MCU片內(nèi)集成存儲器及接口的優(yōu)勢

CPU對存儲器和I/O端口的編址等西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院寧改娣

博士

教授MCU內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架CPU訪問的外部器件：1）存儲器2）MCU片內(nèi)、外I/O接口中的寄存器（I/O端口）2026/1/30掩膜ROM、SRAM、Flash等FunctionalBlockDiagram,MSP430G2x532026/1/3012.4CPU對存儲器及I/O端口的編址方式CPU配備存儲器和一些外設(shè)I/O接口電路，才構(gòu)成一個完整數(shù)字系統(tǒng)。不同CPU對存儲器和I/O接口地址配置及訪問方式不同。CPU要訪問的硬件一般可歸類為：存儲器和I/O接口中的寄存器兩大類。2026/1/3012.4CPU對存儲器及I/O端口的編址方式CPU配備存儲器和一些外設(shè)I/O接口電路，才構(gòu)成一個完整數(shù)字系統(tǒng)。不同CPU對存儲器和I/O接口地址配置及訪問方式不同。CPU要訪問的硬件一般可歸類為：存儲器和I/O接口中的寄存器兩大類。2026/1/3012.4.1CPU對存儲器的編址方式程序和數(shù)據(jù)存儲器的地址配置馮﹒諾依曼結(jié)構(gòu)——如通用計算機(jī)，ARM7、MIPS等。假設(shè)某處理器地址16位，示意如右圖：指令相同！2026/1/3012.4.1CPU對存儲器的編址方式程序和數(shù)據(jù)存儲器的地址配置哈佛結(jié)構(gòu)——如51、PIC、MC68單片機(jī)，TIDSP，由控制總線區(qū)分重疊空間，比如51的PSEN、RD和WR。假設(shè)某處理器地址16位，示意如右圖：指令不同！控制信號不同2026/1/30為什么MCU片內(nèi)集成越來越多種類、大容量存儲器？硬件結(jié)構(gòu)上更簡單（AB、DB、CB片內(nèi)連接，當(dāng)然地址確定），用戶不用設(shè)計，省事可靠性高種類多（掩膜ROM、Flash、RAM等），使用方便系統(tǒng)集成度更高→SOC2026/1/30為什么MCU片內(nèi)集成越來越多外設(shè)接口電路？外設(shè)——即MCU片外的輸入和輸出設(shè)備。輸入設(shè)備（如，鍵盤、鼠標(biāo)、開關(guān)等）和輸出設(shè)備（顯示器、打印機(jī)、LED等）。接口電路（I/O接口）集成到MCU片內(nèi)的作用與存儲器也類似，提高可靠性和系統(tǒng)集成度、方便用戶等。ADCI/O接口是CPU與外設(shè)的中轉(zhuǎn)站、進(jìn)行信號和速度匹配。（如，GPIO，方便控制LED、開關(guān)等）I/O接口使外設(shè)不依賴、不影響CPU。便于標(biāo)準(zhǔn)化?。ū热纾ㄟ^各種串口與對應(yīng)接口產(chǎn)品的數(shù)據(jù)交換）2026/1/30I/O接口的可訪問寄存器（稱為I/O端口）無論I/O接口電路復(fù)雜程度如何，CPU與I/O接口交換的信息都可以分為三類：數(shù)據(jù)信息，數(shù)字信息是兩者之間要傳送的數(shù)據(jù)，如，PxIN；狀態(tài)信息，狀態(tài)信息主要用來反映I/O設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，比如ADC轉(zhuǎn)換是否結(jié)束？輸出設(shè)備是否處于忙狀態(tài)等；控制信息，控制信息是CPU通過I/O接口來控制I/O設(shè)備的操作，是向外設(shè)傳送的控制命令，比如，GPIO的PxDIR。三種信息都是以數(shù)據(jù)形式存放在I/O接口電路的寄存器中，不同接口中的數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)寄存器的多少、位數(shù)、含義是不同的。比如，定時器、ADC等。2026/1/30MCU片內(nèi)集成的各I/O端口總結(jié)MCU片內(nèi)I/O接口都是可編程的，對控制寄存器編程MCU出廠內(nèi)部I/O端口的地址是確定的用戶要使用接口必須清楚接口原理、I/O端口控制寄存器各位含義、I/O端口地址等等GPIO結(jié)構(gòu)中的PxIN、PxOUT、PxDIR等都是I/O端口2026/1/3012.4.2CPU對I/O端口的編址方式MCU片外的獨(dú)立I/O接口，一般情況下，需要地址譯碼電路產(chǎn)生區(qū)分不同芯片的信號。ChipSelect，片內(nèi)接口也類似。只是電路連接及地址都已確定！用戶不能改變，比如，PxDIR。2026/1/30比如，片外I/O接口8255——有4個I/O端口

