单晶片微处理机简介ppt课件.ppt
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1、ISU EE,1,單晶片微處理機簡介,單晶片微處理器之應用與功能需求 單晶片微處理機之功能模組 周邊模組之控制方法 單晶片系統之設計與發展,ISU EE,2,簡介,單晶片微處理器主要義涵整個微處理機系統搭配簡單周邊模組與輸出入介面以單晶片型態完成, 單晶片微處理器中包含系統運作所需之周邊模組與模組驅動程式、系統程式與應用程式。 國內外有許多晶片公司,分別針對不同應用,設計有許多種單晶片微處理機系列,如:8051、PIC、ARM、等等 。,ISU EE,3,單晶片微處理器之應用與功能需求,目前各類之電子與家電產品,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
2、子耳溫槍、.等等。 舉凡對現實環境之量測、監控與互動裝置皆可看到單晶片系統之蹤影。,ISU EE,4,環境、單晶與數位系統互動示意圖,環境參數 量測與轉換,數位訊號轉換為環境參數、訊號、驅動訊號、等,類比連續 物理量,量化離散 數位訊號,其他數位系統,資訊串列,現實環境,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,ISU EE,5,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、監督單元 RAM與EEPROM/Flash ROM 計時/計數器 基本I/O埠、串列傳輸 ADC/DAC、PWM、audio、RF.等等,ISU EE,
3、6,單晶片微處理機之架構,ISU EE,7,中央處理單元(CPU)核心,CPU核心由暫存器、算數與邏輯運算單元與控制單元、指令解碼器與指令集所組成。根據指令集之設計技術,可分為複雜指令集 (CISC)與精簡指令集(RISC) 核心。 複雜指令集 :指令數目多(數百個)、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:指令數目少(數十,一般約50個指令左右)、以單字元組指令為主(一個指令只需一字元,適合使用管線化 pipeline 加速技術)、指令週期短,但指令功能較弱、運算元定址模模式少。,ISU EE,8,RAM與EEPROM/Flash ROM,隨機存取記憶體(RA
4、M)供CPU核心儲存各類資料。 可讀寫式唯讀記憶體(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。 由於單晶系統之指令位元數有限,記憶體系統可能採用分頁技巧或暫存器定址模式,以便節省運算元之定址位元。,ISU EE,9,監督單元(monitor unit),對系統穩定性與多元應用之需求,單晶片微處理器皆設計監督單元,負責執行監督與管理系統, 系統重置(Reset) 電源啟動(Power up) 電源耗弱(Brown out) 睡眠模式(Sleep mode) 看門狗(Watchdogs) 中斷控制器(Interrupt control),ISU EE
5、,10,系統重置(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,此時單晶系統內之記憶體與暫存器皆處於未使用狀態,其內容為隨機之數值(不可預測) 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定,產生系統重置情況,此時單晶片系統內之記憶體與暫存器皆已設定資料。,ISU EE,11,啟動電源管理概念,Power on reset 電路,ISU EE,12,各種常見電源不穩定現象,瞬間脈衝,接地雜訊,電源故障,電源耗盡,ISU EE,13,電源brown out現象偵測,偵
6、測到, VTbor,偵測不到,Vbor,Tbor,ISU EE,14,睡眠模式(Sleep mode)與 看門狗計時器(Watchdogs timer),睡眠模式:單晶系統設計睡眠模式或省電模式。如此,便可在非使用時期停止系統運作或降低運作之功率,達成節能與延長操作時間的目的。因此,設計有睡眠模式之控制,包含設定與喚醒之機制。 看門狗計時器(Watchdogs timer) :為預防長時間當機之事件發生,單晶片微處理機提供看門狗計時器(Watchdogs timer),定時檢視系統是否正常,或將系統由睡眠模式喚醒。,ISU EE,15,中斷控制器(Interrupt control),中斷控制
7、器管理功能包括中斷向量、中斷致能與遮罩、中斷優先權、中斷旗標等。 中斷向量:發生中斷時,CPU需執行之中斷服務程式所在之位址。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(使周邊產生中斷)、遮罩(使周邊無法產生中斷)。 中斷優先權:當有不同周邊產生中斷訊號時,依中斷優先權執行對應之中斷服務程式。優先權高之中斷將優先執行,優先權高之中斷訊號,可中斷優先權低之服務程式。 中斷旗標:當有周邊產生中斷訊號時,同時會設定周邊模組之中斷旗標,供CPU辨識中斷來源。,ISU EE,16,時脈產生器(Timing generate),數位系統運作需要有一基
8、本之系統時脈。並以此為基礎訊號,乘除某些數值,以便得到各周邊模組所需之工作時脈。 單晶系統中常以簡單之振盪晶體或RC振盪電路產生基本時脈訊號。 若要產生更高之系統時脈,可應用鎖相迴路(phase lock loop, PLL)時脈合成器 若要產生較低之時脈,可經由計數器除頻產生系統時脈 。,ISU EE,17,RC振盪電路,ISU EE,18,除頻電路之基本方塊圖,ISU EE,19,相鎖迴路時脈合成器方塊圖,ISU EE,20,計時/計數器,計時/數模組為單晶片系統之重要模組。 輸入訊號透過預除器(Prescaler),使時脈速率降低與獲得較穩定訊號。 計數後之輸出,通過後除器(Postes
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