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第1章 单片机基础
（本章介绍了单片机的特点，发展简史，发展趋势，分类以及应用，最近介绍了几种主流单片机）
第1节 什么是单片机及单片机的特点
单片机 特点
    单片机是指在一块芯片上集成了CPU，ROM，RAM，定时器/计时器和多种I/O接口电路等，具有一定规模的微型计算机。单片机与通用微型计算机相比，在硬件结构，指令设置上均有独到之处。
   单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。单片机应用在检测，控制，仪器仪表等各个领域中，其主要特点如下：
  1、小巧灵活，成本低，易于产品化，能够组装成各种智能式测控设备及智能仪器仪表。
  2、可靠性好，应用范围广。单片机芯片本身是按工业控制测控环境要求设计的，抗干扰性强，能够适应各种恶劣的环境，这是其它机种无法比拟的。
  3、功能齐全，扩展性强，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。单片机内部有掩模ROM，内部E2PROM 和外接ROM等形式，并可以很方便的扩展外部的ROM，RAM 及I/O接口，与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统的设计和生产带来了极大的方便。
  4、具有通信功能，可以很方便的实现多机和分布式控制，形成控制网络和远程控制。
  5、单片机的功能是通用的，单片机主要作控制器使用，但功能上是通用的，可以像一般微处理器那样广泛的应用在各个领域。
第2节 单片机的发展简史
单片机 发展简史
单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。
如果将8 位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段 ：
（1） 第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。MCS–48
的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola 、Zilog 等，都取得了满意的效果。这就是SCM 的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。
（2） 第二阶段（1978-1982）：单片机的完善阶段。Intel公司在MCS-48的基础上推出了完善的，典型的单片机系列MCS
–51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。
①完善的外部总线。MCS-51 设置了经典的8 位单片机的总线结构，包括8 位数据总线、16 位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。
②CPU 外围功能单元的集中管理模式。
③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。
④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。
（3） 第三阶段（1982-1990）：8位单片机的巩固发展及16 位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel
公司推出的MCS–96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS–51
系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51 为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D
转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。
（4） 第四阶段（1990-）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8 位/16 位/32
位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。
第3节 单片机的发展趋势
单片机 发展趋势
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS
化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。
（1）CMOS 技东芝单片机简介

东芝870C系列单片机具有资源多，可扩展性强的特点。下面简单的介绍了三个典型的MCU。

807
847
829
中断（外/内）
5+13
6+12
5+14
I/O口
22
35
15+24
定时器
16*1+8*2
16*1+8*2
18*1+8*4
TBT
Y
Y
Y
看门狗
Y
Y
Y
串行通信UART
Y
Y
Y
AD转换
8b*6
10b*8
10b*8
LCD驱动
N
N
32*4
Rom
8K
32K
32K
Ram
256
1K
1.5K
最低工作电压
2.7V
1.8V
1.8V
封装
28p
44p
64p
面对市场
IC卡表、马达驱动复费率表
LED显示复费率、多功能表
LCD显示复费率、多功能表
功能描述：
PWM：脉宽调制输出
PGO：占空比50%的方波输出（可用于38k调制）
TBT：产生固定频率的中断（1Hz-32Khz）。

硬件特点：
1． 外部中断多,抗干扰能力强：多路中断输入，提供防毛刺输入功能，边沿方向可选，保证电量计量，时段切换准确。
2． 有非法指令中断和非法地址中断，软件在受到干扰后能迅速处理。提高系统的健壮性。
3． LCD增益电压驱动，可拾电表在5v 和3.6v下同等亮度的点亮LCD。
4． TBT：产生固定频率的中断，可用于电表模拟实时时钟，保证时钟的准确性。
5． 定时器多，可使电表程序可进一步简化。
6． ROM, RAM多，电表升级空间大。
7． 多种方波输出: PPG(256K), DVO(4K), PDO(2M), PWM. 可方便的输出38k方波，可方便电表实现红外发送。
8． UART操作方便 ，不需要定时器生成波特率，简化电表程序。
9． 内置看门狗，保证电表安全运行。

