《智能仪器设计基础》课件 第2章 控制器与可编程逻辑器件

智能仪器设计基础1第2章

微控制器与可编程逻辑器件智能仪器设计·第2章CHAPTER02本章学习导航01微控制器概述什么是MCU？发展历程与分类028位微控制器MCS-51、STC、AVR、PIC等系列0316位与32位微控制器MSP430、ARM、STM32等04特色微控制器带TFT-LCD控制器的单片机05可编程逻辑器件PLD、CPLD、FPGA简介目录第2章微控制器与可编程逻辑器件

2.1微控制器概述

2.28位微控制器

2.316位微控制器

2.432位微控制器

2.5带有TFT-LCD控制器的单片机

2.6可编程逻辑器件简介

习题2 32.1微控制器概述

微控制器（

MicrocontrollerUnit，MCU）在智能仪器与控制器中起着核心的作用，习惯上也称为单片机。MCU将CPU、程序存储器、数据存储器、定时/计数器、I/O接口、中断控制器、串行接口等集成在一块芯片上，随着半导体技术的发展，有些还集成了A/D转换器、D/A转换器、USB接口、CAN接口、看门狗、PWM波发生器等外设、构成了一个完整的微型计算机系统。

42.1微控制器概述

微控制器主要为满足工业控制而设计，体积小、功耗低，扩展方便，易于嵌入到其它产品中。有丰富的定时器和中断系统，CPU的位操作、I/O端口的直接操作功能，适应了工业领域的实时控制需求，CPU和存储器、I/O接口、通信接口等集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受到的干扰较小，环境适应性强，可靠性性高、得到广了泛应用。52.1微控制器概述

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机，在一个芯片内集成了8位CPU、1K字节程序存储器(ROM)、64字节数据存储器(RAM)、27根I/O端口和1个8位定时/计数器，中断系统、时钟等，但存储器容量较小，寻址范围小(4K以内)，无串行接口，指令功能不强。

1980年，Intel公司推出MCS-51系列单片机，集成了8位CPU、4K字节程序存储器(ROM)、128字节数据存储器(RAM)、4个8位并行接口、1个全双工串行接口和2个16位定时/计数器。寻址范围为64K，并集成有控制功能较强的布尔处理器完成位处理功能，面向控制的特点进一步突出。MCS-51被公认为单片机最典型代表。MCS-51系列的单片机有8031、8051、8052等子系列，主要区别在于是否有内部程序存储器、数据存储器及容量大小等。62.1微控制器概述

早期的单片机内部ROM较小，一般为4K-8K字节，内部RAM也只有256或512字节，通常需要扩展外部ROM和RAM，一般只能扩展到64K字节。ROM需要紫外光进行擦除，修改不方便，后来EEPROM技术的发展，出现了大容量、可按字节和块进行读-写的FLASH技术，低功耗CMOS工艺的发展，单片机内部集成了较大容量的FLASH和RAM，可满足一般情况下的应用，在系统可编程(ISP)技术，也使得单片机的开发和应用更加简便和高效。

72.1微控制器概述

传统的51单片机虽然功能较强，但也存在不足，如速度不高（一条指令需要12个时钟周期），位数偏低、数据处理能力不强。

近些年来，以ARM为核心的32单片机得到广泛应用。ARM处理器采用16/32位的缩减指令集，具有体积小、功能强、功耗低的优点，集成了大量的片上外设。包括ARM7、ARM9、ARM10、ARM11系列、以及ARM-CortexM、ARM-CortexA等系列。82.1微控制器概述

在有些应用中，需要借助微处理器，完成大量的数学运算如数字滤波、波束形成等，MCU擅长于简单的运算与控制，在数字信号处理为主的场合，存在大量的乘法运算，MCU显得力不从心，于是DSP芯片应运而生，DSP芯片目前主要有TI公司的TMS320系列和ADI公司的ADSP-21系列。

