漫談可編程芯片

ID:71259 · 發表于 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）創立了Intel公司，1971年推出了世界上第一枚處理器。而同樣曾經是仙童公司的銷售部主任的桑德斯（非“八叛徒”）1969年創立了AMD公司。如今這兩家公司都以生產通用型處理器而聞名世界，當然AMD在06年并購ATI之后，他也生產顯卡。早期AMD曾經使用過Intel的核，之后研發出與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，也就是一次可以執行8位，之后51發展就脫離通用型CPU的發展路線，后來在里面集成了IO，ROM,，RAM，定時計數器，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，執行的時候就按照你編寫的程序一條條往下執行，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到幾K。定時計數器其實每個電腦（準確的說是電腦CPU）都有，不過調用時需要API函數，因為操作系統把所有和硬件有關系的操作都用API函數封裝了，其實無非就是計數的功能，1/主頻秒計數值加一，就是這樣，想要定時多久就計算出該計數幾次就可以了。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，筆記已經沒有了，可以實現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議的硬件實現，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，每種都有子產品，資源稍有不同。這款芯片體現了A先生和V先生的智慧，可以說AVR系列是一款經典的單片機，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，據業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，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。很多人都已經轉戰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和質量都很高，關于開發工具的話，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，完全免費)這三款代碼效率差不多，這些和Atmel公司開發的AVR Studio內聯就可以仿真，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直譯叫做現場可編程門陣列，它們準確的來說是硬件數字電路，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別在于它的并行性，因為數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行，當然利用狀態機可以，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字電路的高速RAM，所以稱為現場可編程門陣列，它的程序只有在現場可用，一旦斷電就什么都沒有了，所以一般做產品的話就會在上面掛一個E2PROM。現在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數字信號處理芯片，也可以是Digital Signal Process數字信號處理技術）。現在由于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公司的產品，DE2開發板，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) ：數字信號處理芯片/數字信號處理技術

　 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，而我們專業使用的TMS320LF240X。從第一枚商用DSP芯片由TI生產到今天這幾十年，DSP的發展可謂飛速，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，特別是對于數字信號如音頻、圖像的處理，當然還有在我們電氣專業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別，只是更加適用于數字信號處理，所以它對處理數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調節算法的實現，使用單片機完全是杯具。開發DSP的工具有CCS，其開發過程和單片機一樣，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用于嵌入式系統可以跑操作系統，那是有別于通用CPU的操作系統，嵌入于專用型的場合，使用Unix、Linux等操作系統，比如手機的操作系統塞班（Symbian），Google的安卓（Android），還有微軟的Windows Mobile。