常见嵌入式处理器
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常见嵌入式处理器
关于嵌入式处理器
嵌入式处理器有应用针对性 全世界嵌入式处理器的种类已经超过1000种,流
行的体系结构有30多个 几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器 嵌入式处理器中,单片机在使用量上最大,其中市
场占有率又以8051兼容产品为最多 生产8051单片机的半导体厂家有20多个,共350多
8051单片机时序
MCS-51有固定的机器周期 一个机器周期有6个状态,分别表示为S1-S6 一个状态包含两个节拍,那么一个机器周期就有
12个节拍,我们可以记着S1P1、S1P2、 … … S6P1、S6P2。一个节拍为一个时钟周期 一个机器周期共包含12个时钟周期(振荡脉冲) 使用6MHz的时钟频率,一个机器周期是2us;使 用12MHz的时钟频率,一个机器周期就1us
逻辑操作指令包括单操作数指令(13)和双操作 数指令两类(22)
单操作数指令中的操作数是累加器或任何可直接 寻址位,包括清零、置位、求反、移位、半字节 交换等
双操作数指令包含逻辑与、逻辑或、逻辑异或指 令三种
MCS-51控制转移类指令(22)
无条件调用返回转移指令(7) 条件转移指令外(13) 1条中断返回指令(1) 1条空操作指令 (1)
MPCA
RS-232
I2C
SD接口 定时器
I2S
RTC
什么是ARM
ARM,常有两方面的含义,一方面指是 ARM公司,另一方面指基于ARM IP (Intellectual Property,知识产权)核的嵌 入式微处理器
种衍生产品
8051单片机
51单片机嵌入式系统实例
小区智能化中的宽带家庭智能终端
1号房终端 2号房终端
n号房终端
···
小区以太网
• 家庭安防 • 远程抄表 • 消息发布 • 网络接入 • 电器控制
物业管理办公室 (管理软件)
宽带家庭智能终端功能
三表抄收 家庭安防
电器控制
网络服务 卧室电脑 卧室电脑 客厅电脑
在物理上:有4个相互独立的存储空间。 片内和片外程序存储器; 片内和片外数据存储器。
在逻辑上:有三个彼此独立的地址空间 片内外统一编地址的64KB程序存储器地址间; 256字节的片内数据存储器地址空间; 64KB片外数据存储器地址空间
8051单片机存储器结构
8051单片机的存储器配置
FFH
特 殊 功
F0H
FFFFH
E0H D0H B8H
特 殊 功 能
能
B0H 寄
寄
A8H 存
存 器
A0H 器 98H 地 90H 址
88H
80H
80H
7FH
通用 30H RAM区
2FH
位寻址区 20H
1FH 工作寄 存器区
百度文库
00H
0000H
外部 RAM
(I/O口 地址)
内部数据存储器
外部数据存储器
FFFFH
I/O接口控制器 单片机
无线接收
电源
网络接口板
5端口10/100M网络交换机 10Mbps网络控制器 RAM 单片机
S-EEPROM
接口板
I/O接口
RJ-45网络接口
多媒体家庭智能终端
键盘 传感器接口 抄表接口 电器接口
• 家庭安防 • 远程抄表 • 消息发布 • 网络接入 • 电器控制
SDRAM FLASH
这些公司以8051内核为基础,不断改进、完善推 出了各式各样指令兼容产品,这些产品统一称为 8051单片机
8051单片机组成
8051单片机采用的是哈佛结构,程序空间和数据 空间分别寻址
在单个芯片上实现了整套计算机小系统 8位处理器核心、中断控制器、RAM、ROM、定
时器和UART(通用异步收发器)
振荡周期、时钟周期、机器周期、指令周期
振荡周期:为单片机提供时钟信号的振荡源的 周期,也称节拍。
时钟周期:振荡源信号经二分频后形成的时钟 脉冲信号,为振荡周期的2倍,也称状态。
机器周期:完成一个基本操作所需的时 通常为12个振荡周期。
间,
指令周期:指CPU执行一条指令所需要的时间, 一个指令周期通常含有1~4个机器周期。
接
彩色液晶显示板
口
控
媒体处理器
制
电视机
器
