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从8位单片机到32位微控制器

sunbet2020-06-16新闻资讯102
当学习嵌入时,我们周围经常有几个名词。它们既相互关联又有不同的含义。让我们首先理清他们的概念。随着超大规模集成电路的迅速发展,微型计算机的主要功能部件,如中央处理器、随机存取存储器、只读存储器、中断、

当学习嵌入时,我们周围经常有几个名词。它们既相互关联又有不同的含义。让我们首先理清他们的概念。

随着超大规模集成电路的迅速发展,微型计算机的主要功能部件,如中央处理器、随机存取存储器、只读存储器、中断、定时器/计数器等。都集成到一个芯片中,这就是所谓的单片机,简称单片机。单片机这个词忠实地反映了早期单片机的形式和本质。随后,根据面向对象和突出的控制功能,许多外围电路和外围接口集成在芯片上,突破了传统的计算机结构,发展成为微控制器架构。目前,国外一般称之为单片机微控制器。单片机和微控制器都属于计算机结构。与面向高速数据处理和海量信息存储的通用计算机系统相比,它属于一种特殊的计算机系统,嵌入在被控对象中。作为其控制核心,它执行特定的操作和控制任务。它被称为嵌入式计算机系统,简称嵌入式系统。

简而言之,在自动化领域,系统控制的核心芯片在国内通常被称为单片机,在国外通常被称为微控制器,从应用的角度来看也称为嵌入式系统。

然而,嵌入式系统由于在智能家电、汽车电子、仪器仪表、通信设备等领域的广泛应用,已经成为最热门、最有前景的技术之一。目前,嵌入式系统已经进入“百花齐放、百家争鸣”的全面发展阶段,并呈现出32位微控制器取代8位微控制器的趋势。

一位或八位单片机

随着超大规模集成电路的迅速发展,微型计算机的主要功能部件,如中央处理器、随机存取存储器、只读存储器、中断、定时器/计数器等。都集成到一个芯片中,这就是所谓的单片机,简称单片机。8位单片机起源于20世纪80年代,至今已有近40年的历史。然而,它仍然广泛用于工业控制。8位单片机主要包括三大类:51位单片机、AVR单片机和PIC单片机,其中51位单片机影响最大。

1.51微控制器

51单片机是与英特尔8051指令系统兼容的所有单片机的统称。8051单片机属于英特尔的MCS-51系列单片机。MCS-51系列单片机最初是HMOS制造工艺。根据片上程序存储器的结构,其芯片可分为8031无只读存储器、8051带4KB屏蔽只读存储器和8751带4KB可编程只读存储器,统称为51系列单片机。后来,增强型52系列单片机被引进,包括8032、8052、8752等。随着芯片制造技术的发展,英特尔公司生产了80C51芯片。根据片上只读存储器结构,也有三种类型的80C31、80C51和87C51。引脚与51系列兼容,说明相同。

随后,英特尔公司将80C51内核的使用权转让给了世界上许多著名的集成电路制造商,如飞利浦、NEC、Atmel、AMD、达拉斯、西门子等。这些公司在保持与80C51单片机兼容性的基础上,整合自身优势,扩展外围电路,满足不同测控对象的要求,如满足伺服驱动的脉宽调制、保证程序可靠运行的WDT、使用方便、价格低廉的闪存只读存储器等,开发了数百种不同功能的新品种。这样,80C51微控制器就成为了一个被许多芯片制造商支持的大家族,统称为80C51微控制器。客观事实表明,80C51实际上已经成为8位单片机的主流和标准单片机芯片。例如,ATMEL的AT89C51、AT89C52、at89c  51和AT89S52都与51单片机兼容。

2.AVR单片机

AVR单片机也是ATMEL公司的产品。这是8位微控制器中第一个真正采用精简指令集计算精简指令集结构的微控制器。它采用了大型快速存取寄存器库、快速单周期指令系统和单级流水线等先进技术,使AVR微控制器具有高达1mps/MHZ的高速运算处理能力。

AVR单片机采用低功耗、非易失性CMOS技术制造。结合自身的技术优势,将闪存、E2PROM和静态随机存取存储器集成到具有三种不同性能和用途的存储器的芯片中。其中,E2PROM和SRAM存储器可由普通编程器(并行高压模式)编程,还支持ISP在线编程和IAP应用内编程技术,给程序下载和调试带来极大方便。

