第1章單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)處理器核的指令集架構(gòu)單片機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)單片機(jī)編程語言小結(jié)本章主要內(nèi)容單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--單片機(jī)的結(jié)構(gòu)單片機(jī)是指單個(gè)集成電路（IntegratedCircuit，IC）芯片上的小型計(jì)算機(jī)（Microcomputer）也稱為微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）MCU主要面向嵌入式應(yīng)用，這些應(yīng)用面向自動(dòng)控制產(chǎn)品和設(shè)備比如，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)、植入式醫(yī)療設(shè)備、遙控器、辦公機(jī)器、電器、電動(dòng)工具、玩具和其他嵌入式系統(tǒng)單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--單片機(jī)的結(jié)構(gòu)在MCU內(nèi)包含一個(gè)/多個(gè)中央處理器單元（CentralProcessingUnit，CPU）、易失性和非易失性存儲(chǔ)器，以及可編程的輸入和輸出設(shè)備CPUEMIFROM/FlashSRAM

UART

GPIOTimerOSCIntControllerADCDAC單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--單片機(jī)的結(jié)構(gòu)OSC為晶體振蕩器（Oscillator）的英文縮寫，它為MCU提供最基本的時(shí)鐘源通過MCU內(nèi)的相位鎖相環(huán)（PhaseLockedLoop，PLL）電路，基于該時(shí)鐘源可以產(chǎn)生不同頻率和相位的其他時(shí)鐘信號(hào)，以提供給MCU內(nèi)的所有功能單元隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和芯片設(shè)計(jì)水平的不斷提高，廠商經(jīng)常在MCU內(nèi)部集成了晶體振蕩器。當(dāng)然，MCU也仍然保留了從外部輸入時(shí)鐘源的能力單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--單片機(jī)的結(jié)構(gòu)CPU是中央處理單元（CentralProcessingUnit，CPU）的英文縮寫，CPU是MCU中的核心功能單元從MCU外部獲取的所有信息都要匯集到CPU進(jìn)行處理，CPU將處理后的數(shù)據(jù)送到存儲(chǔ)器或者外設(shè)CPU是指令集架構(gòu)（InstructionSetArchitecture，ISA）的具體實(shí)現(xiàn)，也稱為微架構(gòu)（Microarchitecture），它所采用的ISA決定了MCU的性能和特點(diǎn)單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--單片機(jī)的結(jié)構(gòu)SRAM是靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（StaticRandomAccessMemory，SRAM）的英文縮寫，主要用于暫時(shí)保存在程序運(yùn)行過程中所需要的數(shù)據(jù)，它充當(dāng)了易失性存儲(chǔ)器的角色這種類型存儲(chǔ)器的主要特點(diǎn)是需要上電來保存信息。當(dāng)MCU斷電時(shí)，保存在易失性存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)會(huì)丟失單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--單片機(jī)的結(jié)構(gòu)Flash是閃存（FlashMemory）的英文簡(jiǎn)稱，主要用于保存程序代碼，它充當(dāng)了非易失性存儲(chǔ)器的角色這種類型存儲(chǔ)器的主要特點(diǎn)是不需要上電保存信息當(dāng)MCU斷電時(shí)，程序代碼仍然會(huì)保存在非易失性存儲(chǔ)器中在閃存問世之前，MCU廠商經(jīng)常使用只讀存儲(chǔ)器（ReadOnlyMemory，ROM）或一次性可編程ROM（OneTimeProgrammableROM，OTPROM）來保存程序代碼單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--單片機(jī)的結(jié)構(gòu)UART為通用串行收發(fā)器（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，UART）的英文縮寫，它是一種以串行方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單外部設(shè)備（簡(jiǎn)稱外設(shè)）在MCU中，UART是標(biāo)準(zhǔn)配置，這是因?yàn)檫@種外設(shè)通常用于幫助嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員調(diào)試設(shè)備。通過UART和支持UART的串口調(diào)試軟件進(jìn)行人機(jī)交互，以快速定位系統(tǒng)的故障單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--單片機(jī)的結(jié)構(gòu)GPIO為通用輸入輸出（GeneralPurposeInput&Output，GPIO）的英文縮寫，它是MCU最基本的外設(shè)配置，也是MCU中最簡(jiǎn)單的外設(shè)MCU內(nèi)的CPU可以直接驅(qū)動(dòng)GPIO或讀取GPIO的邏輯狀態(tài)單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--單片機(jī)的結(jié)構(gòu)Timer為定時(shí)器的英文單詞，它是MCU中必不可少的基本外設(shè)定時(shí)器為MCU提供定時(shí)和計(jì)數(shù)功能，是MCU中提供最基本的外設(shè)配置當(dāng)在MCU中運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)（OperatingSystem，OS）時(shí)，定時(shí)器也用于為OS提供“嘀嗒”時(shí)鐘單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--單片機(jī)的結(jié)構(gòu)IntController為中斷控制器（InterruptController）的英文縮寫，它是MCU中最基本的功能單元中斷控制器為MCU提供了處理內(nèi)部和外部事件的能力，使得MCU內(nèi)的CPU能夠以最高效和最快的速度響應(yīng)并處理內(nèi)部和外部事件單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--單片機(jī)的結(jié)構(gòu)EMIF為外部存儲(chǔ)器接口（ExternalMemoryInterface，EMIF）的英文縮寫，它為MCU提供了連接片外SRAM芯片的能力通過該接口，用戶可以在MCU外部連接多片SRAM芯片來擴(kuò)展SRAM的總?cè)萘?，以適應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)對(duì)程序運(yùn)行期間所需要暫時(shí)保存大容量數(shù)據(jù)的需要對(duì)于一些成本比較敏感的應(yīng)用，擴(kuò)展SRAM會(huì)增加系統(tǒng)的總成本。由于現(xiàn)代MCU中片內(nèi)提供的SRAM容量足以保證低成本的嵌入式應(yīng)用，因此只有在必要的情況下，才需要在MCU外部采用外接SRAM芯片的方式來擴(kuò)展SRAM的總?cè)萘?。單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--單片機(jī)的結(jié)構(gòu)ADC和DAC分別為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）單元和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器單元（Digital-to-AnalogConvertor，DAC）的英文縮寫隨著集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，MCU也向著混合信號(hào)的方向發(fā)展，最主要的表現(xiàn)就是在MCU內(nèi)部集成了ADC和DAC單元這樣，MCU就成為連接數(shù)據(jù)采集、處理和驅(qū)動(dòng)控制的邊緣設(shè)備，構(gòu)建起了模擬和數(shù)字世界之間的“橋梁”單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--單片機(jī)的結(jié)構(gòu)此外，在一些對(duì)功耗比較敏感的應(yīng)用中（比如使用電池為MCU供電的應(yīng)用），要求MCU具有更加靈活的低功耗工作模式這些模式包括間歇工作模式、休眠模式或冬眠模式單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--單片機(jī)的結(jié)構(gòu)從半導(dǎo)體工藝和設(shè)計(jì)技術(shù)的角度來看，MCU朝著片上系統(tǒng)（SystemonChip，SoC）的方向發(fā)展即在MCU中集成的外設(shè)數(shù)量不斷增加，集成的SRAM和閃存的容量也越來越大，CPU的性能也越來越高與以前的MCU相比，MCU的整體性能和復(fù)雜度在增加，但是MCU的總成本卻保持不變，這符合“摩爾定理”所預(yù)測(cè)的半導(dǎo)體發(fā)展規(guī)律MCU的這種發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)一步降低了系統(tǒng)總成本，并且進(jìn)一步提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--桌面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)MCU與個(gè)人電腦（PersonalComputer，PC）和移動(dòng)電話（也稱為手機(jī)）上使用的微處理器（Microprocessor）有什么不同？PC和手機(jī)主要面向桌面應(yīng)用，它們搭載著Windows操作系統(tǒng)/Andriod操作系統(tǒng)/iOS操作系統(tǒng)單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--桌面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