软件特点：
1．42个助记符；
2．17种寻址方式：立即数，直接，寄存器，寄存器间接，相对，绝对，矢量，位寻址，间接位寻址。
3．特有寻址方式：寄存器索引间接寻址: LD A,(HL+C); 间接位寻址: Test (HL+C).A
4．支持16位操作。
5．870C系列支持C语言，与标准C兼容。

附B: 东芝光耦简介

TLP421
TLP521
TLP621
同端隔离
V-ceo
80
55
55

V-eco
7
7
7
异端隔离
Bvs
5000
2500
5000

(second)
10000
5000
10000
开关属性
Toff
50
25
25

传输率一般有三种参数：GB：100%~600%
BL: 200%~600%
GR: 100%~300%

电表参考板介绍

1． 介绍
本参考板为全电子单相多费率电表。符合江苏规约，本参考板使用东芝TMP86PM29AU，分峰、平、谷计量电量。本参考板有电量脉冲输出端口、秒脉冲输出端口、编程控制端口、串行通信端口。
2． 工作原理
本参考板由电压、电流互感器，电能计量专用芯片，高性能单片机，实时时钟，不宜挥发储存器，液晶显示屏，数据通信接口等器件构成。电压、电流经过分压器进入电量计量芯片，以脉冲形式输入单片机，经过运算和分析后存入数据存储器并在液晶显示器上显示，并可随时通过红外和485通信口与外界通信。其原理框图如下：

液晶显示器

485通信口
红外通信口
串行通信接口

模数转换器

微处理器

TMP86C829A

实时时钟

电源

数据存储器

3． 功能介绍
本参考板符合江苏规约。提供江苏规约所需功能。
3．1 计量功能
u 能计量正反向有功电能。
u 电量按峰、平、谷及总电量分别计量、存储。
u 能存储12个月的历史冻结电量。
u 可编程设置峰平谷三种费率，12个时段。
3．2 对时功能
u 当编程开关置于编程允许时，可向时钟写入任意时间。当编程开关置于编程禁止时，对于误差内的电表能校时。
3．3显示功能
u 有两种显示方式：正常模式下轮显，掉电模式下每分钟轮显。
u 显示内容可编程决定。
3．4串行通信
u 提供红外和485串行通信。波特率为1200BPS。485通信电路与内部电路电器隔离。
3．5输出
u LED输出，脉宽80毫秒，输出频率与电量脉冲相同。
u 电量脉冲输出，可用于电量计量精度调整。
u 时钟脉冲输出，可用于时钟精度调整。
u 485串行通信接口，可与外界通信。
3．6编程
u 通过红外通信口可对电能表进行编程。
u 编程内容和帧结构符合《多功能电能表通性规约》。
4． 连线
本参考板连线方法如图：

零线
进\出

相线
进

相线
出

术。 近年，由于CHMOS 技术的进步，大大地促进了单片机芯片采用CMOS技术进行设计和生产。CMOS 芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的TTL 电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS 工艺。CHMOS 和HMOS工艺的结合。目前生产的CHMOS 电路已达到LSTTL 的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已优于TTL 电路。因而，在单片机领域CMOS 正在逐渐取代TTL 电路。
（2）低功耗。单片机的功耗已下降许多，静态电流甚至降到1uA 以下；使用电压在3～6V 之间，完全能够适应于电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。
（3）低电压。几乎所有的单片机都有WAIT、STOP 等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在3～6V
范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达1～2V。目前0.8V 供电的单片机已经问世。
（4）低噪声与高可靠性。为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。

（5）大容量。以往单片机内的ROM为1KB～4KB，RAM
为64～128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内ROM
最大可达64KB，RAM 最大为2KB。
（6）高性能。主要是指进一步改变CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS（Million
Instruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加强了位处理、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10
倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，可以使用软件模拟其I/O 功能，由此引入了虚拟外设的新概念。
（7）小容量、低价格。与上述相反，以4
位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。
（8）外围电路内装。这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、DMA（直接存储器访问）控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。