以太网控制器
内置网络交换机 RJ-45 RJ-45 RJ-45 RJ-45
• VOD • 可视对讲 • 小区监视 • 电子邮件 • 背景音乐
8051单片机发展
从1980年开始,Intel公司陆续推出了MCS-51单 片机系列,8051是其中的第一个型号
Intel除了自己生产多种型号的MCS-51单片机外, 还将该处理器内核技术授权给其他公司,如 Philips、Siemens、AMD、OKI等
数据存储器
数据存储器由内部和外部数据 存储器组成。内部和外部数据 存储器空间存在重叠。
通过不同指令来区别 内部数据传送指令:MOV 外部数据传送指令:MOVX
FFFFH
FFH SFR
80H 7FH 内部
外部 RAM 64KB
00H RAM 0000H 数据存储器示意图
片内数据存储器RAM
8051单片机结构
中断请求
中断控制器
4KB ROM
128B RAM
T1 T2 2个定时器
运算器 控制器
片内震荡器 片外晶体
总线控制器 控制信号
4组I/O扩展
RS-232串口
P0 P2 P1 P3
RxD TxD
8051单片机封装图
8051单片机引脚描述
电源引脚Vcc和Vss Vcc:电源端,接+5V。Vss:接地端。
复位信号RST 高电平有效,在输入端保持两个机器周期的高电平后, 就可以完成复位操作。
输入/输出端口引脚P0,P1,P2和P3
8051单片机主要特征
集成128B的片内RAM和4KB的片内ROM 四个8 位并行I/O 接口P0~P3,提供共计32个双
向且可独立寻址的I/O线 支持片外存储器扩展,能够寻址64KB外部程序存
而从外部RAM中读写数据时,采用读RD和写WR 信号来选通,因此不会因地址重迭而发生混乱。
程序存储器
程序存储器用于存放调试好的应用程序和表格常数。MCS-5l采 用16位的程序计数器PC和l6位的地址总线,64KB片内、外的 程序存储器空间连续、统一 。
7个特殊单元: 0000H 复位后,PC=0000H. 开始执行程序 0003H 外部中断0 (INT0)入口 000BH 定时器0中断( TF0)入口 0013H 外部中断1(INT1) 入口 001BH 定时器1中断( TF1)入口 0023H 串行口中断TI/RI入口 002BH 定时计数器2溢出或T2EX输入负跳变(52系列)
振荡周期、时钟周期、机器周期、指令周期
机器周期
指令周期
机器周期
XTAL2 (OSC)
S1
S2
S3
S4
S5 S6
S1
S2
S3
S4
S5
S6
P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2
振荡周期
时钟周期
8051单片机各种周期的相互关系
片内RAM有256个字节,其中00H~7FH地址空间是直接寻址 区,该区域内从00H~1FH地址为工作寄存器区,安排了4 组工作寄存器,每组都为R0~R7,在某一时刻,CPU只能 使用其中任意一组工作寄存器,由程序状态字PSW中RS0和 RS1的状态决定。
片内RAM的20H~2FH地址单元为位寻址区,其中每个字节 的每一位都规定了位地址。每个地址单元除了可进行字节 操作之外,还可进行位操作。
在片内数据存储器中,数据区和扩展的I/O口 是统一编址的,使用的指令也完全相同,因 此,用户在应用系统设计时,必须合理地进 行外部RAM和I/O端口的地址分配,并保证译 码的唯一性。
8051单片机的片外总线结构
地址总线(AB):地址总线宽度为16位,由P0口经地址 锁存器提供低8位地址(A0 ~ A7);P2口直接提供高8位 地址(A8~A15)。地址信号是由CPU发出的,故地址总 线是单方向的。
外部 ROM
1000H
0FFFH 内部 0FFFH 外部
ROM
ROM
0000H (EA=1) 0000H (EA=0) 程序存储器
程序存储器ROM地址空间为64kB,片外数据存储器 RAM也有64kB的寻址区,在地址上是与ROM重迭的。
8051单片机通过不同信号来选通ROM或RAM:
当从外部ROM中取指令时,采用选通信号PSEN,
