第二章 嵌入式处理器与系统

第二篇实例分析

第二章嵌入式处理器与系统

本部分首先是通过介绍常见的嵌入式处理器，并利用这些嵌入式处理器构建小型嵌入式系统，从而学到有价值的开发技巧。在接下来的章节中，介绍处理器之外的关键部分的硬件设计，如电源、I/O、存储器、A/D和D/A转换电路，还有涉及总线和接口知识。系统硬件设计包括单片机CPU的选型、接口电路的设计、外围器件的选择和试验电路板的设计等内容。硬件开发入门是比较困难的，学习第二部分内容会让读者迅速入门。

第二章将详细地对嵌入式处理器的类型种类进行介绍，在介绍处理器的同时还会结合实例，阐述如何构建嵌入式硬件系统。

2.1一个8051微控制器应用实例

图2-1

8051结构的功能框图

图2-2

8051内部时钟电路

图2-3外部时钟方式电路

图2-4上电复位电路图2-5上电与按钮复位电路

2.2嵌入式处理器

4位嵌入式处理器及其应用

通常4位嵌入式微处理器采用8位指令内存、4位指令集。4位单片机的控制功能较弱，CPU一次只能处理4位二进制数。典型应用领域有：PC机用的输入装置（鼠标、游戏杆）、电池充电器（Ni-Cd电池、锂电池）、运动器材、带液晶显示的音、视频产品控制器、一般家用电器的控制及遥控器、玩具控制、记时器、时钟、表、计算器、多功能电话和LCD游戏机。OKI公司的MSM64164C、MSM64481；NEC公司的75006×系列；EPSON公司的SMC62系列等。

8位嵌入式处理器及其应用

8位单片机是目前品种最为丰富、应用最为广泛的单片机，有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点。

8位单片机不仅具有较大的存储容量和寻址范围，而且中断源、并行I/O接口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加，并集成有全双工串行通信接口。在8位单片机在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信和家用电器等许多领域得到广泛应用。

图2-6

8051制作报警器原理图

图2-7

8051报警器程序流程图

图2-8硬件仿真连接图

2.2.416位嵌入式处理器及其应用16位单片机比起8位机，数据宽度增加了一倍，实时处理能力更强，主频更高，集成度达到了12万只晶体管，RAM增加到了232字节，ROM则达到了8KB，并且有8个中断源，同时配置了多路的A/D转换通道，高速的I/O处理单元，适用于更复杂的控制系统。

16位微控制器以INTEL的MCS-96/196系列、TI的MSP430系列及MOTOROLA的68HC12系列为主。16位微控制器主要应用于工业控制、智能仪器仪表

、便携式设备等场合。

图2-9

MC68HC912DG128A监测装置硬件框图

1.电源与外部晶振MCU单元使用正5伏供电，继电器使用24伏供电，A/D部分使用独立电源，确保A/D精度，减少由于电源干扰造成的A/D误差。晶振电路可使用高精度一体化晶体，确保软时钟和定时器的精度。

2.信号产生电路

图2-10信号产生电路

3.看门狗电路

使用外部看门狗电路和DG128A片内本身提供的看门狗，片内看门狗通过查询是否定时在确定的地址写入相应的数据，确保实时数据处理部分正常运行，否则程序重新跳转到复位向量处执行。片外看门狗通过查询相应输出端口是否有实时数据中断服务程序送出交替变化的电平，否则将MCU的RESET端口下拉至低电平，使复位整个系统。

4.液晶背光

在装置中使用PWM模块产生占空比可调的PWM波形，然后通过相应的整形和滤波电路，输出到液晶模块。通过软件改变PWM的占空比，从而实现液晶背光、对比度的调节。在具体操作中可通过装置面板的按键，方便地调节液晶的对比度和背光亮度。

5.键盘电路

键盘采用常用的六键操作，方便简洁。使用DG128A提供的K口的其中6根口线，为确保可靠性，外部仍使用了上拉电阻，采用低电平触发方式。在MCU中屏蔽K口相应口线的中断标志，通过在主程序循环中检测相应的标志位，确认相应的键是否按下，然后跳转到相应的处理程序执行。

