單晶片原理與應用 魏兆煌 整理 南台科技大學 電機系 Sep. 2009

本章課程大綱 微電腦與單晶片系統 單晶片的發展與未來 80C51核心單晶片 8位元RISC單晶片 嵌入式晶片 單晶片的應用

微處理機內部架構 微處理機相當是微電腦的CPU，即具有資料處理與計算能力的數位積體電路(LSI或VLSI)。 微處理機內部結構包括 「算術邏輯運算單元(ALU)」， 「暫存器(Register)」， 「控制單元(CU)」， 「內部匯流排(Internal BUS)」。 微處理的基本運作包括「提取指令(Fetch)」，解碼並選擇線路予與執行(Execute)」，即Fetch-and-execute cycle。 微處理機無法單獨執行工作，必須配備記憶體，輸出入埠，電源，與相關的週邊界面等，才具有完整工作能力。

微電腦系統架構

微處理機內部架構圖

微處理機內部架構說明 術邏輯運算單元(ALU)：馬蹄型結構，執行算術邏輯運算,資料經由資料匯流排送入輸入埠，結果由輸出埠送回累加器 暫存器(Register)：存放微處理機運作過程的暫時資料，如「累加器」；「程式計數器(PC)」；「狀態暫存器或旗標」，「一般資料暫存器」，「記憶體位址暫存器等 控制單元：指揮微處理機運作的邏輯電路。控制單元透過控制匯流排執行指令的提取，解碼，並發出執行指令的訊號 內部匯流排：區分為「資料匯流排」,「位址匯流排」,「控制匯流排」三種匯流排

微電腦與單晶片 將微電腦CPU集成一IC晶片，稱為微處理機（μP) 80年代，由於科技進步與功能需求，微處理機的逐漸朝兩大方向發展 朝具有較寬的資料路徑，系統電路更複雜，指令集功能更強大方向發展，應用在通用型電腦主機上，如Pentium系列晶片。 朝向高度整合系統發展，結合μP 、記憶體、輸出入埠於同一晶片上，形成單晶片，又稱微控制器。應用在工業控制與家電產品上，以8051系列晶片最具經典代表。

微處理機基本特性 字語長度:處理資料的基本長度，如8位元、16位元、32位元…。 輸出入埠:微處理機與外界週邊界面溝通並交換資料的埠口。 可定址空間: 決定可存取外部記憶體與Ｉ/O埠的數量。 執行速度:「提取指令-執行指令」時間，由振盪電路提供(Clock)。 暫存器：暫存器寬度、數量、型式。 指令集：指令是執行微處理機動作的機械控制碼。 定址方式：程式中存取記憶體資料的方式。 輸出入埠:微處理機與外界週邊界面溝通並交換資料的埠口。 系統與週邊界面的支援功能:如計時/計數功能，中斷控制、串列通訊UART功能，數位類比訊號輸出入(ADC、DAC)，看門狗(WDT) ，省電低耗功能。

單晶片的發展 第一代單晶片: 1976年， Intel公司首先發展單晶片結構模式的專用型CPU，以MCS-48為代表。 第二代單晶片:1978年， Intel公司的MCS-51 ，提昇功能包括16位元的定址空間，串列通訊UART功能，特殊功能暫存器(SFR)的集中管理模式，具重要地位的單晶片系列。 第三代單晶片: 1982年，外部介面電路增強，滿足測控功能與更便捷的程式儲放與修改，ADC、DAC，高速I/O埠，WDT(看門狗)，FlashROM..等。如ATMEL的89C51。RISC的PIC。 第四代單晶片: 1990年至今，市場針對不同需求，發展各具特色單晶片，如以89C51為核心的單晶片，AVR與ARM新一代嵌入式系統(Embedded system) ，讓單晶片的應用由工業控制、玩具家電，朝向數位行動通訊方向發展。

單晶片未來驅勢 主流機型發展： 8位元為主流機型 ；高功能32位元晶片(ARM)後勢看好。 全面CMOS化：提供低功率低耗晶片。 RISC興起，採單一指令週期，實現流水管線操作，提昇執行速度。 專用型單晶片的發展：採用模組化的快速設計與IC製程，針對產品需求設計，做最大限度簡化系統結構，提昇資源利用效率。 OTPROM降低成本： FlashROM可重複燒洗，提高程式修改次數。 ISP發展環境：實現程式線上串列下載，促使系統模擬發展重新興起。 系統軟體嵌入：大幅提昇單晶片性能。如即時作業系統RTOS；常用副程式與函式庫；或系統診斷與管理軟體嵌入。 推動串列擴充匯流排：採用串列埠，減少接腳數，簡化系統結構。常見串列傳輸包括，移位暫存器埠、I2C 匯流排、SPI、1-Wire、Microwire 等。

80C51核心單晶片 INTEL公司公開80C51核心技術，全球知名公司，飛利浦、Dallas、 Simens、ATMEL、華邦等、以80C51為核心開發的許多各具特色的單晶片系列，這些具有相同核心的單晶片統稱為80C51系列。 80C51核心不變性：實現指令不變，匯流排不變，封裝接腳不變，有更佳的相容性。 速度的擴充：提供多種時脈，最高可達40MHZ。 在記憶體上的擴充：擴展OTPROM，FlashROM。在ROM擴充達64KB。RAM擴展達1024Byte等。 基本功能擴充：增加計時/計數與中斷源數量、提昇UART功能。 周邊界面功能擴充：加入ADC、PWM、WDT、I2C、CAN、USB等界面擴充功能。 刪減內部資源：刪減局部功能單元與匯流排數量，以降低成本，提供更小型與廉價的單晶片。

