第一章 单片机设计导论

第一章单片机设计导论

何宾2023.07

单片机和桌面系统的基本架构处理器和的指令集类型嵌入式系统的硬件和软件单片机程序设计语言单片机性能评价主要内容单片机和桌面系统的基本架构

本节教学目标说明“单片机”这一术语的本质含义说明单片机与面向桌面应用的计算机系统的本质区别单片机和桌面系统的基本架构

--单片机的结构单片机是指单个集成电路（IntegratedCircuit，IC）芯片上的小型计算机（Microcomputer），也称为微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）MCU主要面向嵌入式应用，这些应用面向自动控制产品和设备比如汽车发动机的控制系统、植入式医疗设备、遥控器、办公机器、电器、电动工具、玩具和其他嵌入式系统单片机和桌面系统的基本架构通常，在MCU内包含一个/多个中央处理器单元（CentralProcessingUnit，CPU）、易失性和非易失性存储器，以及可编程的输入和输出设备CPUEMIFROM/FlashSRAM

UART

GPIOTimerOSCIntControllerADCDAC单片机和桌面系统的基本架构

--单片机的结构OSC为晶体振荡器（Oscillator）的英文缩写，它为MCU提供最基本的时钟源通过MCU内的相位锁相环（PhaseLockedLoop，PLL）电路，基于该时钟源可以产生不同频率和相位的其他时钟信号，以提供给MCU内的所有功能单元随着半导体技术的发展和芯片设计水平的不断提高，厂商经常在MCU内部集成了晶体振荡器，这样就不需要像以前那样需要在MCU外部连接晶体振荡器电路，这样既减少了系统硬件设计的复杂度，降低了系统设计成本，同时也提高了系统的可靠性MCU也仍然保留了从外部输入时钟源的能力。这样，就为系统的设计提供了更多的灵活性单片机和桌面系统的基本架构

--单片机的结构CPU是中央处理单元（CentralProcessingUnit，CPU）的英文缩写，CPU是MCU中的核心功能单元从MCU外部获取的所有信息都要汇集到CPU进行处理，CPU将处理后的数据送到存储器或者外设CPU是指令集架构（InstructionSetArchitecture，ISA）的具体实现，也称为微架构（Microarchitecture），它所采用的ISA决定了MCU的性能和特点比如Intel和AMD的CPU采用的x86的ISA，但是两者的微架构实现有差异单片机和桌面系统的基本架构

--单片机的结构SRAM是静态随机访问存储器（StaticRandomAccessMemory，SRAM）的英文缩写，主要用于暂时保存在程序运行过程中所需要的数据，它充当了易失性存储器的角色这种类型存储器的主要特点是需要上电来保存信息。当MCU断电时，保存在易失性存储器中的数据会丢失单片机和桌面系统的基本架构

--单片机的结构Flash是闪存（FlashMemory）的英文简称，主要用于保存程序代码，它充当了非易失性存储器的角色这种类型存储器的主要特点是不需要上电保存信息。当MCU断电时，程序代码仍然会保存在非易失性存储器中在闪存问世之前，MCU厂商经常使用只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）或一次性可编程ROM（OneTimeProgrammableROM，OTPROM）来保存程序代码单片机和桌面系统的基本架构

--单片机的结构UART为通用串行收发器（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，UART）的英文缩写，它是一种以串行方式发送和接收数据的简单外部设备（简称外设）在MCU中，UART是标准配置，这是因为这种外设通常用于帮助嵌入式系统开发人员调试设备通过UART和支持UART的串口调试软件进行人机交互，以快速定位系统的故障单片机和桌面系统的基本架构

--单片机的结构GPIO为通用输入输出（GeneralPurposeInput&Output，GPIO）的英文缩写，它是MCU最基本的外设配置，也是MCU中最简单的外设MCU内的CPU可以直接驱动GPIO或读取GPIO的逻辑状态单片机和桌面系统的基本架构

