嵌入式微处理器系统设计--概述

8051系列和AT89系列单片机
表1 目前世界上著名的8位单片机的生产厂家和主要机型
公司 Intel公司 Atmel公司 Philips公司
Winbond公司
LG公司 Cygnal公司 Motorola公司 Zilog公司 Microchip公司 Atmel公司
产品型号 MCS-51及其增强系列单片机 AT89X51系列Flash单片机 8XC552及89C66X系列高性能单 片机 W78C51及W77C51系列高速低 价单片机 GMS90/97系列高速低压单片机 C8051F系列高速SOC单片机 6801和6805系列高性能单片机 Z8系列特殊应用设计单片机 PIC系列RISC结构单片机 AVR系列RISC结构单片机
硬件开发
PIC单片机
PIC单片机系列是美国微芯公司（Microship）的产品，是 当前市场份额增长最快的单片机之一。CPU 采用 RISC结构 ，分别有33、35、58条指令（视单片机的级别而定），属 精简指令集。而51 系列有111 条指令，AVR 单片机有 118 条指令，都比前者复杂。
AVR 单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单 周期指令。而单周期既可执行本指令功能，同时完 成下一条指令的读取。
通常时钟频率用4～8MHz，故最短指令执行时间 为 250～125ns。该系列的型号较多，见表格。
AVR单片机开发
开发软件 ICCAVR、CVAVR、GCC_WinAVR、AVR Studio等。 ISP烧写软件（编程软件）： ICCAVR、CVAVR 、AVR_fighter、SLISP等 仿真软件：Proteus Altium：PCB
ARM7 SecurCore
Xscale
ARM9
ARM9E ARM10
ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列， 每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的 需求。
SecurCore系列专门为安全要求较高应用而设计。 ARM公司在经典处理器ARM11以后的产品改用Cortex命，
采用Harvard双总线结构，运行速度快指令周期约160～ 200ns，它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行 处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作 ，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样 总的看来每条指令只需一个周期（个别除外） ，这也是高 效率运行的原因之一。此外，它还具有低工作电压、低功耗 、驱动能力强等特点。
AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方 便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产 、更新。内嵌长寿命的EEProm可长期保存关键数据 ，避免断电丢失。片内大容量的RAM不仅能满足一 般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开 发系统程序，并可像51单片机那样扩展外部RAM。
当今单片机厂商琳琅满目，产品性能各异。针对具 体情况，我们应选何种型号呢？
首先，我们来弄清两个概念：集中指令集（CISC） 和精简指令集（RISC）。
采用CISC结构的单片机数据线和指令线分时复用， 即所谓冯.诺伊曼结构。它的指令丰富，功能较强， 但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格 亦高。
采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离，即所 谓哈佛结构。这使得取指令和取数据可同时进行， 且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类 CISC单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更 高，速度亦更快。同时，这种单片机指令多为单字 节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实 现超小型化。
并分成A、R和M三类，旨在为各种不同的市场提供服务。 Cortex系列属于ARMv7架构，定义了三大分工明确的系列
：“A”系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应 用；“R”系列针对实时系统；“M”系列对微控制器。 Cortex-M 系列针对成本和功耗敏感的MCU和终端应用（如 智能测量、人机接口设备、汽车和工业控制系统、大型家用 电器、消费性产品和医疗器械）的混合信号设备进行过优化
DSP: Digital Signal Processor:
CPLD、FPGA:可编程逻辑器件,
Complex Programmable Logic Device ,Field－ Programmable Gate Array
CPU
中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一 块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心 （Core）和控制核心（ Control Unit）。
PIC单片机
PIC系列单片机共分三个级别，即基本级PIC12、中 级PIC16、高级PIC18。其中又以中级 的 PIC16F873、PIC16F877 用的最多，这两种芯 片除了引出脚不同外（PIC16F873为 28 脚的 PDIP 或 SOIC 封装； PIC16F877为 40 脚的 PDIP 或 44 脚的PLCC/QFP 封装），其他的差别并不很大 。
MSP430单片机的主要特性
超低功耗
0.1 A掉电模式
• 高集成度
0.8 A等待模式
10bit SAR ADC
250 A /1MIPS
（200ksps）
（1 S时钟唤醒时间）
12bit SAR ADC
50nA 端口漏电流
（200ksps）
12bit DAC
• 16bit RISC CPU 27条核心指令 7种寻址模式
它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软 件中的数据。
中央处理器主要包括运算器（算术逻辑运算单元， ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速缓冲存储器 （Cache）及实现它们之间联系的数据（Data）、 控制及状态的总线（Bus）。它与内部存储器（ Memory）和输入/输出（I/O）设备合称为电子计算 机三大核心部件。