利用传统的数字电路如各种门电路、锁存数器等构成复杂或大量逻辑关系的应用电路时，电路会比较复杂，设计工作量大，可以借助可编程逻辑器件（programmailelogicdevice，PLD）。PLD是一种可以根据需要，由用户自己编程来设置逻辑功能的大规模数字集成电路。PLD根据结构可以分为简单PLD如PAL和GPL，复杂可编程逻辑器件CPLD和现场可编程门阵列FPGA。PLD的编程可以采用原理图输入、硬件描述语言实现。

智能仪器设计中，根据任务的不同可以选用MCU、DSP或PLD，也可以是它们的组合。92.28位微控制器

1.MCS-51系列微控制器MCS-51系列微控制器是一系列微控制器的统称，包括8031，8051，8751，89C51，8032，8052，8752，89C52等。它们的主要区别是内部程序存储器、数据存储器、以及外部中断数量等的差别，51表示基本型，52表示增强型，C表示低功耗的CMOS型等。目前均已停产。20世纪80年代中期以后，Atmel、Philips、AnalogDevices和Dallas等许多半导体厂家生产了51系列的兼容产品。

其中比较有代表性的是Atmel公司的AT89系列51单片机，比较典型的是AT89C51单片机，与MCS-51单片机在引脚、指令等方面完全兼容，但内部集成了4k

字节Flash存储器，可以通过串行接口进行程序下载，方便了单机的应用，虽然目前已停产，但在2000年前后在我国有广泛应用。随着32位单片机的发展，Atmel公司的单片机AT89C51/52/54/58、T89S51/52/54/58等都已停产。102.28位微控制器

112.28位微控制器

2.

STC系列8位微控制器STC系列8位单片机，目前主要是STC8系列51单片机，包括STC8A、STC8G、STC8H等，其中STC8G为小型封装，最少的只有8个引脚。STC系列8位单片机的特点有：（1）具有51单片机功能，指令完全兼容51单片机；（2）片内集成了8K-128K的FLASH、1K-12K的SRAM；（3）引脚数量有多种类型，IO有6-60个，多数均支持中断；（4）集成有SPI、IIC、USART串行接口等，通过串行接口下载程序；（5）集成有10-12位ADC等，扩展了传统51单片机的功能。（6）集成RTC实时时钟、看门狗、5个定时器、PWM定时器；

其中STC8A的PDIP40封装芯片与传统51单片机接口兼容，但增加了很多新的功能。STC系列单片机还进行了扩展，如STC32G为8051内核，但地址总线为24位，部分运算可以32位字长，如加、减和乘法指令均可以为32位，提高了51单片机的运算性能。122.28位微控制器

132.28位微控制器

图2-1STC89C52的引脚与最小系统142.28位微控制器

3.

AVR系列8位微控制器

AVR单片机虽然也属于8位单片机，但它与51单机在结构上有明显的不同。AVR系列单片机是1997年由ATMEL公司生产的一种增强型型、内置Flash的RISC(ReducedInstructionSetComputer，

精简指令集）高速8位单片机。2016年，Atmel被Microchip收购，AVR成为Microchip生产的一类8位单片机。（1）AVR采用精简指令集（RISC），具有32个通用寄存器（R0-R31），没有采用8051MCU的单一累加器（ACC）结构，R16～R31寄存器均可用于实现累加器功能，避免了一个ACC带来的的瓶颈现象，带有硬件乘法器，提高了乘法运算速度；（2）具有快速的存取寄存器组、单周期指令系统，优化了目标代码的大小、执行效率高，部分型号内部FLASH较大，适用于高级语言编程；152.28位微控制器

3.

AVR系列8位微控制器（3）片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位，片内集成有看门狗；

（4）多数AVR单片机，集成有PWM，RTC，SPI，USART，TWI，ISP，ADC，WDT、模拟比较器等；（5）集成ISP和IAP功能，方便升级和应用；；（6）内部FLASH从4K到128K，SRAM从4K到16K。AVR系列单片机包括AVRDA系列、AVRDB系列、AVRDD系列和ATtiny系列等。引脚有14、20、28、32个不等，可以适应各种不同的应用。162.28位微控制器

3.