CPUDRAM閃存I/OI/O單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--桌面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使用了性能強(qiáng)大的微處理器它的時(shí)鐘速度可以達(dá)到幾個(gè)GHz的頻率，而MCU內(nèi)的時(shí)鐘速度最多也就在幾百M(fèi)Hz的頻率此外，這種性能強(qiáng)大的微處理器中，還包含了多級(jí)高速緩存（Cache）和存儲(chǔ)器管理單元（MemoryManagementUnit，MMU）雖然有些高性能MCU的CPU內(nèi)部也提供了Cache，但是MCU內(nèi)部不存在MMU處理器內(nèi)部集成的低容量SRAM用于高速緩存單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--桌面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)而面向桌面的應(yīng)用中，要求處理器外部擴(kuò)展大容量同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（SynchronousDynamicRAM，SDRAM），這種外擴(kuò)存儲(chǔ)器的容量一般為幾十個(gè)GB的容量，甚至多達(dá)幾個(gè)GB的容量而MCU內(nèi)集成的SRAM存儲(chǔ)器的容量一般為幾十個(gè)KB的容量單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--桌面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)處理器外部擴(kuò)展了大容量NOR/NAND閃存，這種外擴(kuò)的閃存容量最多達(dá)到幾個(gè)GB，其容量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MCU內(nèi)集成的閃存單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--桌面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由于處理器面向桌面應(yīng)用，因此其外部連接的輸入/輸出設(shè)備也比MCU內(nèi)集成的輸入/輸出設(shè)備的功能更加復(fù)雜比如在面向桌面應(yīng)用的處理器中提供了高性能的PCI/PCI-E接口，這種接口在MCU中就沒有提供單片機(jī)和桌面系統(tǒng)的基本架構(gòu)

