單晶片微處理機簡介

1、單晶片微處理機簡介單晶片微處理器之應(yīng)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(tǒng)之設(shè)計與發(fā)展1簡介單晶片微處理器主要義涵整個微處理機系統(tǒng)搭配簡單周邊模組與輸出入介面以單晶片型態(tài)完成，單晶片微處理器中包含系統(tǒng)運作所需之周邊模組與模組驅(qū)動程式、系統(tǒng)程式與應(yīng)用程式。國內(nèi)外有許多晶片公司，分別針對不同應(yīng)用，設(shè)計有許多種單晶片微處理機系列，如：8051、PIC、ARM、等等 。2單晶片微處理器之應(yīng)用與功能需求 目前各類之電子與家電產(chǎn)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(xiàn)實環(huán)境之量測、監(jiān)控與互動裝置皆可看到單晶

2、片系統(tǒng)之蹤影。3環(huán)境、單晶與數(shù)位系統(tǒng)互動示意圖環(huán)境參數(shù)量測與轉(zhuǎn)換數(shù)位訊號轉(zhuǎn)換為環(huán)境參數(shù)、訊號、驅(qū)動訊號、等類比連續(xù)物理量量化離散數(shù)位訊號其他數(shù)位系統(tǒng)資訊串列現(xiàn)實環(huán)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4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(jiān)督單元RAM與EEPROM/Flash ROM計時/計數(shù)器基本I/O埠、串列傳輸ADC/DAC、PWM、audio、RF.等等 5單晶片微處理機之架構(gòu) CPU 核心基本I/O 埠計時/計數(shù)器ADCDACPWM其它EEPROM/Flash ROMTiming generatePLL/

3、ClockMonitorResetPower upBrown outSleep modeWatchdogsInterrupt controlSeries I/O:UART, I2CCompareCapture6中央處理單元（CPU）核心 CPU核心由暫存器、算數(shù)與邏輯運算單元與控制單元、指令解碼器與指令集所組成。根據(jù)指令集之設(shè)計技術(shù)，可分為複雜指令集 (CISC)與精簡指令集(RISC) 核心。 複雜指令集 ：指令數(shù)目多(數(shù)百個)、多位元組指令、指令週期長、指令功能強、運算元定址模模式多。精簡指令集：指令數(shù)目少(數(shù)十，一般約50個指令左右)、以單字元組指令為主(一個指令只需一字元，適合使用管線

4、化 pipeline 加速技術(shù))、指令週期短，但指令功能較弱、運算元定址模模式少。 7RAM與EEPROM/Flash ROM隨機存取記憶體(RAM)供CPU核心儲存各類資料?？勺x寫式唯讀記憶體(EEPROM/Flash ROM)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(tǒng)之指令位元數(shù)有限，記憶體系統(tǒng)可能採用分頁技巧或暫存器定址模式，以便節(jié)省運算元之定址位元。 8監(jiān)督單元(monitor unit) 對系統(tǒng)穩(wěn)定性與多元應(yīng)用之需求，單晶片微處理器皆設(shè)計監(jiān)督單元，負責執(zhí)行監(jiān)督與管理系統(tǒng)，系統(tǒng)重置(Reset)電源啟動(Power up)電源耗弱(Brown out)睡眠模式

5、(Sleep mode)看門狗(Watchdogs)中斷控制器(Interrupt control)9系統(tǒng)重置(Reset) 可分成熱機重置(hot reset)與冷機重置(cold reset)。冷機重置(cold reset)指的是電源剛啟動之重置動作，此時單晶系統(tǒng)內(nèi)之記憶體與暫存器皆處於未使用狀態(tài)，其內(nèi)容為隨機之數(shù)值(不可預(yù)測)熱機重置(hot reset)指的是正常使用中，因各種異常訊號或使用者設(shè)定，產(chǎn)生系統(tǒng)重置情況，此時單晶片系統(tǒng)內(nèi)之記憶體與暫存器皆已設(shè)定資料。10啟動電源管理概念 電源重置訊號重置訊號電源未穩(wěn)定前之重置產(chǎn)生誤動作誤動作，可應(yīng)用啟動計時器避免電源應(yīng)用Power on

6、reset避免誤動作Power on重置訊號Power on reset 電路 11各種常見電源不穩(wěn)定現(xiàn)象 瞬間脈衝接地雜訊電源故障電源耗盡12電源brown out現(xiàn)象偵測 偵測到,VTbor偵測不到VborTbor13睡眠模式(Sleep mode)與看門狗計時器(Watchdogs timer)睡眠模式：單晶系統(tǒng)設(shè)計睡眠模式或省電模式。如此，便可在非使用時期停止系統(tǒng)運作或降低運作之功率，達成節(jié)能與延長操作時間的目的。因此，設(shè)計有睡眠模式之控制，包含設(shè)定與喚醒之機制?？撮T狗計時器(Watchdogs timer) ：為預(yù)防長時間當機之事件發(fā)生，單晶片微處理機提供看門狗計時器(Watchdo

