漫談可編程芯片

ID:71259 · 發(fā)表于 2014-12-29 01:41

寫在前面：很多朋友都問我做的是什么東西，我說單片機，但是大部分人也是不甚了解，額，我粗略的將它寫出來，并且和一些可編程的芯片做了一些比較，我盡量寫的通俗些，因為有些東西如果沒有接觸過數(shù)電模電的可能很難理解。參考資料一些是百度的，一些來自老師，一些來自自己理解。如有疏漏請指出。謝謝

注：下面所有的芯片后面都省略了“系列”2字。

通用型CPU ：

1968年“叛逃”仙童公司（Fairchild）的摩爾和諾依曼（有名的仙童“八叛徒”中兩個）加上安迪·格魯夫（A.Grove）創(chuàng)立了Intel公司，1971年推出了世界上第一枚處理器。而同樣曾經(jīng)是仙童公司的銷售部主任的桑德斯（非“八叛徒”）1969年創(chuàng)立了AMD公司。如今這兩家公司都以生產(chǎn)通用型處理器而聞名世界，當然AMD在06年并購ATI之后，他也生產(chǎn)顯卡。早期AMD曾經(jīng)使用過Intel的核，之后研發(fā)出與Intel不同結構的CPU。（可見仙童半導體公司的厲害之處了，雖然它的輝煌時期在上個世紀60年代，后來因為“八叛徒”的出走，仙童一直處于低潮，而且換了好多東家，但是它的影響力一直持續(xù)到了今天，我們導師做變頻用的IGBT或者一些大功率可控硅首選的還是仙童，“八叛徒”也證實了當時美國硅谷人才濟濟）

Intel酷睿雙核處理器（盒）

AMD速龍雙核（盒）

里面的CPU芯片

單片機（Microcontroller Unit）：其實直譯過來應該叫做微控制器

8051 ： 30年前，Intel推出了MSC-51系列，與71年的4位處理器不同的是51系列是8位的，也就是一次可以執(zhí)行8位，之后51發(fā)展就脫離通用型CPU的發(fā)展路線，后來在里面集成了IO，ROM,，RAM，定時計數(shù)器，中斷等等，其實廣義的講就成為了一款計算機，當然是有別于通用型計算機，相比較的話ROM（Read Only Memory）就相當于硬盤，程序軟件就是放在這個里面的，執(zhí)行的時候就按照你編寫的程序一條條往下執(zhí)行，不過燒寫進ROM的程序是機器碼，一般的ROM是比較小的，大概就幾K到幾十K之間，一張圖片都放不下的。RAM（Random Access Memory）就相當于電腦上的內存，內存的作用在于將運算的中間變量暫時存儲在這個地方，所以內存大的電腦，可以開很多軟件也不卡，RAM也就相當于這個功能，但是電腦上的有2G，但是單片機上的只有幾十字節(jié)到幾K。定時計數(shù)器其實每個電腦（準確的說是電腦CPU）都有，不過調用時需要API函數(shù)，因為操作系統(tǒng)把所有和硬件有關系的操作都用API函數(shù)封裝了，其實無非就是計數(shù)的功能，1/主頻秒計數(shù)值加一，就是這樣，想要定時多久就計算出該計數(shù)幾次就可以了。中斷的響應處理，對應于通用計算機比如對于鼠標，鍵盤等事件的響應處理等等，因為現(xiàn)在的計算機的主頻都上G了，中斷響應的時間大概是1/主頻，所以人是無法感覺到的，串口通信，早期的九針，一般的臺式機主機箱后面都有，筆記已經(jīng)沒有了，可以實現(xiàn)單片機和電腦的通信，或者兩臺單片機或兩臺計算機的通信。以上其實是單片機的簡介，而51當然全部具備，8051內核，51和通用CPU一樣是有自己的指令，51是111條，當然所謂的指令集其實是建立在匯編的基礎上的，如果你用C編程，最終編譯器會先將C語言程序先編譯成匯編語句，再把匯編語句編譯成機器碼。51的指令是CISC（Complex Instruction Set Computer）即復雜指令集計算機，也就是說指令不是單周期的，大部分都是1~3周期，但是乘法和除法是4個周期的，加上51的機器周期是外掛晶振的12分頻，即外面的晶振/12才是51的主頻，比較悲劇，所以它的速度永遠基本處于微秒級。51的IO（Input/Output）口是準雙向IO口，因為同一時刻這個口既可以作為輸入也可以作為輸出，而也只有51內核的單片機是這樣，其他后來研發(fā)的單片機都是標準IO口，也就是IO口必須要配置成輸入或者輸出才能工作。