目前,AVR单片机已形成10多个品种、近百种产品,主要由微型AVR、巨型AVR和XMEGA三大系列组成,以满足市场和用户的不同应用需求。AVR单片机有一个流行的最小系统板阿杜诺。其开发板基于ATmega328控制器,有14个数字输入/输出引脚、6个模拟信号输入、一个16兆赫晶体振荡器、一个USB接口、一个ICSP连接器、一个电源插座和一个复位按钮。Atmega16芯片用于实现USB和串口之间的数据转换。

Pic微控制器

PIC单片机是微芯片公司的产品。它也是一种简化指令型单片机。指令的数量相对较少。中端PIC系列只有35条指令,而低端PIC系列只有33条指令。由于其指令简单易掌握,主要用于工艺简单、可靠性要求高的工业控制。

两个或16位微控制器

最早的16位单片机是英特尔公司推出的MCS-96单片机,随后各大芯片制造商相继推出了自己的16位单片机,如德州仪器的MSP430、飞思卡尔的MC9S12、微芯片的16位PIC、凌阳的SPCE061,其中德州仪器的MSP430最具代表性。

MSP430系列微控制器是一款16位超低功耗混合信号处理器,具有精简指令集。MSP430单片机之所以被称为混合信号处理器,是因为它将多个具有不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上,提供了一个“单片机”解决方案。由于MSP430单片机具有降低芯片电源电压的独特功能和灵活可控的工作时钟,具有超低功耗,因此该系列单片机主要应用于需要电池供电的便携式仪器。

三位和32位单片机

ARM处理器在世界上很受欢迎。32位RISC嵌入式处理器已经成为嵌入式应用和设计的主流。几十年来,ARM架构的每一次更新都会有一批新的ARM内核支持该架构。ARM体系结构和ARM内核之间的对应关系分别如图1所示。

图1 ARM处理器架构的演变历史

近年来,基于从ARMv6开始的新设计理念,ARM进一步扩展了其CPU设计,结果是ARMv7架构的首次亮相。在这个版本中,内核架构第一次从单一风格转变为3种风格。ARM  Cortex-A为高性能而设计的“开放应用平台”越来越接近计算机。ARM  Cortex-R实时处理器为要求可靠性、高可用性、容错性、可维护性和实时响应的嵌入式系统提供高性能计算解决方案。ARM  Cortex-M系列针对成本和功耗敏感型微控制器和混合信号设备进行了优化,适用于智能测量、人机接口设备、汽车和工业控制系统、大型家用电器、消费品和医疗设备等终端应用。

处理器核心是微控制器的中央处理器。一个完整的基于Cortex-M的微控制器需要许多其他组件。在芯片制造商被授权使用Cortex-M处理器内核后,他们可以在自己的硅片设计中使用Cortex-M内核,增加内存、外设、输入/输出等功能模块,即基于Cortex-M的微控制器。不同厂家设计的单片机会有不同的配置,包括内存容量、类型、外设等。ARM处理器内核与基于ARM内核的微控制器之间的关系如图2所示。

图2 ARM内核与基于ARM内核的单片机之间的关系

在众多半导体制造商中,ST微电子公司是较早在市场上推出基于Cortex-M内核的单片机产品的公司。其根据Cortex-M内核设计生产的STM32微控制器充分发挥了低成本、低功耗、高性价比的优势,并因其一系列方便用户选择而广受好评。STM32系列微控制器的产品线包括高性能、主流和超低功耗三大类,分别面向不同的应用。具体的产品线如图3所示。市场上广泛使用的产品包括F0系列、F1系列、F4系列和F7系列。

图3 STM32产品线图

图4和图5中示出了典型的STM32微控制器芯片,其中图4是基于ARM  Cortex-M3内核的STM32F103ZET6芯片,最大工作频率为72MHz,采用LQPF144封装。图5是基于ARM  Cortex-M4内核的STM32F29IGT6芯片,最大工作频率为180MHz,采用LQPF176封装。

图4 STM32F103ZET6芯片

图5 STM32F429IGT6芯片

四、各种类型单片机的比较

单片机是先进的嵌入式计算机技术与各行业特定应用相结合的产物。这是一个技术密集型、资本密集型、高度分散化和不断创新的知识集成系统。因此,单片机很难在单片机领域称霸全国。事实上,在这种情况下,各种各样的单个芯片都在蓬勃发展,成百上千的其他芯片都在为荣誉而竞争。

