智能器件综述ARMDSPFPGA的区别Word下载.docx
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第三章微处理器MPU9
3.1微处理器MPU的简介9
3.2微处理器MPU的典型代表ARM的工作原理10
3.2.1ARM的硬件结构10
3.2.2ARM的工作原理12
3.2.3ARM的内部寄存器13
3.3ARM微处理器的特点以及内核的选择13
第四章数字信号处理器DSP14
4.1数字信号处理器DSP简介[3]14
4.3数字信号处理器DSP的特点[4]16
第五章可编程逻辑器件FPGA/CPLD18
5.1可编程逻辑器件FPGA/CPLD简介18
5.2可编程逻辑器件FPGA的硬件结构[5]18
5.3可编程逻辑器件FPGA的原理[6]20
5.4可编程逻辑器件FPGA的特点21
5.5FPGA的应用21
第六章结论22
参考文献23
第一章绪论
1.1课题背景、目的和意义
智能器件的发展极大地促进了智能仪器的发展,测量仪器不在局限于传统的的测量仪器,更有智能仪器和虚拟仪器。
智能仪器的出现极大地扩充了传统仪器的应用范围。
智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势,迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。
智能器件在智能仪器的发展中起着至关重要的作用。
1.2本文主要内容
本文主要讲解了四大类智能器件微控制器MCU、微处理器MPU、数字信号处理器DSP以及可编程逻辑器件FPGA/CPLD的原理、特点、技术指标及应用方向,说明不同智能器的选用据。
让人们可以更好的了解智能器件和正确的选侧使用智能器件。
第二章微控制器MCU
2.1微控制器MCU的简介[1]
微控制器MCUMicrocontroller(微控制器)又可简称MCU或μC,也有人称为单芯片微控制器(SingleChipMicrocontroller),将ROM、RAM、CPU、I/O集合在同一个芯片中,为不同的应用场合做不同组合控制。
其典型代表是单片机,常用的单片机有Intel51、PIC、AVR、TI的430系列等。
MCU按其存储器类型可分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。
对于无片内ROM型的芯片,必须外接EPROM才能应用(典型芯片为8031)。
带片内ROM型的芯片又分为片内EPROM型(典型芯片为87C51)、MASK片内掩模ROM型(典型芯片为8051)、片内FLASH型(典型芯片为89C51)等类型,一些公司还推出带有片内一次性可编程ROM(OneTimeProgramming,OTP)的芯片(典型芯片为97C51)。
MASKROM的MCU价格便宜,但程序在出厂时已经固化,适合程序固定不变的应用场合;
FALSHROM的MCU程序可以反复擦写,灵活性很强,但价格较高,适合对价格不敏感的应用场合或做开发用途;
OTPROM的MCU价格介于前两者之间,同时又拥有一次性可编程能力,适合既要求一定灵活性,又要求低成本的应用场合,尤其是功能不断翻新、需要迅速量产的电子产品。
微控制器在经过这几年不断地研究,发展,历经4位,8位,到现在的16位及32位,甚至64位。
产品的成熟度,以及投入厂商之多,应用范围之广,真可谓之空前。
由于制程的改进,8位MCU与4位MCU价差相去无几,8位已渐成为市场主流;
目前4位MCU大部份应用在计算器、车用仪表、车用防盗装置、呼叫器、无线电话、CD播放器、LCD驱动控制器、LCD游戏机、儿童玩具、磅秤、充电器、胎压计、温湿度计、遥控器及傻瓜相机等;
8位MCU大部份应用在电表、马达控制器、电动玩具机、变频式冷气机、呼叫器、传真机、来电辨识器(CallerID)、电话录音机、CRT显示器、键盘及USB等;
16位MCU大部份应用在行动电话、数字相机及摄录放影机等;
32位MCU大部份应用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、Router、工作站、ISDN电话、激光打印机与彩色传真机;
64位MCU大部份应用在高阶工作站、多媒体互动系统、高级电视游乐器(如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy)及高级终端机等。
MCU是视频会议系统的核心部分,为用户提供群组会议、多组会议的连接服务。
目前主流厂商的MCU一般可以提供单机多达32个用户的接入服务,并且可以进行级联,可以基本满足用户的使用要求。
2.2微控制器MCU的典型代表MCS-51单片机的工作原理
2.2.1MCS-51单片机的硬件结构
8051是MCS-51系列单片机的非常典型的产品,我们用这一个代表性的型号进行系统的单片机原理讲解。