--单片机的结构Timer为定时器的英文单词，它是MCU中必不可少的基本外设定时器为MCU提供定时和计数功能，是MCU中提供最基本的外设配置当在MCU中运行嵌入式操作系统（OperatingSystem，OS）时，定时器也用于为OS提供“嘀嗒”时钟单片机和桌面系统的基本架构

--单片机的结构IntController为中断控制器（InterruptController）的英文缩写，它是MCU中最基本的功能单元中断控制器为MCU提供了处理内部和外部事件的能力，使得MCU内的CPU能够以最高效和最快的速度响应并处理内部和外部事件单片机和桌面系统的基本架构

--单片机的结构EMIF为外部存储器接口（ExternalMemoryInterface，EMIF）的英文缩写，它为MCU提供了连接片外SRAM芯片的能力通过该接口，用户可以在MCU外部连接多片SRAM芯片来扩展SRAM的总容量，以适应整个系统对程序运行期间所需要暂时保存大容量数据的需要显然，对于一些成本比较敏感的应用，扩展SRAM会增加系统的总成本。由于现代MCU中片内提供的SRAM容量足以保证低成本的嵌入式应用，因此只有在必要的情况下，才需要在MCU外部采用外接SRAM芯片的方式来扩展SRAM的总容量单片机和桌面系统的基本架构

--单片机的结构ADC和DAC分别为模拟数字转换器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）单元和数字模拟转换器单元（Digital-to-AnalogConvertor，DAC）的英文缩写随着集成电路设计技术的不断发展，MCU也向着混合信号的方向发展，最主要的表现就是在MCU内部集成了ADC和DAC单元这样，MCU就成为连接数据采集、处理和驱动控制的边缘设备，构建起了模拟和数字世界之间的“桥梁”单片机和桌面系统的基本架构

--单片机的结构此外，在一些对功耗比较敏感的应用中（比如使用电池为MCU供电的应用），要求MCU具有更加灵活的低功耗工作模式这些模式包括间歇工作模式、休眠模式或冬眠模式单片机和桌面系统的基本架构

--单片机的结构从半导体工艺和设计技术的角度来看，MCU朝着片上系统（SystemonChip，SoC）的方向发展，即在MCU中集成的外设数量不断增加，集成的SRAM和闪存的容量也越来越大，CPU的性能也越来越高与以前的MCU相比，MCU的整体性能和复杂度在增加，但是MCU的总成本却保持不变，这符合“摩尔定理”所预测的半导体发展规律MCU的这种发展趋势进一步降低了系统总成本，并且进一步提高了整个系统的可靠性单片机和桌面系统的基本架构

--桌面系统的结构读者经常会问到，MCU与个人电脑（PersonalComputer，PC）和移动电话（也称为手机）上使用的微处理器（Microprocessor）有什么不同？个人电脑和手机主要面向桌面应用，它们搭载着Windows操作系统/Andriod操作系统/iOS操作系统单片机和桌面系统的基本架构

--桌面系统的结构简化的桌面系统结构

CPUDRAM闪存I/OI/O单片机和桌面系统的基本架构

--桌面系统的结构使用了性能强大的微处理器，它的时钟速度可以达到几个GHz的频率，而MCU内的时钟速度最多也就在几百MHz的频率此外，这种性能强大的微处理器中，还包含了多级高速缓存和存储器管理单元，这也是绝大多数MCU中所不具备的处理器内部集成的低容量SRAM用于高速缓存（Cache）单片机和桌面系统的基本架构

--桌面系统的结构面向桌面的应用中，要求处理器外部扩展大容量同步动态随机访问存储器（SynchronousDynamicRAM，SDRAM）这种外扩存储器的容量一般为几十个GB的容量，甚至多达几个GB的容量而MCU内集成的SRAM存储器的容量一般为几十个KB的容量单片机和桌面系统的基本架构

--桌面系统的结构处理器外部扩展了大容量NOR/NAND闪存，这种外扩的闪存容量最多达到几个GB，其容量也远远大于MCU内集成的闪存单片机和桌面系统的基本架构

--桌面系统的结构由于处理器面向桌面应用，因此其外部连接的输入/输出设备也比MCU内集成的输入/