AVR系列8位微控制器

图2-2AVR系列单片机172.28位微控制器

4.PIC系列8位微控制器

PIC系列单片机（PeripheralInterfaceController）采用CMOS结构的缩减指令集（RISC：ReducedInstructionSetComputer）架构，早在1988年开始由Microchip公司生产。PIC系列单片机的型号较多，分高、中、低三档，主要特点如下：（1）采用精简指令集。PIC系列单片机采用精简指令集（RISC），其指令针对小型单片机特点设计,指令有58条、35条和33条之分（51单片机是111条）。简洁的指令代码,有利于提高执行速度。182.28位微控制器

4.PIC系列8位微控制器

（2）采用数据总线和指令总线分离的哈佛总线结构（51系列单片机也是哈佛结构,但程序存储器和数据存储器共用一条总线），提高了指令和数据的处理速度。（3）采用单字节指令，PIC系列单片机数据总线为8位，但指令字节长度为12、14和16位，分别对应低、中和高档单片机，单字长指令使代码短而高效。除少数指令不是单周期之外，大部分指令都是单周期指令，寻址方式简单,只有4种寻址方式(51单片机有7种），这些都提高了单片机的运行速度和执行效率。192.28位微控制器

（4）采用二级流水线结构，提高代码执行速度。

PIC系列单片机具有低工作电压（1.8Vto5.5V）、低功耗、驱动能力强、抗干扰能力强等特点。主要有以下几种系列：

PIC16F152系列，有8、14、16、20、28、40、44引脚几种封装，有6-36个IO端口，其中8个引脚的单片机由该公司最先生产，称为最小单片机。FLASH在3.5K-7KBytes之间。DATASRAM为256和512Bytes之间，带有10位ADC，8位DAC，一个EUSART（异步收发）串行接口，8位定时器和16位定时器，看门狗定时器等。

PIC16F180/181系列，有8-44引脚封装，IO口有6-36个不等，FLASH在7K-28KBytes之间。DATASRAM为512-2048字节之间，带有10位ADC，8位DAC，IIC\SPI和EUSART串行接口，8位定时器和16位定时器，看门狗定时器等。PIC16F171系列，与PIC16F180/181系列类似，但带有一个运算放大器。202.28位微控制器

PIC18F系列，有28、40、44、48引脚几种封装。集成有模拟信号与传感器接口，FLASH在16K-32KBytes之间。DATASRAM为1K-2KBytes之间，带有12位ADC，10位DAC，IIC\SPI接口，2个运算放大器，2个高速比较器。8位定时器和16位定时器。看门狗定时器，26-44个IO等。212.28位微控制器

5.C8051F系列8位微控制器C8051F系列单片机由SiliconLabs公司生产，有几十种型号，带有高速8051CPU内核，集成有2-128KBFLASH，0.5K-8KBSRAM，8-64个IO端口，多通道8-16位ADC，多数为12位SAR型ADC，1~2路电压比较器，内部或外部电压基准，16位可编程定时/计数器，3~5个通用16位定时器等。222.316位微控制器

16位单片机主要有TI公司的MSP430系列、Microchip公司的PIC24F系列等。MSP430是TI公司开发的一种16位超低功耗、混合信号处理器(MixedSignalProcessor)。将一些模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，可以提供仪器的“单片”解决方案。MSP430系列采用精简指令集的，具有极低的功耗、丰富的片内外设等。其特点主要有：（1）低电压、低功耗，工作电压1.8V-3,6V，正常工作模式下电流为220µA/MHz。待机模式下，电流为0.5-1.2µA（不同型号功能多少不同，功耗会不同），多种节电模式；（2）混合信号处理功能，集成有多通道差分运算放大器，24位Σ-Δ型ADC，有些型号有8、12、16位ADC，最多有16个模拟比较器；（3）16位定时器具有比较输出和捕获功能；（4）具有快速待机唤醒功能；（5）带有16位硬件乘法器；（6）片内0.5k-512kBFLASH，0.5-66kSRAM；（7）不同型号有4-90个GPIO，有些型号带有LCD驱动接口；232.316位微控制器

