微控制器由什么組成的?微控制器構(gòu)造分析

　　微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，其成本越來(lái)越低，而性能越來(lái)越強(qiáng)大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無(wú)處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機(jī)控制、條碼閱讀器/掃描器、消費(fèi)類(lèi)電子、游戲設(shè)備、電話(huà)、HVAC、樓宇安全與門(mén)禁控制、工業(yè)控制與自動(dòng)化和白色家電（洗衣機(jī)、微波爐）等。

　　基于RISC架構(gòu)的微控制器架構(gòu)

　　MAXQ2000微控制器是Maxino/Dallas公司推出的一款基于RISC架構(gòu)的16位微控制器。理解這款微控制器的一些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以使我們更好地理解RISC結(jié)構(gòu)微控制器的最新發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)特點(diǎn)，從而為我們構(gòu)建新型系統(tǒng)提供更加理想的選擇。MAXQ2000的指令讀取和執(zhí)行操作在一個(gè)周期內(nèi)完成，而沒(méi)有流水線(xiàn)操作，這是因?yàn)橹噶罴劝瞬僮鞔a也包括了數(shù)據(jù)。字母Q表示這款微控制器的一個(gè)重要特點(diǎn)便是“安靜”，MAXQ架構(gòu)通過(guò)智能化的時(shí)鐘管理來(lái)降低噪聲．這意味著MAXQ只向那些需要使用時(shí)鐘的電路提供時(shí)鐘，這樣既降低了功耗，又為模擬電路的整合提供了一個(gè)最安靜的環(huán)境。它包含液晶顯示（LCD）接口，最多可以驅(qū)動(dòng)100或132段（兩種版本）。這款微控制器的功耗指標(biāo)和MIPS/MHz代碼效率方面都在同類(lèi)微控制器當(dāng)中遙遙領(lǐng)先．下面介紹MAXQ2000的主要特性。

　　指令集

　　指令集由23條對(duì)寄存器和存儲(chǔ)器進(jìn)行操作的固定長(zhǎng)度的16位指令組成。指令集高度正交，允許算術(shù)和邏輯操作使用累加器和任何寄存器。特殊功能寄存器控制外圍設(shè)備，并細(xì)分成寄存器模塊。產(chǎn)品系列的結(jié)構(gòu)是模塊化的，因此新的器件和模塊能夠繼續(xù)使用為現(xiàn)有產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的代碼．該結(jié)構(gòu)是基于傳送觸發(fā)的，這意味著對(duì)某一寄存器位置的讀或?qū)憰?huì)產(chǎn)生額外作用。這些額外作用構(gòu)成了由匯編器定義的高層操作碼的基礎(chǔ)，如ADDC、OR和JUMP等。

　　存儲(chǔ)器

　　MAXQ2000具有32KB閃存、lKBRAM、4KB的內(nèi)部ROM存儲(chǔ)器塊和16級(jí)堆棧存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器缺省配置成Harvard結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器具有獨(dú)立的地址空間，還可以使能為Vorl Ncumann存儲(chǔ)器配置模式，即將固定用途ROM、代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器放置到一個(gè)連續(xù)的存儲(chǔ)器映射中．這適合于需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)程序修改或特殊存儲(chǔ)器配置的應(yīng)用。閃存程序存儲(chǔ)器可以通過(guò)16字密鑰進(jìn)行密碼保護(hù)，從而防止未授權(quán)者訪(fǎng)問(wèn)程序存儲(chǔ)器。同時(shí)，還具有3個(gè)數(shù)據(jù)指針，支持高效快速地處理數(shù)據(jù)．固定用途ROM由可以在應(yīng)用軟件中進(jìn)行調(diào)用的子程序組成（缺省起始地址為8000H）．包括：通過(guò)JTAG或UART接口進(jìn)行在系統(tǒng)編程（引導(dǎo)加載程序）；在電路調(diào)試程序；測(cè)試程序（內(nèi)部存儲(chǔ)器測(cè)試，存儲(chǔ)器加載等）；用于在應(yīng)用閃存編程和快速查找表的用戶(hù)可調(diào)用程序。無(wú)論以任何方式復(fù)位，都從固定用途ROM開(kāi)始運(yùn)行程序。R。M軟件決定程序立刻跳轉(zhuǎn)到8000H位置、用戶(hù)應(yīng)用代碼的起始位置、還是上面提到的某特定用途子程序．用戶(hù)可訪(fǎng)問(wèn)固定用途ROM中的程序，并且可以由應(yīng)用軟件調(diào)用這些程序。

　　寄存器組

　　器件的大多數(shù)功能是由寄存器組來(lái)控制的。這些寄存器為存儲(chǔ)器操作提供工作空間，并配置和尋址器件上的外設(shè)寄存器。寄存器分成兩大類(lèi)：系統(tǒng)寄存器和外設(shè)寄存器．公共寄存器組也稱(chēng)作系統(tǒng)寄存器，包括ALU、累加器寄存器、數(shù)據(jù)指針、堆棧指針等。外設(shè)寄存器定義了可能包含在基于MAXQ架構(gòu)的不同產(chǎn)品中的附加功能．

　　電源管理

　　MAXQ2000同樣提供了先進(jìn)的電源管理功能，根據(jù)系統(tǒng)不同時(shí)刻的不同性能需求，可以動(dòng)態(tài)設(shè)置處理速度，從而大大降低功耗。通過(guò)軟件選擇分頻功能，來(lái)選擇系統(tǒng)時(shí)鐘周期是l、2、4或者8個(gè)振藹周期。為進(jìn)一步降低功耗，還有另外三種低功耗模式，256分頻、32 kH。和停機(jī)模式。