7、gs timer)，定時檢視系統(tǒng)是否正常，或?qū)⑾到y(tǒng)由睡眠模式喚醒。14中斷控制器(Interrupt control)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(yōu)先權(quán)、中斷旗標等。中斷向量：發(fā)生中斷時，CPU需執(zhí)行之中斷服務(wù)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(chǎn)生中斷)、遮罩(使周邊無法產(chǎn)生中斷)。中斷優(yōu)先權(quán)：當有不同周邊產(chǎn)生中斷訊號時，依中斷優(yōu)先權(quán)執(zhí)行對應(yīng)之中斷服務(wù)程式。優(yōu)先權(quán)高之中斷將優(yōu)先執(zhí)行，優(yōu)先權(quán)高之中斷訊號，可中斷優(yōu)先權(quán)低之服務(wù)程式。中斷旗標：當有周邊產(chǎn)生中斷訊號時，同時會設(shè)定周邊模組之中斷

8、旗標，供CPU辨識中斷來源。15時脈產(chǎn)生器(Timing generate)數(shù)位系統(tǒng)運作需要有一基本之系統(tǒng)時脈。並以此為基礎(chǔ)訊號，乘除某些數(shù)值，以便得到各周邊模組所需之工作時脈。單晶系統(tǒng)中常以簡單之振盪晶體或RC振盪電路產(chǎn)生基本時脈訊號。若要產(chǎn)生更高之系統(tǒng)時脈，可應(yīng)用鎖相迴路(phase lock loop, PLL)時脈合成器若要產(chǎn)生較低之時脈，可經(jīng)由計數(shù)器除頻產(chǎn)生系統(tǒng)時脈 。16 RC振盪電路 17除頻電路之基本方塊圖 M-1比較器計數(shù)器clcok重置/reset相等clock/M18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NFosc19計時/計數(shù)器計時/數(shù)

9、模組為單晶片系統(tǒng)之重要模組。輸入訊號透過預(yù)除器(Prescaler)，使時脈速率降低與獲得較穩(wěn)定訊號。計數(shù)後之輸出，通過後除器(Postescaler)，可將計數(shù)結(jié)果分群輸出或降低模組計數(shù)輸出速率。 妥善應(yīng)用計時器模組所輸出之計數(shù)數(shù)值，可設(shè)計各種周邊應(yīng)用模組。捕抓(capture)模組比較(compare)模組脈波寬調(diào)變(pulse width modulation)模組。 20計時(計數(shù))器模組架構(gòu) 預(yù)除器計時器或計數(shù)器後除器FOSCF_timer/MF_timerTimeroverflow or equal控制暫存器狀態(tài)暫存器其它模組計數(shù)數(shù)值21馬錶訊號&超聲波測距訊號-捕抓(captur

10、e)模組應(yīng)用22捕抓(capture)模組之基本架構(gòu)圖 輸入腳位預(yù)除器或邊緣偵測資料暫存器計時器控制暫存器狀態(tài)暫存器捕捉致能23比較(compare)模組之基本架構(gòu)圖 資料暫存器比較器計時/數(shù)器模組暫存器控制暫存器狀態(tài)暫存器輸出控制輸出腳位相等控制特殊模組24PWM訊號與基本應(yīng)用概念 週期Duty cyclePWM 訊號低通對應(yīng)於Duty cycle直流平均訊號25基本I/O埠單晶系統(tǒng)之基本輸出入模組，可設(shè)定規(guī)劃各模組位元之輸出入方向(輸入、輸出或雙向)。輸出埠之設(shè)計模式有開集(汲)級輸出、三態(tài)輸出、圖騰柱輸出，以及是否資料緩衝(buffer)。推動能力從數(shù)mA至數(shù)十mA，一般推動能力之流入電

11、流(汲入sink)與流出電流(源出source)驅(qū)動力不同。輸入埠之設(shè)計模式有弱提升電阻(pullup resistance )輸入模式、史密特觸發(fā)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(tǒng)設(shè)計將所有輸出入埠設(shè)定至省電狀態(tài)。26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27ADC與DACADC:類比數(shù)位轉(zhuǎn)換過程，若希望轉(zhuǎn)換完成之數(shù)位資訊保持所有原類比訊號之特徵。需依取樣定理(sampling theorem)取樣。DAC:將數(shù)位資訊轉(zhuǎn)換為類比訊號之轉(zhuǎn)換過程 。取樣定理: 取樣時間 為類比訊號之最高頻率 28類比訊號轉(zhuǎn)換數(shù)位資訊之轉(zhuǎn)變過程 3 6

