn)配置 一塊單芯片微控制器基本包括下面幾個內(nèi)部功能塊： CPU（中央處理器）在某些必要的板塊的控制下起核心作用； 接受由電源提供的外部能源和根據(jù)所有內(nèi)部功能板塊的用途來分配接受的能

2、源的能源管理系統(tǒng)； 時鐘和定時系統(tǒng)提供持續(xù)頻率的時鐘信號，在外部振動系統(tǒng)的幫助下使得整個操作過程在一個同步的狀態(tài)； 復(fù)位系統(tǒng)接受外部復(fù)位信號，和根據(jù)先前的邏輯操作過程回到開始的狀態(tài)； 控制邏輯存儲表示CPU如何來指導(dǎo)操作過程中運行的程序或指令組； 變量區(qū)域來存儲在操作過程中產(chǎn)生的內(nèi)部數(shù)據(jù)； 一個像嵌入式微控制器的微控制器的內(nèi)部配置和跟外設(shè)相連的最基本原理如圖2.1所示。 微控制器的家族通常叫做“單片機(jī)”，根據(jù)體積，形狀，引腳數(shù)，功能，型號等等的不同可以分為許多不同的種類，在原理上可以分為“嵌入式微控制器”，“外部存儲微控制器”和“數(shù)字信號處理器”三大類，在特點，結(jié)構(gòu)，功能和應(yīng)用范圍有共同之處也

3、有不同的地方。它們之間有的可以通過加入一些改進(jìn)來相互代替，但是有些擁有它們特殊而不能在其他類型上找到的優(yōu)缺點。上面提到的每種類型的微控制器在后面將會簡短的描述的。 圖2.12-1-1 嵌入式微控制器圖2.1所示的嵌入式微控制器的種類包括非常廣泛的范圍。它們共同的特點是一個單芯片含有獨立工作的幾乎所有的必要的功能，比如存儲功能，輸入輸出接口，因此，用戶只需要給嵌入式微控制器提供電源和時鐘信號就能驅(qū)動它工作。 嵌入式微控制器能當(dāng)做基于微處理器標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)已經(jīng)建立了，也可以當(dāng)做由利用微控制器標(biāo)準(zhǔn)建立的系統(tǒng)。因此它能夠?qū)崿F(xiàn)許多功能就像在單片機(jī)上的單任務(wù)。 嵌入式微控制器一個基本的作用是提供廉價的程序邏

4、輯控制器和接口。因此，它們不需要擁有好標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜的功能，但它們能夠根據(jù)不同的要求執(zhí)行非常復(fù)雜的控制聯(lián)系。 大致上微控制器有一下共同特點： CPU（中央處理器）； 復(fù)位（回到最初的地址）功能； 內(nèi)部時鐘定時功能； 程序存儲器（EPROM,EEPROM）程序輸入端口； 數(shù)據(jù)存儲器（RAM）； I/O（輸入/輸出）引腳； 指令周期計時器. 基于上面提到的這個基本芯片的裝置能夠為電腦滿足基本的要求，下面列舉的增加的功能根據(jù)它們的I/O腳已經(jīng)實現(xiàn)了： 內(nèi)部安裝監(jiān)控/調(diào)試程序; 內(nèi)部控制存儲編程的能力在主機(jī)控制下執(zhí)行的; 不同中斷源引起的中斷能力 模擬信號，PWM信號，DC信號的I/O口連續(xù)I/O口（同步

5、和異步）平行I/O口，包括能和主處理器直接相連的接口外部存儲接口 上面列舉的特點讓微處理器更靈活簡單的使用，而且能夠?qū)崿F(xiàn)許多正在解決的看起來不能實現(xiàn)的任務(wù)。2-1-2 外部存儲微控制器 外部存儲微控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖2.2所示 圖2.2 外部存儲微控制器的一個典型應(yīng)用是當(dāng)做存儲獲取/緩沖區(qū)，從根本上分配和緩解大量的數(shù)據(jù)，通常速度能達(dá)到幾兆。多虧了外部存儲器，外部存儲微控制器比嵌入式微控制器在相當(dāng)高的速度上工作。 大多數(shù)外部存儲微控制器有16位或者32位存儲單元來存儲運行程序。它們的運行過程完全依賴于它們的外部存儲器，包括微控制器的程序存儲器和所有的數(shù)據(jù)存儲器。 典型的外部存儲微控制器類型是英特