1.费用

微控制器本身是一种低成本的电子控制设备,无论是8位微控制器、16位微控制器还是32位微控制器都是技术成熟的。虽然成本不同,但与整个控制系统相比可以忽略不计。

2.表演

为了便于比较,我们分别选择了51位单片机的AT89C51、AVR单片机的ATmega16、16位单片机的MSP430和32位单片机的STM32F103ZET6,并对总共4个典型芯片列表进行了比较。比较结果如表1所示。

3.技术资料

技术数据的数量与芯片的广泛使用密切相关。51单片机最早产生并得到最广泛的应用,其技术数据的积累最为完善。近年来,STM32微控制器逐渐成为ARM嵌入式微控制器的主流产品,极大地提高了STM32技术数据的积累。AVR、PIC和MSP430的技术数据相对较少。

4.发展模式

8位和16位单片机由于内部资源相对较少,采用基于寄存器的开发模式。由于STM32功能强大、结构复杂,因此有两种开发方法可供选择。一种是基于寄存器的开发方法,另一种是基于ST官方固件库的库函数开发方法。基于库函数的开发方法更易于使用,所开发软件的可靠性和可维护性也得到了提高。

五、单片机选型建议

在单片机课程的教学和开发中,选择合适的单片机类型非常重要。前面的分析和比较为我们的选择提供了技术依据。然而,单片机类型的选择不仅涉及技术因素,还涉及学校现有设备、师生的学习背景、芯片制造商的推广努力以及相关行业的发展趋势等。还有许多主观和随机的因素。根据作者的经验,下面给出一些建议。

1.快速启动嵌入式系统开发精选51单片机

30多年来,国内高校的单片机教学基本上以51单片机为典型控制芯片。大量熟悉、理解和掌握51单片机的软件工程师和硬件工程师接受了培训。大量的教学资料和应用工具书

此外,许多半导体公司和制造商也在不断推出基于MCS-51内核的改进和扩展的兼容计算机。其引脚和指令系统与51单片机完全兼容,但其性能远远高于标准的8051单片机,可以满足许多更高要求的应用。

因此,51单片机是学习和掌握嵌入式系统中计算机工作原理的最佳选择。

2.从长期教育和技术发展的角度选择STM32

青山掩盖不了,毕竟,它在向东流!虽然我们已经为经典的8位单片机(如MCS-51)和16位单片机(如MSP430)积累了大量的技术数据,但我们非常方便。然而,复杂的指令、较低的主频、有限的存储空间和很少的片上外设使其难以应对复杂的应用。尽管8位和16位单芯片计算机的应用不会就此结束,但可以肯定的是,32处理器时代已经到来,其性能显著提高,片上资源更加丰富,功能越来越复杂和完善。

因此,从教育的长远和发展的角度出发,我们的教学目标应该更高。我们应相应改变教学内容、教学方法和学习方法,充分体现和整合新技术、新软硬件系统设计理念和方法,为培养适应当今技术发展的嵌入式系统工程师打下坚实基础,以满足社会对高层次人才的需求。考虑到学生的就业和行业定位,基于ARM内核的嵌入式处理器是一个不错的选择。STM32单片机性价比极高,应用广泛,更适合学生学习后快速应用于毕业设计和各种学科竞赛。基于库函数的开发方法使得STM32单片机的学习不再遥不可及,无论有没有单片机课程基础,嵌入式系统的学习都很容易。

3.选择专用单片机的特殊要求

对于一些有特殊要求的场合,应选择最长的单片机来完成相应的控制功能,以获得最佳的系统性能。例如,MSP430是电源电子设计竞赛的最佳选择。PIC单片机只需几个输入输出端口,控制要求较高,可以选用。Arduino是创作圈中最受欢迎的开发板之一。由于其集成开发环境和主板支持一键下载,开发方便,资源丰富,Arduino受到创作界的广泛欢迎,也是儿童电子智力创造教育的首选之一。事实上,单片机的原理是一样的,只要你学习其中的一个,当你再次学习它时,另一个单片机就会很容易使用。上述具有专业知识的单片机建议你先学好广泛使用的单片机,然后在涉及特殊领域时自学这种单片机。

六.摘要

摘要:介绍了五种主流单片机,即51单片机、AVR单片机、PIC单片机、MSP430单片机和STM32单片机,涵盖了8位单片机、16位单片机和32位单片机,并比较了它们的性能、价格、资源和开发方法。最后,对高校供应链管理课程的选择提出了建议,可供高校教师和学生在选择供应链管理课程时参考。

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