AVR系列單片機 - 單片機的詳細分類（完整版）

　　3）AVR系列單片機

　　AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強型內(nèi)置Flash的RISC（Reduced Instruction Set CPU） 精簡指令集高速8位單片機。AVR的單片機可以廣泛應(yīng)用于計算機外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個領(lǐng)域。

　　①AVR單片機的優(yōu)勢及特點

　　a、AVR單片機易于入手、便于升級、費用低廉。 單片機初學者只需一條ISP下載線，把編輯、調(diào)試通過的軟件程序直接在線寫入AVR單片機，即可以開發(fā)AVR單片機系列中的各種封裝的器件。AVR單片機因此在業(yè)界號稱“一線打天下”。 AVR程序?qū)懭胧侵苯釉陔娐钒迳线M行程序修改、燒錄等操作，這樣便于產(chǎn)品升級。AVR單片機可使用ISP在線下載編程方式（即把PC機上編譯好的程序?qū)懙絾纹瑱C的程序存儲器中），不需購買仿真器、編程器、擦抹器和芯片適配器等，即可進行所有AVR單片機的開發(fā)應(yīng)用，這可節(jié)省很多開發(fā)費用。程序存儲器擦寫可達10000次以上，不會產(chǎn)生報廢品。

　　b、高速、低耗、保密。首先，AVR單片機是高速嵌入式單片機： AVR單片機具有預取指令功能，即在執(zhí)行一條指令時，預先把下一條指令取進來，使得指令可以在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行。多累加器型，數(shù)據(jù)處理速度快。AVR單片機具有32個通用工作寄存器，相當于有32條立交橋，可以快速通行。中斷響應(yīng)速度快。AVR單片機有多個固定中斷向量入口地址，可快速響應(yīng)中斷。AVR單片機耗能低。對于典型功耗情況，WDT關(guān)閉時為100nA，更適用于電池供電的應(yīng)用設(shè)備。有的器件最低1.8 V即可工作。AVR單片機保密性能好。它具有不可破解的位加密鎖Lock Bit技術(shù)，保密位單元深藏于芯片內(nèi)部，無法用電子顯微鏡看到。

　　c 、I/O口功能強，具有A/D轉(zhuǎn)換等電路。AVR單片機的I/O口是真正的I/O口，能正確反映I/O口輸入/輸出的真實情況。工業(yè)級產(chǎn)品，具有大電流（灌電流）10mA～40mA，可直接驅(qū)動可控硅SSR或繼電器，節(jié)省了外圍驅(qū)動器件。AVR單片機內(nèi)帶模擬比較器，I/O口可用作A/D轉(zhuǎn)換，可組成廉價的A/D轉(zhuǎn)換器。ATmega48/8/16等器件具有8路10位A/D。部分AVR單片機可組成零外設(shè)元件單片機系統(tǒng)，使該類單片機無外加元器件即可工作，簡單方便，成本又低。AVR單片機可重設(shè)啟動復位，以提高單片機工作的可靠性。有看門狗定時器實行安全保護，可防止程序走亂（飛），提高了產(chǎn)品的抗干擾能力。

　　d、有功能強大的定時器/計數(shù)器及通訊接口。定時/計數(shù)器T/C有8位和16位，可用作比較器。計數(shù)器外部中斷和PWM（也可用作D/A）用于控制輸出，某些型號的AVR單片機有3～4個PWM，是作電機無級調(diào)速的理想器件。AVR單片機有串行異步通訊UART接口，不占用定時器和SPI同步傳輸功能，因其具有高速特性，故可以工作在一般標準整數(shù)頻率下，而波特率可達576K。

　?、贏VR 8-Bit MCU的最大特點

　　與其它8-Bit MCU相比，AVR 8-Bit MCU最大的特點是：

　　哈佛結(jié)構(gòu)，具備1MIPS / MHz的高速運行處理能力；

　　超功能精簡指令集（RISC），具有32個通用工作寄存器，克服了如8051 MCU采用單一ACC進行處理造成的瓶頸現(xiàn)象；

　　快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng)，大大優(yōu)化了目標代碼的大小、執(zhí)行效率，部分型號FLASH非常大，特別適用于使用高級語言進行開發(fā)；