（9）串行扩展技术。在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位OTPProgramble）及各种特殊类型片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是I2C、SPI 等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。
随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将更强。在单片机家族中，80C51 系列是其中的佼佼者，加之Intel 公司将其MCS–51 系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC 设计厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51 单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。这样，80C51 就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。80C51单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的MCU 品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。
第4节 单片机的分类
单片机 分类 通用型 专用型 总线型 非总线型 工控型 家电型
单片机作为计算机发展的一个重要领域，根据目前的发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。
（1） 通用型/专用型
这是按单片机适用范围来进行区分。通用型单片机不是为某种专门用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC
接口等功能的温度测量控制电路。
（2） 总线型/非总线型
这是按单片机是否提供并行总线来进行区分。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成于一单片内，因此在许多情况下可以不需要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。

（3）工控型/家电型
这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力
强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。显然，上述分类并不是惟一的和严格的，还可以按照多种方法进行划分。
第5节 单片机的应用
单片机 应用
由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：
（1） 单片机在智能仪表中的应用
单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。
（2） 单片机在机电一体化中的应用
机电一体化是机械工业发展的方向，机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。
（3） 单片机在实时控制中的应用
单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。

（4） 单片机在分布式多机系统中的应用
在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。

（5） 单片机在日常生活中的应用
自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。
综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。
第6节 主流单片机简介
MOTOROLA 单片机 NEC Atmel 富士通
目前已投放市场的主要单片机产品多达70
多个系列，500多个品种。这其中还不包括那些系统或整机厂商定制的专用单片机，及针对专门业务、专门市场的单片机品种。这里仅对部分常见的和常用的单片机系列进行介绍。

（1）8051 单片机
最早由Intel 公司推出的8051/31 类单片机也是世界上用量最大的几种单片机之一。由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC
类兼容的高档芯片的开发上，8051 类单片机主要由Philips、三星、华邦等公司接手生产。这些公司都在保持与8051 单片机兼容的基础上改善了8051
许多特点（如时序特性）。提高了速度、降低了时钟频率，放宽了电源电压的动态范围，降低了产品的价格。
（2）MOTOROLA 单片机
MOTOROLA 是世界上最大的单片机厂商，品种全、选择余地大、新产品多是其特点。在8 位机方面有68HC05 和升级产品68HC08。68HC05有30
多个系列，200 多个品种，产量已超过20 亿片。16 位机68HC16 也有十多个品种。32位单片机的683XX 系列也有几十个品种。MOTOROLA
单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较Intel 类单片机低得多，因而使得高频噪声低、抗干扰能力强，更适合用于工业控制领域及恶劣的环境。
（3）Microchip 单片机
Microchip单片机是市场份额增长最快的单片机。它的主要产品是16C系列8位单片机，CPU 采用RISC 结构，仅33 条指令，其高速度，低电压，低功耗，大电流LCD 驱动能力和低价位OTP 技术等都体现出单片机产业的发展新趋势。且以低价位著称，一般单片机价格都在一美元以下。由美国Microchip 公司推出的PIC 单片机系列产品，已有三种系列多种型号的产品问世，从电脑的外设，家电控制，电讯通信，智能仪器，汽车电子到金融电子的各个领域都得到广泛的应用。Microchip 单片机没有掩膜产品，全都是OTP 器件（近年已推出FLASH型单片机——编者注）。Microchip 强调节约成本的最优化设计、使用量大、档次低、价格敏感的产品。
（4）Atmel 单片机
ATMEL 公司的90 系列单片机是增强 RISC内载 Flash 的单片机，通常简称为 AVR 单片机，90 系列单片机是基于新的精简指令RISC 结构的。这种结构是在90 年代开发出来的综合了半导体集成技术和软件性能的新结构，这种结构使得在8 位微处理器市场上AVR 单片机具有最高 MIPS mw 能力
（5）NEC 单片机
NEC 单片机自成体系，以8 位单片机78K 系列产量最高，也有16 位、32位单片机。16位以上单片机采用内部倍频技术，以降低外时钟频率。有的单片机采用内置操作系统。NEC的销售策略著重于服务大客户，并投入相当大的技术力量帮助大客户开发产品。

