单晶片微处理机简介

單晶片微處理機簡介單晶片微處理器之應用與功能需求單晶片微處理機之功能模組周邊模組之控制方法單晶片系統之設計與發展1ISUEE簡介單晶片微處理器主要義涵

整個微處理機系統搭配簡單周邊模組與輸出入介面以單晶片型態完成，單晶片微處理器中包含系統運作所需之周邊模組與模組驅動程式、系統程式與應用程式。國內外有許多晶片公司，分別針對不同應用，設計有許多種單晶片微處理機系列，如：8051、PIC、ARM、…等等。2ISUEE單晶片微處理器之應用與功能需求目前各類之電子與家電產品，皆可看到單晶片微處理機之蹤跡。如：電子表、微電腦控制洗衣機、防盜器、溫度控制器、電子耳溫槍、….等等。舉凡對現實環境之量測、監控與互動裝置皆可看到單晶片系統之蹤影。3ISUEE環境、單晶與數位系統互動示意圖環境參數量測與轉換數位訊號轉換為環境參數、訊號、驅動訊號、…等類比連續物理量量化離散數位訊號其他數位系統資訊串列現實環境資訊處理，如：計算、儲存、分析…等。時間管理，如：計時、定時、量測…等。資料通訊4ISUEE單晶片微處理機之功能模組單晶片微處理機常見之功能模組有：CPU核心、監督單元RAM與EEPROM/FlashROM計時/計數器基本I/O埠、串列傳輸ADC/DAC、PWM、audio、RF….等等5ISUEERAM與EEPROM/FlashROM隨機存取記憶體(RAM)供CPU核心儲存各類資料。可讀寫式唯讀記憶體(EEPROM/FlashROM)供存放程式或永久性資料，一般可透過線上寫入之動作做修改。由於單晶系統之指令位元數有限，記憶體系統可能採用分頁技巧或暫存器定址模式，以便節省運算元之定址位元。

8ISUEE監督單元(monitorunit)對系統穩定性與多元應用之需求，單晶片微處理器皆設計監督單元，負責執行監督與管理系統，系統重置(Reset)電源啟動(Powerup)電源耗弱(Brownout)睡眠模式(Sleepmode)看門狗(Watchdogs)中斷控制器(Interruptcontrol)9ISUEE系統重置(Reset)可分成熱機重置(hotreset)與冷機重置(coldreset)。冷機重置(coldreset)指的是電源剛啟動之重置動作，此時單晶系統內之記憶體與暫存器皆處於未使用狀態，其內容為隨機之數值(不可預測)熱機重置(hotreset)指的是正常使用中，因各種異常訊號或使用者設定，產生系統重置情況，此時單晶片系統內之記憶體與暫存器皆已設定資料。10ISUEE啟動電源管理概念電源重置訊號重置訊號電源未穩定前之重置產生誤動作誤動作，可應用啟動計時器避免電源應用Poweronreset避免誤動作Poweron重置訊號Poweronreset電路

11ISUEE各種常見電源不穩定現象瞬間脈衝接地雜訊電源故障電源耗盡12ISUEE電源brownout現象偵測偵測到,V<VborT>Tbor偵測不到VborTbor13ISUEE睡眠模式(Sleepmode)與

