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Introduction:

Introduction:. 蔡樸生 0920-038438, Web: http://ee.chit.edu.tw/elaine (Keil51 晶片程式設計 ) email: tsaipusheng@gmail.com 上課時間 : 星期日 (3,4,5) 參考書籍 : 蔡樸生 , 謝金木 , 陳珍源 , “MCS_51 原理設計與產品應用” , 文京出版社 林振漢 ,”8051 單晶片實作－使用 C 語言” , 博碩文化股份有限公司 USPISP 燒錄器 :

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  1. Introduction: • 蔡樸生 0920-038438, • Web: http://ee.chit.edu.tw/elaine (Keil51 晶片程式設計) • email: tsaipusheng@gmail.com • 上課時間: 星期日 (3,4,5) • 參考書籍: • 蔡樸生,謝金木, 陳珍源, “MCS_51原理設計與產品應用”, 文京出版社 • 林振漢,”8051單晶片實作－使用 C 語言”,博碩文化股份有限公司 • USPISP燒錄器: http://goods.ruten.com.tw/item/show?21110129450769

  2. Chapter I : 單晶片發展 晶 片 程 式 設 計 中華技術學院電子系

  3. 1.1 單晶片發展(I) • 第一代單晶片: 1976~1978 ALU + Memory + I/O +Timer + Interrupt (算術邏輯單元) ROM/RAM (8255) (8253) (8259) Intel MCS_48 (8048) • 第二代單晶片: 1978~1982 ALU + Memory + I/O +Timer + Interrupt+ UART 非同步串列通訊埠 SFR (Special Function Register), Expanding (16bit) Intel MCS_51 (8051) Universal Asynchronous Receiver and Transmitter (UART) ISP : In System Programming (Flash ROM)

  4. 1.1 單晶片發展(II) • 第三代單晶片: 1982~1990 Harvard架構的RISC精簡指令集, 增強介面電路. ADC, DAC, WDT, 高速I/O埠, ISP技術. Microchip – PIC, 義隆電子–EM78, 盛群–Holtek(HT) ATMEL: AVREnhanced RISC Microcontroller. • 第四代單晶片: 1990~至今 嵌入式系統(Embedded System)觀念以及 PSOC , NIOS, ARM

  5. 1.2 嵌入式系統 • 嵌入式系統是指作業系統(OS)和功能軟體整合於電腦硬體系統之中，使用嵌入式微處理器(32位元以上)構成獨立系統並且具有某些特定之功能 – ARM • Advanced RISC Machines Limited, ARM7, ARM9 ARM10 • 以應用為中心、以電腦技術為基礎、可自行規化或訂製軟體、硬體功能、適應系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用電腦系統 – NIOS, PSOC

  6. 嵌入式核心分類(雲科策略聯盟) • 嵌入式微處理器(Embedded MicroProcessor Unit, EMPU) : ARM • 嵌入式微控制器(EmbeddedMicroController Unit, EMCU) : MCS_51, AVR, PIC,..... • 嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP) : EZ-DSP(TI, TMS32C5X) Mathematic operation is very powerful. • 嵌入式片上系統(Embedded System On Chip, ESOC) : NIOS, PSOC

  7. 嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU) • 基礎就是通用電腦中的中央處理器 (CPU) • 裝配在專門設計的電路板上，保留和嵌入式應用相關的母板功能，加強工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等性能 • 具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優點 • 在電路板上必須包括 ROM、RAM、匯流排界面、和各種週邊設備，因而降低了系統的可靠性，技術保密性也較差 • 嵌入式微處理器及其記憶體、匯流排、週邊設備等安裝在一塊電路板上，亦稱之為單板電腦 • 嵌入式處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等 • Intel XScale PXA255, PXA277, Samsung S3C4510B

  8. 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) • 又稱單晶片，就是將整個電腦系統匯集到一塊晶片中 • 是以某一種微處理器內核為核心，晶片內部整合ROM/EPROM、RAM、匯流排、匯流排邏輯、定時/計數器、WatchDog、I/O、串列埠、脈寬調變輸出、類比轉數位(A/D)、數位轉類比(D/A)、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和週邊設備 • 為適應不同的應用需求，一個單晶片系列具有許多種晶片家族，每一家族處理器內核心都是一樣的，不同的是記憶體和週邊設備的配置與封裝。 • 最大特點是單晶片化，體積大幅減小，因而使功率消耗和成本下降、可靠性提高。是目前嵌入式系統的主流。 • 微控制器晶片上週邊設備資源通常比較豐富，適合於控制用途，因此稱之為微控制器。市佔率約70％的嵌入式市場。

  9. 嵌入式微控制器(MCU) • 代表性的系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300、84等。 • 另外還有許多半通用系列如：支援USB介面的MCU 8XC930/931、C540、C541；支援I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和相容系列。目前MCU占嵌入式系統約70％的市場。

  10. 嵌入式 DSP 處理器 (Embedded Digital Signal Processor, EDSP) • 系統結構和指令進行了特殊的設計，使其適合於執行DSP演算法，提高編譯效率和指令執行速度。 • DSP應用正從以普通指令實現DSP功能的通用單晶片中，過渡到採用嵌入式DSP處理器。 • 兩個發展方向， • 經過單晶片化、電磁相容性 (EMC) 改造、增加晶片上週邊設備 • 增加DSP輔助運算器 • REAL DSP處理器，特點是具備雙哈佛架構 ( Harvard architecture) 和雙乘/累加單元

