第1章简述单片机的性能控制器在微波中的应用.docx
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第1章简述单片机的性能控制器在微波中的应用
第一章简述单片机的性能
1.单片机的历史：
第一代
七十年代后期，4位逻辑控制器件发展到8位。
使用NMOS工艺（速度低，功耗大、集成度低）。
代表产品：
MC6800、Intel8048。
第二代
八十年代初，采用CMOS工艺，并逐渐被高速低功耗的HMOS工艺代替。
代表产品：
MC146805、Intel8051。
第三代
近十年来，MCU的发展出现了许多新特点：
（1）在技术上，由可扩展总线型向纯单片型发展，即只能工作在单片方式。
（2）MCU的扩展方式从并行总线型发展出各种串行总线。
（3）将多个CPU集成到一个MCU中。
（4）在降低功耗，提高可靠性方面，MCU工作电压已降至3.3V。
第四代
FLASH的使用使MCU技术进入了第四代。
2.单片机的发展趋势：
1
传感器接口
2
各种工业对象的电气接口
3
驱动的功率接口
4
人机对抗接口
5
通讯网络接口
这些接口性能的发展体现在：
（1）高速I/O能力
（2）中断处理能力（3）A/D、D/A的速度和精度（4）位操作能力（5）功率驱动能力（6）程序运行监控能力（7）信号实时处理能力等。
总之将向高性能、高可靠性、低电压、低功耗、低噪音、低成本的方向发展。
3.单片机的应用领域:
1.单片机在智能仪器仪表中的应用；
2.单片机在工业测控中的应用；
3.单片机在计算机网络和通讯技术中的应用；
4.单片机在日常生活及家电中的应用；
5.单片机在办公自动化方面。
4.MCU与DSP的比较:
MCU
DSP
单片机就是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM（EPROM或EEPROM）、时钟、定时/计数器、多种功能的串行和并行I/O口。
如Intel公司的8031系列等。
除了以上基本功能外，有的还集成有A/D、D/A，如Intel公司的8098系列。
DSP具有更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器。
提供高速、同步串口和标准异步串口。
有的片内集成了A/D和采样/保持电路，可提供PWM输出。
DSP器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。
内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使DSP器件具有高速的数据运算能力。
特点：
1.具有位处理能力，强调控制和事务处理功能。
2.价格低廉。
如低档单片机价格只有人民币几元钱。
3.开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多。
4.后备人才充足。
国内大多数高校都开设了单片机课程和单片机实验。
特点：
1.DSP器件具有高速的数据运算能力。
2.DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提高了FFT快速傅里叶变换和滤波器的运算速度
3.DSP器件提供JTAG接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。
软件配有汇编/链接C编译器、C源码调试器。
MCU与DSP的简单比较
MCU
DSP
低档
高档
低档
高档
指令周期（ns）
600
40
50
5
乘加时间（ns）
1900
80
50
5
US$/MIPS
1.5
0.5
0.15
0.1
应用角度
事务密集型，不可取代DSP
运算密集型，可取代MCU
5.AVR单片机介绍：
AVR单片机是ATMEL在90年代推出的精简指令集RISC的单片机,跟PIC类似.使用哈佛结构.可以这样类比,AT89C52相当于复杂指令集CISC的intel的奔腾CPU,AT90S8515相当于AMD的精简指令集RISC的K7CPU。
以上是指令集的类比.AVR是专门为使用高级语言设计的,在使用高级语言时,会比89C52有较佳的表现。
1）AVR系列MCU的特点
1..绝大部分AVR单片机支持程序的在系统编程ISPMEGA系列还支持在应用编程IAP同时AVR单片机采用了可多次擦写的FLASH存贮器给用户的开发生产和维护带来方便
2AVR是一种高速单片机其机器周期等于时钟周期绝大部分指令为单周期指令以16MHZ工作的AVR单片机其速度可以达到16MIPS