12、7 4.取樣維持ADC連續(xù)類比訊號離散類比訊號離散數(shù)位資訊29類比轉(zhuǎn)數(shù)位(ADC)基本架構(gòu)圖 類比輸入資料暫存器控制暫存器狀態(tài)暫存器類比轉(zhuǎn)數(shù)位(ADC)取樣維持電路取樣轉(zhuǎn)換格式開始轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換完成30數(shù)位資訊轉(zhuǎn)換為類比訊號轉(zhuǎn)變過程3 6 7 4 .低通濾波器ADC一階維持重建離散數(shù)位資訊離散類比訊號連續(xù)類比訊號31數(shù)位轉(zhuǎn)類比(DAC)基本架構(gòu)圖資料暫存器數(shù)位轉(zhuǎn)類比(DAC)類比輸出重建濾波器電路32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(shè)定後周邊模組自行運作不需額外控制，如：基本之數(shù)位輸出/輸入埠、或PMM模組?；涌刂颇Ｊ剑篊PU與周邊模組需透過一來

13、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。33周邊模組直接控制模式 處理模組資料開始繼續(xù)設(shè)定模組控制資料開始繼續(xù)設(shè)定設(shè)定流程處理流程34周邊模組諮詢控制模式 設(shè)定模組控制資料開始繼續(xù)設(shè)定是否資料備妥處理模組互動資料清除相關(guān)狀態(tài)旗標開始繼續(xù)諮詢是否設(shè)定流程處理流程35周邊模組中斷控制模式 模組中斷服務(wù)程式模組產(chǎn)生中斷中斷返回設(shè)定模組控制資料設(shè)定模組中斷向量啟動模組與系統(tǒng)中斷功能開始繼續(xù)設(shè)定流程處理流程36中斷服務(wù)程式之設(shè)計規(guī)則使用中斷控制功能必須將中斷服務(wù)程式，設(shè)定至對應(yīng)之中斷向量。中斷服務(wù)程式必需執(zhí)行下列步驟：遮罩低階或

14、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(chǎn)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(xù)產(chǎn)生。中斷服務(wù)程式必需以最短之時間結(jié)束，避免影響系統(tǒng)正常運作。中斷服務(wù)程式之資料區(qū)，避免因中斷過程影響資料之完整性。37中斷服務(wù)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(guān)中斷旗標是是38單晶片系統(tǒng)之設(shè)計與發(fā)展系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)過程包括有規(guī)格設(shè)定分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、軟應(yīng)體功能劃分、功能模擬與驗證、功能與系統(tǒng)測試、系統(tǒng)修改39單晶片之整合發(fā)展環(huán)境(integrate dev

15、elopment environment, IDE)系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)過程繁瑣，整合發(fā)展環(huán)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(zhí)行(模擬、執(zhí)行、下載執(zhí)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 40單晶片微處理器學(xué)習(xí)流程 瞭解基本之單晶架構(gòu)與周邊模組關(guān)係及各模組之用途。進一步瞭解模組之應(yīng)用與模組設(shè)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(jīng)由CPU之data sheet快速學(xué)習(xí)指令集)。熟悉發(fā)展流程與發(fā)展之工具環(huán)境與應(yīng)用技巧

16、。41學(xué)習(xí)重點 專案管理程式之撰寫與偵錯模組化之發(fā)展與偵錯模擬仿真?zhèn)慑e技巧 軟硬體與系統(tǒng)整合偵錯技巧 42模組化之發(fā)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(gòu)(Dummy program)呼叫。單步執(zhí)行(step)、中斷點(breakpoint)等設(shè)定程式觀察點，分析程式執(zhí)行流程與結(jié)果，並判斷與預(yù)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(zhí)行(step)、中斷點(breakpoint)等偵錯用中斷模式互相影響。43模擬仿真?zhèn)慑e技巧當硬體尚未正確完成時，一般可透過發(fā)展環(huán)境之模擬(simulation)或仿真(emulation)功能進行軟硬體之偵錯，可透過軟、硬

17、體之中斷點(breakpoint)、流程追蹤(trace)、同步觸發(fā)等偵錯技巧發(fā)現(xiàn)程式間潛藏之錯誤(BUG)。模擬(simulation)，為整合發(fā)展環(huán)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(in circuit emulation, ICE)提供單晶片微處理器之核心與周邊模組之硬體模擬，並可與外部之硬體電路連接，如此可輕易進行軟、硬體之交互偵測。44結(jié)論單晶片系統(tǒng)是各種系統(tǒng)整合應(yīng)用之核心，也是系統(tǒng)晶片(SOC)設(shè)計之重點。由於應(yīng)用與晶片種類之多樣化。因此，學(xué)習(xí)時應(yīng)以各種周邊模組之設(shè)計、應(yīng)用與控制概念為主，配合相關(guān)晶片之實作演練，並於相關(guān)之課程多方瞭解，如此必能收到事半功倍之效果