微控制器的结构

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（2）操作控制器 ）
发布操作命令的指挥中心，由指令部件、 发布操作命令的指挥中心，由指令部件、时序部件 和微操作控制部件等三部分组成。 和微操作控制部件等三部分组成。 指令部件：是一种能对指令进行分析、 ①指令部件：是一种能对指令进行分析、处理和产生控 制信号的逻辑部件，也是控制器的核心。通常， 制信号的逻辑部件，也是控制器的核心。通常，指令 部件由程序计数器PC (Program Counter)、指令寄存 部件由程序计数器 、 和指令译码器ID 器IR (Instruction Register)和指令译码器 和指令译码器 (Instruction Decoder)等三部分组成。 等三部分组成。 等三部分组成 时序部件：由时钟系统和脉冲分配器组成， ②时序部件：由时钟系统和脉冲分配器组成，用于产生 脉冲信号。其中， 微操作控制部件所需的定时 脉冲信号。其中，时钟 系统(Clock System)产生机器的时钟脉冲序列，脉冲 系统 产生机器的时钟脉冲序列， 产生机器的时钟脉冲序列 分配器(Pulse Distributor)又称“节拍发生器”，用 又称“ 分配器 又称 节拍发生器” 于产生节拍电位和节拍脉冲。 于部件：可以为ID输出信号配上节拍电位和节 微操作控制部件：可以为 输出信号配上节拍电位和节 拍脉冲， 的控制信号组合， 拍脉冲，也可与外部进来 的控制信号组合，共同形成 相应的微操作控制序列，以完成规定的操作。 相应的微操作控制序列，以完成规定的操作。
2．存储器 ．
(1) RAM (Random Access Memory) 的内容可读、可写， 的内容可读、可写， 掉电后内容消失。 掉电后内容消失。主要用来存放实时数据或作为通用寄 存器、数据堆栈和数据缓冲器之用。 存器、数据堆栈和数据缓冲器之用。 一般用于存放应用程序， (2) ROM (Read Only Memory)一般用于存放应用程序， 一般用于存放应用程序 故又称为程序存储器。控制系统研制成功后， 故又称为程序存储器。控制系统研制成功后，其硬件和 应用程序均已定型。 应用程序均已定型。 存储容量＝ 存储容量＝2n 其中， 为地址线条数 为地址线条数。 其中，n为地址线条数。 例如，对于一个有 条地址线和 条数据线的ROM存储 条地址线和8条数据线的 例如，对于一个有16条地址线和 条数据线的 存储 其存储容量的地址范围为0000H～FFFFH，共 器，其存储容量的地址范围为 ～ ， 64KB。 。 特点：在微控制器内部，只读存储器 特点：在微控制器内部，只读存储器ROM和随机存取存储 和随机存取存储 存储器是分开制造的。 器RAM存储器是分开制造的。通常，ROM存储器容量较 存储器是分开制造的 通常， 存储器容量较 存储器的容量较小。 大，RAM存储器的容量较小。 存储器的容量较小
2.1.2 微控制器的体系结构
• 具备了通用微型计算机的全部特征 • 仍属于经典的冯·诺依曼计算机体系结构 仍属于经典的冯 诺依曼计算机体系结构 • 程序存储和程序控制的基本思想是：将程序和数据都存 程序存储和程序控制的基本思想是： 的基本思想是 放在计算机的存储器内， 放在计算机的存储器内，当用户启动存放在存贮器中的 程序后，由位于存储器内的程序自动控制计算机的运行。 程序后，由位于存储器内的程序自动控制计算机的运行。 即计算机按照程序中规定的次序和步骤逐条地执行该计 算机程序中的指令，处理存放在存储器中的数据、 算机程序中的指令，处理存放在存储器中的数据、由 I/O设备提供的数据及用户在运行时刻随机提供的少量 I/O设备提供的数据及用户在运行时刻随机提供的少量 数据。 数据。
（d） ）
（e） ）
（f） ）