3AVR单片机有丰富的外设如E2PROMRTCWATCHDOGAD转换器PWM片内振荡器等可以真正地做到单片
4AVR系列单片机的端口有较强的负载能力可以直接驱动LED新版MEGA系列的IO驱动能力更达到了40mA之巨
5多种封装形式满足不同用户的需求
6完全免费的开发环境包括汇编器支持汇编和高级语言源代码级调试的模拟和仿真环境更有GNU组织提供免费的AVRGCCC编译器支持
2）AVR系列分类
低档的TINY系列主要有8PIN的Tiny11/12/1520PIN的Tiny26和28PIN的Tiny28几种，其中Tiny15和Tiny26有10位的AD转换器Tiny26和128字节的RAM。
中档的AT90系列主要有20PIN的AT90S1200/2313和28PIN的AT90S4433AT90S8515/8535等，其中8515和MCS51引脚兼容可以外扩SRAM，1200/2313和AT89C2051的管脚兼容，而4433和8535有内部的10位AD转换器但不可以外扩SRAM。
高档的ATMEGA系列主要有28PIN的ATMEGA8和40PIN的ATMEGA161/163/323，64PIN的ATMEGA103/128。
ATMEGA8和AT90S4433的管脚兼容，程序ROM空间为8K，片内带AD。
ATMEGA161的管脚和8515兼容，程序ROM空间为16KB。
ATMEGA163/323和8535的管脚兼容，程序ROM分别为16K和32K，片内有AD。
MEGA103/128是功能最强的。
AVR单片机可以外扩SRAM，片内带AD。
ATMEGA323和ATMEGA128还支持JTAG仿真。
ATMEGA8是AT90S4433的升级版，MEGA128是103的升级版，均采0.35的工艺，具有更好的性能价格比。
推出的新品MEGA系列主要有ATMEGA8515、ATMEGA8535、ATMEGA16和ATMEGA32几种。
和ATMEGA8和128一样它们分别是8515、8535、163、323的升级版本采用了0.35工艺功能更强而价格更低
3）AVR的架构
1．AVR是一种RISC结构，单片机程序ROM空间和数据RAM空间分离，取程序代码和操作数采用分离的数据总线和地址总线，同时指令译码采用流水作业，因而绝大部分指令是单周期指令，可以达到1MIPS/MHZ的性能。
2．AVR取指令的数据总线是16位宽度，而取操作数的数据总线是8位宽度，AVR的每一条指令都是16个BIT，但不影响ROM存贮器中常量表的使用，即常量表仍然可以单个字节地访问。
3．AVR的32个通用寄存器R0~R31，没有MCS51的单累加器的瓶颈限制，另外32个累加器中的最后6个寄存器可以组成三个16位的数据指针XY和Z。
这两个特点给使用C语言编程带来了很大的方便，也使AVR单片机具有较高的C语言密度。
4．存贮器组织：
单独的片内程序ROM空间，AVR架构最多可支持到8M字节的空间。
目前生产的最多支持到128K字节数据存贮器空间，片内片外统一编址一般从0x60地址开始分配。
MEGA128可以从0x100开始直到0xffff地址。
通用工作寄存器R0~R31同时映射为数据存贮器空间的0~0x1f段。
输入/输出寄存器空间IO空间有单独的IO地址0~0x3f，同时映射为数据存贮器空间的0x20~0x5f段，两种不同的方式地址相差0x20。
5．对8515/161/128等可以外扩RAM的MCU，外部数据RAM的扩充方法和MCS51的扩充方式一样，但有更好的EMI特性，即在不访问外部RAM时没有ALE信号产生，通用工作寄存器和IO地址的映射方式，增加了使用的灵活性，即通用工作寄存器和IO空间除了可以使用自己的访问指令外也可以当作RAM来访问。
和MCS51不同AVR系列访问片内片外RAM的指令是相同，当需要访问片外RAM时需要设置MCUCR寄存器的SRE位，否则不能访问外部RAM堆栈。
Tiny11/12/15/28/1200这几种内部不带RAM的MCU为硬件三层堆栈，对有RAM的AVR单片机由一个16位长度的堆栈指针寄存器SP来完成堆栈处理，AVR的堆栈指针在复位后为0，一定要进行初始化，否则子程序调用会出借。
AVR的堆栈是向下生长的即进栈时SP减小，而出栈时SP增大，和MCS51相反AVR的堆栈可以放在片内RAM，也可以放在片外RAM中。
但建议一般情况放在片内这样可以加快程序执行的速度
6.中断：
AVR的中断系统丰富多样，每个中断源都有自己单独的中断向量入口，分一个中断优先级，中断向量地址较低的中断拥有较高的优先级，AVR可以使用软件的方法来实现多个中断优先级的处理。
