通信工程概论 电子应用类课程简介

通信工程概论 2010年8月15日电子信息系高军 第3章电子应用类课程简介 单片机 DSP FPGA 嵌入式 单片机的学习中涉及的知识模拟电路 三极管 二极管 数字电路 与非门 译码器 锁存器 汇编语言c语言 2 单片机与嵌入式的关系1 嵌入式的定义2 嵌入式的2种模式电子系统模式计算机系统模式3 学习单片机对转入嵌入式行业的好处 3 学习单片机为什么从51入手1 最通用 生命周期最长2 学习资料最丰富3 其内核被其他单片机广泛采用综上所述 51容易学 可以掌握更多相关知识 学会51等于其他单片机你都会了一半 1 中央处理器 CPU 中央处理器是单片机的核心 完成运算和控制功能 MCS 51的CPU能处理8位二进制数或代码 2 内部数据存储器 内部RAM 8051芯片中共有256个RAM单元 但其中后128单元被专用寄存器占用 能作为寄存器供用户使用的只是前128单元 用于存放可读写的数据 因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元 简称内部RAM 4 MCS 51单片机的硬件结构 3 内部程序存储器 内部ROM 8051共有4KB掩膜ROM 用于存放程序 原始数据或表格 因此 称之为程序存储器 简称内部ROM 4 定时 计数器8051共有两个16位的定时 计数器 以实现定时或计数功能 并以其定时或计数结果对计算机进行控制 7 中断控制系统MCS 51单片机的中断功能较强 以满足控制应用的需要 8051共有5个中断源 即外中断两个 定时 计数中断两个 串行中断一个 全部中断分为高级和低级共两个优先级别 8 时钟电路MCS 51芯片的内部有时钟电路 但石英晶体和微调电容需外接 时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列 5 机器周期 指令周期与指令时序1 时钟周期单片机的基本时间单位 若时钟的晶体的振荡频率为fosc 则时钟周期Tosc 1 fosc 如fosc 6MHz Tosc 166 7ns 2 机器周期CPU完成一个基本操作所需要的时间 执行一条指令分为几个机器周期 每个机器周期完成一个基本操作 MCS 51单片机每12个时钟周期为一个机器周期 一个机器周期又分为6个状态 S1 S6 每个状态又分为两拍 P1和P2 因此 一个机器周期中的12个时钟周期表示为 S1P1 S1P2 S2P1 S2P2 S6P2 6 介绍MCS 51汇编语言的指令系统 1 指令系统概述MCS 51的基本指令共111条 按指令所占的字节来分 1 单字节指令49条 2 双字节指令45条 3 三字节指令17条 按指令的执行时间来分 1 1个机器周期 12个时钟振荡周期 指令64条 2 2个机器周期 24个时钟振荡周期 指令45条 3 只有乘 除两条指令的执行时间为4个机器周期 48个时钟振荡周期 12MHz晶振 机器周期为1 s 2 指令格式两部分组成 即操作码和操作数 操作码用来规定指令进行什么操作操作数则是指令操作的对象有单字节指令 双字节指令 三字节不同长度的指令 格式不同 1 单字节指令 指令只有一个字节 操作码和操作数同在一个字节中 2 双字节指令 一个字节为操作码 另一个字节是操作数 3 三字节指令 操作码占一个字节 操作数占二个字节 其中操作数既可能是数据 也可能是地址 执行指令的过程 单片机的工作过程实质上是执行用户编制程序的过程 一般程序的机器码都已固化到存储器中 因此开机复位后 就可以执行指令 执行指令又是取指令和执行指令的周而复始的过程 假设机器码74H E0H已存在0000H开始的单元中 则此表示把E0H这个值送入A累加器 下面我们来说明单片机的工作过程 接通电源开机后 PC 0000H 取指令过程如下 1 PC中的0000H送到片内的地址寄存器 2 PC的内容自动加1变为0001H 指向下一个指令字 3 地址寄存器中的内容0000H通过地址总线送到存储器 经存储器中的地址译码选中0000H单元 4 CPU通过控制总线发出读命令 5 被选中单元的内容74H送内部数据总线上 该内容过内部数据总线送到单片机内部的指令寄存器 到此 取指令过程结束 进入执行指令过程 7 介绍MCS 51基本应用 8 MCS 51的中断系统 CPU暂时中止当前的工作 转到中断服务处理程序处理所发生的事件 处理完该事件后 再回到原来被中止的地方 继续原来的工作 这称为中断 CPU处理事件的过程 称为CPU的中断响应过程 CPU正在执行程序时 单片机外部或内部发生的某一事件 请求CPU迅速去处理 9 应用实例 05年我专业挑战杯作品 汽车远程无线报警器 9 应用实例 