第一章 单片机设计

第一章单片机设计导论

何宾2023.07单片机设计导论

--处理器核的指令集类型不同厂商的MCU内集成的CPU核也有所不同在前面介绍MCU内的CPU核时，提到CPU是ISA的具体实现，也称为微架构MCU厂商根据ISA设计CPU，以最终实现ISA中每条指令期望实现的功能准确来说，所谓的处理器核的类型实际上是指不同的ISA下面介绍几种MCU常用的CPUISA单片机设计导论

--处理器核的指令集类型无内部互所流水级微处理器（MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages，MIPS）ISA，它由MIPS公司提供在Microchip（中文称为微芯）公司的PIC32系列MCU内就集成了M4K，该处理器核是MIPS核中的一款32位低功耗RISC内核，采用了增强型的MIPS32IIISA单片机设计导论

--处理器核的指令集类型高级RISC机器（AdvancedRISCMachine，ARM）ISA，它由ARM公司提供全球很多半导体公司通过购买的方式，从ARM公司获取Cortex-M系列处理器核的ISA、硬件描述语言（HardwareDescriptionLanguage，HDL）设计代码、物理版图，并基于它们制造基于ARMISA的MCU产品比如，ST（中文称为意法半导体）公司的STM32G0系列MCU内集成了Cortex-M0+处理器核STM32F4系列MCU内集成了Cortex-M4处理器核STM32H7系列MCU内集成了Cortex-M7处理器核单片机设计导论

--处理器核的指令集类型用于Intel（中文称为英特尔）公司的MCS-51MCU（也称为8051）和MCS-251MCU（也称为80251）的ISA全球很多半导体公司基于英特尔授权的基于MCS-51MCU和MCS-251MCU的ISA，设计并制造基于这些ISA的MCU产品单片机设计导论

--处理器核的指令集类型具体来说，Intel首先制定了一个ISA，基于该ISA实现了MCS-51MCU当其他MCU厂商得到了ISA的使用授权后，就可以自己也设计和实现基于该ISA的MCU，简称为8051单片机比如，STC公司基于该ISA，设计并量产了STC89C52RC系列MCU、STC15系列MCU和STC8系列MCU由于它们基于IntelMCS-51MCU的ISA，因此这些MCU又称为8051单片机此外，由于这些8051单片机对最早的IntelMCS-51MCU的内部结构进行了改进和优化，使得其性能有了显著的提高，因此又把STC公司的这些8051单片机称为增强型8051单片机单片机设计导论

--处理器核的指令集类型课程所介绍的STC32GG系列单片机是基于Intel1996年量产的MCS-251MCU的ISA，并对IntelMCS-251MCU内CPU的实现结构进行了改进和优化，使得STC32GG系列单片机比起Intel早期的MCS-251单片机的性能提高了很多倍注：实际上，STC公司的STC32GGMCU在实现MCS-251ISA时，与Intel早期的MCS-251MCU内CPU核的结构有很大的不同，这一点读者要特别注意！！在本书介绍相关内容时，也会强调这一点处理器核的指令集类型

--MCS-51指令集MCS-51（通常称为8051）是英特尔于1980年开发的应用于嵌入式系统的8位MCU系列。这个最早的版本在20世纪80年代和90年代早期就很受欢迎，其增强型的衍生产品（实际上是指使用MCS-51ISA的改进型MCU）至今被广泛应用于嵌入式系统中处理器核的指令集类型

--MCS-51指令集在MCS-51MCU内部，集成了CPU、RAM、ROM、I/O、UART、中断控制和定时器，它具有单独的程序指令和数据存储空间本质上，MCS-51是一个8位宽度的MCU这是因为MCS-51核内部主要提供了可以实现算术和逻辑运算的8位算术逻辑单元、8位数据总线和8位寄存器处理器核的指令集类型

--MCS-51指令集MCS-51MCU所使用的ISA包含了111条指令，其中49条为单字节指令，46条为双字节指令，以及16条是三字节指令，这是复杂指令集计算机（ComplexInstructionSetComputer，CISC）的典型代表CISC的典型特点就是具有可变的指令长度，并且允许在存储器上执行算术和逻辑运算处理器核的指令集类型

--MCS-51指令集与CISC不同，精简指令集计算机（ReducedInstructionSetComputer，RISC）主要表现为指令长度固定，并且不支持在存储器上执行算术和逻辑运算，所有的算术和逻辑运算必须在寄存器上完成在本节前面所提到的用于ARMCortex-M处理器核的ISA就属于RISC的范畴处理器核的指令集类型

--MCS-51指令集需要注意，由于半导体集成电路设计技术的发展，现代版本的MCS-51MCU比Intel最早的MCS-51MCU运行速度更快且性能越高，同时保持了与传统MCS-51ISA指令的兼容性最早的IntelMCS-51MCU每个机器周期运行12个时钟周期，大多数指令在一个或两个机器周期内完成典型的，最高时钟频率为12MHz，这意味着早期Intel的MCS-51MCU可以在每秒执行100万条单周期指令，或50万条双周期指令处理器核的指令集类型

--MCS-51指令集而现代版本的基于MCS-51ISA的MCU（或称为8051单片机）可以在每个周期执行一个时钟周期这意味着在相同的时钟频率下，基于MCS-51ISA的现代版本8051单片机可以在每秒执行1200万条单周期指令，或600万条双周期指令。随着8051单片机时钟频率的提高，每秒可执行指令的个数还会显著增加。处理器核的指令集类型

--MCS-251指令集英特尔于1996年推出8/16/32位的MCS-251MCU。与MCS-51MCU相比，在相同时钟频率下MCS-251MCU内的CPU执行速度显著提高，主要特性表现为：片内提供了24位线性寻址能力，可寻址高达16MB的存储器空间可通过字节、字和双字方式访问处理器核内的寄存器用于加速获取外部指令的页面模式指令通道采用了流水线技术丰富的指令集，包括16和32位算术和逻辑指令处理器核的指令集类型

--MCS-251指令集一个64KB的扩展堆栈空间两个时钟的最短指令执行时间（相对于MCS-51MCU的12个时钟）处理器核的指令集类型

--MCS-251指令集MCS-251MCU的ISA在最初MCS-51MCU的ISA基础上进行了扩展，包括新的操作、寻址模式和操作数MCS-251ISA中的许多指令可以对8/16/32位操作数进行操作，从这点就可以看出MCS-251ISA要比MCS-51ISA的功能更加强大处理器核的指令集类型

--两个指令集的兼容性由于MCS-251ISA是在MCS-51ISA的基础上进行了扩展，因此在MCS-51上编写的代码可以不需要任何修改就可以运行在MCS-251上，这就是MCS-251向下兼容MCS-51的根本原因！！！处理器核的指令集类型

--两个指令集的兼容性在C251版本的KeilμVision软件中，可以将STC32G系列单片机配置为以二进制模式（binarymode）或源模式（sourcemode）运行这两种模式都执行所有MCS-51ISA指令和所有MCS-251ISA指令源模式对MCS-251ISA的指令更有效，而二进制模式对MCS-51ISA的指令更有效。在二进制模式下，在8051微控制器的目标代码无需重新编译即可在STC32GG系列单片机上运行处理器核的指令集类型

--两个指令集的兼容性处理器核的指令集类型

--两个指令集的兼容性如果嵌入式系统最初是使用8051单片机开发的，并且如果新的基于STC32G系列单片机的嵌入式系统将运行为8051单片机编写的代码，那么在二进制