第2章微处理器概论

第2章微处理器概论2.1微处理器概论2.2单片机2.2.1MCS-512.2.2PIC单片机

2.2.3MSP430

2.3ARM单片机2.4DSP单片机2.5可编程逻辑器件第2章微处理器基础4/5/20232.1微处理器概论一、嵌入式计算机系统的概念（1）嵌入式系统的的定义和特点：嵌入到对象体系中的专用计算机系统。“嵌入式”、“专用性”、“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是嵌入式系统所嵌入的宿主系统。4/5/2023A面向用户、面向产品、面向应用B嵌入式处理器的功耗、成本、体积、可靠性、处理能力、电磁兼容性、接口数量等方面均受到应用要求的制约C嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，量体裁衣，去除沉余D嵌入式系统的升级换代也是和具体产品同步进行的。（2）嵌入式系统具有的产品特征：4/5/2023（3）嵌入式系统软件特征：①软件要求固化存储②软件代码高质量，高可靠性③系统软件的高实时性4/5/2023讨论问题：

嵌入式微处理器与通用计算机CPU的区别

嵌入式微处理器的基础是通用计算机的CPU,在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用相关的母板功能。系统体积上和功耗方面大大降低。在工作温度、抗电磁干扰、可靠性方面一般都做某些增强4/5/2023二、微处理器的概述(1)微处理器的定义：

一种单芯片的处理器。始于20世纪70年代，超大规模集成电路技术的应用使得将整个中央处理器集中到一块芯片上成为可能。4/5/2023(2)微处理器器的分类根据处理的字长，微处理器分成不同的等级字长用途代表产品4位速度要求不高，一般设计简单的控制器Intel40048位使用最广泛的微处理器，可用于数据处理和控制8051，PIC系列16位适合大多数的数据处理工作，复杂数据处理和控制8086、M680032位高端的嵌入式系统，如指纹识别，语音识别ARM9ARM104/5/2023(3)主流微处理器的类型

MCS51MCS96系列MSP430系列ARM7ARM9ARM10PIC系列4/5/2023（4）封装方式结构方面：DIP－>PLCC－>QFP－>BGA－>CSP；

材料方面：金属、陶瓷－>陶瓷、塑料－>塑料；

引脚形状：长引线直插－>短引线或无引线贴装－>球状凸点；

装配方式：通孔插装－>表面组装－>直接安装4/5/2023（4）微处理器选取原则硬件原则字长功耗存储容量功能模块配置开发设备软件原则指令系统开发环境成本4/5/20232.2单片机Microcontroller一、概述：单片机，顾名思义，将整个计算机系统集成到一个芯片上。一个重要历程碑-----近代计算机技术发展史上的，它使计算机技术形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统的两大分支。在单片机诞生之前，为了满足工业控制对象的嵌入式应用要求，只能将计算机机械加固、电气加固后嵌入到对象体系中。例：舰船测控应用中构成轮机监控系统。自动驾驶系统脑电图仪4/5/2023CPU时钟电路存储器中断逻辑外围功能模块4/5/2023二、单片机的用途1、在智能仪表中的应用2、在机电一体化中的应用（数控）3、在实时控制系统中的应用4、在人们生活中的应用5、在其他方面的应用

4/5/20232.2.1MCS-51代表厂商：Intel公司时间：20世纪80年代初20世纪80年代中期专利转让特点：采用CMOS工艺代表产品：AtmelAT89C51/52/54/58PhilipsP8031/32P80C51/524/5/20234/5/202380C51的功能硬件一个带有8路模拟输入通道的10位A/D转换器两个8位脉宽调制输出PWM0，PWM1一个16位定时/计数器和3个比较寄存器I2C串行总线口监视定时器T356个特殊功能寄存器SFR两个优先级的15个中断源结构4/5/2023不同管脚不同封装4/5/2023仿真器伟福4/5/20238031的特点

8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。

8051的特点

8051片内有4kROM，无须外接外存储器和373，更能体现“单片”的简练。但是你编的程序你无法烧写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代你烧写，并是一次性的，今后你和芯片厂都不能改写其内容。

4/5/2023讨论的问题：单片机和单板机的区别？

单片机就是把CPU,ROM,以及外围接口电路如I/O电路都集成在一快芯片上,其基本拥有计算机的功能,由于其本身的集成度相当高,所以ROM

RAM容量有限,接口电路也不多,适用与一般小系统中.

