2.4 其他嵌入式單片機簡介

除了MCS-51系列的8位單片機外，還有其他公司生產的各類單片機也各有特點，這里做一下簡單的介紹，在設計智能儀器時可以根據需要進行選擇。

2.4.1 MC9S12系列單片機

MC9S12系列單片機是Motorola公司的高速16位單片機系列，簡稱S12系列。一般來說，16位單片機的CPU寄存器組中的寄存器都是16位的，數據總線（無論片內數據總線還是擴展片外存儲器用的外部數據總線）都應該是16位的，CPU每次對存儲器的讀/寫操作都是16位寬度的，即2B或1W。16位寬度的二進制數可以代表的無符號整數范圍是0～65535，有符號的整數范圍是-32768～32767。二進制16位數還可以表示分數，精度為1/65536，或±1/32768。這些范圍內數值的加、減、乘、除等運算都可以用單條指令實現。

16位單片機片內一般沒有浮點協處理器，進行浮點數運算要用軟件實現，運算量大，比較耗時，故用16位單片機做控制用時要盡量避免使用浮點運算。目前單片機的片內RAM已可做到幾十KB，片內閃存（Flash）也可以做到幾百KB，使用16位單片機很容易實現應用系統單片化。

S12系列單片機的中央處理器CPU12由以下三個部分組成：算術邏輯單元ALU、控制單元和寄存器組。CPU的內部運算速度可達25MHz，尋址方式多達16種，內部寄存器組中的寄存器、堆棧指針和變址寄存器均為16位。它具有很強的高級語言支持功能。

其典型的總線速度為25MHz，主要的S12系列單片機有A、B、C、D、E、F、G、H、L等系列，其中A、B系列為基本型；D系列帶CAN總線，特別適合用在汽車上，具有豐富的I/O模塊和工業控制專用的通信模塊；H、L系列帶液晶驅動，其中MC9S12L系列的存儲空間可擴展到10MB，適用于制作手掌機、商務通之類的產品；E系列為低供電電壓的16位單片機；另外還有帶有USB接口的MC9S12UF32；有帶10Mbps、100Mbps以太網接口的MC9S12NE系列單片機，適用于網絡接入設備、機頂盒及工控設備等。

MC9S12DP256單片機的結構框圖如圖2.17所示。

MC9S12DP256的中央處理器CPU12包含以下五個部分。

（1）8位的累加器A、B或組成16位的累加器D。

（2）16位變址寄存器X、Y是用來處理操作數的地址，可分別用于源地址、目的地址的指針型變量運算。

（3）堆棧指針SP是16位寄存器。

（4）程序計數器PC是16位寄存器，它表示下一條指令或下一個操作數的地址。

（5）條件碼寄存器CCR。

MC9S12DP256的存儲器有以下三種。

（1）256KB的Flash存儲器。

（2）12KB的RAM。

（3）4KB的E2PROM。

MC9S12DP256有可復用的地址數據總線，它可以工作在單片方式，也可以通過總線擴展存儲空間和增加I/O接口的電路芯片工作在擴展方式，地址總線20位，數據總線16位或8位，地址和數據總線占用3個8位并行I/O口，在單片方式下這24位可做普通I/O接口用。

MC9S12DP256有兩個8路10位精度A/D轉換器。

MC9S12DP256內部有5個控制局域網（CAN）模塊，每個CAN具有2個接收緩沖區和3個發送緩沖區，有自檢功能、低通濾波和喚醒功能。

MC9S12DP256擁有的增加型捕捉定時器如下所述。

（1）16位主計數器，7位分頻系數。

（2）8個輸入捕捉通道或輸出比較通道，其中4個輸入捕捉通道帶有緩存。

（3）4個8位或2個16位脈寬計數器。

（4）每個信號濾波器有4個用戶可選擇的延遲計數器。

MC9S12DP256的脈寬調制模塊（PWM）可設置成8路8位或4路16位。

MC9S12DP256的串行接口有以下三種。

（1）兩個異步串行通信接口模塊SCI。

（2）一個I2C總線接口。

（3）一個同步串行外設接口SPI。

MC9S12DP256有2個具有位輸入信號能產生中斷、喚醒CPU功能的8位并行口，即16位輸入中斷通道，這16位也可以設為輸出。

MC9S12D系列單片機一般有兩種封裝形式：112腳的表面貼片封裝和80腳的貼片封裝。80腳封裝的單片機沒有引出用于擴展的地址/數據并行口，且只引出一個8路的A/D口。