8051单片机包含中央处理器、数据存储器(RAM)、定时/计数器、程序存储器(ROM)、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线,现在我们分别对其原理加以说明:
图1MCS-51单片机的片内结构图
数据存储器(RAM):
8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元,它们是统一编址的,专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问,而不能用于存放用户数据,所以,用户能使用的的RAM只有128个,可存放读写的数据,运算的中间结果或用户定义的字型表。
中央处理器:
中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件,是8位数据宽度的处理器,能处理8位二进制数据或代码,CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控制输入输出功能等操作。
了解中央处理器cpu对于弄懂单片机原理非常的重要。
程序存储器(ROM):
8051共有4096个8位掩膜ROM,用于存放用户程序,原始数据或表格。
全双工串行口:
8051内置一个全双工串行通信口,用于与其它设备间的串行数据传送,该串行口既可以用作异步通信收发器,也可以当同步移位器使用。
中断系统:
8051具备较完善的中断功能,有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断,可满足不同的控制要求,并具有2级的优先级别选择。
时钟电路:
8051内置最高频率达12MHz的时钟电路,用于产生整个单片机运行的脉冲时序,但8051单片机需外置振荡电容。
并行输入输出(I/O)口:
8051共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3),用于对外部数据的传输。
定时/计数器(ROM):
8051有两个16位的可编程定时/计数器,以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
2.2.2MCS-51单片机的关键引脚
MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构,右图是它们的引脚配置,40个引脚中,正电源和地线两根,外置石英振荡器的时钟线两根,4组8位共32个I/O口,中断口线与P3口线复用。
现在我们对这些引脚的功能加以说明:
Pin20:
接地脚。
Pin40:
正电源脚,正常工作或对片内EPROM烧写程序时,接+5V电源。
Pin19:
时钟XTAL1脚,片内振荡电路的输入端。
Pin18:
时钟XTAL2脚,片内振荡电路的输出端。
8051的时钟有两种方式,一种是片内时钟振荡方式,但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容,振荡电容的值一般取10p-30p。
另外一种是外部时钟方式,即将XTAL1接地,外部时钟信号从XTAL2脚输入。
图2单片机引脚图图3单片机时钟方式图
输入输出(I/O)引脚:
Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚,Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚,Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚,Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚,这些输入输出脚的功能说明将在以下内容阐述。
Pin9:
RESET/Vpd复位信号复用脚,当8051通电,时钟电路开始工作,在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平,系统即初始复位。
初始化后,程序计数器PC指向0000H,P0-P3输出口全部为高电平,堆栈指钟写入07H,其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后,系统即从0000H地址开始执行程序。
然而,初始复位不改变RAM(包括工作寄存器R0-R7)的状态,8051的初始态如下表:
图48051的特殊功能寄存器初始态表图58051的复位方式图
8051的复位方式可以是自动复位,也可以是手动复位,见下图。
此外,RESET/Vpd还是一复用脚,Vcc掉电其间,此脚可接上备用电源,以保证单片机内部RAM的数据不丢失。
Pin31:
EA/Vpp程序存储器的内外部选通线,8051和8751单片机,内置有4kB的程序存储器,当EA为高电平并且程序地址小于4kB时,读取内部程序存储器指令数据,而超过4kB地址则读取外部指令数据。
如EA为低电平,则不管地址大小,一律读取外部程序存储器指令。
显然,对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。
在编程时,EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。
Pin30:
ALE/
当访问外部程序器时,ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。
而访问内部程序存储器时,ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号,这个信号可以用于识别单片机是否工作,也可以当作一个时钟向外输出。
更有一个特点,当访问外部程序存储器,ALE会跳过一个脉冲。
如果单片机是EPROM,在编程其间,
将用于输入编程脉冲。
Pin29:
当访问外部程序存储器时,此脚输出负脉冲选通信号,PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上,外部程序存储器则把指令数据放到P0口上,由CPU读入并执行。
2.2.3单片机的指令系统
一个单片机所需执行指令的集合即为单片机的指令系统。
单片机使用的机器语言、汇编语言及高级语言,但不管使用是何种语言,最终还是要“翻译”成为机器码,单片机才能执行。
所谓机器语言即指令的二进制编码,而汇编语言则是指令的表示符号。
在指令的表达式上也不会直接使用二进制机器码,最常用的是十六进制的形式。
但单片机并不能直接执行汇编语言和高级语言,都必须通过汇编器“翻译”成为二进制机器码方能执行,但如果直接使用二进制来编写程序,那将十分不便,也很难记忆和识别,不易编写、难于辨读,极易出错,同时出错了也相当难查找。
所以现在基本上都不会直接使用机器语言来编写单片机的程序。
最好的办法就是使用易于阅读和辨认的指令符号来代替机器码,我们常称这些符号为助记符,用助记符的形式表示的单片机指令就是汇编语言,为便于记忆和阅读,助记符号通常都使用易于理解的英文单词和拼音字母来表示。
51单片机共有111条指令,可分为5类:
∙数据传送类指令(共29条)
∙算数运算类指令(共24条)
∙逻辑运算及移位类指令(共24条)
∙控制转移类指令(共17条)
∙布尔变量操作类指令(共17条)
2.2.4单片机工作原理
单片机原理有两种,一种是程序存储器和数据存储器分开的形式,即哈佛(Harvard)结构,另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构,即普林斯顿(Princeton)结构。
INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式,而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。
图6MCS-51单片机原理图
2.3单片机的特点[2]
单片机是以工业测控对象、环境、接口特点出发向着增强控制功能,提高工业环境下的可靠性方向发展。
主要特点如下:
1.种类多,型号全。
很多单片机厂家逐年扩大适应各种需要,有针对性地推出一系列型号产品,使系统开发工程师有很大的选择余地。
大部分产品有较好的兼容性,保证了已开发产品能顺利移植,较容易地使产品进行升级换代。
2.提高性能,扩大容量,性能价格比高。
集成度已经达到300万个晶体管以上,总线速度达到数十微妙到几百纳秒,指令执行周期已经达到几微妙到数十纳秒,以往片外XRAM现已在物理上存入片内,ROM容量已经扩充达32K,64K,128K以致更大的空间。
价格从几百到几元不等。
3.增加控制功能,向真正意义上的“单片”机发展。
把原本是外围接口芯片的功能集成到一块芯片内,在一片芯片中构造了一个完整的功能强大的微处理应用系统。
4.低功耗。
现在新型单片机的功耗越来越小,供电电压从5V降低到了3.2V,甚至1V,工作电流从mA降到µ
A级,gz2频率从十几兆可编程到几十千赫兹。
特别是很多单片机都设置了多种工作方式,这些工作方式包括等待,暂停,睡眠,空闲,节电等。
5.C语言开发环境,友好的人机互交环境。
大多数单片机都提供基于C语言开发平台,并提供大量的函数供使用,这使产品的开发周期、代码可读性、可移植性都大为提高。
2.4单片机的应用发展方向
1.使用寿命长。
这里所说的长寿命,一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年,另一方面是指与微处理器相比的长寿命。
随着半导体技术的飞速发展,MPU更新换代的速度约来约快。
可以预见,一些成功上市的相对年轻的CPU核心,也会随着I/O功能模块的不断丰富,有着相当长的生存周期。
