微控制器

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

　　微控制器可從不同方面進(jìn)行分類：根據(jù)數(shù)據(jù)總線寬度可分為8位、16位和32位機；根據(jù)存儲器結(jié)構(gòu)可分為Harvard結(jié)構(gòu)和Von Neumann結(jié)構(gòu)；根據(jù)內(nèi)嵌程序存儲器的類別可分為OTP、掩膜、EPROM／EEPROM和閃存Flash；根據(jù)指令結(jié)構(gòu)又可分為CISC(Complex Instruction Set Computer)和RISC(Reduced Instruction Set Computer)微控制器。本文將結(jié)合不同指令結(jié)構(gòu)微控制器的發(fā)展及其特性進(jìn)行論述。

1 微控制器的發(fā)展歷程

　　Intel公司作為最早推出微處理器的公司，同樣也是最早推出微控制器的公司。繼1976年推出MCS-48后，又于1980年推出了MCS-51，為發(fā)展具有良好兼容性的新一代微控制器奠定了良好的基礎(chǔ)。在8051技術(shù)實現(xiàn)開放后，Philips、Atmel、Dallas和Siemens等公司紛紛推出了基于80C5l內(nèi)核(805l的CMC)S版本)的微控制器。這些各具特色的產(chǎn)品能夠滿足大量嵌入式應(yīng)用需求。基于80C51內(nèi)核的微控制器并沒有停止發(fā)展的腳步，例如現(xiàn)在Maxim／Dallas公司提供的DS89C430系列微控制器，其單周期指令速度已經(jīng)提高到了805l的12倍。

　　基于CISC架構(gòu)的微控制器除了80C51外，還包括Motorola提供的68HC系列微控制器，這也是大量應(yīng)用的微控制器系列。

　　基于RISC架構(gòu)的微控制器則包括Microchip的PIC系列8位微控制器等。在16位RISC架構(gòu)的微控制器中，Maxim公司推出的MAXQ系列微控制器以其高性能、低功耗和卓越的代碼執(zhí)行效率，成為許多需要高精度混合信號處理以及便攜式系統(tǒng)和電池供電系統(tǒng)的理想選擇。

2 基于8051內(nèi)核的COSC微控制器

　　迄今為止，MCS-51已成為8位機中運行最慢的系列?，F(xiàn)在Dallas推出的DS89C430系列產(chǎn)品在保持與80C51引腳和指令集兼容的基礎(chǔ)上，每個機器周期僅為一個時鐘，實現(xiàn)了8051系列的最高吞吐率。一般而言，對于現(xiàn)有的基于8051的應(yīng)用軟件可以直接寫入DS89C430而無需進(jìn)行更改。除此之外，DS89C430還在許多其他方面引入了新的功能，從而為具體應(yīng)用提供了更多靈活性。下面介紹DS89C430不同于8051的功能和特點。

2.1 片內(nèi)程序存儲器及應(yīng)用

　　片內(nèi)程序存儲器邏輯上分為成對的8 KB、16 KB或32 KB閃存單元，以支持在應(yīng)用編程。這允許器件在應(yīng)用軟件的控制下修改程序存儲器，應(yīng)用系統(tǒng)能夠在執(zhí)行其主要功能的情況下，完成在線軟件升級。DS89C430集成了64 B加密陣列，允許用戶以加密形式查看數(shù)據(jù)，進(jìn)行程序代碼校驗。

　　器件支持通過RS-232串口實現(xiàn)在系統(tǒng)編程。在系統(tǒng)編程通過將器件的一個或多個外部引腳設(shè)置為某特定狀態(tài)來激活引導(dǎo)加載程序。器件啟動后，開始執(zhí)行駐留于器件內(nèi)部專用ROM的加載程序。一旦收到一個回車符號，串口就執(zhí)行自動波特率功能，并與主機的波特率同步。如圖1所示是在系統(tǒng)編程的物理連接．簡單的引導(dǎo)加載程序接口允許使用幾種方法來實現(xiàn)PC機與目標(biāo)微控制器間的通信。最簡單的方法是使用Dallas的微控制器工具包(MTK)軟件．它具有高度前端特征，簡化了目標(biāo)配置，上傳、下載代碼以及特殊功能配置等任務(wù)操作。