单板机就是在一块PCB电路板上把CPU,一定容量的ROM,RAM以及I/O接口电路等大规模集成电路片子组装在一起而成的微机,并配有简单外设如键盘和显示器,通常在PCB上固化有ROM或者EPROM的小规模监控程序.

而单板机如TP-801,SDK-86等都是常用的单板机

其实与上面相对的还有双板机(和单板机相对)和多板机(就是PC)4/5/20232.2.2PIC单片机代表厂商：美国Microchip公司它是一家专门从事单片机开发、研制和生产的半导体厂商。它率先采用了精简指令集结构，传统单片机对PC结构存在的自然依赖性，加上哈弗总线的存储器结构、两级流水线指令结构、单周期指令等技术，从而在单片机硬件结构上独辟蹊径，大大提高了系统运行的效率。4/5/20238-位程序存储器8-位12/14/16-位冯-诺伊曼结构CPU数据存储器哈佛结构程序和数据存储器CPU4/5/2023指令集所谓，就是cpu中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合，而每一种新型的cpu在设计时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统。而指令集的先进与否，也关系到cpu的性能发挥，它也是cpu性能体现的一个重要标志。精简指令集risc就是(reducedinstructionsetcomputing)的缩写，复杂指令集cisc则是(complexinstructionsetcomputing)的缩写。它们之间的不同之处就在于risc指令集的指令数目少，而且每条指令采用相同的字节长度，一般长度为4个字节，并且在字边界上对齐，字段位置固定，特别是操作码的位置。而cisc指令集特点就是指令数目多而且复杂，每条指令的长度也不相等。在操作上，risc指令集中大多数操作都是寄存器到寄存器之间的操作，只以简单的load(读取)和sotre(存储)操作访问内存地址。因此，每条指令中访问的内存地址不会超过1个，指令访问内存的操作不会与算术操作混在一起。精简指令集可以大大简化处理器的控制器和其他功能单元的设计，不必使用大量专用寄存器，特别是允许以硬件线路来实现指令操作，从而节约的处理器的制造成本。4/5/2023二、PIC的优势1、PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。2、精简指令使其执行效率大为提高3、产品上市零等待（Zerotimetomarket）4、PIC有优越开发环境。5、其引脚具有防瞬态能力,通过限流电阻可以接至220V交流电源,可直接与继电器控制电路相连,无须光电耦合器隔离。6、彻底的保密性。4/5/2023指令流水线FlushFetch4FetchSUB_1大部分单片机,其取指和执行过程是顺序进行的.指令流水线的引入，允许取指令和执行可以同步进行.使得指令可以在一个指令周期内执行.程序分支例外(如GOTO,CALL或直接修改PC)，这需两个指令周期.

Tcy0Tcy1Tcy2Tcy3Tcy4

Execute1Fetch31.MOVLW55h

Fetch1Execute3Fetch2Execute2

Fetch42.MOVWFPORTB3.CALLSUB_14.BSFPORTA,BIT34/5/2023PIC家族4/5/20234/5/2023PIC16F87X的封装4/5/2023PIC仿真器4/5/2023讨论问题：