AVR的每个中断源都有单独的屏蔽位和标志位，在MCUCR寄存器中还有一个中断全局屏蔽位SE，AVR在响应中断时禁止全局中断在中断返回时开启全局中断，通过在中断程序的入口处用SEI指令开启中断，可以使AVR响应其它优先级高的中断，以实现软件中断优先级处理中断源。
种类齐全有引脚的外部中断键盘、中断定时器的溢出、捕捉和比较匹配，中断UART的RXC、UDRE和TXC中断、AD转换器的完成中断、SPI中断、I2C中断、E2PROM就绪中断等。
7.端口：
AVR的端口为真正的三态双向口,每个端口有三个地址PORTXDDRX和PINX，其中X根据不同的MCU可以分别为A~F，DDRX为端口方向寄存器控制端口的方向，当DDRX的某一位置1时，相应的端口线为输出输出内容由对应PORTX中的相应位决定。
当DDRX的某一位置0时，相应的端口线为输入，此时如果对应PORTX中的相应位为1，则是有上拉的输入状态，否则为高阻态输入。
PORTX为端口寄存器，其内容决定了端口输出的内容或输入时上拉是否打开。
PINX为读引脚地址，当读取端口引脚电平时，应该读取PINX，而不是读取PORTX部分端口。
还具有第二或第三功能如UARTSPI等
4）AVR的外设介绍
1.内部有E2PROM：
绝大部分的AVR系列单片机内部集成了E2PROM存贮器，方便用户保存一些重要参数，AVR单片机内部的E2PROM采用了单独的总线结构，有较快的访问速度和较短的工作代码。
在程序访问E2PROM时通过三个寄存器EECR、EEDR和EEAR进行，EECR控制E2PROM的读写，EEAR决定访问E2PROM的地址，EEDR存放访问E2PROM的数据。
2.内部有UART或USART，AVR的UART或USART是一个全双工的部件，有单独的波特率发生器，可以用较低的晶振频率产生较高的波特率，支持9位工作方式和多机通信部分。
AVR单片机只具有UART，只可以异步方式工作，不可以工作在同步方式，而新款AVR单片机的USART不仅可以异步工作，还可以全双工地以同步方式工作，在同步方式工作时可以有很高的通信速率。
部分没有UART的低档AVR单片机，由于AVR的高速度可以用软件来模拟UART的运行。
3．SPI口：
AVR的SPI口在程序下载时可以用于控制，对AVR芯片的编程在程序运行时是一个双工的，SPI端口既可以SPI主方式运行，也可以SPI从方式运行，支持中断方式工作，比软件模拟SPI有更快的速度，更小的代码和更好的实时性。
4．以字节为单位进行处理的二线总线I2C：
通信口部分AVR单片机有二线总线I2C接口，可以作为主器件或从器件运行AVR的I2C处理，以字节为单位进行处理，也支持中断方式工作，使用比较方便和灵活，比软件模拟I2C可以有更小的代码。
5．带比较捕捉和PWM功能的定时/计数器：
AVR具有功能很强的定时/计数器，除了基本的定时计数功能外，还可用于捕捉比较匹配或PWM89或10位方式。
6．AD转换器部分：
AVR单片机有多通道的10位逐次比较式，AD转换器支持内部或外部基准，部分型号只支持模拟电压信号的单端方式输入，还有一部分型号除支持单端输入外，还支持模拟电压的差分输入和内部程控放大。
7．WATCHDO：
GAVR单片机均支持片内WATCHDOG，在满足用户需求的同时，可以降低用户的成本。
部分型号的WDT可以通过编程熔丝位使能。
8．RTC实时时钟部分：
AVR单片机支持实时时钟RTC，此时可以外接一个32.768KHZ的晶振以产生时间基准信号，注意AVR的RTC在使用时将占用一个8位的定时器。
9．模拟量比较器：
可以产生中断，可以触发定时器的捕捉功能，在检测电压和一些低成本的AD方案中获得良好应用。
10．内部上电和BOD复位电路：
AVR单片机均具有上电复位电路，部份型号还具有可编程的低电压复位BOD功能。
11．丰富的振荡器工作方式：
AVR支持多种时钟方式，有外部晶振、
外部RC振荡、外部时钟和内部RC振荡四种，AVR单片机的片内RC
振荡器的工作频度可以校正到1%的精度。
5）开发工具
1．C语言工具:
如IAR的IAREmbeddedWorkbenchforAtmel、AVRImageCraft的ICCAVR、ICCTINY等。
广州双龙是ImageCraft在国内的总代理。
2.仿真工具:
ICE200、ATJTAGICE、FlashMicrosystemsLTD的ISD在系统调试软件。
3.免费软件:
ATMEL提供免费软件AVRSTUDIO,支持汇编语言的编译汇编和高级语言的源代码.