6、爾公司的80188型芯片。80188型芯片的主體是IBM公司個人電腦運用的8088型芯片和它們的兼容型號。在8088型芯片基礎(chǔ)上，在微控制器的應(yīng)用上一些電路在上面添加了一些典型功能運行。開發(fā)80188芯片的目的是提供一套包含有為應(yīng)用科技開發(fā)工程師所需要的功能電路。 2-1-3 數(shù)字信號處理器（DSP） 這是一種在從模擬信號中抽樣出的數(shù)據(jù)中起作用的相對較新穎的信號處理器，并且能夠通過執(zhí)行內(nèi)部核心算法來計算出相應(yīng)的價值。 DSP和它們的算術(shù)邏輯部位在很高的速度下運轉(zhuǎn)，所以不能實現(xiàn)實時控制，并且它們包括大量數(shù)學(xué)計算系統(tǒng)，因此它們在高科技領(lǐng)域很受歡迎。 由于它們的高速和計算功能，DSP經(jīng)常在某些方面比

7、如飛機(jī)場的微電話機(jī)，電視中心的信號處理器用來消除噪音。 DSP算法發(fā)展是一個很特殊的領(lǐng)域，尤其是需要高水平的算法的控制理論中的一個重要分支，比如Fusssy Logics,一個非經(jīng)典的數(shù)學(xué)家，支持電腦系統(tǒng)控制。 DSP有各種各樣的種類。它們都擁有在嵌入式微控制器和外部存儲微控制器中能發(fā)現(xiàn)的共同特點。DSP不僅能單獨的使用，還能結(jié)合一個被中央控制設(shè)備比如微控制器或者在接口幫助下組織的系統(tǒng)。 DSP主要用來控制外部數(shù)字化硬件，或者處理輸入信號和工作在用等式描述的方式的結(jié)構(gòu)輸出信號。2-2 微控制器的基本設(shè)計結(jié)構(gòu) 微控制器同樣也屬于微數(shù)字處理器的大家族，因此最開始的硬件和軟件分類跟后來的是一樣的。它

8、們的軟件結(jié)構(gòu)包括CISC結(jié)構(gòu)和RISC結(jié)構(gòu)，硬件結(jié)構(gòu)包括PLINSTON結(jié)構(gòu)和HARVARD結(jié)構(gòu)。2-2-1 CISC和RISC基本結(jié)構(gòu) CISC結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一種復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(jī)的結(jié)構(gòu)，RISC相當(dāng)于一種精簡指令系統(tǒng)計算機(jī)的結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)類型的主要不同之處的關(guān)鍵點在下面列舉出的不同指令結(jié)構(gòu)。 運轉(zhuǎn)速度盡管一些CISC類型的處理器被當(dāng)做類似RISC類型，但通常RISC微控制器的運轉(zhuǎn)速度要高于CISC微控制器。許多CISC類型的處理器比RISC類型能更快的執(zhí)行運轉(zhuǎn)代碼，或者運用更高水平的技術(shù)，這一點是RISC類型不能夠?qū)崿F(xiàn)的。指令存儲與實現(xiàn)CSIC：通常很多指令存儲在處理器, 實現(xiàn)了一個單一的操

9、作不同的步驟, 如直接數(shù)據(jù)讀取或填充,和標(biāo)志寄存器測試, 每個操作來實現(xiàn)由設(shè)計師需要設(shè)置一個指令的組合.RISC：通常，每個指令存儲在處理器中存在一個最小單位的基礎(chǔ)上對用戶自己設(shè)計所需要的操作，這不是由設(shè)計者預(yù)先做好的。例如，一個堆棧的過程包括兩個操作設(shè)置，進(jìn)棧和出棧。進(jìn)棧操作設(shè)置在一個中斷過程的開始實施，包括將所有相關(guān)數(shù)據(jù)，地址和狀態(tài)標(biāo)志，有序的堆棧寄存器，他們將在那里暫存；出棧操作是中斷處理后實施，包括捕捉相同的數(shù)據(jù)，地址和狀態(tài)標(biāo)志，在相反的順序，從暫存它們堆棧寄存器。實現(xiàn)在RISC處理器上面提到的所有操作只需要兩個指令：“把數(shù)據(jù)從寄存器中取出”和“將數(shù)據(jù)輸入寄存器”， 但很多編程任務(wù)由用