PIC系列单片机与MCS-51系列单片机的区别：(1)总线结构:MCS-51的总线结构是冯-诺依曼型,计算机在同一个存储空间取指令和数据,两者不能同时进行;而PIC的总线结构是哈佛结构,指令和数据空间是完全分开的,一个用于指令,一个用于数据,由于可以对程序和数据同时进行访问,所以提高了数据吞吐率。正因为在PIC系列单片机中采用了哈佛双总线结构，所以与常见的微控制器不同的一点是：程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是8位的，但指令总线位数分别位12、14、16位。(2)流水线结构:MCS-51的取指和执行采用单指令流水线结构,即取一条指令,执行完后再取下一条指令;而PIC的取指和执行采用双指令流水线结构,当一条指令被执行时,允许下一条指令同时被取出,这样就实现了单周期指令。(3)寄存器组:PIC的所有寄存器,包括I/O口,定时器和程序计数器等都采用RAM结构形式,而且都只需要一个指令周期就可以完成访问和操作;而MCS-51需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。4/5/20232.2.3MSP430一、什么是MSP430？德州仪器(TI)的超低功率微处理器解决电池供电测量应用在保持独一无二的低功率的同时同步连接至模拟信号、传感器和数字组件。4/5/2023F40xindesignx31xLCD92x32xLCD84ADC14x33xLCD120Timer_AUSARTMPYROM/OTP2.5-5VLCDDriverFLLTimer/PortBasicTimer8-bitT/CFlash1.8-3.6VBasicClockTimer_AFlash1.8-3.6VLCDDriver….1996199920002002MSP430发展历程2001x11x1Comp_AX12xUSARTindesignF13xTimer_BADC12USARTComp_AF14xTimer_BADC122USARTMPYComp_ANewNewF41xindesignF42xindesignF44xindesign性能4/5/2023注:1-可由Comparator_A实现2-可由Timer/Port实现3-有256BFLASH和BootROM4-Input/Output+Output外围模块:

TIMERS: WDT

-Watchdog定时器 8bitT

-8位定时器/计数器 BT1

-BasicTimer1 T_A

-Timer_A(x)捕捉/比较寄存器 T_B

-Timer_B(x)捕捉/比较寄存器UART 软件实现，或通用同步/异步接口数MPY 硬件乘法器I/O 数字I/O，及OutputMSP430系列4/5/2023MSP430有工业级

16bitRISCMCU.-40-85ºCMSP430编程方便，开发工具廉价ADDMEM1,MEM2;MEM2=MEM1+MEME2MSP430：全新的微控制器MSP430的能效极高.I/O和

CPU运行是能用不同的时钟CPU功耗的开关通过状态寄存器的控制位实现MSP430的功耗极低.执行时为160uA@1.8V(Flash)备用时为0.1uA(Flash)MSP430极大地延长了电电池寿命RUNTHEMARATHON,

NOTTHEMILE.TI’sFlashMSP430MCUreduces

powerconsumptiondrastically,

soyourbatteriesrunlonger.4/5/2023超低功耗1.8V...3.6V供电电压范围200µA@1MHz,2.2V，活动模式0.7µA备用模式0.1µA保持RAM数据6µs从备用模式唤醒

强大的

CPU内核16-BitRISC结构125ns指令周期@8MHz灵活多样的外围模块12-bitA/D(8+4通道,转换<10µs)16-bitTimer_Awith3C/C寄存器16-bitTimer_B

with7C/C寄存器1-2个USART接口硬件乘法器模拟信号比较器基本时钟模块

-由可编程内部电阻控制频率

-由单一外部电阻控制频率

-32kHz晶振产生低频

-高频晶振产生高频

-可选择外部时钟源RUNTHEMARATHON,

NOTTHEMILE.TI’sFlashMSP430MCUreduces

powerconsumptiondrastically,

soyourbatteriesrunlonger.MSP430F1xx：FLASH系列特性4/5/2023中断：向量表（3x,11x,11x1）4/5/2023寻址方式和指令MSP430的寄存器MSP430的寻址方式