图2-5MSP430F148引脚

242.432位微控制器近些年来，32位微控制器得到广泛应用，32位微控制器的各类寄存器、存储器都以32位为主，各类运算也是以32位进行，因此具有比8位和16位微控制器更高的处理速度和性能。ARM架构是目前32位处理器的主要类型，以ARM为核心的微处理器或微控制器种类繁多，应用广泛。ARM是一家芯片设计公司的名称，也是相应芯片架构的名称。ARM公司不生产芯片，只设计ARM架构的微处理器内核，该内核一般只包括CPU、寄存器、中断系统、调试系统、总线接口等基本模块，并受权给其他半导体公司，各半导体公司根据自己芯片的定位，在ARM内核的基础上，设计各类片内功能模块如定时器、程序存储器、数据存储器、通信接口等，然后封装为大小和形态各异的微控制器。因此ARM微控制器种类繁多，功能也千差万别。252.432位微控制器从1985年ARM公司诞生至今，开发了多个系列的ARM内核，应用较多的有ARM7、ARM9、ARM10、ARM11、ARM-Cortex等。各系列又包括多个品种，如ARM7系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T和ARM7EJ-S等。目前主要应用的是ARM-Cortex内核的微控制器，ARM-Cortex又分为三个系列，分别是ARM-CortexM系列、ARM-CortexR系列、ARM-CortexA系列，其中应用较多的是M系列和A系列，M系列针对微控制器领域，如单片机。A系列针对应用领域，如手机、平板电脑等，A系列微处理器带有虚拟内存管理，可用于运行复杂的操作系统，如Linux操作系统等。262.432位微控制器以ARM-CortexM为内核的STM32系列微控制器，在智能仪器与嵌入式应用中得到广泛应用。STM32系列微控制器按基本、高性能、低功耗等分为多个系列，每个系列根据存储器大小、封装、定时器、ADC、DAC、I/O口数量、串口种类及数量、供电电压、功耗、使用温度范围等不同。

STM32系列MCU分为（1）高性能系列（HighPerformance）：STM32F2、STM32F4、STM32F7、STM32H7等，内核频率从120MHz到550MHz，带有指令和数据缓存、单精度或双精度浮点运算单元，2MbFlash，512KbRAM,带有USB、CAN、TFT-LCD等控制器等。272.432位微控制器（2）主流系列（

MainstreamMCUs）：STM32F0、STM32G0（低成本应用）、STM32F1、STM32F3、STM32G4，引脚从8个到144个，Flash从16Kb到1Mb，可以适用各种应用。一般带有12位ADC，部分带有16位Ʃ-ΔADC和12DAC，方便了模拟信号应用。（3）低功耗系列（UltraLowPower），包括STM8L（8位专有内核）、STM32L4（Cortex-M4）、STM32L0（Cortex-M0+）和STM32L1（Cortex-M3）。STM32L5（Cortex-M33）等。STM8L/STM32L电流最低可到170nA。STM32L0系列为低功耗节能应用，封装最少为14个脚，内含8Kb到192KB的Flash，可有于超低功耗和低成本应用的场合。282.432位微控制器STM32F1-F4系列主要特点有：属于Cortex-M3/M4内核，带有64K-196K字节SRAM，片内FLASH容量从16K到1Mb；多个16-32位定时器，CAN，SPI，I2C，USB，UART等通信接口；2-3个个12位ADC，2个10-12位DAC；CRC校验单元；2个看门狗定时器（独立型和窗口型）；2个DMA控制器，多种节能模式，日历时钟，多达140个IO,并可用于外部中断等。ARM-CortexM系列还有GD32F1/F3、CH32F1/F2等，它们与STM32具有类似的特点与功能。有些32位或64位微控制器如S3C2440，S3C6410系列，以及ARMCortexA处理器，如Cortex-A9、Cortex-A15等，带有MMU（MemoryManagementUnit，内存管理单元），支持Linux等操作系统，在图像处理、智能手机、网路设备、服务器等领域得到广泛应用。292.432位微控制器