专利作品 普及型地震报警器专利号 ZL200920103307 9 纵波的振动方向与传播方向一致 能引起地面的上下跳动 上下颠簸 传播速度为每秒5 6千米 横波的振动方向与传播方向相垂直 能引起地面的水平晃动 左右前后摇摆 传播速度每秒3 4千米 稍慢于纵波 纵波与横波的时间差因监测地点距震源的距离不同而有差异 一般为几秒至几十秒 08年6月14日日本东北部7 2级地震中宫城县大崎市古川第三小学监测的纵波横波时间差是10秒 距震源70公里的日本东北部地区最大城市仙台市时间差为15 32秒 内容提要进入21世纪之后 数字化浪潮正在席卷全球 数字信号处理器DSP DigitalSignalProcessor 正是这场数字化革命的核心 无论在其应用的广度还是深度方面 都在以前所未有的速度向前发展 1数字信号处理概述 数字信号处理 简称DSP 是一门涉及多门学科并广泛应用于很多科学和工程领域的新兴学科 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备 以数字的形式对信号进行分析 采集 合成 变换 滤波 估算 压缩 识别等加工处理 以便提取有用的信息并进行有效的传输与应用 DSP可以代表数字信号处理技术 DigitalSignalProcessing 也可以代表数字信号处理器 DigitalSignalProcessor 前者是理论和计算方法上的技术 后者是指实现这些技术的通用或专用可编程微处理器芯片 数字信号处理包括两个方面的内容 1 算法的研究2 数字信号处理的实现 2DSP芯片的特点 数字信号处理器 DSP 是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器 主要用于实时快速实现各种数字信号处理的算法 80年代初 世界上第一块单片可编程DSP芯片的诞生 才使理论研究成果广泛应用到实际的系统中 并且推动了新的理论和应用领域的发展 采用哈佛结构 DSP芯片普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构或改进的哈佛结构 比传统处理器的冯 诺伊曼结构有更快的指令执行速度 1 冯 诺伊曼 VonNeuman 结构 该结构采用单存储空间 即程序指令和数据共用一个存储空间 使用单一的地址和数据总线 取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行 当进行高速运算时 不但不能同时进行取指令和取操作数 而且还会造成数据传输通道的瓶颈现象 其工作速度较慢 2 哈佛 Harvard 结构 该结构采用双存储空间 程序存储器和数据存储器分开 有各自独立的程序总线和数据总线 可独立编址和独立访问 可对程序和数据进行独立传输 使取指令操作 指令执行操作 数据吞吐并行完成 大大地提高了数据处理能力和指令的执行速度 非常适合于实时的数字信号处理 采用多总线结构 DSP芯片都采用多总线结构 可同时进行取指令和多个数据存取操作 并由辅助寄存器自动增减地址进行寻址 使CPU在一个机器周期内可多次对程序空间和数据空间进行访问 大大地提高了DSP的运行速度 配有专用的硬件乘法 累加器 具有特殊的DSP指令 快速的指令周期 如 TMS320C54x的运算速度为100MIPS 即100百万条 秒 3 DSP的发展现状 应用 用于图像压缩与传输等图像信号的处理 语音的编码 合成 识别和高保真等语音信号的处理以及通信信号的调制解调 加密 多路复用 扩频 纠错编码等处理 未来的10年 全球DSP产品将向着高性能 低功耗 加强融合和拓展多种应用的趋势发展 DSP芯片将越来越多地渗透到各种电子产品当中 成为各种电子产品尤其是通信类电子产品的技术核心 4 DSP系统的构成 一个典型的DSP系统应包括抗混叠滤波器 数据采集A D转换器 数字信号处理器DSP D A转换器和低通滤波器等组成 DSP系统的处理过程 将输入信号x t 进行抗混叠滤波 滤掉高于折叠频率的分量 以防止信号频谱的混叠 经采样和A D转换器 将滤波后的信号转换为数字信号x n 数字信号处理器对x n 进行处理 得数字信号y n 经D A转换器 将y n 转换成模拟信号 经低通滤波器 滤除高频分量 得到平滑的模拟信号y t FPLD目前使用较多的器件有两种 1 复杂可编程逻辑器件 CPLD 2 现场可编程门阵列 FPGA FPLD特点 可以在现场进行编程和烧录 不需要使用专用的编程器 器件可以直接将实际系统与计算机的串口或并口相连接 通过专用软件对芯片进行装载 实现系统的微型化和高可靠性 一 各类PLD数字器件概述 传统的74 40系列数字器件的逻辑功能都是固定不变的 