6.网络接口与时钟芯片

可以使用MC912DG128A的SCI和MSCAN模块配以相应的外围电路构成RS232及CAN现场总线网络接口。图2-11时钟芯片电路图

2.2.532位嵌入式处理器

以32位ARM单片机及MOTOROLA的MC683××、68K系列应用相对广泛。基于ARM核的单片机占据了2001年的32位单片机市场75%的份额，ARM系列32位处理器在低功耗移动通信设备方面占有绝对优势。PowerPC为核心的单片机则用在非便携的通信设备上。Motorola传统的M683××系列以及RISC级CPUColdFire主要用在工控与汽车电子方面。NEC、HITACHI、EPSON也有各自的32位处理器产品。

ATMEL公司生产的32位RISC嵌入式处理器AT91M42800A主要特点如下：l内核电压和锁相环电压为2.7V~3.6V，I/O口操作电压为2.7V~5.5V；l

内部带有8KB静态的RAM；l

具有完全可编程外部总线接口（EBI），且多达8个片选，寻址空间很大；l

内含8通道外设数据控制器（PDC）；l

带有54个可编程I/O口；l

内含6通道16位定时/计数器；l

具有2个通用串行异步接收/发送器（USART）和2个主/从SPI接口；l

内含3个系统定时器；l

时钟可由32.768Hz晶体和内部锁相环（PLL）电路产生，最高可编程至33MHz，也可由外部时钟信号提；

l内置嵌入式在线仿真电路（EmbeddedICE）可通过JTAG口对AT91M42800A进行测试。1.存储器ROM

图2-13两种接发2.数据存储器RAM

对于8位总线的存储器，只需接D0~D7，将D8~D15悬空，并将其地址线对接，而微控制器的NEW/NWR0接到存储器的NWE上。对于16位总线的存储器，则将其数据线对接，A1~A17接存储器的A0~A16，并将其NWE/NWR0接存储器的NWE，NUB/NWR1接存储器的NUB，NLB/A0接存储器的NLB。外扩的RAM的接法与外扩Flash的接法类似。

3.时钟发生电路、电源及复位电路

显示电路可采用数码管显示或液晶显示，由于液晶显示的功耗低，故常采用这种显示方式。选用液晶显示模块LCM103来进行设计AT91M42800A内部带有看门狗（WatchDog）电路，也可以外加WatchDog电路。这里例子采用的是外加WatchDog电路的接法，所选用的器件是MAXIM公司生产的MAX6316LUK29CY。

图2-14

AT91M42800A的硬件连接图

2.3数字信号处理器

数字信号处理器（DSP）是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的CPU还快10~50倍。数字信号处理器（DSP）主要针对代表连续信号的数字进行数学运算，以得到相应的处理结果。这种数学运算是以快速叶变换（FFT）为基础，对数字信号进行实时处理。

2.3.1DSP的特征及其选择

DSP基本的特征：

DSP具有哈佛架构的特征,采用流水作业。在DSP中集成了多个片内总线和多端口片内存储器，能够在一个指令周期内完成对存储器的多次读取。在DSP中集成了多个乘法累加运算单元，可以进行并行乘法累加运算，能够在一个指令周期内实现一次或多次乘法累加（MAC）运算。为了加快处理器中的运算，在DSP中集成了多个地址产生单元，以支持循环寻址和位翻转寻址。独立的DMA总线和控制器。JTAG标准测试接口。

选择数字信号处理器的原则：

算法格式

数据宽度

速度

存储器结构

功耗

编程难易

性能价格比

是否支持多处理器

2.3.2DSP的发展趋势及挑战

可编程DSP是主导产品。

定点DSP是主流产品。

DSP追求更高的运算速度。

合理地安排数据流程，使之在DSP的各执行单元间无冲突地顺利执行，仍是DSP开发人员面临的重要问题。

平行结构方面还存在问题。

DSP发展面临CPU速度的急速增快和价格的持续下降的挑战。

2.3.3DSP的应用实例

图2-15数字信号处理系

图2-16示波表系统结构框图

2.4片上系统及软/硬件协同设计

SOC作为系统级集成电路，能在单一硅芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能，将数字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器、MPU、MCU、DSP等集成在一块芯片上实现一个系统功能。它的实现主要涉及如下9个方面：深亚微米技术；低电压、低功耗技术；低噪声设计及隔离技术；特殊电路的工艺兼容技术；设计方法的研究；嵌入式IP核设计技术；测试策略和可测性技术；