图2-6STM32F103RCT302.5带有TFT-LCD控制器的单片机数据的显示是多数智能仪器需要具备的重要功能，有时显示需要占用大量的单片机IO端口，甚至是单片机的处理时间。早期主要是单色的笔段式显示，利用单片机普通的IO端口可以控制数据的显示，有些单片机带有LCD显示控制器，如MSP430F4793带有LCD控制引脚，可以控制160段或点的LCD,可以方便智能仪器的设计。随着TFT-LCD显示技术的发展，智能仪器与控制器的显示方式也出现了丰富多彩的形式，TFT-LCD显示器具有体积小、分辨率高、功耗低、颜色丰富多样等特点，但TFT-LCD显示器通常需要三基色RGB数据的写入与控制，因此一般的单片机很难能够完成。但也有部分单片机内部集成了TFT-LCD控制器，除了单片机的一般功能外，还具有显示控制的功能，以下简单介绍T5L系列单片机的功能与应用。312.5带有TFT-LCD控制器的单片机T5L系列ASIC是一种双核单芯片IC,以8051为核心用于测量与控制，另一个核心为GUICPU，主要运行显示图像的处理。24位彩色显示，可以达到800×600到4096×2048的分辨率。主要分为T5L0、T5L1、T5L2、T5L3等。芯片内置高速显示缓存，1MBytesFLASH，1.5MBytesSRAM；64bit乘法和除法器；内置看门狗，3个16bitTimers，12路中断，支持四级嵌套，支持2KHD流媒体播放。1路15bit32KspsPWM数字功放驱动扬声器；支持电阻或电容触摸屏，带有22个IO，4路UARTs，1路CAN接口，7路12bitADC，2路PWM,RTC等。T5L芯片的两个内核8051内核与GUI内核之间通过变量存储器，来实现数据的交换。8051内核的主频可以达到250MHz，GUI内核里运行图形界面的构建和渲染,内置2D硬件加速，可以使图形界面刷新和流畅地切换。322.5带有TFT-LCD控制器的单片机图2-10带有TFT-LCD控制器的T5L单片机及TFT_LCD332.6可编程逻辑器件简介可编程逻辑器件（programmailelogicdevice)简称PLD，是一种可以根据需要，由用户自己编程来设置逻辑功能的大规模数字集成电路。传统的逻辑电路芯片，出厂后其输入与输出引脚之间的逻辑关系是固定的，无法更改，由固定逻辑关系的芯片可以构成复杂逻辑功能的电路，但电路复杂，设计难度大。利用PLD可以大大简化传统数字电路的设计，提高数字电路的设计效率，增加数字电路的可靠性。可以通过计算机软件编程的方法，编写与改变数字电路的逻辑功能。PLD按照结构可以分为(1)简单结构PLD,包括PAL和GPL。PAL即ProgrammableArrayLogic,可编程阵列逻辑，GAL即GenericArrayLogic，通用阵列逻辑，它们是两类结构稍有区别的PLD；(2)复杂可编程逻辑器件，CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice);(3)现场可编程门阵列,FPGA(FieldProgrammableGateArray).342.6可编程逻辑器件简介GAL的功能非常有限，只能构成数量有限的逻辑电路，只有少量芯片可选用，如GAL22V、GAL16V8等，GAL主要是Lattice公司生产，但目前基本都已停产。CPLD如可以实现较复杂的逻辑功能和简单的数字逻辑运算，有不少芯片可以选用。FPGA可以实现较大规模的数字逻辑运算电路，有较多的