　　作輸出時與PIC的HI/LOW相同，可輸出40mA（單一輸出），作輸入時可設(shè)置為三態(tài)高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入，具備10mA-20mA灌電流的能力；

　　片內(nèi)集成多種頻率的RC振蕩器、上電自動復位、看門狗、啟動延時等功能，外圍電路更加簡單，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠；

　　大部分AVR片上資源豐富：帶E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等；

　　大部分AVR除了有ISP功能外，還有IAP功能，方便升級或銷毀應(yīng)用程序。

　?。?）16-BIT 單片機

　　16 位單片機是在1983 年以后發(fā)展起來的。這類單片機的特點是：CPU是16 位的，運算速度普遍高于8 位機，有的單片機的尋址能力高達1MB，片內(nèi)含有A/D 和D/A轉(zhuǎn)換電路，支持高級語言。這類單片機主要用于過程控制、智能儀表、家用電器以及作為計算機外部設(shè)備的控制器等。典型產(chǎn)品有Intel 公司的MCS-96/98 系列、Motorola 公司的M68HC16系列、NS 公司的783××系列、TI公司的MSP430系列等等。

　　其中，以MSP430系列最為突出。它采用了精簡指令集（ RISC ）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅(qū)動下指令周期為 125 ns 。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。

　　在運算速度方面， MSP430 系列單片機能在 8MHz 晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn) 125ns 的指令周期。 16 位的數(shù)據(jù)寬度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現(xiàn)乘加）相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法（如 FFT 等）。

　　MSP430 系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒只用 6us 。

　　超低功耗 MSP430 單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。

　　首先， MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是 1.8~3.6V 電壓。因而可使其在 1MHz 的時鐘條件下運行時， 芯片的電流會在 200~400uA 左右，時鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有 0.1uA 。

　　其次，獨特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計。在 MSP430 系列中有兩個不同的系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+ ）時鐘系統(tǒng)或 DCO 數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)。有的使用一個晶體振蕩器（ 32768Hz ） ， 有的使用兩個晶體振蕩器）。由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。

　　由于系統(tǒng)運行時打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式（ AM ）和五種低功耗模式（ LPM0~LPM4 ）。在等待方式下，耗電為 0.7uA ，在節(jié)電方式下，最低可達 0.1uA 。

　　系統(tǒng)工作穩(wěn)定 上電復位后，首先由 DCOCLK 啟動 CPU ，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時間。然后軟件可設(shè)置適當?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用做 CPU 時鐘 MCLK 時發(fā)生故障， DCO 會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復位。

　　豐富的片上外圍模塊 MSP430 系列單片機的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（ WDT ）、模擬比較器 A 、定時器 A （ Timer_A ）、定時器 B （ Timer_B ）、串口 0 、 1 （ USART0 、 1 ）、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、 10 位 /12 位 ADC 、 I 2 C 總線直接數(shù)據(jù)存?。?DMA ）、端口 O （ P0 ）、端口 1~6 （ P1~P6 ）、基本定時器（ Basic Timer ）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設(shè)計出 A/D 轉(zhuǎn)換器； 16 位定時器（ Timer_A 和 Timer_B ）具有捕獲 / 比較功能，大量的捕獲 / 比較寄存器，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現(xiàn)多機通信等應(yīng)用；具有較多的 I/O 端口，最多達 6*8 條 I/O 口線； P0 、 P1 、 P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入； 12/14 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達 200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動液晶多達 160 段；實現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換；硬件 I 2 C 串行總線接口實現(xiàn)存儲器串行擴展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用直接數(shù)據(jù)傳輸（ DMA ）模塊。 MSP430 系列單片機的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。

　　方便高效的開發(fā)環(huán)境 目前 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開發(fā)手段不同。對于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后在燒寫或掩膜芯片；對于 FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因為器件片內(nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有可電擦寫的 FLASH 存儲器，因此采用先下載程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計者調(diào)試使用的方法進行開發(fā)。這種方式只需要一臺 PC 機和一個 JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和 C 語言。

　　MSP430 單片機目前主要以 FLASH 型為主。

　?。?）32-BIT 單片機

　　32 位單片機的字長為32 位，是單片機的頂級產(chǎn)品，具有極高的運算速度。近年來，隨著家用電子系統(tǒng)的新發(fā)展，32 位單片機的市場前景看好。