10、戶完成，然而，在CISC處理器中，實現(xiàn)所有相同的操作兩個指令結(jié)合，進(jìn)棧和出棧，它們被設(shè)計者設(shè)計和編程，然后作為一種產(chǎn)品供用戶使用。2-2-2 基本的硬件結(jié)構(gòu)哈佛和普林斯頓 哈佛和普林斯頓結(jié)構(gòu)是被哈佛大學(xué)和普林斯頓大學(xué)的專家在1970年為了滿足公眾需求而創(chuàng)立的，為了與高運行速度和變化的環(huán)境相適應(yīng)。普林斯頓結(jié)構(gòu)的原理如圖2.3所示。為了存儲控制程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中常見的存儲器是陣列的，如變量和堆棧以及存儲器接口的使用，以構(gòu)造任意通道指向的內(nèi)存空間，&&支持處理器與內(nèi)部寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸。圖2.3 普林斯頓結(jié)構(gòu)當(dāng)多通道數(shù)據(jù)取出或放進(jìn)在很短的時間內(nèi)，普林斯頓結(jié)構(gòu)的問題“瓶頸效

11、應(yīng)”就會出現(xiàn)，因此數(shù)據(jù)流將被拒絕。在哈佛結(jié)構(gòu)有靈活的連接和接口之間的處理器，控制存儲器，寄存器和堆?？臻g，因此“瓶頸效應(yīng)”，并且作為一個結(jié)果數(shù)據(jù)的阻止是可以避免的，但是當(dāng)一系列復(fù)雜的操作被完成時普林斯頓結(jié)構(gòu)的優(yōu)點就能體現(xiàn)出來（圖2.4）。圖2.4 哈佛結(jié)構(gòu)2-3 PMOS，NMOS，BMOS和CMOS芯片技術(shù)隨著微控制器制造業(yè)的發(fā)展，像所有其它的電子產(chǎn)品，微型計算機(jī)已經(jīng)變得越來越小，運行得越來越快，功耗越來越低，并且價格越來越便宜，主要是由于制造技術(shù)的提高，特別在材料加工技術(shù)方面。這個CMOS邏輯技術(shù)現(xiàn)在廣泛用于微控的材料加工技術(shù)方面，它已經(jīng)在提供電腦功能和電氣接口方面做出了巨大的貢獻(xiàn)，主要是

12、一個PMOS和NMOS晶體管結(jié)合的推拉技術(shù)，如圖2.5所示，包括在一個CMOS反相器或“非”門，當(dāng)輸入信號為低電平時，PMOS晶體管將導(dǎo)通并且NMOS晶體管將被截止。也就是說，晶體管扮演著“開關(guān)”的作用，在高電平將會被導(dǎo)通，在信號響應(yīng)于輸入信號為“低電平”時提供高電平。相反的，當(dāng)收到一個“高電平”信號，NMOS晶體管將會被導(dǎo)通，將該輸出線到地面提供一個“低電平的輸出信號。提到的三個方面的全名將在下面給出：圖2.5 CMOS非門P型和N型MOSP型和N型的金屬氧化硅半導(dǎo)體這些早期的PMOS和NMOS用于微控制器的微處理器制造歷史材料技術(shù)的方面；BMOS雙極性金屬氧化硅半導(dǎo)體這種材料技術(shù)是P型和N

13、型的結(jié)合，現(xiàn)代被用于微控制器制造業(yè)的材料結(jié)構(gòu)；CMOS互補(bǔ)型金屬氧化硅半導(dǎo)體這個邏輯技術(shù)的優(yōu)勢是硅晶體結(jié)構(gòu)類型的組合的優(yōu)化開發(fā)，因此這種微控制器有低功耗，價格便宜，運轉(zhuǎn)速度快和大容量的優(yōu)點。隨著芯片技術(shù)越來越成熟，下面提及的一些重要的術(shù)語和問題能夠被解釋得越來越清楚。1）功耗與工作頻率的關(guān)系在上面提及的狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間，流過晶體管的電流是非常小的。隨著工作頻率（運行頻率）的增加，在一個給定的時間段內(nèi)電流會流得更頻繁，因此平均電流，也就是裝置的功耗將會上升。2）“睡眠模式”在這種工作模式下，沒有輸入信號被接收或?qū)θ魏屋斎胄盘枦]有運行反應(yīng)，也就是說沒有門打開，因此沒有電流流過這個裝置，這時的功耗就接近