MSP430指令：27条（RISC指令）采用模拟指令后为51条4/5/2023片上外围模块：定时器，比较器BASICTimer1 2x8位或16位计数器，做实时钟、LCD帧频时钟定时器/端口 2x8位或16位计数器，与比较器及TP端配合实现斜坡A/D定时器/计数器 8位计数器，可预置定时值，可实现软件UARTPWM定时器 8位计数器，可产生低精度D/A看门狗定时器 看门狗功能，或16位定时器功能Timer_A 16位，带比较器/捕捉器，可实现UART、PWM、斜坡A/DTimer_B 16位，带比较器/捕捉器，可实现UART、PWM、斜坡A/DCompare_A 模拟信号比较器，监视外部模拟电压4/5/2023片上外围模块：硬件乘法器乘法无符号乘有符号乘无符号乘加（以第一操作数地址来区别）精度 8位X8位 8位X16位 16位X8位16位X16位速度 写入操作数后，立即可读乘积当用间接寻址访问时，需等待一条指令4/5/2023四、超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗，

首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8~3.6V电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200~400uA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA。

其次，独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器,有的使用两个晶体振荡器）。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。

由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。在等待方式下，耗电为0.7uA，在节电方式下，最低可达0.1uA。

是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。4/5/2023超低功耗的实现：快速起动和省电模式例：LPM3,备用模式(MSP430C31x)32768Hz振荡器活动。基于BasicTimer1的实时钟活动。LCD驱动有效。400505061.30.1050100150200250300350400450Active

ModeVcc=3V1µseccycletimeIcc/µALPM0LPM1LPM2LPM3LPM4*16bitCPU*突发式模式切换*电流消耗小*唤醒快(<6µs)其他MCUMSP430*4/8bitCPU*电流消耗大*唤醒慢IttIIAvrgIAvrg4/5/2023电源的高效率电池缩减/电池寿命延长

电源电路简化/可远程供电硬件简化外部元件极少

集成实时钟集成

LCD驱动电路集成

ADC加速产品开发用

Flash或

OTP型可快速制作样机用Flash型可作现场更新容易学习和设计程序代码效率高

廉价的微控制器

MSP430和开发工具FETMSP430系统：性能/价格比4/5/2023五、MSP430系列与89C51系列的比较

数据总线指令集模拟指令，众多的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算。这些内核指令均为单周期指令，功能强，运行的速度快。4/5/2023速度比较:32kHz时的运算快于20MHz

典型的8bit单片机20MHz晶振内部4分频主时钟：5MHz=200ns5机器周期/指令1000ns指令周期，8位操作

MSP430

32kHz晶振

DCO作为主时钟发生器

主时钟：4MHz=250ns1机器周期/指令250ns指令周期，16位操作MSP430performs16bitinsteadof8bit4timesfasterthanatypical8bitC!!4/5/2023工作电源方面：89C51单片机本身的电源电压是5伏，有两种低功耗方式：待机方式和掉电方式。正常情况下消耗的电流为24mA，在掉电状态下，其耗电电流仍为3mA；即使在掉电方式下，电源电压可以下降到2V，但是为了保存内部RAM中的数据，还需要提供约50uA的电流。MSP430系列单片机在低功耗方面的优越之处，则是89C51系列不可比拟的。正因为如此，MSP430更适合应用于使用电池供电的仪器、仪表类产品中。4/5/2023开发工具对于89C51来说，由于它是最早进入中国的单片机，人们对它在熟悉不过了，再加上我国各方人士的努力，创造了不少适合我们使用的开发工具。但是如何实现在线编程还是一个很大的问题。对于MSP430系列而言，由于引进了Flash型程序存储器和JTAG技术，不仅使开发工具变得简便，而且价格也相对低廉，并且还可以实现在线编程。4/5/2023开发工具介绍

SimulatorAssemblerLinker

ArchiverObjectCodeConverterAbsoluteListerLCDEditor

FloatingPointPackage

StarterKitMSP-STK430X320EvaluationKitMSP-EVK430X320EvaluationKitMSP-EVK430X330FlashICEMSP-FET430X110FlashICEMSP-FET430P140