　　繼16 位單片機出現(xiàn)后不久，幾大公司先后推出了代表當前最高性能和技術(shù)水平的32 位單片微機系列。32 位單片機具有極高的集成度，內(nèi)部采用新穎的RISC（精簡指令系統(tǒng)計算機）結(jié)構(gòu)，CPU 可與其他微控制器兼容，主頻頻率可達33MHz 以上，指令系統(tǒng)進一步優(yōu)化，運算速度可動態(tài)改變，設(shè)有高級語言編譯器，具有性能強大的中斷控制系統(tǒng)、定時/事件控制系統(tǒng)、同步/異步通信控制系統(tǒng)。代表產(chǎn)品有Intel 公司的MCS-80960 系列、Motorola 公司的M68300 系列、Hitachi 公司的Super H（簡稱SH）系列等等。

　　這類單片機主要應(yīng)用于汽車、航空航天、高級機器人、軍事裝備等方面。它代表著單片機發(fā)展中的高、新技術(shù)水平。

　　ARM在32位MCU中的主流地位是毫無疑問的。ARM公司于1991年成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)智能財產(chǎn)（IP）核心的處理器，即我們通常所說的ARM處理器，已遍及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，基于ARM技術(shù)的處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75％以上的市場，ARM技術(shù)不止逐步滲入到我們生活的各個方面，我們甚至可以說，ARM于人類的生活環(huán)境中，已經(jīng)是不可或缺的一環(huán)。

　　目前市面上常見的ARM處理器架構(gòu)，可分為ARM7、ARM9以及ARM11，新推出的Cortex系列尚在進行開發(fā)驗證，市面上還未有相關(guān)產(chǎn)品推出。ARM也是嵌入式處理器中首先推出多核心架構(gòu)的廠商。

　　ARM首個多核心架構(gòu)為ARM11 MPCore，架構(gòu)于原先的ARM11處理器核心之上。ARM11核心是發(fā)布于2002年10月份，為了進一步提升效能，其管線長度擴展到8階，處理單元則增加為預取、譯碼、發(fā)送、轉(zhuǎn)換?。疢AC1、執(zhí)行／MAC2、內(nèi)存存?。疢AC3和寫入等八個單元，體系上屬于ARM V6指令集架構(gòu)。ARM11采用當時最先進的0.13μm制造制程，運行頻率最高可達500到700MHz。如果采用90nm制程，ARM11核心的工作頻率能夠輕松達到1GHz以上—對于嵌入式處理器來說，這顯然是個相當驚人的程度，不過顯然1GHz在ARM11體系中不算是個均衡的設(shè)定，因此幾乎沒有廠商推出達到1GHz的ARM11架構(gòu)處理器。

　　ARM11的邏輯核心也經(jīng)過大量的改進，其中最重要的當屬“靜／動態(tài)組合轉(zhuǎn)換的預測功能”。ARM11的執(zhí)行單元包含一個64位、4種狀態(tài)的地址轉(zhuǎn)換緩沖，它主要用來儲存最近使用過的轉(zhuǎn)換地址。當采用動態(tài)轉(zhuǎn)換預測機制而無法在尋址緩沖內(nèi)找到正確的地址時，靜態(tài)轉(zhuǎn)換預測功能就會立刻接替它的位置。在實際測試中，單純采用動態(tài)預測的準確率為88％，單純采用靜態(tài)預測機制的準確率　只有77％，而ARM11的靜／動態(tài)預測組合機制可實現(xiàn)92％的高準確率。針對高時脈速度帶來功耗增加的問題，ARM11采用一項名為“IEM?。↖ntelligent Energy Manager）”的智能電源管理技術(shù)，該技術(shù)可根據(jù)任務(wù)負荷情況動態(tài)調(diào)節(jié)處理器的電壓，進而有效降低自身的功耗。這一系列改進讓ARM11的功耗效能比得以繼續(xù)提高，平均每MHz只需消耗0.6mW（有快取時為0.8mW）的電力，處理器的最高效能可達到660 Dhrystone MIPS，遠超過上一代產(chǎn)品。