(d)塑料有引线芯片载体（PLCC: Plastic Leaded Chip 塑料有引线芯片载体（ 塑料有引线芯片载体 Carrier） ） (e)四边引出扁平封装（QFP: Quad Flat Package） 四边引出扁平封装（ ） 四边引出扁平封装 (f)薄形四边引出扁平封装 （LQFP: Low Quad Flat 薄形四边引出扁平封装 Package） ）
第2章 章 微控制器的结构、时序和工作方式 微控制器的结构、
本章主要内容 2.1 微控制器结构 2.2 微控制器时序 2.3 微控制器工作方式 2.3 典型微控制器的特点
2.1 微控制器的结构
2.1.1 微控制器常用封装
（a）
（b）
（c）
(a)双列直插封装（DIP: Dual In-line Package） 双列直插封装（ 双列直插封装 ） (b)塑料双列直插封装（PDIP: Plastic Dual In-line Package） 塑料双列直插封装（ 塑料双列直插封装 ） (c)超小型双列直插封装（SDIP: Shrink Dual In-line 超小型双列直插封装（ 超小型双列直插封装 Package） ）
图2-2
MCU 的基本结构
1. 存储器与 存储器与CPU的连接的两种方案 的连接的两种方案 有程序存储器与数据存储器， 有程序存储器与数据存储器，一般情况下前者使 用ROM，后者使用RAM。 ，后者使用 。 （1）哈佛体系 ） 存储单元的地址采用各自独立编址。 存储单元的地址采用各自独立编址。 Intel公司的 公司的MCS-51／96微处理器采用这种结构。这 微处理器采用这种结构。 公司的 ／ 微处理器采用这种结构 种独自分离编址结构的优点是能生成双倍空间， 种独自分离编址结构的优点是能生成双倍空间，例如 使用16位地址线即能寻址 位地址线即能寻址64KB程序存储器与 程序存储器与64KB数 使用 位地址线即能寻址 程序存储器与 数 据存储器，总计获得了128KB存储器容量。此外，分 存储器容量。 据存储器，总计获得了 存储器容量 此外， 离的总线通道还提高了访问的速率。 离的总线通道还提高了访问的速率。
2.1.3 微控制器的组成
微控制器在同一块芯片集成了CPU（中央处理单 （ 微控制器在同一块芯片集成了 ）、存储器 并行和串行I/O端口 定时器/计数器和 存储器、 端口、 元）、存储器、并行和串行 端口、定时器 计数器和 中断系统等功能部件，如图2-2所示 所示。 中断系统等功能部件，如图 所示。 1．CPU ． CPU是微控制器的核心部件，它通常由运算器、 是微控制器的核心部件，它通常由运算器、 是微控制器的核心部件 控制器和中断电路等组成。 控制器和中断电路等组成。CPU进行算术运算和逻辑 进行算术运算和逻辑 操作的字长同样有4位 位和32位之分 操作的字长同样有 位、8位、16位和 位之分，字长 位 位和 位之分， 越长运算速度越快，数据处理能力也就越强。 位 越长运算速度越快，数据处理能力也就越强。8位CPU 的内部基本结构如图2-3所示 所示。 的内部基本结构如图 所示。
g） （g）
h） （h）
i） （ i）
(g)薄小外形封装 (TSOP: Thin Small Outline Package) 薄小外形封装 (h)小外形集成电路封装 (SOIC: Small Outline Integrated 小外形集成电路封装 Circuit Package) (i) 底触点无引脚扁平封装 （ HVQFN : heatsink very thin quad flat pack no leads ）
2. I／O端口的编址的两种方案 ／ 端口的编址的两种方案 （1）分离编址方案 ） 端口再独立开辟一个空间， 为I／O端口再独立开辟一个空间，用专门的 ／O ／ 端口再独立开辟一个空间 用专门的I／ 访问控制线与指令实现I／ 操作 例如， 操作。 访问控制线与指令实现 ／O操作。例如，Intel的 的 80x86指令系统中就使用 指令与 指令系统中就使用IN指令与 指令。 指令系统中就使用 指令与OUT指令。Intel的 指令 的 MCU将I／O端口作为内部寄存器处理，独立于程序存 端口作为内部寄存器处理， 将 ／ 端口作为内部寄存器处理 储器和外部数据存储器空间， 储器和外部数据存储器空间，类似哈佛结构的分离编 址。 （2）统一编址方案 ） Freescale的MCU则将 ／O地址与存储器地址统 的 则将I／ 地址与存储器地址统 则将 一在一个空间，仅仅分配不同的单元地址而已。因而， 一在一个空间，仅仅分配不同的单元地址而已。因而， 与普林斯顿结构类似。 与普林斯顿结构类似。