（6）东芝单片机
东芝单片机从4 位单片机到64 位单片机，门类齐全。4位机在家电领域仍有较大的市场。8 位机主要有870 系列、90 系列等，该类单片机允许使用慢模式，采用32K 时钟时功耗低至10uA 数量级。CPU内部多组寄存器的使用，使得中断响应与处理更加快捷。东芝的32位单片机采用MIPS3000A RISC的CPU结构，面向VCD、数字相机、图像处理等市场。
（7）富士通单片机
富士通有8 位、16位和32 位单片机，其中8 位单片机主要有3V 产品和5V 产品，3V产品应用于消费类及便携设备，如空调、洗衣机、冰箱、电表、小家电等，5V产品应用于工业及汽车电子。8位单片机有8L 和8FX 两个系列，是市场上最常见的两个系列。16位主流单片机有MB90F387，MB90F462，MB90F548，MB90F428 等，这些单片机主要是采用64脚或100 脚QFP 封装，1路或多路CAN 总线，并可外扩总线，适用于电梯、汽车电子车身控制及工业控制等。32位单片机采用RISC 结构，主要产品有MB91101A,它采用100 脚QFP 封装，超低成本，可外扩总线，适用于POS 机、银行税控打印机等；MB91F362GA，208 脚QFP
封装，CAN 总线，可外扩总线，适用于电力及工业控制等；MB91F364GA，120 脚LQFP 封装，CAN 总线，I2C等丰富通讯接口，支持低成本的在线仿真技术（AccemiCMDE），广泛适用于要求高性能低成本的各种应用。富士通公司注重于服务大公司、大客户，帮助大客户开发产品。
橡皮泥咖啡
2009-01-13 23:49:26
第2章 单片机结构与原理
（介绍了单片机典型结构——CISI,RISC，8FX 单片机的内部结构和原理）
第1节 单片机典型结构
CISC RISC cache 流水线
现有的单片机按照其采用的指令结构主要分为两大类：复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）结构。CISC 的英文全称“Complex Instruction Set Computer”，中文即(复杂指令集计算机)；RISC 的英文全称为“Reduced Instruction Set Computing” ，中文即(精简指令集计算机)。 两种指令结构的单片机其应用不同之处，在于CISC 结构的单片机数据线和指令线分时复用，即所谓冯.诺伊曼结构。它的指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格亦高。采用RISC 结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓哈佛结构。这使得取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类CISC 单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。同时，这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。

2.1.1 CISC
长期以来，计算机性能的提高往往是通过增加硬件的复杂性来获得．随着集成电路技术．特别是VLSI（超大规模集成电路）技术的迅速发展，为了软件编程方便和提高程序的运行速度，硬件工程师采用的办法是不断增加可实现复杂功能的指令和多种灵活的编址方式．甚至某些指令可支持高级语言语句归类后的复杂操作．至使硬件越来越复杂，造价也相应提高．为实现复杂操作，微处理器除向程序员提供类似各种寄存器和机器指令功能外．还通过存于只读存贮器(ROM)中的微程序来实现其极强的功能，处理在分析每一条指令之后执行一系列初级指令运算来完成所需的功能，这种设计的型式被称为复杂指令集计算机(Complex
Instruction Set Computer-CISC) 结构．一般CISC 计算机所含的指令数目至少300 条以上，有的甚至超过500 条．