被称为标准逻辑器件 这些器件可提供如译码器 编码器 加法器 比较器等逻辑功能 利用标准逻辑器件进行数字电路设计时 通常将系统划分成若干个模块 然后选择合适的74或40器件连接成所需的电路 标准逻辑器件 标准逻辑器件缺点 1 器件数量多 器件间连线多 电路体积和功耗大 导致电路的速度低 可靠性下降 2 设计方案不便于修改 一旦形成电路 修改工作量大 3 必须非常熟悉大量的各种标准逻辑器件的性能和封装 因此设计效率低 4 设计完成后难以对系统进行仿真 测试和排错 5 电路容易被复制 不利于知识产权的保护 可编程逻辑器件 PLD 是大规模 超大规模IC 是一种半定制的专用集成电路 设计者可以根据需要对此器件的功能作进一步设计 它集成了大量的逻辑单元和可编程连接元件 设计者可以结合计算机软件工具快速 方便地构建所需要的数字系统 设计者通过对器件中的逻辑单元编程 就可以方便地设计出具有各种不同逻辑功能的元件 复杂可编程逻辑器件 CPLD CPLD主要由可编程I O单元 可编程逻辑单元 布线池 布线阵列构成 规模较大的逻辑单元 称粗颗粒 CPLD的优点 当程序烧入芯片后即可固化 芯片一经上电加载即已完成编程 不必每次上电时重新进行加载 FPGA芯片 FPGA FieldProgrammableGateArray 现场可编程门阵列 FPGA结构采用简单的逻辑单元 又称细颗粒 其节点的控制开关的值有几种控制方法 如SRAM 反熔丝 FLASH几大类 FPGA优点 FPGA容量比CPLD大的多 更适合做较大系统的复杂设计 FPGA缺点 每次上电使用时不管是否改变程序都要对芯片进行加载 电子电路传统的设计方法画系统硬件流程图 划分电路板 从底层开始设计 选择元器件 画电路原理图 制作印刷电路板 每个功能模块调试 系统联调 二 设计方法的发展 缺点 系统调试如发现设计中没有考虑的问题 需重新设计 做成的电路板有可能作废 系统完成的周期长 实质上是自底向上的设计方法 电子设计自动化 EDA 设计方法 利用计算机专用软件完成电子系统设计 采用可编程器件和软件模拟方法 设计者只需要完成对系统功能的描述 就可以由计算机软件进行处理 替代人来完成数字系统的逻辑综合 仿真模拟和布局布线工作 EDA是一种自顶向下的设计方法 按照数字系统的功能描述 把系统划分为若干个功能模块然后再把每个模块划分为不同层次 由高层到低层逐步细化 三 目前世界上主流的FPGA器件公司 Xilinx公司公司成立于1984年 总部设在美国加州的圣何塞 早在1985年 推出了世界第一片FPGA器件 最初只有1200个门电路 目前已发展到数百万个门的单片FPGA芯片 公司 中国 网址 CHINA XILINX COM ALTERA公司成立于1983年 总部位于美国加州圣何塞 在19个国家设分支机构 ALTERA公司发展了若干系列的CPLD和FPGA 可以满足电子设计工程师不同的需求 公司 中国 网址 WWW ALTERA COM CN Actel公司公司成立于1985年 是全球四大知名的FPGA厂商之一 该公司FPGA产品的最大特点是低功耗 其中IGLOO系列FPGA的静态功耗仅为5 W 其他公司产品 Lattice公司FPGA产品 ispXPGA系列ECP系列ORCA系列Cypress公司FPGA产品 Delta系列Ultra系列等 后PC时代 丰富的嵌入式产品市场 自动控制领域 数控机床 电网安全 电网设备监测 发电站和电力传输 污水处理 自动化工厂 石油提炼和贮运设施 建筑设备 计算机辅助制造 能源控制 核电站 机器人传感器 控制器 执行单元 家电领域机顶盒 PDA DVD MP3播放器 数码相机 数字电视 网络冰箱 网络空调 家庭网关 交通领域汽车导航系统 不停车收费系统 移动电子警察 智能交通路口机 汽车Telematics系统 各种汽车ECU 医疗领域心脏除颤器 心脏起搏器 病员监视系统 X光设备 理疗控制系统 电磁成像系统 通信网络领域手机 交换机 路由器 Hub等 一 何为嵌入式产品 与PC相对应包含处理器 拥有计算能力 面向具体应用 对功耗 体积 价格等具有严格要求的产品 嵌入式系统定义 嵌入式系统是以应用为中心 以计算机技术为基础 并且软硬件可裁剪 适用于应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗有严格要求的专用计算机系统 二 现代计算机技术的两大分支 通用计算机系统技术要求是高速 海量的数值计算 技术发展方向是总线速度的无限提升 存储容量的无限扩大 嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力 技术发展方向是与对象系统密切相