（2）普林斯顿体系 ） 程序存储器与数据存储器统一编址在一个空间内。 程序存储器与数据存储器统一编址在一个空间内。 Freescale公司的微处理器采用此种结构。如使用 公司的微处理器采用此种结构。 公司的微处理器采用此种结构 如使用16 位地址线获得64KB统一空间结构，由程序存储器与数 统一空间结构， 位地址线获得 统一空间结构 据存储器共享，按需分配，分段使用。 据存储器共享，按需分配，分段使用。 注意：哈佛结构的存储器地址出现重叠， 注意：哈佛结构的存储器地址出现重叠，但通过不同的 控制线并配合不同的指令就可以区分开来。例如，在 控制线并配合不同的指令就可以区分开来。例如， Intel的MCS-51指令系统中，用MOVC指令访问程序 指令系统中， 的 指令系统中 指令访问程序 存储器， 指令访问数据存储器。 存储器，用MOVX指令访问数据存储器。普林斯顿结 指令访问数据存储器 构则可以使用同一指令访问两种存储器， 构则可以使用同一指令访问两种存储器，仅由指令中 的地址参数寻址不同的单元即可。 的地址参数寻址不同的单元即可。
3. 寄存器的结构 系列的微处理器中， 在80x86与Pentium系列的微处理器中，大量的 与 系列的微处理器中 CPU寄存器都有各自专门的命名符号，它们都与存储 寄存器都有各自专门的命名符号， 寄存器都有各自专门的命名符号 器或I／ 地址没有关系 地址没有关系。 使用内部RAM作 器或 ／O地址没有关系。Intel的MCU使用内部 的 使用内部 作 为寄存器，它们独立于程序存储器和外部数据存储器， 为寄存器，它们独立于程序存储器和外部数据存储器， 指令访问， 用MOV指令访问，类似分离编址的哈佛型结构。 指令访问 类似分离编址的哈佛型结构。 Freescale微控制器中的寄存器则占用存储器资源， 微控制器中的寄存器则占用存储器资源， 微控制器中的寄存器则占用存储器资源 为它们分配了一些专用的地址空间。 为它们分配了一些专用的地址空间。 结论：各厂家在 的设计上还有许多不同之处， 结论：各厂家在MCU的设计上还有许多不同之处，都形 的设计上还有许多不同之处 成了自己的风格， 成了自己的风格，而且体系结构上的区别自然会造成 指令集的明显不同。 指令集的明显不同。
图2-3
8位CPU 的内部基本结构 位
（1）运算器 ）
运算器用于对二进制数进行算术运算和逻辑操作； 运算器用于对二进制数进行算术运算和逻辑操作； 由操作控制器控制其操作顺序。由算术逻辑单元ALU、 由操作控制器控制其操作顺序。由算术逻辑单元 、 累加器A、通用寄存器GR、暂存器 和程序状态字寄 累加器 、通用寄存器 、暂存器TR和程序状态字寄 存器PSW等五部分组成。 等五部分组成。 存器 等五部分组成 • • • 累加器A 累加器 (Accumulator) 暂存器TR (Temporary Register) 暂存器 算术逻辑单元ALU (Arithmetic and Logical Unit)，主 算术逻辑单元 ， 要由加法器、移位电路和判断电路等组成， 要由加法器、移位电路和判断电路等组成，用于对累 加器A和暂存器 和暂存器TR中两个操作数进行四则运算和逻辑 加器 和暂存器 中两个操作数进行四则运算和逻辑 操作。 操作。 程序状态字寄存器PSW (Program Status Word) 程序状态字寄存器 通用寄存器GR (General—purpose Register) 通用寄存器 —