ARM公司是知识产权（IP，Intellectual Property ）公司， 本身不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来生产 各具特色的芯片。
全世界有几十家著名的半导体公司都使用ARM公司的授权 ，其中包括摩托罗拉、IBM、Intel、SONY、NEC、LG、 ATMEL等，从而保证了大量的开发工具和丰富的第三方资 源，它们共同保证了基于ARM处理器核的设计可以很快投 入市场。
ARM公司已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌 入式解决方案的RISC标准。
ARM微处理器的特点
采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点： 体积小、低功耗、低成本、高性能； 支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能
很好的兼容8位/16位器件； 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 大多数数据操作都在寄存器中完成； 寻址方式灵活简单，执行效率高； 指令长度固定。
MSP430单片机的应用领域
医疗和工业测量 葡萄糖和胆固醇浓度测量、温度计、 ERG、心率监视器、脉搏血氧仪 工业测量： 电压电流、温度、压力、 PH值…测量
• 传感设备 报警系统、烟雾探测器、智能家 居、无线资产管理、无线传感器
MSP430单片机的应用领域
日常公用测量 水表、气表、自动抄表、先进电表网络 基础设施、热分配表
部分选型见图
16位单片机-MSP430
MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开 始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器 (Mixed Signal Processor)。称之为混合信号处理 器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟 电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以 提供“单片”解决方案。
典型的单片机： 8位单片机:8051(Intel)、PIC(Microchip)、 AVR（Atmel） 16位单片机：TI公司的MSP430 32位单片机：ARM
单片机
据统计，我国的单片机年容量已达1－3亿片，且每 年以大约16%的速度增长，但相对于世界市场我国 的占有率还不到1%。这说明单片机应用在我国才刚 刚起步，有着广阔的前景。
• 便携式消费 无线鼠标和键盘、触摸按键、 手机、数码相机、MP3 电动牙刷、剃须刀、运动手表等
ARM单片机
ARM于1990年11月在英国伦敦成立，前身为Acorn计算机 公司，Advance RISC Machines (ARM)，全球领先的 16/32位嵌入式RISC微处理器解决方案供应商。
Topic 1 嵌入式微处理器系统设计 Design of embedded microprocessor system
1.典型的数据采集控制系统 -- Typical data acquisition and control system
2. 嵌入式微处理器介绍--Introduction of embedded microprocessor
ARM体系结构的版本
ARM指令集体系结构，从最初开发至今已有了重大 改进，而且将会不断完善和发展。为了精确表达每 个ARM实现中所使用的指令集，到目前ARM体系结构 共定义了7个版本，以版本号v1～v7表示。
ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新 的系列已经是ARM11了，而ARM6核以及更早的系列 已经很罕见了。目前应用比较广泛的系列是：
8051单片机
8051单片微机是美INTEL公司在1980年推出的MCS51系列单片微机的第一个成员，MCS是INTEL公司的 注册商标。凡INTEL公司生产的以8051为核心单元 的其它派生单片微机都可称为MCS-51系列，有时简 称为51系列。8051系列泛指所有公司生产的以8051 为核心单元的所有单片微机。
兼容性 与51兼容 与51不兼容
8051芯片实照
表 8051单片机及其兼容的产品
资源 配置
子系 列
无
片内ROM形式
ROM
EPRO FPERO
M
M
片内
ROM 容量
片内
RAM 容量
定时/ 中 计数 断 器源
51子 8031 8051 8751
4KB
系列
80C31 80C51 87C51 89C51 4KB
流行的嵌入式CPU:
Am186/88(AMD)、386EX、PowerPC(IBM)、 68000(Moto)、MIP
单片机--Single-Chip Microcomputer
在一片集成电路芯片上集成CPU、存储器、I/O接口 电路等元器件，从而构成了“单芯片微型计算机” ，简称单片机
MSP430单片机系列种类
非基于LCD
MSP430x1xx： 基于闪存/ ROM的MCU提供1.8伏至3.6伏的工作电压、 高达60kB和8MIPS(带有基本时钟) MSP430F2xx： 基于闪存的MCU 提供1.8 伏至3.6 伏工作电压、掉电 复位及16MIPS(带有基本时钟) MSP430F5XX： 基于闪存的MCU 提供1.8 伏至3.6 伏工作电压、掉电 复位及18MIPS(带有基本时钟)
3. 嵌入式微处理器选型--Embedded microprocessor selection
4. 微处理器的开发方式 （MCU Development ）
典型的数据采集控制系统（以单片机为例）
微处理器
嵌入式微处理器
1. 微处理器（MPU）分类 CPU：通用、专用 单片机：（或微控制器MCU）
OP AMP，PGA，LCD DRIVER ， 硬件乘法器、
DMA etc.
MSP430单片机系列种类
基于LCD
MSP430 4xx： 基于闪存的MCU，提供1.8伏至3.6伏工作电压、 高达120kB的闪存/ROM和8 MIP (带有FLL+SVS)
MSP430 3xx ： ROM/OTP 产品系列MCU，提供2.5伏至5.5伏工作电压， 高达32kB和4MIPS(带有FLL)
128B 2×16 5 128B 2×16 5
52子 8032 8052 8752
8KB
系列
80C32 80C52 87C52 89C52 8KB
256B 3×16 6 256B 3×16 6
几种单片机封装形式
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AVR单片机
AVR单片机是Atmel公司推出的增强型内置Flash的 RISC 精简指令集高速8位单片机。其显著的特点为 高性能、高速度、低功耗。它取消机器周期，以时钟 周期为指令周期，实行流水作业。