4.级模拟和调试:
IAR也提供免费的汇编器和模拟调试环境,GNU提供免费的C语言编译器AVRGCC
现介绍两款我们用到AVR单片机中的ATEMG8和ATEMG128的特点：
ATEMG8的特点：
1、单芯片集成，低成本高性能。
·8或6通道10－BitAD转化器，带内部基准和高速AD转换模式控制。
·三通道的PWM，满足16位精度以下的要求。
FAST模式，可以在晶振频率不变的情况下把PWM的频率提高一倍。
·8K字节Flash存贮器，编程次数达10000次，支持ISP,IAP编程。
·可校准的高精度片内RC振荡时钟，具备实时时钟（RTC）功能。
·2个8位和1个16位的定时器，带预分频,具有比较、匹配、捕捉、RTC等功能。
·硬件USART,SPI和I2C接口
·内置模拟量比较器，上电复位电路，看门狗，可编程低电压检测（BOD）复位电路。
2、低功耗、高速度，低辐射，EMC。
·每MHz一个MIPS，低晶振频率，低功耗，高抗干扰性能。
·五种睡眠模式，灵活选择。
·特设振荡幅度控制，降低辐射
3、C语言高代码效率。
·三个数据指针，多累加器和多数据总线结构，18个中断源。
·1K片内SRAM，硬件乘法器，能够生成快速高效C语言代码。
封
ATEMG128的特点：
1.先进的RISC精简指令集结构
-高性能低功耗的AVR8位微控制器/133条功能强大的指令大部分在单时钟周期内执行，工作在16MHz下，具有16MIPS的性能,32x8个通用工作寄存器+外设控制寄存器;
-片内带有执行时间为两个时钟周期的硬件乘法器;
-128K字节在线可重复编程Flash/可通过片内的引导程序实现在线系统编程,写操作时真正可读。
2.内部配置
JTAG（符合IEEEstd.1149.1标准）接口,通过JTAG接口对Flash、EEPROM、熔丝位和加密位编程以及ISP下载接口；
实时计数器（RTC）、4个具有比较模式和PWM的定时器/计数器（两个带预分频器和一种比较模式的8位定时/计数器、两个扩充的带预分频器和比较模式捕获模式的16位定时/计数器）；
两个USART、一个两线（I2C）串行接口、一个8通道10位具有可选增益差分输入的A/D转换器、一个SPI口、片内模拟比较器、一个带内部振荡器的可编程看门狗定时器；
3.特别的MCU特点
上电复位和可编程的低电压检测，内部可校准的RC振荡器，外部和内部中断源，可软件选择时钟频率，全局上拉禁止；
6种可通过软件选择的省电模式。
4.I/O和封装
53个可编程的I/O脚，具有内部上拉，是真正的I/O口，64脚TQFP封装。
5.工作电压/速度等级
2.7-5.5VATmega128L/4.5-5.5VATmega128
0-8MHzATmega128L/0-16MHzATmega128
6.向后兼容ATmega103，可工作于ATmega103兼容模式。
为确保向后兼容ATmega103，ATmega103上所有I/O的位置与ATmega128上的相同，很多附加的I/O地址被加到一个从$60到$FF的扩展外部I/O空间中（例如在ATmega103的内部RAM空间中），详情请参阅"用ATmega128替换ATmega103"手册。
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