14、于零。3)信號交換點在用任何裝置之前，檢查輸入信號交換點是否符合裝置的輸入閾值是重要的。對于CMOS裝置典型的是1.4V到Vcc的一半。但不同型號的裝置它是不同的。4)高低壓水平CMOS能夠與最積極的邏輯技術(shù)直接接口，邏輯“1”表示高電平，邏輯“0”表示低電平。因此在所有的情況下能夠確保高電平與低電平的區(qū)別是重要的，高電平的輸入總是高于閥值電壓的。2-4 微處理器的基本操作過程微處理器的最基本的操作過程包括下面幾步，如圖2.6所示：1） 指令提取CPU從內(nèi)部或外部的控制存儲器ROM的空間里取出指令，根據(jù)上一步計算的地址來確認(rèn)指令的內(nèi)容；2） 指令代碼的計算CPU的指令代碼計算器計算指令的代碼，

15、例如，給最后計算出來的代碼加1；3） 指令執(zhí)行根據(jù)一系列的指令由CPU執(zhí)行運行控制操作系統(tǒng)；4） 地址計算地址計算器計算下一個地址，例如，給最后一個計算出來的地址加一地址增量；5） 重復(fù)重復(fù)步驟1）并且開始下一個循環(huán)。一個過程的所有步驟由運行邏輯控制系統(tǒng)控制并且被一個有內(nèi)部或外部時鐘系統(tǒng)幫助的定時系統(tǒng)所同步（圖2.6）。圖2.6 基本運行過程2-5 微處理器的運行周期通常描述單片機(jī)的執(zhí)行過程有五種周期：時鐘周期、機(jī)器周期、指令周期、狀態(tài)周期、震蕩周期。每個周期作如下簡短的描述。 時鐘周期是單片機(jī)中最基本的周期，也稱為時鐘脈沖。這種周期通過內(nèi)部或外部的震蕩電路產(chǎn)生。比如由一個內(nèi)部的電能源電路驅(qū)動

16、的晶體振子系統(tǒng)，它和震蕩元件產(chǎn)生的周期等效。 機(jī)器周期是完成一個基本操作所需的時間。 指令周期是執(zhí)行一條指令所需的時間。 振蕩時鐘周期，用“P”標(biāo)志，它的時間必須是時鐘周期的整數(shù)倍。 狀態(tài)周期，用“S”標(biāo)志，它的時間是整數(shù)倍個震蕩周期，例如：在單個的MSC80-C51芯片中，1S是一個時鐘周期等同于2P。 一個很通俗的例子是單個微處理器芯片MCS80-C51，如果選1MHZ的晶振元件作為時鐘系統(tǒng)，那么1個時鐘周期等于1us，12個時鐘周期定義為1個機(jī)器周期也等于12 us；根據(jù)指令的長度1個指令周期包含1或2個機(jī)器周期，也就是12或24個時鐘周期等、12 us或24 us。2-6 基本工作條件

17、和核心的功能塊 微處理器正常運行基本的硬件條件是十分重要的、或者說至少應(yīng)具備的，微處理器系統(tǒng)根據(jù)這種條件配置的硬件如圖2.7中所示，它是根據(jù)80C51單片機(jī)配置繪制的，其中每個外圍元件和相關(guān)的電路確保了微處理器的正常運行，現(xiàn)在分別描述如下：2-6-1 電源 實際上現(xiàn)在所有的微處理器都采用了COMS技術(shù)，這種技術(shù)相對于以前的對電源的要求明顯降低了。但是在斷電時微處理器的操作通常要用蓄電池和“超級電容”，因此要充分考慮電能消耗的最小化，下面是三個要考慮的條件：固有電源微處理器運行本身需要的電源；I/O驅(qū)動電源承擔(dān)當(dāng)單片機(jī)充當(dāng)外部設(shè)備的電流源時的消耗；休眠狀態(tài)/后備電源用于微處理器在等待一個特定的外