At89s51單片機PDIP封裝

AVR ：和51比它來了一個質的飛躍，雖然也是8位的，但是AVR內核，131條指令，RISC（Reduced Instruction Set Computer）即精簡指令集計算機，也就是說幾乎所有指令都是單周期，AVR集成了只需要兩個時鐘周期硬件乘法器。不需分頻，精簡指令集，所以當它的晶振處于1M的時候，就可以達到1MIPS的速度。AVR除了有上面所提到的51的所有功能，還集成了8路10位ADC（Analog to digital converter將模擬量轉換為數(shù)字量），SPI（Serial Peripheral Interface串行外設接口即硬件SPI），TWI（Two – Wires serial Interface 即硬件I2C）等，這些都是各種通信協(xié)議的硬件實現(xiàn)，而不是像51一樣只能靠模擬。AVR的IO為標準IO口，它可以輸出大電流，可以直接驅動繼電器，如果是3V電機，可以直接驅動，而最大只能輸出十幾毫安的51是做不到的，因為電機啟動需要大電流。當然芯片AVR有90S系列、tiny系列和mega系列，每種都有子產(chǎn)品，資源稍有不同。這款芯片體現(xiàn)了A先生和V先生的智慧，可以說AVR系列是一款經(jīng)典的單片機，不過很遺憾，最近它的號召力在慢慢下降，因為全球的供貨緊張和Atmel公司對市場的“遲鈍”反應，導致很多有心人在炒片子，據(jù)業(yè)內人士稱代理也在炒，其實很多這種芯片可能都是靠走.私，特別是珠三角，在國內，一旦有芯片被大量使用，那么跟風無數(shù)，商家有利可圖自然大量購進賣出，那么就會缺貨，就和當年TI的DSP差不多（好芯片永遠話題不斷），所以不重視大中華市場是不行的。很多人都已經(jīng)轉戰(zhàn)ST或者STC的芯片，因為價格低，也許這算是AVR的一種沒落。

AVR : Atmega16芯片 PDIP封裝

AVR : Atmega16芯片 TQFP封裝

PIC ：與AVR一樣同是RISC，當然指令集是不一樣的。沒有用過并沒有多少發(fā)言權，個人感覺專用性比較強，擁有各種封裝，更適合用于批量生產(chǎn)的場合。

PIC單片機 PDIP封裝

PIC單片機 TQFP封裝

MSP430 ： TI（Texas Instruments德州儀器）公司的力作，16位單片機，最大的特點為低功耗，誕生十幾年來至今未見得有哪款單片機可以在功耗上與它抗衡，在時鐘關閉的時候最小只有0.1uA的功耗，低頻工作下也是微安級的，3.3V的電壓，這種功耗，它做成的手持設備，只要兩節(jié)干電池可以工作幾年。RISC，只有27條指令，相當簡潔，集成硬件乘法器，每個IO口都可以作為中斷，對于中斷的嵌套很方便，不像AVR只能以軟件來嵌套中斷，而且還有主次時鐘，自帶著鎖相環(huán)的功能。當然每個系列是不一樣的，資源多少的問題，這個片子一般都是TQFP封裝的，當然是有PDIP封裝的，較少而已，因為這片子引腳比較多。資源功能方面，當然說起TI的可編程芯片，可能更多人會想到DSP（Digital Signal Processor）芯片，430不可避免的帶著DSP的影子。當然也繼承了TI公司貴的特點，MSP430確實很貴。

MSP430單片機 PDIP封裝

STM8 ： ST（SGS-THOMSON Microelectronics即意法半導體）的得意之作，8位單片機，手上有一套三合一體驗的板子，還沒有開始研究它，不過看下他的資源，所有都是AVR的8位機的兩倍，但是價格只有它的1/3到1/2，難怪很多人都轉戰(zhàn)ST了，價格永遠是硬道理，老板看中的是成本。

STM8系列單片機 TQFP封裝

總結：由此可以看出其實除了51之外，其他的芯片資源都是差不多的，因為都是RISC結構的，加上功能足夠多，所以基本上操縱芯片無非就是操縱寄存器，當然這篇文章主要是寫給一些不是這個專業(yè)的朋友看的，隱去了一些東西，比如JTAG和E2PROM，Atmel公司對Flash和E2PROM的研究使它的芯片擦寫次數(shù)和質量都很高，關于開發(fā)工具的話，AVR有很多，公認編譯出來代碼效率最高的是IAR AVR，其次CVAVR（Code Vision AVR）,ICCAVR，WinAVR(GCC，這個編譯器GNU開發(fā)，完全免費)這三款代碼效率差不多，這些和Atmel公司開發(fā)的AVR Studio內聯(lián)就可以仿真，如果加上JTAG就可以單步仿真,下載可以使用ISP（In System Programmable 在線系統(tǒng)可編程）。MSP430和STM8都可以使用IAR的編譯軟件。