80C51的單晶片種類 8C052：延伸自8052系列晶片， RAM有256Bytes, ROM達8K(80C51僅4K)。3個計時計數器 80C31：延伸自8031系列晶片，無內建程式記憶體(ROM-less)，系統必須自行建置程式記憶體電路。 87C51：延伸自8751系列晶片，程式記憶體採用EPROM的8051產品。 89C51：內建的程式記憶體採用EEPROM的8051產品，可直接以電子式燒錄器重複寫入與抹去。

80C51相關產品 ATMEL公司AT89C51採用FlashROM技術，廣為業界與教學使用。 PHILIPS (飛利浦)公司的P87C51、P89C51...屬於增強型的80C51，具備ISP功能，可直接線上修改與燒錄程式。此外，其中80C552具備10bit的A/D、PWM、WDT、I2C功能。80C591具備CAN功能。 Siemens (西門子)公司推出經晶片中，Infineon的C500系列是CMOS的8051核心晶片。其中C504-L具有A/D、PWM、WDT功能。C505C-L具有CAN、A/D、PWM、WDT等功能。 WINBOND(華邦電子)公司的W78E516B內建64K的ROM，可滿足大量程式記憶體的需求。W77E58具WDT功能 Cypress公司推出的EZ-USB系列晶片，是以8051為核心的USB界面晶片。其中包括EZ-USB的2100系列、CY7C60600系列

8位元RISC晶片-PIC PIC (Peripheral Interface Controller) 是美國Microchip公司於1989年出品的8位元單晶片。簡單易用、價格便宜、低耗電，高速，高輸出驅動電流、豐富多樣化週邊界面提供選擇…等優點，很短時間就急速竄紅，廣為業界採用，大量應用在家電產品，玩具，攜帶式控制裝置。 晶片體積小，耗電少，價位低。 採用RISC架構，高效率的執行速度。 PIC單晶片的指令簡單易學，共計35個指令 指令的執行採管線架構(Pipe Line)，可大幅提高指令執行速度。 單一指令週期(Instruction cycle)，容易掌握程式執行時間。 PIC單晶片的種類繁多，根據不同需求提供多樣化的週邊界面。 提供工業控制所需看門狗(WDT)監控功能。 零件包裝有多種選擇DIP包裝、PLCC、TQFC、MQFP等。

高速單晶片-AVR 美國ATMEL公司針對PIC與MCS-51優缺點加以改良，於1997年推出AVR增強型精簡微控制器 OTP改用Flash架構，提高程式修改的次數。 低耗電(1µA~2.5mA)、高速度(50nS)，具SLEEP功能。 VR具有一個指令一個時脈的高速執行能力。 RISC精簡指令架構，32個工作暫存器，128-512個內部靜態SRAM，可靈活運用的118個指令，C高階語言，易學易用。 工業級產品，具WDT安全保護功能，具大電流輸出10~20mA或40mA的單一輸出，可直接驅動SSR或繼電器。 UART不佔用計數器及SCI傳輸功能，可高速工作達576K。

新一代嵌入式晶片 在電腦網際網路與通信高速發展，結合高科技微處理機軟硬體與通訊技術，嵌入式系統(Embedded System)開啟微電腦應用的另一個新紀元。 嵌入式系統包含硬體和軟體兩部分： 硬體架構上以嵌入式處理器為中心，配置記憶體、I/O設備、通信模組等必要的裝置； 軟體部分以軟體發展平臺為核心，並配合嵌入式即時操作系統RTOS（Real Time Operating System）的軟體支援 。 嵌入式系統中，軟體和硬體緊密配合，協調工作，共同完成系統預定的功能。

嵌入式晶片-ARM 隨著單晶片的成熟技術與完備功能，在引入嵌入式系統，方便了工程技術人員進行嵌入式系統的技術開發和產品的應用領域。 嵌入式系統應用需求的多樣性，市場上基於RISC結構的嵌入式處理器提供商也日漸增多，其中ARM公司的晶片最受矚目 ARM即Advance Risc Machane的簡寫。ARM公司是1990年成立，專門投入晶片設計，發展出32位元的ARM嵌入式微處理機。ARM的核心以高性能、體積小、低功率耗損、並與多家知名供應商合作而聞名。

單晶片的應用 家電用品：取代家電傳統的控制電路。例如洗衣機、電冰箱、冷氣機、微波爐、電子鍋、電視機、數位相機/攝影機、視聽與音響設備..等。 辦公室自動化設備：現代辦公室中，如鍵盤、磁碟機驅動、印表機、影印機、傳真機、電話、電腦週邊設備…等。 工業自動化：單晶片微電腦引入工業自動化系統，將傳統機電控制設備導向控制智慧化、功能多元化，構成新一代的機電整合產品。目前廣泛應用在工業自動化的程序控制、可程式控制器、工廠監控系統、生產線自動化、數位控制加工機上。 商業應用：在電子商務與物流管理的快速普及的現代化社會，單晶片微電腦設備再此一領域亦扮演重要腳色。例如應用的裝置設備涵蓋，自動販賣機、電子秤、提款機、條碼機、盤點機、冷凍空調系統、保全監控系統。 智慧型儀表與量測：儀表控制與量測裝置都朝向數位化、智慧化、多功能化、綜合化..等方向發展。單晶片微電腦的引入，提供更多元的功能擴充與發展，例如誤差值的修正，線性的問題，以及與資料捷取與傳輸。 交通與通訊：應用在汽車的自動化裝置，航空鐵路的電子監控系統。此外，目前新一代的嵌入式系統晶片，透過網路通訊，已朝向數位行動通訊，與遠端資料捷取功能的無線化、智慧型化的應用方向上發展。

單晶片的應用