Dr.Krohn&StillerEmulatorMX430,MX430P,MX430L,and

AX430Emulator(hitex)OCEANMSP430xxJTAGEmulator

(Goepelelectronic)

IARSystemsC-CompilerTI软件包仿真器评估板TI软件库C-编译器编程器

TIProgrammingAdapterSMSGangProgrammerBPMicrosystems4/5/2023MSP-FET430X110（适用于F11x/F11x1型） 价格低廉

仿真功能基于片内集成的仿真逻辑来实现

可仿真F1101,F1121硬件包括：PC并行电缆,JTAG电缆,插座,仿真座软件CD-ROM：IAR开发环境软件包包括：Simulator,Debugger,Assembler/Linker,

限制版C-Compiler(1KBCode),功能程序下载、更新、运行及代码调试由PC环境下的JTAG控制实现Flash存储器编程由片内仿真逻辑实现全速调试（2个断点）

FLASH型低价格仿真工具：FET4/5/2023MSP430网上资源从Internet可以得到 -MSP430器件资料 -MSP430开发工具软件 -可以下载的各类文件 -免费的仿真软件

-免费的软件包

4/5/20232.4ARM单片机ARM概述ARM（AdvancedRISCMachine）是一个公司的名字，也是一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。基于ARM技术的微处理器应用约占居了32位RISC微处理器75%以上的市场份额。英国ARM公司是全球领先的16/32位嵌入式RISC微处理器解决方案的供应商，向全球各大领先电子公司提供高性能、低成本和高效率的RISC处理器、外设和系统芯片技术授权。ARM还为开发完整系统提供综合技术支持。ARM的微处理器核技术广泛用于便携式通信产品、手持运算、多媒体和嵌入式解决方案等领域，已成为RISC标准。4/5/2023二、ARM的运营模型ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。利用这种合伙关系，ARM很快成为许多全球性RISC标准的缔造者。EmbeddedRISCProcessorShipmentsUnits

(millions)4/5/2023三、ARM处理器的分类结构体系版本（Architecture）ARMv4TARMv5TEARMv6ARMCortex(v7)ProcessorFamilyARM7ARM9ARM10ARM11ARMCortex4/5/2023系列相应产品性能特点ARM7系列ARM7TDMI，ARM7TDMI-S，ARM720T，ARM7EJ三级流水性能：0.9MIPS/MHz,可达到130MIPs(Dhrystone2.1)

ARM9系列ARM920T，ARM922T

五级流水，性能：1.1MIPS/MHz，可达300MIPS(Dhrystone2.1)，单32-bitAMBAbus接口，支持MMUARM9E系列ARM926EJ-S,RM946E-S,ARM966E-S,ARM968E-S,ARM996HS

五级流水，支持DSP指令。性能：1.1MIPS/MHz，可达300MIPS(Dhrystone2.1)，高性能AHB,软核（softIP）

ARM10系列ARM1020E,ARM1022EARM1026EJ-S

6级流水支持分支预测（branchprediction），支持DSP指令。性能：1.35MIPS/MHz，可达430+Dhrystone2.1

MIPS，，可选支持高性能浮点操作，双64位总线接口，内部64位数据通路4/5/2023系列相应产品性能特点ARM11系列ARM11MPCore,ARM1136J(F)-S,ARM1156T2(F)-S,ARM1176JZ(F)-S

8级流水线(9级ARM1156T2(F)-S)，独立的load-store和arithmetic流水线，支持分支预测和返回栈（ReturnStack）。强大的ARMv6指令集，支持DSP，SIMD(SingleInstructionMultipleData)扩展，支持ARMTrustZone、Thumb-2核心技术。740Dhrystone2.1MIPS，低功耗0.6mW/MHz(0.13µm,1.2V)Cortex系列Cortex-A8,Cortex-M3,Cortex-R4Cortex-A系列:面向用于复杂OS和应用的应用处理器（applicationsprocessors），支持ARM,ThumbandThumb-2指令集。Cortex-R系列：面向嵌入式实时领域的嵌入式处理器，支持ARM,Thumb,和Thumb-2指令集。Cortex-M系列：面向深嵌入式价格敏感的嵌入式处理器，只支持Thumb-2指令集SecurCore系列SecurCoreSC100，SecurCoreSC200用于SmartCard和SecureIC的32-bit解决方案。支持ARM和Thumb