--桌面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)此外，面向桌面的應(yīng)用中所搭載操作系統(tǒng)的功能也遠(yuǎn)比MCU上所能搭載操作系統(tǒng)的功能復(fù)雜的多常見的，在MCU上搭載的嵌入式操作系統(tǒng)有μC-OS、FreeRTOS、RTX51-Tiny和RT-Thread等單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論

--處理器核的指令集架構(gòu)不同廠商的MCU內(nèi)集成的CPU核也有所不同在前面介紹MCU內(nèi)的CPU核時(shí)，提到CPU是ISA的具體實(shí)現(xiàn)，也稱為微架構(gòu)即，MCU廠商根據(jù)ISA設(shè)計(jì)CPU，以最終實(shí)現(xiàn)ISA中每條指令期望實(shí)現(xiàn)的功能準(zhǔn)確來說，所謂的處理器核的類型實(shí)際上是指不同的ISA處理器核的指令集架構(gòu)

--指令集架構(gòu)的主要類型無內(nèi)部互所流水級(jí)微處理器（MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages，MIPS）ISA，它由MIPS公司提供在Microchip（中文稱為微芯）公司的PIC32系列MCU內(nèi)就集成了M4K，該處理器核是MIPS核中的一款32位低功耗RISC內(nèi)核，采用了增強(qiáng)型的MIPS32IIISA處理器核的指令集架構(gòu)

--指令集架構(gòu)的主要類型高級(jí)RISC機(jī)器（AdvancedRISCMachine，ARM）ISA，它由ARM公司提供全球很多半導(dǎo)體公司通過購買的方式，從ARM公司獲取Cortex-M系列處理器核的ISA、硬件描述語言（HardwareDescriptionLanguage，HDL）設(shè)計(jì)代碼、物理版圖，并基于它們制造基于ARMISA的MCU產(chǎn)品ST（中文稱為意法半導(dǎo)體）公司的STM32G0系列MCU內(nèi)集成了Cortex-M0+處理器核、STM32F4系列MCU內(nèi)集成了Cortex-M4處理器核、STM32H7系列MCU內(nèi)集成了Cortex-M7處理器核處理器核的指令集架構(gòu)

--指令集架構(gòu)的主要類型用于Intel（中文稱為英特爾）公司的MCS-51MCU（也稱為8051）和MCS-251MCU（也稱為80251）的ISA全球很多半導(dǎo)體公司基于英特爾授權(quán)的基于MCS-51MCU和MCS-251MCU的ISA，設(shè)計(jì)并制造基于這些ISA的MCU產(chǎn)品具體來說，Intel首先制定了一個(gè)ISA，基于該ISA實(shí)現(xiàn)MCS-51MCU。當(dāng)其他MCU廠商得到了ISA的使用授權(quán)后，就可以自己也設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于該ISA的MCU，簡(jiǎn)稱為8051單片機(jī)。比如，STC公司基于該ISA，設(shè)計(jì)并量產(chǎn)了STC89C52RC系列MCU、STC15系列MCU和STC8系列MCU。由于它們基于IntelMCS-51MCU的ISA，因此這些MCU又稱為8051單片機(jī)處理器核的指令集架構(gòu)

--指令集架構(gòu)的主要類型此外，由于這些8051單片機(jī)對(duì)最早的IntelMCS-51MCU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，使得其性能有了顯著的提高，因此又把STC公司的這些8051單片機(jī)稱為增強(qiáng)型8051單片機(jī)處理器核的指令集架構(gòu)

--MCS-51指令集架構(gòu)MCS-51（通常稱為8051）是英特爾于1980年開發(fā)的應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的8位MCU系列這個(gè)最早的版本在20世紀(jì)80年代和90年代早期就很受歡迎，其增強(qiáng)型的衍生產(chǎn)品（實(shí)際上是指使用MCS-51ISA的改進(jìn)型MCU）至今被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中處理器核的指令集架構(gòu)

--MCS-51指令集架構(gòu)在MCS-51MCU內(nèi)部，集成了CPU、RAM、ROM、I/O、UART、中斷控制和定時(shí)器，它具有獨(dú)立的程序指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間本質(zhì)上，MCS-51是一個(gè)8位寬度的MCU，這是因?yàn)镸CS-51核內(nèi)部主要提供了可以實(shí)現(xiàn)算術(shù)和邏輯運(yùn)算的8位算術(shù)邏輯單元、8位數(shù)據(jù)總線和8位寄存器處理器核的指令集架構(gòu)

--MCS-51指令集架構(gòu)MCS-51MCU所使用的ISA包含了111條指令其中，49條為單字節(jié)指令，46條為雙字節(jié)指令，16條是三字節(jié)指令這是復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（ComplexInstructionSetComputer，CISC）的典型代表CISC的典型特點(diǎn)就