2.1.2 RISC
80 年代开始，人们发现机器执行的指令中85％左右的都是简单指令，复杂指令甚少，因此开始研制精简指令系统计算机(RISC)。由于程序执行时间=程序中指令数I＊每条指令执行所用周期数CPI＊周期时间T，因此RISC 技术主要从这三方面下手，对I、CPI、T 进行优化改良，其措施如下：
1．采用多级指令流水线结构
采用流水线技术可使每一时刻都有多条指令重叠执行，以减小CPI 的值，使CPU 不浪费空周期。实例：Pentium Ⅱ/Pro/Celeron 可同时发出执行五条指令，AMD-K6/K6-2 可同时发出六条指令。
2．选取机器中使用频率最高的简单指令及部分复杂指令
这样可减小时钟周期数量，提高CPU 速度，其实质是减小CPI 下的值实现。实例：选取运算指令、加载、存储指令和转移指令作主指令集。
3．采用加载(Load)、存储(Store) 结构
只允许Load 和Store 指令执行存储器操作，其余指令均对寄存器操作。实例：Amd-K6/K6-2 、PⅡ/Celeron/Pro 均支持对寄存器的直接操作和重新命名，并大大增加通用寄存器的数量。
4．延迟加载指令和转移指令
由于数据从存储器到寄存器存在二者速度差、转移指令要进行入口地址的计算，这使CPU 执行速度大大受限，因此，RISC 技术为保证流水线高速运行，在它们之间允许加一条不相关的可立即执行的指令，以提高速度。实例：主要体现于预测执行、非顺序执行和数据传输等方面，除Intel P54/55C 不支持，像K6-2 、PⅡ均支持。
5．采用高速缓存(cache)结构
为保证指令不间断地传送给CPU 运算器，CPU 设置了一定大小的Cache 以扩展存储器的带宽，满足CPU 频繁取指需求，一般有两个独立Cache ，分别存放“指令＋数据”。实例：PⅡ/Celeron:16K＋16K，AMD-K6/K6-2 为32K＋32K，Cyrix MⅡ:64K( 实质上为2 个32K Cache，此作共享Cache)，PⅡ还加了L2 Cache，更是大幅提高了CPU 速度。
两种结构的单片机各有自己的特点，目前市面上属于CISC 结构的单片机有Intel8051 系列、Motorola 和M68HC 系列、Atmel 的AT89 系列、台湾Winbond( 华邦)W78 系列、荷兰Pilips 的PCF80C51 系列等；属于RISC 结构的有Microchip 公司的PIC 系列、Zilog 的Z86 系列、Atmel 的AT90S 系列、韩国三星公司的KS57C 系列4 位单片机、台湾义隆的EM-78 列等。一般来说，控制关系较简单的小家电，可以采用RISC 型单片机；控制关系较复杂的场合，如通讯产品、工业控制系统应采用CISC 单片机。
第2节 8FX 单片机的内部结构和原理
8FX 单片机 整体结构 I2C CPU 核 UART-SIO LIN-UART 外围功能 静态模式
单片机的内部结构如图2-1 所示。

                               图2-1 MB95100 内部结构图
可以看出8FX 系列单片机采用了RISC 结构。地址和数据使用两个流水线操作，MCU 可以在一个时钟周期内同时获取指令和访问数据。 8FX 系列单片机包括了CPU 核，定时与控制逻辑部件，片内数据存储器（RAM），片内程序存储器（ROM），各种功能的寄存器，并行I/O 端口，定时器/计时器，各种总线接口，中断系统及复位系统等。所用部件可以总分为内核，硬件外设和特殊功能3 部分。其中，内核是芯片的基本部分，如CPU，CPU 寄存器等；硬件外设为硬件资源配置部分，如定时/计时器等。特殊功能可以使系统提高可靠性，降低功耗，如低电压扫描等。
2.2.1 单片机整体结构
8FX 系列单片机提供了多种规格不同引脚数量的系列芯片，并使用了FPT 形式的封装。在各种系列芯片中所有的引脚功能分配，复用对应都是相同的，只是针对具体型号芯片有所删减。这里以64Pin 的FPT 方形扁平式封装单片机为例，他的对外引脚有64 条，引脚分布如图2-2 所示。