  11. 嵌入式DSP處理器(EDSP) • 代表性的產品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。 • TMS320系列處理器包括用於控制的C2000系列，移動通訊的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列，作信號處理之用 • DSP56000目前已經發展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。

  12. 嵌入式晶片上系統 (System On Chip) • 在一個矽晶片(FPGA)上實現一個更為複雜系統 • 各種通用處理器核心將成為 SoC 設計的標準庫，成為 VLSI 設計中一種標準的器件，可以用標準的 VHDL 等語言描述，並儲存在元件庫中 • 除個別無法集成的元件以外，整個嵌入式系統大部分均可集成到一塊或幾塊晶片中 • 應用系統電路板將變得很簡潔，對於減小體積和功率消耗、提高可靠性非常有利。 • SOC可以分為通用和專用兩類

  13. Embedded OS Introduction (I) Windows CE • Microsoft • Support CPU: x86, ARM, MIPS, …etc • Windows CE Platform Builder • Friendly GUI • Application: PDA, WebPAD, PVR, • 掌上型電玩, …etc

  14. Embedded OS Introduction(II) DOS • Microsoft • 16 bits, single user single task • Application: LED billboard, industry control

  15. Embedded OS Introduction (III) Linux • Support CPU: x86, ARM, MIPS, SH, i960, PowerPC, …etc • Open Source • Powerful Network Functions • Easy Software Porting • GNU Complier and Debugger

  16. 1.3 80C51 核心單晶片(I) • Philips, WINBOND, ATMEL, Cypress • 80C51核心不變: 指令不變, 接腳不變, 匯流排不變, 具有高度之相容性. • 增快執行速度: Intel 8051:2~16MHz Philips :33MHz, 40Mhz • 記憶体之擴充: 8051 – Mask ROM, 8751 – EPROM, 8951 – E2PROM, 8031 – ROMless,

  17. 80C51 核心單晶片(II) 擴展至 OPTROM(89c51), FlashROM(89s51) ROM: 4K~64K,RAM: 128~1024Bytes, • 週邊界面之擴充: ADC, PWM, WDT, USB • Custom Design, 客戶定製型晶片 ATMEL: Flash Memory ISP 技術 AT89S51 PHILIPS: P87C51,P89C51-AD,WDT,PWM WINBOND: W78E516B – 64KROM Cypress: EZ-USB – 以8051為核心USB界面晶片

  18. Note (I) • Harvard : 雙匯流排結構, 將位址匯流排與資料匯流排分開, 因此位址與資料可同時傳送, 達到並行處理之要求. • RISC (Reduced Instruction Set Computing)； 中文「精簡指令集電腦」, 此種指令集專為了硬體電路所設 計，它的CPU構造簡單，速度變快，而且省電。 (1) 指令集非常精簡( 程式設計不易) (2) 每條指令的機械碼都只佔一個記憶体(ROM)的位址空間 (3) 除了跳躍指令外，每條指令的執行時間只佔一個機械週期 • CISC( Complex Instruction Set Computing)； 中文「複雜指令集」是屬於傳統的處理器架構,速度慢,指令有 長有短，造成CPU之複雜、無法提升速度，效率較差。

  19. Note (II) • 4 BIT – NIBBLE (消耗性產品) • 8 BIT – BYTE(8048, 8051) • 16 BIT – WORD(DSP,8096, TI-TMS320**) • 32 BIT – DOUBLE WORD(DWORD, ARM) • 由匯流排之寬度來決定單晶片的位元數 • 位元數越高, 速度就越快, 且晶片就越耗電 • Machine Cycle(機械週期) • 12MHz: 1us (Phase->State Cycle->Machine Cycle) • Machine Code(機械碼) • ISP : In System Programming(線上燒錄89s51)

  20. Note (III) • ISP : In System Programming(線上燒錄89s51) • MASK ROM • PWM: Pulse Width Modulation (脈波寬度調變), DC MOTOR

  21. Note (IV) • UART : 非同步串列傳輸, 振盪器採用 11.05962MHz • Universal Asynchronous Receiver and Transmitter • SPI主/從串列週邊介面, 同步串列傳輸。 • Synchronous Peripheral Interface • 89S51 的ISP 線上燒錄功能是由同步串列傳輸加以實現 • ABH, 80H MOV A,#80H • A6H,42H MOV R2,#42H (助記符號) • 67H,98H ADD A,R2

  22. Note (V) (助記符號) - > 機械碼(Machine Code) Assemble (Compiler) (組譯) 機械碼(Machine Code) - > (助記符號) Disassemble(反組譯) 4 bits = nibble 8 bits = byte 16 bits = word 1024 bits = 1K 1024 K = 1M 1024 M = 1G 1024 G = 1 T

  23. Note (VI) • ADC: Analog to Digital Converter • DAC: Digital to Analog Converter • WDT: Watch Dog Timer (看門狗) 是一種電腦硬體式的計時裝置，當系統的主程式發生某些錯誤事件時，如當機時，未規律的清除看門狗計時器的內含計時值（wrd），這時看門狗計時器就會對系統發出重置、重新開機（Reset）或關閉（Shutdown）的信號，使系統從當機狀態回復到正常運作狀態。 wrd: 重置看門狗計時器

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