指令集，软核。具有安全特征和低成本安全存储保护单元

4/5/2023ARM7TDMIThumb架构扩展,提供两个独立的指令集：ARM指令，均为32位Thumb指令，均为16位两种运行状态，用来选择哪个指令集被执行内核具有Debug扩展结构增强乘法器(32x8)支持64位结果EmbeddedICE（片内调试支持）逻辑3级流水线冯·诺依曼架构CPI(CyclePerInstruction)约为1.9Thumb在处理器中仍然要扩展为标准的32位ARM指令来运行。用户采用16位Thumb指令集最大的好处就是可以获得更高的代码密度和降低功耗。4/5/2023ARM7TDMI指令流水线

操作周期 1 2 3 4 56ADDSUBMOVANDORREORCMPRSBFetchDecode。FetchExecuteDecodeFetchExecuteDecodeFetchExecuteDecodeFetchFetchExecuteDecodeExecuteDecodeFetchExecuteDecodeFetch最佳流水线该例中用6个时钟周期执行了6条指令

所有的操作都在寄存器中（单周期执行）

指令周期数(CPI)=14/5/2023四、ARM微处理器及技术的应用

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。3、网络应用：随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。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。

4/5/20234/5/2023ARM11芯片已经面世ARM11300-700+MHzSIMD指令扩展支持更丰富的多媒体应用40家授权芯片公司，一些已开始量产FOMAN902iFirstARM11basedphoneOMAP2420i.MX31/i.MX31L4/5/2023讨论问题：

ARM与单片机的区别

1、软件方面

这应该是最大的区别了。引入了操作系统。为什么引入操作系统？有什么好处嘛？

1）方便。主要体现在后期的开发，即在操作系统上直接开发应用程序。不像单片机一样一切都要重新写。前期的操作系统移植工作，还是要专业人士来做。

2）安全。这是LINUX的一个特点。LINUX的内核与用户空间的内存管理分开，不会因为用户的单个程序错误而引起系统死掉。这在单片机的软件开发中没见到过。

3）高效。引入进程的管理调度系统，使系统运行更加高效。在传统的单片机开发中大多是基于中断的前后台技术，对多任务的管理有局限性。

2、硬件方面

现在的8位单片机技术硬件发展的也非常得快，也出现了许多功能非常强大的单片机。但是与32ARM相比还是有些差距吧。

ARM芯片大多把SDRAM,LCD等控制器集成到片子当中。在8位机，大多要进行外扩。引入嵌入式操作系统之后，可以实现许多单片机系统不能完成的功能。比如：嵌入式web服务器，java虚拟机等。也就是说，有很多免费的资源可以利用，上述两种服务就是例子。如果在单片机上开发这些功能可以想象其中的难度。4/5/2023讨论的问题：如果对功耗要求严格，建议用MSP430如果你的设计要求高速，建议用ARM系列。如果设计没啥要求，还是51另外，切忌选择高配置51，价格奇贵，这时候ARM就优势明显了。4/5/20232.4DSP单片机一、发展历程数字信号处理（DigitalSignalProcessing）是一门广泛应用于许多领域的新兴学科。世界上第一片单片DSP是在1978年AMI公司发布的S2811，这种芯片内部没有现代DSP芯片所必须具有的单后期乘法器。1980年，日本NEC公司突出了μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP。在这之后最成功的DSP芯片是TI公司的一些列产品。TI公司在1982年成功的推出第一代DSP芯片TMS32010.4/5/2023DSP是什么？DigitalsignalprocessingDigitalsignalprocessorTMS320C50004/5/20234/5/2023TMS320™DSPFamilyOverviewfastestTIDSPsrunningatclockspeedsupto1.1GHzTms320C6416from1200to8000MIPSforfixed-pointFrom600to1350MFLOPSforfloatingpoint4/5/2023二、DSP的选择和应用选择DSP需要从以下几个方面考虑芯片的运算速度（1）指令周期。就是执行一条指令所需要的时间，通常以ns为单位。

