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1. 嵌入式微处理器的基本结构

本文引用地址: http://embed.21ic.com/hardware/processor/201801/50538.html

(1)嵌入式硬件系统一般由嵌入式微处理器、存储器和输入/输出部分组成。

(2)嵌入式微处理器是嵌入式硬件系统的核心,通常由控制单元、算术逻辑单元和寄存器3大部分组成:

A、控制单元:主要负责取指、译码和取数等基本操作并发送主要的控制指令。

B、算术逻辑单元:主要处理数值型数据和进行逻辑运算工作。

C、寄存器:用于暂存临时性的数据。

2. 嵌入式微处理器的分类(根据用途)

(1)嵌入式微控制器(MCU):又称为单片机,片上外设资源一般比较丰富,适合于控制。最大的特点是单片化,体积小,功耗和成本低,可靠性高。目前约占70%的市场份额。

(2)嵌入式微处理器(EMPU):又称为单板机,由通用计算机中的 CPU 发展而来,它的特征是具有32位以上的处理器,具有较高的性能。通常嵌入式微处理器把 CPU、ROM、RAM 及 I/O 等模块做到同一个芯片上。

(3)嵌入式 DSP 处理器(DSP):专门用于信号处理方面的处理器,其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计,使其处理速度比最快的 CPU 还快10~50倍,在数字滤波、FFT、频谱分析等方面获得了大量的应用。

(4)嵌入式片上系统(SOC):追求产品系统最大包容的集成器件,其最大的特点是成功实现了软硬件的无缝结合,直接在微处理器片内嵌入操作系统的代码模块。

3. 典型的微处理器的结构和特点

(1)8位微处理器:以8051为重点,彻底搞清楚8位单片机的工作原理,外设控制、存储分布 、寻址方式以及典型应用。

(2)16位微处理器:典型的微处理器可以参考 MSP430,找一本这方面的书看看关于 MSP430的结构原理以及典型应用。

(3)32位微处理器:32位处理器采用32位的地址和数据总线,其地址空间达到了2 32 =4GB 。目前主流的32位嵌入式处理器系统主要有 ARM 系列、MIPS 系列、PoewrPC系列等。ARM 微处理器体系结构目前被公认为是嵌入式应用领域领先的32位嵌入式 RISC 处理器结构。按照目前的发展形式,ARM 几乎成了嵌入式应用的代名词。

4、单片机系统的基本概念

(1)单片机组成:中央处理器、存储器、I/O 设备。

(2) 存储器:物理实质是一组或多组具备数据输入/输出和数据存储功能的集成电路,用于充当设备缓存或保存固定的程序及数据。

A、ROM(只读存储器):一般用于存放固定的程序或数据表格等,数据在掉电后仍然会保留下来。

B、RAM(随机存储器):用于暂存程序和数据、中间计算结果,或用作堆栈用等,数据在掉电后就会丢失。

(3) I/O 端口:单片机与外界联系的通道,它可以对各类外部信号(开关量、模拟量、频率信号)进行检测、判断、处理,并可控制各类外部设备。现在的单片机 I/O 口已经集成了更多的特性和功能,对 I/O端口的功能进行了拓展和复用,例如外部中断、ADC 检测以及 PWM 输出等等。

(4)输出电平:高电平电压(输出“1”时)和低电平电压(输出“0”时)

A、TTL 电平:正逻辑,5V 为逻辑正,0V 为逻辑负,例如单片机的输出。

B、RS232电平:负逻辑,-12V 为逻辑正,+12V 为逻辑负,例如 PC 的输出。

注:因此在单片机和 PC 进行通讯的时候需要一个 MAX232芯片进行电平转换。

(5)堆栈:它是一种线性的数据结构,是一个只有一个进出口的一维空间。

A、堆栈特性:后进先出(LIFO)

B、堆栈指针:用于指示栈顶的位置(地址),当发生压栈或者出栈操作时,导致栈顶位置变化时,堆栈指针会随之变化。

C、堆栈操作:压栈操作(PUSH)和出栈操作(POP)。

D、堆栈类型:“向上生长”型堆栈,每次压栈时堆栈指针加1;“向下生长”型堆栈,每次压栈堆栈时指针减1。

E、堆栈应用:调用子程序、响应中断时,堆栈用于保护现场;还可以用作临时数据缓冲区来使用。

F、使用注意:堆栈溢出问题,压栈和出栈的匹配问题。

(6)定时计数器:实质都是计数器。用作定时器时是对单片机内部的时钟脉冲进行计数,而在用作计数器时是对单片机外部的输入脉冲进行计数,其作用如下:

A、计时、定时或延时控制;

B、脉冲技术;

C、测量脉冲宽度或频率(捕获功能)

(7)中断:优先级更高的事件发生,打断优先级低的时间进程。引起中断的事件称为中断源。一个单片机可能支持多个中断源,这些中断源可以分为可屏蔽中断和非可屏蔽中断,而这些中断源并不都是系统工作所需的,我们可以根据系统需求屏蔽那些不需要的中断源。

A、中断嵌套:当一个低级中断尚未执行完毕,又发生了一个高级优先级的中断,系统转而执行高级中断服务程序,待处理完高级中断后再回过头来执行低级中断服务程序。

B、中断响应时间是指从发出中断请求到进入中断处理所用的时间;中断处理时间是指中断处理开始到中断处理结束的时间。

C、中断响应过程:

a、保护现场:将当前地址、累加器 ACC、状态寄存器保存到堆栈中。b、切换 PC 指针:根据不同的中断源所产生的中断,切换到相应的入口地址。c、执行中断服务处理程序。d、恢复现场:将保存在堆栈中的主程序地址、累加器 ACC、状态寄存器恢复。e、中断返回:从中断处返回到主程序,继续执行。

D、中断入口地址:单片机为每个中断源分配了不同的中断入口地址,也称为中断向量。

(8)复位:通过外部电路给单片机的复位引进一个复位信号,让系统重新开始运行。

A、复位发生时的动作:

a、PC 指针从起始位置开始执行(大多数单片机都时从0x0000处开始执行)。b、I/O 端口设置成缺省状态(高阻态、或者输出低电平)。c、部分专用控制寄存器 SFR 恢复到缺省状态。d、普通 RAM 不变(如果时上电复位,则是随即数)。

B、两种不同的复位启动方式:

a、冷启动:也叫上电复位,指在断电状态下给系统加电,让系统开始正常运行。b、热启动:在不断电的状态下,给单片机复位引进一个复位信号,让系统重新开始。

C、两种类型的复位电路:高电平复位和低电平复位。

D 注意事项:

a、 注意复位信号的电平状态及持续时间必须满足系统要求。b、 注意避免复位信号抖动。

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