看門狗計時器(Watchdogstimer)睡眠模式：單晶系統設計睡眠模式或省電模式。如此，便可在非使用時期停止系統運作或降低運作之功率，達成節能與延長操作時間的目的。因此，設計有睡眠模式之控制，包含設定與喚醒之機制。看門狗計時器(Watchdogstimer)：為預防長時間當機之事件發生，單晶片微處理機提供看門狗計時器(Watchdogstimer)，定時檢視系統是否正常，或將系統由睡眠模式喚醒。14ISUEE中斷控制器(Interruptcontrol)中斷控制器管理功能包括中斷向量、中斷致能與遮罩、中斷優先權、中斷旗標等。中斷向量：發生中斷時，CPU需執行之中斷服務程式所在之位址。單晶片微處理機一般使用固定向量模式。中斷致能與遮罩：各周邊模組之中斷功能可透過中斷控制器加以致能(使周邊產生中斷)、遮罩(使周邊無法產生中斷)。中斷優先權：當有不同周邊產生中斷訊號時，依中斷優先權執行對應之中斷服務程式。優先權高之中斷將優先執行，優先權高之中斷訊號，可中斷優先權低之服務程式。中斷旗標：當有周邊產生中斷訊號時，同時會設定周邊模組之中斷旗標，供CPU辨識中斷來源。15ISUEE時脈產生器(Timinggenerate)數位系統運作需要有一基本之系統時脈。並以此為基礎訊號，乘除某些數值，以便得到各周邊模組所需之工作時脈。單晶系統中常以簡單之振盪晶體或RC振盪電路產生基本時脈訊號。若要產生更高之系統時脈，可應用鎖相迴路(phaselockloop,PLL)時脈合成器若要產生較低之時脈，可經由計數器除頻產生系統時脈

。16ISUEERC振盪電路17ISUEE除頻電路之基本方塊圖M-1比較器計數器clcok重置/reset相等clock/M18ISUEE相鎖迴路時脈合成器方塊圖fsys電壓控制振盪器相位偵測器迴路濾波器除頻NFosc19ISUEE計時/計數器計時/數模組為單晶片系統之重要模組。輸入訊號透過預除器(Prescaler)，使時脈速率降低與獲得較穩定訊號。計數後之輸出，通過後除器(Postescaler)，可將計數結果分群輸出或降低模組計數輸出速率。

妥善應用計時器模組所輸出之計數數值，可設計各種周邊應用模組。捕抓(capture)模組比較(compare)模組脈波寬調變(pulsewidthmodulation)模組。20ISUEE計時(計數)器模組架構預除器計時器或計數器後除器FOSCF_timer/MF_timerTimeroverfloworequal控制暫存器狀態暫存器其它模組計數數值21ISUEE馬錶訊號&超聲波測距訊號