新的CPU类型的加盟,使单片机队伍不断壮大,给用户带来了更多的选择余地。
8位、16位、32位单片机共同发展是当前单片机发展的另一个动向之一。
长期以来,单片机技术的发展是以8位机为主的。
随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭,32位单片机应用得到了长足的发展。
以Mororola68K为CPU的32位单片机97年的销售量达到了8千万枚。
过去认为由于8位单片机功能越来越强,32位机越来越便宜,使16位机单片机生存空间有限,而16位单片机的发展无论从品种和产量方面,近年来都有较大幅度的增长。
2.速度越来越快。
MUP发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。
而单片机则有所不同,为提高单片机抗干扰能力,降低噪音,降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。
改善单片机的内部时序,在不提高时钟频率的条件下,使运算速度提高了很多。
3.低噪声和高可靠性技术。
在单片机应用中,可靠性是首要因素,位了扩大单片机的应用范围和领域,提高单片机自身的可靠性是一种有效的方法。
今年来,单片机的生产厂家爱在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术,这些新技术表现在如下几点:
首先,EFT技术。
EFT技术是一种抗干扰技术,它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时,其波形上会迭加各种毛刺信号,人使用施密特电路对其整形,则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟,在交替使用施密特电路和RC滤波电路时,就可以消除这些毛刺另其作用失效,从而保证系统的时钟信号正常工作。
这样,就提高了单片机工作的可靠性。
其次,低噪声布线技术及驱动技术。
在传统的单片机中,电源及地线是在集成电路外壳的对称引脚上,一般是在左上、右下或右上左下的两块对称称点上。
这样,就使电源噪声穿过整块芯片,对单片机的内部电路造成干扰。
现在,很多单片机都把地线和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。
这样,不仅降低了穿过整个芯片的电流,另外还在印制电路板上容易布置去耦电容,从而降低系统的噪声。
4.OTP与掩膜。
OTP是一次性写入的单片机。
过去认为一个单片机产品的成熟是以投产掩膜型单片机为标志的。
由于掩膜需要一定的生产周期,而OTP型单片机价格不断下降,使得近年来直接使用OTP完成最终产品制造更为流行。
它较之掩膜具有生产周期短、风险小的特点。
近年来,OTP型单片机需量大幅度上扬,为适应这种需求许多单片机都采用了在编程技术(InSytemProgramming)。
为编程的OTP芯片可以采用裸片Bonding技术或表面贴技术,先焊在印刷版上,然后通过单片机上引出的编程线、串行数据、时钟线等对单片机编程。
解决了批量写OTP芯片时容易出现的芯片写入器接触不好的问题,使得OTP的裸片得以广泛使用,降低了产品的成本。
编程线与I/O线共用,不增加单片机的额外引脚。
第三章微处理器MPU
3.1微处理器MPU的简介
微处理器(MicroProcessingUnit),即微型化的中央处理器。
中央处理器CPU的英文全称是CentralProcessingUnit。
早期微处理器MPU表示,以区别于大型主机的多芯片CPU。
但现在已经不加区分,都用CPU表示。
MPU是单一的一颗芯片,而芯片组则由一组芯片所构成,早期甚至多达7、8颗,但目前大多合并成2颗,一般称作北桥(NorthBridge)芯片和南桥(SouthBridge)芯片。
MPU是计算机的计算、判断或控制中心,有人称它为”计算机的心脏”,是计算机的头脑,90%以上的数据信息都是由它来完成的。
它的工作速度快慢直接影响到整部电脑的运行速度。
微机中的中央处理器(CPU)称为微处理器(MPU),是构成微机的核心部件,也可以说是微机的心脏。
它起到控制整个微型计算机工作的作用,产生控制信号对相应的部件进行控制,并执行相应的操作。
在微机中,CPU被集成在一片超大规模集成电路芯片上,称为微处理器(MPU),微处理器插在主板的cpu插槽中。
通常所说的16位机、32位机是指该计算机中微处理器内部数据总线的宽度,也就是CPU可同时操作的二进制数的位数。
目前常用的CPU都是32位的,即一次可传送32位二进制数。
微处理器MPU的典型代表是ARM、X86、MIPS、PowerPC、Atom等系列;
扩展存贮器运行OS复杂管理。
ARM的应用领域
1、工业控制领域:
作为32的RISC架构,基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额,同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展,ARM微控制器的低功耗、高性价比,向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。
2、无线通讯领域:
目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术,ARM以其高性能和低成本,在该领域的地位日益巩固。
4、消费类电子产品:
ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。
5、成像和安全产品:
现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。
手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。
除此以外,ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域,并会在将来取得更加广泛的应用。
3.2微处理器MPU的典型代表ARM的工作原理
3.2.1ARM的硬件结构
ARM处理器本身是32位设计,但也配备16位指令集。
一般来讲存储器比等价32位代码节省达35%,然而保留了32位系统的所有优势。
ARM的Jazelle技术使Java加速得到比基于软件的Java虚拟机(JVM)高得多的性能,和同等的非Java加速核相比功耗降低80%。
CPU功能上增加DSP指令集提供增强的16位和32位算术运算能力,提高了性能和灵活性。
ARM还提供两个前沿特性来辅助带深嵌入处理器的高集成SoC器件的调试,它们是嵌入式ICE-RT逻辑和嵌入式跟踪宏核(ETMS)系列。
图7ARM的模块、内核和功能框图
图8ARM功能框图
图9ARM内核框图
3.2.2ARM的工作原理
ARM是AdvancedRISCMachine的缩写,它是一家微处理器行业的知名企业,该企业设计大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器。
由于ARM处理器使用冯.诺依曼结构,指令和数据共用一条32位总线,因此只有装载、存储和交换指令可以对存储器中的数据进行访问。
ARM处理器直接支持8位的字节、16位的半字或者32位字的数据类型,其中以能被4整除的地址开始连续的4个字节构成一个字,字的数据类型为4个连续的字节。
从偶数地址开始连续的2个字节构成半字,半字的数据类型为2个连续的字节。
ARM指令的长度刚好是1个字,Thumb指令的长度刚好是半个字。
存储器的存储方式:
如果一个数据是从偶地址开始的连续存储,那么它就是半字对齐,否则就是非半字对齐;
如果一个数据是以能被4整除的地址开始的连续存储,那么它就是字对齐,否则就是非字对齐。
ARM处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度,这样可使几个操作同时进行,并使处理和存储器系统连续操作,能提供0.9MIPS/MHz的指令执行速度。
ARM7TDMI的流水线分3级,分别为:
图10ARM7TDMI的流水线图
正常操作过程中,在执行一条指令的同时对下一条(第二条)指令进行译码,并将第三条指令从存储器中取出。
ARM内核7种工作模式:
用户态/FIQ/IRQ/管理态/中止态/系统态/未定义态。
用
户态无法改变模式,除非异常发生(SWI)
1)用户态无法访问某些受限资源,如修改CPSR的控制位。
2)除用户模式以外,其余的所有6种模式称之为非用户模式,或特权模式(PrivilegedModes)。
3)其中除去用户模式和系统模式以外的5种又称为异常模式(ExceptionModes),常用于处理中断或异常,以及需要访问受保护的系统资源等情况。
处理器有两种工作状态:
ARM:
32位,执行字对准的ARM指令;
Thumb:
16位,执行半字对准的Thumb指令。
ARM和Thumb之间状态的切换不影响处理器的模式或寄存器的内容
3.2.3ARM的内部寄存器
在ARM处理器内部共有37个用户可访问的寄存器,分别为31个通用32位寄存器和6个状态寄存器。
ARM处理器共有7种不同的处理器模式,每种模式都有一组相应的寄存器组,最多可以18个活动的寄存器。
SPSR:
普通模式
和系统模式下是看不见SPSR这个寄存器的!
只有当进入异常模式的时候,SPSR就会保存当前CPSR的状态,便于退出异常时恢复使用。
寄存器R0~R7为未分组的通用寄存器,它们在任何处理器模式都对应于相同的32位物理寄存
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