片内RAM的80H~FFH地址空间是特殊功能寄存器SFR区,对 于51子系列在该区域内安排了21个特殊功能寄存器,对于 52子系列则在该区域内安排了26个特殊功能寄器,同时扩 展了128个字节的间接寻址片内RAM,地址也为80~FFH, 与SFR区地址重迭。
片外数据存储器RAM
当片内RAM不能满足数量上的要求时,可通 过总线端口和其他I/O口扩展外部RAM,其最 大容量可达64KB字节。
至小区局域网
终端外观
终端电路板
接口控制板 网络控制板
接口板
系统结构
单片机
10Mbps网络控 制器
100Mbps 5端口 网络交换机
电源
I/O接口控制器
单片机
无线接收模块 RAM
I/O接口板 网络接口 传感器/控制接口
单色 液晶显示器
240x128
接口控RA制M 板
液晶显示板接口 I/O板接口
时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1:接外部晶振和微调电容的一端,在片内它是 振荡器倒相放大器的输入,若使用外部TTL时钟时,该 引脚必须接地。 XTAL2:接外部晶振和微调电容的另一端,在片内它 是振荡器倒相放大器的输出,若使用外部TTL时钟时, 该引脚为外部时钟的输入端。
地址锁存允许ALE
数据传送指令把立即数或这些空间中的数据传到另 一个空间
数据传送指令也可以分为数据传送和数据交换两类 通用传送类(19)、累加器传送类(10)、目标地
址传送类(1)
MCS-51算术运算类指令(24)
这类指令包括加、减、乘、除四种指令 加法运算类(14)、减法运算类(8)、乘除运
算类(2)
MCS-51逻辑操作类指令(35)
数据总线(DB):数据总线宽度为8位,用于传送数据和 指令,由P0口提供。
控制总线(CB):控制总线随时掌握各种部件的状态, 并根据需要向有关部件发出命令,主要有PSEN、WR、 RD信号。
8051与外部存储器、I/O端口的连接
课外阅读
苏伟斌编著,8051系列单片机应用手册, 科学出版社,1997 (图书馆网页——超星数字图书馆)
系统扩展时,ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输出的低8位地址, 从而实现数据与低位地址的复用。
8051单片机引脚描述
外部程序存储器读选通信号PSEN PSEN是外部程序存储器的读选通信号,低电平有效。
程序存储器地址允许输入端EA /VPP 当EA为高电平时,CPU执行片内程序存储器指令,但 当PC中的值超过0FFFH时,将自动转向执行片外程序 存储器指令。 当EA为低电平时,CPU只执行片外程序存储器指令。
W78E58 Datasheet,Winbond Electronics Corp.
ARM处理器
ARM应用实例
FIC8120 SOC结构
存储器接口 MAC控制器 视频输入/出 AHB-PCI桥控制器
IDE控制器 USB控制器
ARM核
MPEG-4编/解码器
AHB总线
AHB-APB桥控制器
APB总线
储器和64KB外部数据存储器 两个定时器/计数器
8051单片机主要特征(续)
五个中断源的中断控制系统 一个全双工UART的串行通信接口 集成片内振荡器和时钟产生电路,为单片机提供
最大12MHz的工作时钟 支持4us执行周期的乘法指令和除法指令
MCS-51指令系统
8051和MCS-51系列中的其它型号一样使用MCS51指令集
MCS-51指令系统包括111条指令,其中单字节指 令49条、双字节指令45条、三字节指令17条
按功能分为4大类:数据传送类(30)、逻辑操 作类(35)、算术操作类(24) 、控制转移类 (22)
MCS-51数据传送类指令(30)
8051单片机中存放操作数的空间有片内存储器和片 外存储器,片内存储器又包括工作寄存器、堆栈等 数据存储器和累加器等特殊功能寄存器
8051单片机指令执行时间
单字节指令单机器周期 单字节指令双机器周期 双字节指令单机器周期 双字节指令双机器周期 三字节指令双机器周期 单字节指令四机器周期(如乘除法指令)
8051单片机时序
8051单片机存储器组织与操作