2.2 雙數(shù)據(jù)指針

　　8051微控制器是通過MOVX指令來訪問片外數(shù)據(jù)空間的，用MOVX@DPTR指令可訪問整個64 KB的片外數(shù)據(jù)存儲器。傳統(tǒng)的8051只有一個數(shù)據(jù)指針DPTR，要將數(shù)據(jù)從一個地址移到另一個地址非常麻煩。DS89C430則具備雙數(shù)據(jù)指針DPTR0和DPTRl，因此軟件可以使用一個指針裝載源地址，另一個指針裝載目的地址。DPTR0的SFR地址與805l相同(82H和83H)，因此使用該指針時源代碼無需更改，DPTRl位于84H和85H地址。所有與數(shù)據(jù)指針相關(guān)的操作都使用活動數(shù)據(jù)指針，活動指針通過控制位SEL選擇。每個指針還各有一個控制位，決定INCDPTR操作是遞增還是遞減數(shù)據(jù)指針值。

　　在拷貝數(shù)據(jù)塊時，與使用單數(shù)據(jù)指針相比，雙數(shù)據(jù)指針可以節(jié)省大量代碼。用戶通過轉(zhuǎn)換SEL位來轉(zhuǎn)換活動數(shù)據(jù)指針，其中一種方法可通過執(zhí)行INCDPS指令來實現(xiàn)。對于這些大的數(shù)據(jù)塊拷貝，用戶必須頻繁執(zhí)行該指令來轉(zhuǎn)換DPTR0和DPTRl。為了在節(jié)省代碼的同時提高運行速度和效率，DS89C430又包含了一個轉(zhuǎn)換選擇位 (TSL)，來確定執(zhí)行MOVX指令時硬件是否自動轉(zhuǎn)換SEL位，這樣就可以省去INCDPS指令并進(jìn)一步提高運行速度。

　　大的數(shù)據(jù)塊拷貝需要源指針和目的指針逐字節(jié)尋址數(shù)據(jù)空間，傳統(tǒng)的方法是通過使用INCDPTR指令來增加數(shù)據(jù)指針。為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率，引入了自動增減控制位(AID)，用以確定執(zhí)行MOVX指令時，是否會自動增減活動指針值。表l為各種情況下DS80C320和DS89C430進(jìn)行64B數(shù)據(jù)塊傳輸時的速度比較。從表l中可以看出，采用雙數(shù)據(jù)指針后運行速度得到極大提高。

2.3 電源管理和時鐘分頻控制

　　CMOS電路的功耗主要由兩部分組成：連續(xù)漏電流造成的靜態(tài)功耗以及對負(fù)載電容進(jìn)行充放電所需的轉(zhuǎn)換開關(guān)電流造成的動態(tài)功耗。其中，動態(tài)功耗是總體功耗的主要部分，該功耗(PD)可以通過負(fù)載電容(CL)、電源電壓(VDD)和工作頻率(f)進(jìn)行計算，即：PD=CL×VDD2×f。

　　對于某具體應(yīng)用，電容和電源電壓相對固定，而處理器的處理速度在不同時刻可能是不同的，因此工作頻率可以根據(jù)不同需要進(jìn)行調(diào)整，從而在不影響系統(tǒng)性能的前提下達(dá)到降低功耗的要求。

　　DS89C430支持三種低功耗節(jié)電模式。

　?、傧到y(tǒng)時鐘分頻控制：允許微控制器使用內(nèi)部分頻的時鐘源繼續(xù)工作，以節(jié)省功耗。通過軟件設(shè)置時鐘分頻控制位，設(shè)置工作速率為每機器周期1024個振蕩器周期．

　?、诳臻e模式：以靜態(tài)方式保持程序計數(shù)器，并掛起處理器。在此模式中，處理器不取指令也不執(zhí)行指令。除了外圍接口時鐘保持為活動狀態(tài)以及定時器、看門狗、串口和電源監(jiān)視功能仍然工作外，所有的資源均保存。處理器能夠使用允許的中斷源退出空閑模式。

　　③停機模式：禁止處理器內(nèi)部的所有電路。所有片內(nèi)時鐘、定時器和串口通信都停止運行，處理器不執(zhí)行任何指令。通過使用六個外部中斷中的任何一個，處理器都能夠退出停機模式。