18、部事件時鐘開關(guān)的睡眠/待機(jī)模式下的電能消耗。許多芯片具有強(qiáng)大的處理電路可以適應(yīng)大量的不同種類的外設(shè)和電源，電壓范圍從1V到6V.在不同的設(shè)備中描述電源的術(shù)語也不同（如圖2.7），比如VCC或VDD：表示高電壓通常是+5V或+2V, Vss或GND表示接地。圖 2.7 單片機(jī)最小系統(tǒng)在應(yīng)用微處理器時，一個重要的必須考慮的因素是外部復(fù)雜的電源環(huán)境和干擾對電源電壓的解耦。一個使用、可靠的解決方法是盡可能地在Vcc（Vdd）引腳接一個0.1uf的鉭電容（如圖2.7中的C2和C3）， 從而允許設(shè)備通過更大的I/O傳輸電流不至于造成突然地復(fù)位或數(shù)據(jù)缺失。并且可以對來自正極或負(fù)極的電流進(jìn)行過濾。這里C3用來

19、抵消在Vcc和Vss線路中高頻振蕩可能帶來的電感干擾.2-6-2 復(fù)位 為了保證微處理器在可靠地電壓下運行。像圖2.7中所示的C1，R1和S1組成的復(fù)位系統(tǒng)通常與芯片的RESET引腳接在一起。這就使芯片具備兩種功能：重啟的功能和電源保持的功能，具體描述如下：（1）重啟功能 此功能工作過程如下： 如果芯片在運行中，按下開關(guān)S1（圖2.7），連在一起的Vcc和RESET引腳使電流從Vcc流向該引腳，導(dǎo)致該引腳保持高電平，并且該芯片的操作邏輯變回初始狀態(tài)，或者說地址指針操作邏輯變?yōu)槌跏嫉刂?。因此，通過手動地打開S1，操作邏輯可以使芯片從混亂狀態(tài)中恢復(fù)，比如由于外部的干擾引起的死循環(huán)。（2）延遲功能的

20、電源 此功能工作過程如下： 當(dāng)電源的開關(guān)被打開時，電容C1通過R1充電，電流從復(fù)位引腳流向Vcc，并使復(fù)位引腳處于高電平，復(fù)位過程如上所述，初始狀態(tài)直到充電結(jié)束和充電電流消失為止。這個過程可以將操作邏輯延遲在初始狀態(tài)，直到電源進(jìn)入下一個穩(wěn)定狀態(tài)。2-6-3 系統(tǒng)時鐘/振蕩器 運行時微處理器的每個操作步驟必須遵循精確的時序系統(tǒng)，這個時序系統(tǒng)是由外部提供的像時鐘一樣有穩(wěn)定的脈沖序列與恒定的頻率。提供這樣的脈沖序列的系統(tǒng)稱為時鐘的信號系統(tǒng)，或簡單的“時鐘”，它是由一個電源電路驅(qū)動（如圖3.7，Cl表示晶振，C4和C5：用于保證晶振系統(tǒng)的穩(wěn)定）的震蕩電路，此電源與震蕩電路的震蕩同步并為此震蕩電路提供電

21、能。 大多數(shù)的微控制器的設(shè)計可以工作在較寬的頻率范圍內(nèi)：從直流到幾十兆赫茲。微處理器的實用范圍是由晶體震蕩器頻率范圍的選擇確定的 。 另外的用于提供時鐘方法是“RC震蕩器” 和一個任意的可以提供穩(wěn)定時鐘信號序列的外部電路或元件。第一個使用的是RC網(wǎng)絡(luò)上升/下降時間的特性。因此它是最便宜的但不夠準(zhǔn)確。 一些微控制器有內(nèi)部的RC或“環(huán)”型震蕩器，沒有任何外部的部分。它們通常通過一個配置寄存器控制存儲器編程。2-6-4 幅值與相位相反的元件為了連接微處理器（通常，TTL或CMOS通信協(xié)議中邏輯“1”表示5V,邏輯“0”表示0V）和個人電腦或其他設(shè)備(通常，在通信協(xié)議中邏輯“1”表示812V,邏輯“0”