存储结构特点: 哈佛结构,将程序存储器和数据存储器分开,并有各自 的寻址机构和寻址方式。
关于嵌入式处理器
嵌入式处理器有应用针对性 全世界嵌入式处理器的种类已经超过1000种,流
行的体系结构有30多个 几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器 嵌入式处理器中,单片机在使用量上最大,其中市
场占有率又以8051兼容产品为最多 生产8051单片机的半导体厂家有20多个,共350多
8051单片机时序
MCS-51有固定的机器周期 一个机器周期有6个状态,分别表示为S1-S6 一个状态包含两个节拍,那么一个机器周期就有
12个节拍,我们可以记着S1P1、S1P2、 … … S6P1、S6P2。一个节拍为一个时钟周期 一个机器周期共包含12个时钟周期(振荡脉冲) 使用6MHz的时钟频率,一个机器周期是2us;使 用12MHz的时钟频率,一个机器周期就1us
逻辑操作指令包括单操作数指令(13)和双操作 数指令两类(22)
单操作数指令中的操作数是累加器或任何可直接 寻址位,包括清零、置位、求反、移位、半字节 交换等
双操作数指令包含逻辑与、逻辑或、逻辑异或指 令三种
MCS-51控制转移类指令(22)
无条件调用返回转移指令(7) 条件转移指令外(13) 1条中断返回指令(1) 1条空操作指令 (1)
MPCA
RS-232
I2C
SD接口 定时器
I2S
RTC
什么是ARM
ARM,常有两方面的含义,一方面指是 ARM公司,另一方面指基于ARM IP (Intellectual Property,知识产权)核的嵌 入式微处理器
种衍生产品
8051单片机
51单片机嵌入式系统实例
小区智能化中的宽带家庭智能终端
1号房终端 2号房终端
n号房终端
···
小区以太网
• 家庭安防 • 远程抄表 • 消息发布 • 网络接入 • 电器控制
物业管理办公室 (管理软件)
宽带家庭智能终端功能
三表抄收 家庭安防
电器控制
网络服务 卧室电脑 卧室电脑 客厅电脑
在物理上:有4个相互独立的存储空间。 片内和片外程序存储器; 片内和片外数据存储器。
在逻辑上:有三个彼此独立的地址空间 片内外统一编地址的64KB程序存储器地址间; 256字节的片内数据存储器地址空间; 64KB片外数据存储器地址空间
8051单片机存储器结构
8051单片机的存储器配置
FFH
特 殊 功
F0H
FFFFH
E0H D0H B8H
特 殊 功 能
能
B0H 寄
寄
A8H 存
存 器
A0H 器 98H 地 90H 址
88H
80H
80H
7FH
通用 30H RAM区
2FH
位寻址区 20H
1FH 工作寄 存器区
百度文库
00H
0000H
外部 RAM
(I/O口 地址)
内部数据存储器
外部数据存储器
FFFFH
I/O接口控制器 单片机
无线接收
电源
网络接口板
5端口10/100M网络交换机 10Mbps网络控制器 RAM 单片机
S-EEPROM
接口板
I/O接口
RJ-45网络接口
多媒体家庭智能终端
键盘 传感器接口 抄表接口 电器接口
• 家庭安防 • 远程抄表 • 消息发布 • 网络接入 • 电器控制
SDRAM FLASH
这些公司以8051内核为基础,不断改进、完善推 出了各式各样指令兼容产品,这些产品统一称为 8051单片机
8051单片机组成
8051单片机采用的是哈佛结构,程序空间和数据 空间分别寻址
在单个芯片上实现了整套计算机小系统 8位处理器核心、中断控制器、RAM、ROM、定
时器和UART(通用异步收发器)
振荡周期、时钟周期、机器周期、指令周期
振荡周期:为单片机提供时钟信号的振荡源的 周期,也称节拍。
时钟周期:振荡源信号经二分频后形成的时钟 脉冲信号,为振荡周期的2倍,也称状态。
机器周期:完成一个基本操作所需的时 通常为12个振荡周期。
间,
指令周期:指CPU执行一条指令所需要的时间, 一个指令周期通常含有1~4个机器周期。
接
彩色液晶显示板
口
控
媒体处理器
制
电视机
器
以太网控制器
内置网络交换机 RJ-45 RJ-45 RJ-45 RJ-45
