1.5 計算機控制系統的總線技術

1.5.1 微處理器與微控制器

計算機控制系統的實現涉及許多專業知識，包括計算機技術、自動控制理論、過程控制技術、自動化儀表、網絡通信技術等，計算機控制系統的發展與這些相關學科的發展息息相關，相輔相成。眾所周知，美國在1946年生產出了世界上第一臺電子計算機，20世紀50年代中期便有人開始研究將計算機用于工業控制。1959年，世界上第一套工業過程控制系統在美國得克薩斯州的一個煉油廠正式投運。該系統控制了26個流量、72個溫度、3個壓力、3種成分，控制的主要目的是使反應器的壓力最小，確定反應器進料量的最優分配，并根據催化作用控制熱水流量以及確定最優循環。

在工業過程計算機控制方面所進行的這些開創性的工作引起了人們的廣泛注意。工業界看到了計算機將成為提高自動化程度的強有力工具，制造計算機的廠商看到了一個潛在的市場，而控制界則看到了一個新興的研究領域。然而，早期的計算機采用電子管，不僅運算速度慢、價格昂貴，而且體積大、可靠性差，計算機平均無故障時間（Mean Time Between Failures，MTBF）只有50~100h。這些缺點限制了計算機控制系統在工業上的發展與應用。隨著半導體技術的飛速發展及大規模、超大規模集成電路的出現，計算機運算速度加快、可靠性提高。特別是近幾年高性能、低價格的微處理器、嵌入式微控制器及數字信號處理器制造商越來越多，可選擇的微處理器與微控制器數據運算寬度從8位到64位應有盡有，給設計者帶來了廣闊的選擇空間。但由于有眾多的選擇，設計者們有時候又不知選什么，選哪一個廠家的。

目前，可以選擇的微處理器與微控制器有單片機、DSP、ARM和PowerPC等，制造公司主要有Intel、Freescale、Renesas、NEC、ATMEL、NXP、TI、Microchip、TOSHIBA、Samsung、ST、ADI和STC等。其中ARM的性價比是非常高的，也是現在最常用的微控制器。

ARM是Acron公司面向低預算市場設計的第一款RISC微處理器。更早稱作Acron RISC Machine。ARM處理器本身是32位設計，但也配備16位指令集。1985年，Acron公司設計了第一代32位6MHz處理器，20世紀90年代，Acron公司正式改組為ARM公司，之后，ARM32位嵌入式RISC處理器擴展到世界范圍，占據了低功耗、低成本和高性能嵌入式系統應用領域的領先地位。

嵌入式設備中最常用的ARM系列產品主要有ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、ARM11系列、Xscale系列、Cortex系列。ARM公司既不生產芯片也不銷售芯片，它只出售芯片技術授權。

目前微處理器與微控制器的同步總線結構分為兩種：一種是源于Motorola公司的微處理器M6800，另一種是源于Intel公司的微處理器8085。這兩種同步總線結構的地址總線、數據總線是沒有區別的，但其控制總線與外圍芯片或存儲器芯片的接口是不同的。一些外圍芯片制造商為了使自己的產品既有Motorola總線結構接口，又有Intel總線結構接口，就在產品中定義了一個引腳，通常用MOTEL表示，為Motorola和Intel總線兼容之意，在某些產品中也用MODE表示。通常，MOTEL接地表示與Intel總線兼容；MOTEL接+5V，表示與Motorola總線兼容。兩種總線的對應關系為：

Motorola CPU信號　　　　Intel CPU信號

在我國，常用Intel總線結構。即使為Intel總線結構，不同公司生產的微處理器和微控制器其存儲空間配置也不盡相同，針對不同的領域、不同的需要，應選擇的微處理器和微控制器也各不相同。

微處理器和微控制器的三種存儲空間配置結構如下。

（1）馮·諾依曼（von Neumann）存儲空間配置結構

程序存儲器和數據存儲器統一編址，有專門的I/O指令，類似于X86系列微處理器的這種存儲空間配置結構稱為馮·諾依曼結構。

（2）哈佛（Harvard）存儲空間配置結構

程序存儲器和數據存儲器分別編址，沒有專門的I/O指令，I/O地址作為數據存儲器地址的映射，類似于MCS-51系列及其兼容單片微控制器的這種存儲空間配置結構稱為哈佛結構。

（3）普林斯頓（Princeton）存儲空間配置結構

程序存儲器和數據存儲器統一編址，沒有專門的I/O指令，I/O地址作為數據存儲器地址的映射，類似于MCS-96系列單片微控制器的這種存儲空間配置結構稱為普林斯頓結構。