　　中斷

　　提供多個(gè)中斷源，可對(duì)內(nèi)部和外部事件快速響應(yīng)。MAXQ結(jié)構(gòu)采用了單一中斷向量（IV）和單一中斷服務(wù)程序（ISR）設(shè)計(jì)。必須在用戶(hù)中斷程序內(nèi)清除中斷標(biāo)志，以避免由同一中斷源引發(fā)重復(fù)中斷。當(dāng)檢測(cè)到使能的中斷時(shí)，軟件跳轉(zhuǎn)到一個(gè)用戶(hù)可編程的中斷向量位置。一旦軟件控制權(quán)轉(zhuǎn)移到ISR，可以使用中斷識(shí)別寄存器（IIR）來(lái)判定中斷源是系統(tǒng)寄存器還是外設(shè)寄存器。然后，就可以查詢(xún)特定模塊以確定具體中斷源，并采取相應(yīng)的操作。由于中斷源是由用戶(hù)軟件識(shí)別的，因此用戶(hù)可以為每種應(yīng)用確立一個(gè)獨(dú)特的中斷優(yōu)先級(jí)方案。

　　硬件乘法器

　　集成的硬件乘法器模塊執(zhí)行高速乘法、乘方和累加操作，并能在一個(gè)周期內(nèi)完成一個(gè)16位×16位乘法和累加操作。硬件乘法器由2個(gè)］6位并行加載操作數(shù)寄存器（MA，MB）和1個(gè)累加器組成。加載寄存器能夠自動(dòng)啟動(dòng)操作，從而節(jié)省了重復(fù)計(jì)算的時(shí)間。硬件乘法器的累加功能是數(shù)字濾波、信號(hào)處理以及PII）控制系統(tǒng)中的一個(gè)基奉單元，這使得MAXQ2000可以勝任需要大量數(shù)學(xué)運(yùn)算的應(yīng)用。

　　微控制器體系結(jié)構(gòu)

　　1、哈佛結(jié)構(gòu)

　　哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。中央處理器首先到程序指令存儲(chǔ)器中讀取程序指令內(nèi)容，解碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的操作（通常是執(zhí)行）。程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位寬度，而數(shù)據(jù)是8位寬度。哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。其程序指令和數(shù)據(jù)指令分開(kāi)組織和存儲(chǔ)的，執(zhí)行時(shí)可以預(yù)先讀取下一條指令。目前使用哈佛結(jié)構(gòu)的中央處理器和微控制器有很多，除了上面提到的Microchip公司的PIC系列芯片，還有摩托羅拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安謀公司的ARM9、ARM10和ARM11，51單片機(jī)也屬于哈佛結(jié)構(gòu)。

　　2、諾伊曼結(jié)構(gòu)

　　馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)也稱(chēng)普林斯頓結(jié)構(gòu)，是一種將程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。程序指令存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址指向同一個(gè)存儲(chǔ)器的不同物理位置，因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同，如英特爾公司的8086中央處理器的程序指令和數(shù)據(jù)都是16位寬。目前使用馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的中央處理器和微控制器有很多。除了上面提到的英特爾公司的8086，英特爾公司的其他中央處理器、安謀公司的ARM7、MIPS公司的MIPS處理器也采用了馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)。

　　微控制器應(yīng)用

　　系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)和配置規(guī)模都是以滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)功能要求為原則，具有最佳的性能價(jià)格比。采用微控制器后，許多硬件電路的功能可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)（稱(chēng)為硬件的軟化），可以大大減少系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。這一方面可以降低成本，另一方面也大大提高了系統(tǒng)的可靠性。微控制器應(yīng)用系統(tǒng)具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。

　　微控制器在家用電器、辦公設(shè)備、測(cè)控系統(tǒng)、智能儀器儀表、通訊系統(tǒng)及機(jī)電行業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。隨著廉價(jià)微控制器的出現(xiàn)，它的應(yīng)用范圍將越來(lái)越廣泛。

　　1、 機(jī)電一體化產(chǎn)品。微控制器與傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品相結(jié)合，使傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，控制智能化，人-機(jī)界面更加友好，構(gòu)成新一代的機(jī)-電一體化產(chǎn)品。如微控制器控制的編織機(jī)、數(shù)控機(jī)床等。

　　2、 智能儀器儀表。用微控制器改造原有的測(cè)量、控制儀器儀表，促進(jìn)了儀器儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化發(fā)展，使儀器儀表具有自動(dòng)量程選擇、自動(dòng)誤差修正、自診斷、數(shù)據(jù)斷電保護(hù)等功能。由微控制器構(gòu)成的儀器儀表集測(cè)量、處理、控制功能于一體，賦予測(cè)量?jī)x器儀表以嶄新的面貌。

　　3、 測(cè)控系統(tǒng)。用微控制器構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，如電鍍生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)控制等。

　　4、 智能計(jì)算機(jī)外設(shè)。如繪圖儀、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器均采用了微控制器。針式打印機(jī)就由兩片微控制器控制。微機(jī)的鍵盤(pán)由一片微控制器控制。

　　5、 智能傳感器。微控制器與傳感器的結(jié)合，構(gòu)成了智能傳感器，可方便實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性校正。 6、 通訊系統(tǒng)。