• VOD • 可视对讲 • 小区监视 • 电子邮件 • 背景音乐
8051单片机发展
从1980年开始,Intel公司陆续推出了MCS-51单 片机系列,8051是其中的第一个型号
Intel除了自己生产多种型号的MCS-51单片机外, 还将该处理器内核技术授权给其他公司,如 Philips、Siemens、AMD、OKI等
数据存储器
数据存储器由内部和外部数据 存储器组成。内部和外部数据 存储器空间存在重叠。
通过不同指令来区别 内部数据传送指令:MOV 外部数据传送指令:MOVX
FFFFH
FFH SFR
80H 7FH 内部
外部 RAM 64KB
00H RAM 0000H 数据存储器示意图
片内数据存储器RAM
8051单片机结构
中断请求
中断控制器
4KB ROM
128B RAM
T1 T2 2个定时器
运算器 控制器
片内震荡器 片外晶体
总线控制器 控制信号
4组I/O扩展
RS-232串口
P0 P2 P1 P3
RxD TxD
8051单片机封装图
8051单片机引脚描述
电源引脚Vcc和Vss Vcc:电源端,接+5V。Vss:接地端。
复位信号RST 高电平有效,在输入端保持两个机器周期的高电平后, 就可以完成复位操作。
输入/输出端口引脚P0,P1,P2和P3
8051单片机主要特征
集成128B的片内RAM和4KB的片内ROM 四个8 位并行I/O 接口P0~P3,提供共计32个双
向且可独立寻址的I/O线 支持片外存储器扩展,能够寻址64KB外部程序存
而从外部RAM中读写数据时,采用读RD和写WR 信号来选通,因此不会因地址重迭而发生混乱。
程序存储器
程序存储器用于存放调试好的应用程序和表格常数。MCS-5l采 用16位的程序计数器PC和l6位的地址总线,64KB片内、外的 程序存储器空间连续、统一 。
7个特殊单元: 0000H 复位后,PC=0000H. 开始执行程序 0003H 外部中断0 (INT0)入口 000BH 定时器0中断( TF0)入口 0013H 外部中断1(INT1) 入口 001BH 定时器1中断( TF1)入口 0023H 串行口中断TI/RI入口 002BH 定时计数器2溢出或T2EX输入负跳变(52系列)
振荡周期、时钟周期、机器周期、指令周期
机器周期
指令周期
机器周期
XTAL2 (OSC)
S1
S2
S3
S4
S5 S6
S1
S2
S3
S4
S5
S6
P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2
振荡周期
时钟周期
8051单片机各种周期的相互关系
片内RAM有256个字节,其中00H~7FH地址空间是直接寻址 区,该区域内从00H~1FH地址为工作寄存器区,安排了4 组工作寄存器,每组都为R0~R7,在某一时刻,CPU只能 使用其中任意一组工作寄存器,由程序状态字PSW中RS0和 RS1的状态决定。
片内RAM的20H~2FH地址单元为位寻址区,其中每个字节 的每一位都规定了位地址。每个地址单元除了可进行字节 操作之外,还可进行位操作。
在片内数据存储器中,数据区和扩展的I/O口 是统一编址的,使用的指令也完全相同,因 此,用户在应用系统设计时,必须合理地进 行外部RAM和I/O端口的地址分配,并保证译 码的唯一性。
8051单片机的片外总线结构
地址总线(AB):地址总线宽度为16位,由P0口经地址 锁存器提供低8位地址(A0 ~ A7);P2口直接提供高8位 地址(A8~A15)。地址信号是由CPU发出的,故地址总 线是单方向的。
外部 ROM
1000H
0FFFH 内部 0FFFH 外部
ROM
ROM
0000H (EA=1) 0000H (EA=0) 程序存储器
程序存储器ROM地址空间为64kB,片外数据存储器 RAM也有64kB的寻址区,在地址上是与ROM重迭的。
8051单片机通过不同信号来选通ROM或RAM:
当从外部ROM中取指令时,采用选通信号PSEN,