                                  图2-2 MB95100 系列引脚分布图
电源引脚
电源引脚包括了总电源引脚，A/D 转换电源引脚，A/D 转换参考电平引脚。
总电源引脚（Vcc）：按说明接入3.3 或5V 电源。
A/D 转换电源引脚（AVcc）：按说明接入3.3 或5V 电源。
A/D 转换参考电平（AVR）：根据需要，设定A/D 的最大转换电平。
时钟引脚
通用寄存器的时钟引脚的外部连接方式有两种：一种是外接4MHz 晶体振荡器，产生内部时钟信号，称之为内部时钟方式；另一种是直接连接外部时钟信号，为单片机提供时钟信号，称之为外部时钟方式。两种时钟方式可以根据实际情况应用自由选择。由于8FX 系列内部有主时钟和子时钟两种模式，使用晶体振荡器的时钟连接电路如图2-3 所示

                          （a）双时钟模式                （b）单时钟模式 
                                    图2-3 内部时钟连接电路图
使用外部时钟的连接电路如图2-4 所示

                          （a）双时钟模式           （b）单时钟模式 
                                图2-4 外部时钟连接电路图
输入/输出引脚
P0，P1，P2 到P8 口的所有引脚构成了单片机的输入/输出（I/O）端口，其中P0 到P7 引脚为硬件资源专用端口，同时也可以作为通用（I/O）端口；P8 只为通用（I/O）端口。所有端口均由端口数据寄存器（PDR）和端口方向寄存器（DDR ）控制，根据端口的使用不同还由上拉使能寄存器（PUL），输入级别选择寄存器（ILSR）以及高位/低位输入失效寄存器（AIDRH/AIDRL）进行特殊控制。 P0 端口：8 个引脚，为外部中断输入端口。 P1 端口：共5 个引脚，主要为UART 总线的数据输入输出以及时钟端口，此外也包括了16 位PPG 定时器0 的运行触发位和输出端口。 P3/P4 端口：共12 个引脚，为A/D 转换的模拟电平输入端口。 P5 端口：共4 个引脚，主要是I2C 的数据和时钟线以及16 位PPG 定时器1 的运行触发位和输出端口。 P6 端口：共8 个引脚，包括了LIN-UART 通信的输入，输出，时钟口；8/16 位PPG 的10 通道和11 通道输出口以及复合定时器/计时器的10 与11 计时器输出口。 P2/P7 端口为各种定时器/计时器的输入输出端口。 需要注意的是有些硬件资源的专用寄存器，在设置了输出使能后，会将该端口的方向寄存器（DDR ）强制设置为输出；有些专用寄存器的输出使能位在设置后却不会对其方向寄存器（DDR
）进行强制控制。故这里建议读者在专用寄存器设置了输出使能后，应同时对端口的方向寄存器也进行输出设置以免在用示波器进行观测中出现错误。
控制引脚
8FX 的控制引脚十分简洁，只有RST 和MOD。
RST：复位引脚，当对该引脚进行低电平输入时会触发复位。
MOD：单片机工作模式控制引脚。可以控制单片机是在进行程序烧写模式还是正常运行模式。
综上所述，可以归纳8FX 系列单片机的引脚特点如下：
1）单片机功能多，引脚多，但引脚复用现象并不少。使用时需要视情况设定各引脚的具体功能。
2）单片机引脚的（I/O）端口类型主要为3 种：普通类型，上拉电阻类型，开漏类型。端口电路类型多可广泛用于各种功能的硬件资源。