3 基于RISC架構(gòu)的微控制器

　　MAXQ2000微控制器是Maxino／Dallas公司推出的一款基于RIS(：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，可以使我們更好地理解RISO結(jié)構(gòu)微控制器的最新發(fā)展趨勢和技術(shù)特點，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)行操作在一個周期內(nèi)完成，而沒有流水線操作，這是因為指令既包含了操作碼也包括了數(shù)據(jù)。字母Q表示這款微控制器的一個重要特點便是“安靜”，MAXQ架構(gòu)通過智能化的時鐘管理來降低噪聲．這意味著MAXQ只向那些需要使用時鐘的電路提供時鐘，這樣既降低了功耗，又為模擬電路的整合提供了一個最安靜的環(huán)境。它包含液晶顯示(I．CD)接口，最多可以驅(qū)動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微控制器當(dāng)中遙遙領(lǐng)先．下面介紹MAXQ2000的主要特性。

3.1 指令集

　　指令集由23條對寄存器和存儲器進(jìn)行操作的固定長度的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)品開發(fā)的代碼．該結(jié)構(gòu)是基于傳送觸發(fā)的，這意味著對某一寄存器位置的讀或?qū)憰a(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。

3.2 存儲器配置

　　MAXQ2000具有32KB閃存、lKBRAM、4KB的內(nèi)部ROM存儲器塊和16級堆棧存儲器。存儲器缺省配置成Harvard結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)存儲器具有獨立的地址空間，還可以使能為Vorl Ncumann存儲器配置模式，即將固定用途ROM、代碼和數(shù)據(jù)存儲器放置到一個連續(xù)的存儲器映射中．這適合于需要進(jìn)行動態(tài)程序修改或特殊存儲器配置的應(yīng)用。閃存程序存儲器可以通過16字密鑰進(jìn)行密碼保護(hù)，從而防止未授權(quán)者訪問程序存儲器。同時，還具有3個數(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；測試程序(內(nèi)部存儲器測試，存儲器加載等)；用于在應(yīng)用閃存編程和快速查找表的用戶可調(diào)用程序。無論以任何方式復(fù)位，都從固定用途ROM開始運行程序。R。M軟件決定程序立刻跳轉(zhuǎn)到8000H位置、用戶應(yīng)用代碼的起始位置、還是上面提到的某特定用途子程序．用戶可訪問固定用途ROM中的程序，并且可以由應(yīng)用軟件調(diào)用這些程序。

3.3 寄存器組

　　器件的大多數(shù)功能是由寄存器組來控制的。這些寄存器為存儲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：系統(tǒng)寄存器和外設(shè)寄存器．公共寄存器組也稱作系統(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．

3.4 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)不同時刻的不同性能需求，可以動態(tài)設(shè)置處理速度，從而大大降低功耗。通過軟件選擇分頻功能，來選擇系統(tǒng)時鐘周期是l、2、4或者8個振藹周期。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。和停機模式。

3.5 中 斷

　　提供多個中斷源，可對內(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。必須在用戶中斷程序內(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)檢測到使能的中斷時，軟件跳轉(zhuǎn)到一個用戶可編程的中斷向量位置。

　　一旦軟件控制權(quán)轉(zhuǎn)移到ISR，可以使用中斷識別寄存器(IIR)來判定中斷源是系統(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軟件識別的，因此用戶可以為每種應(yīng)用確立一個獨特的中斷優(yōu)先級方案。

3．6 高速硬件乘法器

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

4 結(jié) 論

　　通過以上兩種基于CISC．和RISC架構(gòu)的微控制器的對比分析，會發(fā)現(xiàn)許多共同的特性，如安全特性、外圍設(shè)備、電源管理和在系統(tǒng)編程等。顯然．它們都是適應(yīng)具體應(yīng)用的共性要求而增加的功能。兩者最大的不同是指令結(jié)構(gòu)的差異。MCS一5l有50條基本指令，若累計各種不同尋址方式，指令共計lll條，對應(yīng)的機器指令有單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)指令~68H(：05有62條基本指令，加上多種尋址方式，最終指令達(dá)210條，也分為單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)指令。比較而言，RIS(：微控制器的所有指令是由一些簡單、等長度的指令構(gòu)成．精簡指令使微控制器的線路可以盡量優(yōu)化，硬件結(jié)構(gòu)更加簡單，從而可以實現(xiàn)較低的成本和功耗，當(dāng)然完成相同的工作可能需要更多的指令。所以，二者取舍之間沒有絕對優(yōu)勢，只能說根據(jù)應(yīng)用的不同需求和側(cè)重來進(jìn)行選擇。

　　微處理器是20世紀(jì)偉大的技術(shù)創(chuàng)新之一，由此而衍生的微控制器將微處理器和外設(shè)集于一身，為多種應(yīng)用開創(chuàng)了新局面，并將繼續(xù)發(fā)揮不可替代的作用。