--捕抓(capture)模組應用22ISUEE捕抓(capture)模組之基本架構圖輸入腳位預除器或邊緣偵測資料暫存器計時器控制暫存器狀態暫存器捕捉致能23ISUEE比較(compare)模組之基本架構圖資料暫存器比較器計時/數器模組暫存器控制暫存器狀態暫存器輸出控制輸出腳位相等控制特殊模組24ISUEEPWM訊號與基本應用概念週期DutycyclePWM訊號低通對應於Dutycycle直流平均訊號25ISUEE基本I/O埠單晶系統之基本輸出入模組，可設定規劃各模組位元之輸出入方向(輸入、輸出或雙向)。輸出埠之設計模式有開集(汲)級輸出、三態輸出、圖騰柱輸出，以及是否資料緩衝(buffer)。推動能力從數mA至數十mA，一般推動能力之流入電流(汲入sink)與流出電流(源出source)驅動力不同。輸入埠之設計模式有弱提升電阻(pullupresistance)輸入模式、史密特觸發模式、資料閂鎖(latch)模式等。在省電模式底下，使用者需依照資料手冊與系統設計將所有輸出入埠設定至省電狀態。26ISUEE同步傳輸&非同步傳輸傳輸時脈資料位元資料位元傳輸時脈27ISUEEADC與DACADC:類比數位轉換過程，若希望轉換完成之數位資訊保持所有原類比訊號之特徵。需依取樣定理(samplingtheorem)取樣。DAC:將數位資訊轉換為類比訊號之轉換過程。取樣定理:取樣時間為類比訊號之最高頻率28ISUEE類比訊號轉換數位資訊之轉變過程3674….取樣維持ADC連續類比訊號離散類比訊號離散數位資訊29ISUEE類比轉數位(ADC)基本架構圖類比輸入資料暫存器控制暫存器狀態暫存器類比轉數位(ADC)取樣維持電路取樣轉換格式開始轉換轉換完成30ISUEE數位資訊轉換為類比訊號轉變過程3674….低通濾波器ADC一階維持重建離散數位資訊離散類比訊號連續類比訊號31ISUEE數位轉類比(DAC)基本架構圖資料暫存器數位轉類比(DAC)類比輸出重建濾波器電路32ISUEE周邊模組之控制方法一般可分為兩類：1、直接控制模式，2、互動控制模式。直接控制模式：設定後周邊模組自行運作不需額外控制，如：基本之數位輸出/輸入埠、或PMM模組。互動控制模式：CPU與周邊模組需透過一來一往之交握(handshake)程序、或答詢過程，才能完成正確之控制。一般依互動處理方式，分諮詢控制式與中斷控制式。33ISUEE周邊模組直接控制模式處理模組資料開始繼續設定模組控制資料開始繼續設定設定流程處理流程34ISUEE周邊模組諮詢控制模式設定模組控制資料開始繼續設定是否資料備妥處理模組互動資料清除相關狀態旗標開始繼續諮詢是否設定流程處理流程35ISUEE周邊模組中斷控制模式模組中斷服務程式模組產生中斷中斷返回設定模組控制資料設定模組中斷向量啟動模組與系統中斷功能開始繼續設定流程處理流程36ISUEE中斷服務程式之設計規則使用中斷控制功能必須將中斷服務程式，設定至對應之中斷向量。中斷服務程式必需執行下列步驟：遮罩低階或全部中斷，避免中斷期間再中斷。檢查中斷旗標，確定中斷源是那一周邊所產生。暫存器保存與還原。迅速處理中斷資料。清除中斷旗，使下次中斷訊號可繼續產生。中斷服務程式必需以最短之時間結束，避免影響系統正常運作。中斷服務程式之資料區，避免因中斷過程影響資料之完整性。37ISUEE中斷服務程式流程圖檢查中斷旗標是否模組中斷中斷訊號中斷返回遮罩低階或全部中斷保存CPU之暫存器還原CPU之暫存器中斷致能處理模組互動資料清除相關中斷旗標是是38ISUEE單晶片系統之設計與發展系統設計開發過程包括有規格設定分析、系統架構設計、軟應體功能劃分、功能模擬與驗證、功能與系統測試、系統修改39ISUEE單晶片之整合發展環境(integratedevelopmentenvironment,IDE)系統設計開發過程繁瑣，整合發展環境將所有功能整合在單一軟體界面，包括有：專案管理、文件編輯與編譯、執行(模擬、執行、下載執行)、偵錯功能、記憶體檢視、反組譯功能、及其他檢查與控制功能

40ISUEE單晶片微處理器學習流程瞭解基本之單晶架構與周邊模組關係及各模組之用途。進一步瞭解模組之應用與模組設計之技巧。熟練基本之軟體程式技巧，透過對基本程式流程與資料處理技巧，可以以各種語言撰寫程式(因為單晶片講究效率，一般使用非標準化之組合語言，每一種系列CPU有自己之語言，可經由CPU之datasheet快速學習指令集)。熟悉發展流程與發展之工具環境與應用技巧。41ISUEE學習重點專案管理程式之撰寫與偵錯模組化之發展與偵錯模擬仿真偵錯技巧軟硬體與系統整合偵錯技巧42ISUEE模組化之發展與偵錯基本技巧為使用模擬激勵與資料，並透過虛擬架構(Dummyprogram)呼叫。單步執行(step)、中斷點(breakpoint)等設定程式觀察點，分析程式執行流程與結果，並判斷與預期是否相符。以中斷模式控制之模組，由於中斷程式會與偵錯技巧中，單步執行(step)、中斷點(breakpoint)…等偵錯用中斷模式互相影響。43ISUEE模擬仿真偵錯技巧當硬體尚未正確完成時，一般可透過發展環境之模擬(simulation)或仿真(emulation)功能進行軟硬體之偵錯，可透過軟、硬體之中斷點(breakpoint)、流程追蹤(trace)、同步觸發等偵錯技巧發現程式間潛藏之錯誤(BUG)。模擬(simulation)，為整合發展環境(IDE)提供，以軟體模擬該單晶片微處理器之核心與周邊模組功能。仿真(emulation)：線上仿真器(incircuitemulation,ICE)提供單晶片微處理器之核心與周邊模組之