2.2.2 CPU 核
FFMC-8FX CPU 作为高性能8 位CPU 主要是用在机械，OA，机车系统。该CPU 主要工作在低电压低功耗环境下，同时由于支持16 位数据的运行与传输，也可以用在要求16 位控制数据的器件上面。

CPU 核优化的控制器指令系统
（1）乘法和除法指令
（2）16bit 操作
（3）位检测跳转指令
（4）位操作指令等
CPU 特点：
最短指令执行时间：400ns（在10MHz 的晶振下）
内存：64Kbyte 可操作的数据类型：bit，byte，word 。
寻址模式：9 种
16 位数据运行：累加器和临时累加器运行。
8FX 系列CPU 寄存器分为内部专用寄存器和内部RAM 通用寄存器。专用寄存器专为CPU 内部的硬件所用，而且它们的使用受CPU 的结构限制。通用寄存器和RAM 共用CPU 寻址空间。同专用寄存器一样，通用寄存器不用寻址访问。同时和普通内存一样，用户也可以指定使用寄存器。
专用寄存器包括程序运算（PC）寄存器，两个算术寄存器（A 和T），三个地址指针（IX， EP 和SP）以及程序状态（PS）寄存器。每个寄存器为16 位长。由于专用寄存器中的大多数寄存器和一般MCU 中的类似，就不再叙述。
这里主要谈一下PC 寄存器，8FX 的PC 寄存器包括了寄存器区指针（RP），直接寄存器指针（DP）以及条件码寄存器（CCR）。寄存器区指针（RP）如图2-6 所示。

                           图2-6 RP 寄存器区指针分布图
此指针指向RAM 区域里作为通用寄存器的内存模块的首地址。通用寄存器区有32 个区。RP 用0~31
来指向各区。寄存器区指针(RP)使用来指向当前使用的通用寄存器区首地址的寄存器。使用通用寄存器寻址时，RP 用来换算实际地址。
直接寄存器指针（DP）主要是用来划分连接的区域。具体的划分方法如表2-1 
               表2-1 直接连接指针和连接区域

PC 寄存器的最低位是条件码寄存器（CCR）。该寄存器包括了半接受标志位，中断使能标志位，中断级别标志位，取否标志位，取0 标志位，溢出标志位，全接受标志位。
通用寄存器作为8 位寄存器是位于RAM 中的内存块。它总共分成了32 个区。每个寄存器可以用作通用8
位寄存器（R0~R7）。通过寄存器指针（RP）可以直接指向这些寄存器使用的区，并进行操作。其中寄存器指针（RP）的低3 位用来区分这8
位寄存器（R0~R7）。寄存器的大致地址排布入图2-7：

                                       图2-7 寄存器区分布图
通用寄存器的优点在于可以通过一条段指令高速访问RAM。此外，由于通用寄存器被分为寄存器区，故寄存器内容保护和功能单元的划分变得很容易实现。
2.2.3 基本功能模块
1．复位
复位主要包括了外部复位，软件复位，看门狗复位和电源开启复位/低电压扫描复位。外部复位：当外部复位针脚RST 接收到低电平时，便会触发外部复位。当发生外部复
位时，所有的I/O 端口或者功能端口也将被同步复位。此外，由于外部复位对触发脉冲宽度值有标准，故在设计外围电路时一定要使脉冲宽度达到要求。
软件复位：对稳定控制寄存器中的复位标志位（STBC:SRST ）写入高电平即可处罚软件复位。
看门狗复位：当看门狗计时器开始计数，如果在一定时间之内看门狗计数器的值没有被清除便会导致看门狗复位。
电源开启复位/低电压扫描复位：在电源刚开始通电时会产生复位，同时一些5V 的器件本身具有低电压扫描功能。当提供的电压低于一特定标准时也会产生复位。
复位输出：5V 单片机的复位管脚在一般的复位状态下将会输出低电平信号。但如果复位信号由外部复位触发，则不会进行输出。同时不具备复位输出功能的3/5V
芯片的复位针脚在复位状态下也不会有输出功能。
2．时钟
主时钟：4096/Fch，当Fch 为10MHz 时，PLL 振荡稳定时间为409.6us 子时钟：512/Fcl,当Fcl 为32.768kHz 时,PLL
振荡稳定时间为15ms 时钟控制器可以控制时钟晶振是否使能，对内部电路提供的时钟是否使能还可以选择
时钟模式以及控制PLL 和分频电路。
2 种时钟源，即主时钟振荡器和PLL 振荡器。
其中主时钟和PLL 时钟又可以