片外接口需要接地址數(shù)據(jù)控制線，片內(nèi)接口已接好！I/O端口是指接口中能被CPU直接訪問(讀/寫)的寄存器。I/O接口芯片中一般有多個I/O端口，接口芯片就有對應(yīng)地址線輸入引腳，用于區(qū)分各端口，這些引腳一般與處理器的地址總線低位地址依次相接。比如，“數(shù)電”介紹的早期計算機(jī)中的8255接口有4個端口。2026/1/3012.4.2CPU對I/O端口的編址方式無論片內(nèi)還是片外接口，CPU對I/O端口的編址（或?qū)ぶ罚┓绞揭话阌袃煞N：一種是IO端口和數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，即存儲器映射方式；Motorola系列、Apple系列微型機(jī)、TI的DSP系列和一些小型機(jī)就是采用這種方式。MCS-51系列也屬于這種編址方式?？臻g共享但無需專門IO指令。2026/1/308051存儲器組織結(jié)構(gòu)-哈佛結(jié)構(gòu)2026/1/30ProgramSelectEnable）

MOVCMOVX程序引導(dǎo)引腳，EA=0訪問片外程序存儲器MOVC

思考：2#2764與6264的片選可否同時用Y2端？即兩片的地址空間完全相同是否有沖突？2026/1/3012.4.2CPU對I/O端口的編址方式I/O端口的編址方式另一種是I/O和數(shù)據(jù)存儲器分開獨(dú)立編址，即I/O映射方式。IBM系列、Z-80系列微型機(jī)和大型計算機(jī)通常采用這種方式?？臻g獨(dú)立但需要有專門的IO指令，對應(yīng)會產(chǎn)生專門的IO控制信號，比如，下頁P(yáng)PT的早期計算機(jī)主板接口電路中的IOR、IOW信號。2026/1/30圖中IOR和IOW控制信號說明IO是獨(dú)立編址I/O端口是指接口中能被CPU直接訪問(讀/寫)的寄存器。I/O接口芯片中一般有多個I/O端口，接口芯片就有對應(yīng)地址線輸入引腳，用于區(qū)分各端口，這些引腳一般與處理器的地址總線低位地址依次相接。比如，“數(shù)電”介紹的早期計算機(jī)中的8255接口有4個端口。2026/1/30MSP430G2x53，MSP430G2x13

MemoryOrganization可見存儲器是馮?諾依曼結(jié)構(gòu)；端口與存儲器是統(tǒng)一編址。2026/1/30GPIO：總結(jié)思考CPU出廠后對M和IO編址方式已確定。MCU片內(nèi)的存儲器和IO端口出廠后地址都是確定。用戶應(yīng)用掌握處理器的M配置和IO地址重要！掌握：MSP430G2553程序在哪里存儲的？地址空間或范圍多大？數(shù)據(jù)存儲器地址范圍？容量？2026/1/302.5微控制器建議學(xué)習(xí)方法集成電路不斷朝著SOC(SystemonaChip)的方向發(fā)展。微處理器芯片的功能也越來越多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，這使得基于微處理器的系統(tǒng)設(shè)計越來越容易，而掌握和使用微處理器本身卻變得越來越難。且更新快（1）學(xué)會查找資料（日新月異的處理器無合適的教材）（