（2）MAC时间。即一次乘法加上一次加法的时间。

（3）FFT执行时间。即运行一个N点FFT程序所需的时间。

（4）MIPS。即每秒执行百万条指令。

（5）MOPS。即每秒执行百万次操作。

（6）MFLOPS。即每秒执行百万次浮点操作。

（7）BOPS。即每秒执行十亿次操作。芯片的价格芯片的硬件资源④运算精度⑤开发工具⑥功耗4/5/2023三、DSP的特点

DSP能在一个时钟周期内完成乘法和加法运算，并能并行地同时将下面运算要用到的两个参数传入相应的运算用寄存器。在乘法及乘加指令的执行方式上，DSP的小数乘法在算法上分定点算法DSP与浮点算法DSP。在定点类DSP中，小数点的位置是固定的，不论定点的DSP还是浮点的DSP，乘法器都是用硬件逻辑完成的，乘法可以在一个指令周期内完成。在循环方面，DSP有诸如重复n次（Repeatn），或循环n次（DOLoopn）等指令，使DSP能迅速完成n次循环，而不必每次都检查是不是已经循环n次了。这就是DSP在做数字信号处理方面的优势与独到之处。也是DSP区别于CPU的地方。

4/5/2023主要DSP厂商TIADIMOTOROLALUCENTPHILIPSEquator4/5/2023TIDSP的应用领域电机控制通信图像/视频高数据吞吐量高实时性要求4/5/2023问题讨论：DSP与单片机1、DSP的程序一般在RAM里运行，单片机的程序一般在flash或者ROM里运行，因为DSP的速度高，一般要100M以上，flash的速度达不到那么快；2、由于DSP的程序一般在RAM里执行，而脱机程序必须存储在ROM里以便掉电后不丢失，所以需要在上电后把程序从ROM搬到RAM里。因此一些DSP在片内ROM里固化了一段程序来做这个工作，这段程序就称为bootloader；3、DSP的内核结构要较单片机复杂（这里说内核是因为现在的芯片都SOC化，很多单片机内核并不复杂，但加了很多片上外设也复杂了），针对信号处理做了硬件上的支持，如FIR、MAC、乘方、开方等；例如：典型的ARM核3万门，典型的51核1万门，而典型的DSP核xx门（呵呵，这个有待补充）；4、串行接口方式DSP多采用同步口，而单片机多采用异步口，DSP的同步串行口占用较少的CPU负荷，并且支持的速度更高；4/5/20234/5/2023DSP不同于arm特殊指令FFT最小均方运算LMSViterbi译码指令DADST、DSADT、CMPS特殊寻址方式位反寻址循环寻址4/5/2023§2.5可编程逻辑器件可编程逻辑器件概述一、定义二、发展历史三、器件种类四、代表厂商2.5.2CPLD的原理1、基本结构和原理2、代表产品2.5.3FPGA的原理1、基本结构和原理2、代表产品2.5.4硬件描述语言VHDL和VerilogHDL4/5/2023§2.5.1可编程逻辑器件一、可编程逻辑器件概述

逻辑器件：用来实现某种特定逻辑功能的电子器件。最简单的逻辑器件就是与、或、非门（74Ls00、74Ls04），可实现复杂的时序和组合逻辑功能可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice，PLD）其主要特点是:器件的功能不是固定不变的，可以根据用户的需要进行改变。即用编程的方法确定器件的逻辑功能。4/5/2023二、可编程逻辑器件的发展历史