AVR單片機的ISP下載器，Usbasp

自制的AVR JTAG仿真下載器

MSP430單片機三合一仿真下載器

EDA （Electronic Design Automation）：電子設計自動化

CPLD（Complex Programmable Logic Device）：CPLD其實有兩種，一種就是叫CPLD,還有一種稱為FPGA（Field Programmable Gate Array）。CPLD直譯叫做復雜可編程邏輯器件，FPGA直譯叫做現(xiàn)場可編程門陣列，它們準確的來說是硬件數(shù)字電路，里面是各種門的組合，而我們編程的目的在于在這塊芯片上熔出一個數(shù)字電路來，因為硬件的東西永遠都會比軟件快，它和通用型的CPU和單片機有著本質的區(qū)別在于它的并行性，因為數(shù)字和模擬電路通電后的反應都是瞬時的，非時序電路的各個節(jié)點之間是沒有所謂暫緩的，也就是說它不會像CPU或者單片機一樣是按照一條條的程序來執(zhí)行，當然利用狀態(tài)機可以，這個是編程的手法問題。CPLD是擁有ROM，它可以像單片機一樣下載完程序之后可以一直使用，而FPGA不可以，FPGA相當于一塊集結了數(shù)字電路的高速RAM，所以稱為現(xiàn)場可編程門陣列，它的程序只有在現(xiàn)場可用，一旦斷電就什么都沒有了，所以一般做產(chǎn)品的話就會在上面掛一個E2PROM。現(xiàn)在CPLD作為一種新興力量加入到可編程芯片中，在一些高速的場合，DSP芯片都無法完成的DSP技術，可以由CPLD來取代DSP芯片（注：DSP既可以是Digital Signal Processor數(shù)字信號處理芯片，也可以是Digital Signal Process數(shù)字信號處理技術）。現(xiàn)在由于IP軟核的復用，如果將處理器軟和下到CPLD中，那么這塊東西就變成了一款處理器，Nios處理器，有硬件的運行方式，但是也有像CPU和單片機一樣編程方式。世界上生產(chǎn)CPLD有名的公司是Altera、Xilinx公司等，一般教學可能Altera會多一些，至少我們學校訂購了Altera公司的產(chǎn)品，DE2開發(fā)板，使用的是VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language即超高速集成電路硬件描述語言)或者Verilog HDL（Verilog Hardware Description Language）顧名思義是對硬件進行直接的操作，Altera芯片的開發(fā)軟件是Quartus II。當然它可以做單片機或者通用CPU可以做的事情，但是由于芯片本身特性的局限是它無法像普通單片機或CPU一樣進行方便的編程，IP核和Nios可以說是解決方案。

Altera的FPGA芯片，由于管腳過多所以使用BGA封裝，引腳不在旁邊而在反面，如圖左邊是正面，右邊是反面

DSP (Digital Signal Processor / Digital Signal Process) ：數(shù)字信號處理芯片/數(shù)字信號處理技術

　 TMS320 ：和MSP430一樣這是TI(Texas Instruments德州儀器)公司的力作，當然這個也和MSP430一樣是芯片系列的頭文件，準確的說這兩種芯片應該是TMS320XXXX或者是MSP430XXX，而我們專業(yè)使用的TMS320LF240X。從第一枚商用DSP芯片由TI生產(chǎn)到今天這幾十年，DSP的發(fā)展可謂飛速，速度越來越快，功耗越來越低，價格越來越低，功能越來越強大，特別是對于數(shù)字信號如音頻、圖像的處理，當然還有在我們電氣專業(yè)領域來說至關重要的變頻調速方面有著很重要的地位。TI的DSP芯片的發(fā)展中，留在市場上的有2000系列，5000系列和6000系列。它的結構和單片機基本沒有區(qū)別，只是更加適用于數(shù)字信號處理，所以它對處理數(shù)字信號和算法的能力是單片機遠遠無法達到的，它集成的硬件乘法器和本身的特性使它可以在1個時鐘周期就可以算出一個乘法和一個加法，而其對浮點和定點的運算是單片機速度達不到的（當然DSP是分為浮點和定點即Float – Point 和Fixed - Point），如快速傅里葉算法FFT或者PI調節(jié)算法的實現(xiàn)，使用單片機完全是杯具。開發(fā)DSP的工具有CCS，其開發(fā)過程和單片機一樣，有C和匯編，也有JTAG仿真下載（當然JTAG是一種協(xié)議而已，這里不再贅述）。

DSP芯片，TQFP封裝

ARM（Advanced RISC Machines）：既是一款處理器名字也是一個公司的名字

ARM ：1991年成立于英國劍橋，這個偉大公司誕生不到二十年卻讓世界如此震驚，拿出你的手機，里面的處理器90%是ARM，他們不產(chǎn)芯片而是靠出賣自己的設計技術的授權，它擁有單片機、DSP、通用CPU的優(yōu)點，卻有著自己的特色，適用于消費電子、圖像處理、多媒體、移動設備等嵌入式領域，由于沒有用過，發(fā)言權比較少。授權方有Atmel、三星、索尼，飛思卡爾、英特爾、TI、ST等等。ARM用于嵌入式系統(tǒng)可以跑操作系統(tǒng)，那是有別于通用CPU的操作系統(tǒng)，嵌入于專用型的場合，使用Unix、Linux等操作系統(tǒng)，比如手機的操作系統(tǒng)塞班（Symbian），Google的安卓（Android），還有微軟的Windows Mobile。