片内RAM的80H~FFH地址空间是特殊功能寄存器SFR区,对 于51子系列在该区域内安排了21个特殊功能寄存器,对于 52子系列则在该区域内安排了26个特殊功能寄器,同时扩 展了128个字节的间接寻址片内RAM,地址也为80~FFH, 与SFR区地址重迭。
片外数据存储器RAM
当片内RAM不能满足数量上的要求时,可通 过总线端口和其他I/O口扩展外部RAM,其最 大容量可达64KB字节。
至小区局域网
终端外观
终端电路板
接口控制板 网络控制板
接口板
系统结构
单片机
10Mbps网络控 制器
100Mbps 5端口 网络交换机
电源
I/O接口控制器
单片机
无线接收模块 RAM
I/O接口板 网络接口 传感器/控制接口
单色 液晶显示器
240x128
接口控RA制M 板
液晶显示板接口 I/O板接口
时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1:接外部晶振和微调电容的一端,在片内它是 振荡器倒相放大器的输入,若使用外部TTL时钟时,该 引脚必须接地。 XTAL2:接外部晶振和微调电容的另一端,在片内它 是振荡器倒相放大器的输出,若使用外部TTL时钟时, 该引脚为外部时钟的输入端。
地址锁存允许ALE
数据传送指令把立即数或这些空间中的数据传到另 一个空间
数据传送指令也可以分为数据传送和数据交换两类 通用传送类(19)、累加器传送类(10)、目标地
址传送类(1)
MCS-51算术运算类指令(24)
这类指令包括加、减、乘、除四种指令 加法运算类(14)、减法运算类(8)、乘除运
算类(2)
MCS-51逻辑操作类指令(35)
数据总线(DB):数据总线宽度为8位,用于传送数据和 指令,由P0口提供。
控制总线(CB):控制总线随时掌握各种部件的状态, 并根据需要向有关部件发出命令,主要有PSEN、WR、 RD信号。
8051与外部存储器、I/O端口的连接
课外阅读
苏伟斌编著,8051系列单片机应用手册, 科学出版社,1997 (图书馆网页——超星数字图书馆)
系统扩展时,ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输出的低8位地址, 从而实现数据与低位地址的复用。
8051单片机引脚描述
外部程序存储器读选通信号PSEN PSEN是外部程序存储器的读选通信号,低电平有效。
程序存储器地址允许输入端EA /VPP 当EA为高电平时,CPU执行片内程序存储器指令,但 当PC中的值超过0FFFH时,将自动转向执行片外程序 存储器指令。 当EA为低电平时,CPU只执行片外程序存储器指令。
W78E58 Datasheet,Winbond Electronics Corp.
ARM处理器
ARM应用实例
FIC8120 SOC结构
存储器接口 MAC控制器 视频输入/出 AHB-PCI桥控制器
IDE控制器 USB控制器
ARM核
MPEG-4编/解码器
AHB总线
AHB-APB桥控制器
APB总线
储器和64KB外部数据存储器 两个定时器/计数器
8051单片机主要特征(续)
五个中断源的中断控制系统 一个全双工UART的串行通信接口 集成片内振荡器和时钟产生电路,为单片机提供
最大12MHz的工作时钟 支持4us执行周期的乘法指令和除法指令
MCS-51指令系统
8051和MCS-51系列中的其它型号一样使用MCS51指令集
MCS-51指令系统包括111条指令,其中单字节指 令49条、双字节指令45条、三字节指令17条
按功能分为4大类:数据传送类(30)、逻辑操 作类(35)、算术操作类(24) 、控制转移类 (22)
MCS-51数据传送类指令(30)
8051单片机中存放操作数的空间有片内存储器和片 外存储器,片内存储器又包括工作寄存器、堆栈等 数据存储器和累加器等特殊功能寄存器
8051单片机指令执行时间
单字节指令单机器周期 单字节指令双机器周期 双字节指令单机器周期 双字节指令双机器周期 三字节指令双机器周期 单字节指令四机器周期(如乘除法指令)
8051单片机时序
8051单片机存储器组织与操作
存储结构特点: 哈佛结构,将程序存储器和数据存储器分开,并有各自 的寻址机构和寻址方式。