第1阶段20世纪70年代初到70年代中第2阶段20世纪70年代中到80年代中第3阶段20世纪80年代到90年代末第4阶段20世纪90年代末到目前。

4/5/2023三、常见的PLD产品

编程只读存储器（ProgrammableReadOnlyMemory，PROM）现场可编程逻辑阵列（FieldProgrammableLogicArray，FPLA）可编程阵列逻辑（ProgrammableArrayLogic，PAL），通用阵列逻辑（GenericArrayLogic，GAL）可擦除的可编程逻辑器件（ErasableProgrammableLogicArray，EPLA）复杂可编程逻辑器件（ComplexProgrammableLogicDevice，CPLD）和现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray，FPGA）等类型。PLD器件从规模上又可以细分为简单PLD（SPLD）、复杂PLD（CPLD）以及FPGA4/5/2023典型的PLD的部分结构4/5/2023PLD器件的优点集成度高，可以代替多至几千块通用IC芯片极大减小电路的面积，降低功耗，提高可靠性具有完善先进的开发工具提供语言、图形等设计方法，十分灵活通过仿真工具来验证设计的正确性可以反复擦写、编程、方便设计和升级可灵活定义管脚功能，减轻设计工作量，缩短系统开发时间保密性好4/5/2023发展趋势集成度高低电压地功耗方向内嵌多种功能模块分类—按集成度分低密度promeprome2prompla，palgai只能完成较小规模的逻辑电路高密度大规模的数字系统集成系统soc分类—结构基于与或阵列的—阵列型基于门阵列结构—单元型4/5/2023四、PLD开发工具

基于高复杂度PLD器件的开发，在很大程度上要依靠电子设计自动化（EDA）来完成。PLD的EDA工具以计算机软件为主，将典型的单元电路封装起来形成固定模块并形成标准的硬件开发语言（如HDL语言）供设计人员使用。设计人员考虑如何将可组装的软件库和软件包搭建出满足需求的功能模块甚至完整的系统。PLD开发软件需要自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载等工作。典型的EDA工具中必须包含两个特殊的软件包，即综合器和适配器。综合器的功能就是将设计者在EDA平台上完成的针对某个系统项目的HDL、原理图或状态图形描述，针对给定的硬件系统组件，进行编译、优化、转换和综合。

4/5/2023一个完美的PLD开发软件应当具备：准确地将用户设计转换为电路模块能够高效地利用器件资源能够快速地完成编译和综合提供丰富的IP资源用户界面友好、操作简单4/5/2023主流开发软件Xilinx公司的ISEAltera公司的QuartusII和MaxplusII综合软件Synplify和仿真软件ModelSim等诸多第三方EDK开发软件也满足上述要求。

4/5/2023五、代表厂商4/5/2023

§2.5.2CPLD的原理和结构4/5/2023宏单元的具体结构见下图

4/5/2023一个简单的电路为例,具体说明PLD是如何利用以上结构实现逻辑的，电路如下图：

4/5/20234/5/2023CPLD代表产品Altera的MAX7000，MAX3000系列（EEPROM工艺）MAXIICPLDXilinx的XC9500系列（Flash工艺）Lattice,Cypress的大部分产品（EEPROM工艺）4/5/2023§2.5.3FPGAFieldProgrammableGateArray基于SRAM工艺的查找表结构军品和宇航级FPGA采用Flash或者熔丝与反熔丝工艺的查找表结构。通过烧写文件改变查找表内容的方法来实现对FPGA的重复配置。

4/5/2023FPGA芯片的内部结构4/5/20234/5/2023xilinxSpartan-II芯片内部结构

4/5/2023可编程输入输出单元（IOB）

4/5/2023可配置逻辑块（CLB）

图1-3典型的CLB结构示意图4/5/2023Slices结构

4/5/2023什么是查找表（Look-Up-Table）？简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把真值表（即结果）事先写入RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内