2.4.2 數字信號處理器

數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）是專門處理數字信號數據的微處理器，常簡稱為DSP處理器。為了加快數字信號處理器的運算速度，數字信號處理器被設計成許多的特殊架構，并且加強它的平行化處理。例如，一般的數字信號處理器都有一個乘法器與一個加法器，數字信號處理器允許在同一時間內處理一個乘法運算及一個加法運算，也有些數字信號處理器可以平行處理快速傅里葉變換。數字信號處理器擁有一種特殊的Bus結構，它包含不同的指令與運算數據，使得數字信號處理器可以同時從內存中讀取指令和運算數據，從而加快運算速度。

美國德州儀器公司開發的TMS320系列DSP微處理器是比較典型的產品，在我國也有較多的應用。TMS320系列的DSP微處理器基本上可分為三大類：第一類是進行整數運算的數據處理，如C1X、C2X、C5X等，是在1983年開發出來的；第二類是進行浮點數運算的資料處理，如C3X、C4X等；第三類則是多DSP微處理器核心整合而成的DSP微處理器芯片，如C8X，它最多可以同時擁有5個DSP核心，其中包含了一個做浮點運算的DSP核心和四個做整數運算的DSP核心。這些DSP核心可以在平行架構下，在各個不同的DSP微處理器核心中進行數據的處理。

美國德州儀器公司的DSP微處理器的應用范圍很廣泛，目前在移動電話上它占有很大的市場，其最主要的特點是處理數字信息效率高，功耗低。例如，TMS320C5X DSP微處理器采用一個修正過的哈佛結構，它可以將數據在數據內存與程序內存之間移動及儲存，而且可以通過程序去設置數據內存的初始化動作，具有很高的數據處理效率。

C5X DSP微處理器的核心部分由乘法器、邏輯算術單元、平行邏輯單元、移位器及28個寄存器組成。其中，乘法器被設計成只要一個機器周期就可以完成一個乘法運算，乘法器會將寄存器、數據總線或程序總線中的數據直接讀取，產生32位的運算結果，再將結果輸出到乘法寄存器中，因此，C5X DSP微處理器在乘法運算上有很高的效率。

C5X DSP微處理器的邏輯算術單元在一個中央邏輯算術單元中，邏輯算術單元一個周期內可以執行16位或32位的運算。此外，中央邏輯算術單元包含有四個獨立的位移器，ACC和ACCB可以在數據運算上提供協助，并有一個65位的位移空間供數據位移使用。

在C5X DSP微處理器中可以允許數據平行處理，可以同時間在邏輯算術單元中處理數據，并從程序內存中取得指令，完成指令指定的工作。

再如，TMS320C6701 DSP芯片是美國德州儀器公司針對浮點數運算功能設計的，其最高工作頻率可以達到167MHz，在平行運算的情況下，它可以同時執行8條指令，因此工作效率可以達到1336MIPS（每秒執行指令數）。C6X DSP微處理器核心擁有32個寄存器，并且擁有兩個乘法器，而且都提供了32位的算術運算，另外還額外支持40位的算術運算。

C6X DSP微處理器內部還有64KB的RAM可提供數據儲存，64KB的RAM用于程序儲存，并含有多個DMA通道、兩個串行輸入/輸出接口，用以高速通信傳輸之用，速度可以達到50 Mbps，此外，還有兩個32位的定時器/計數器。

C6X DSP微處理器的運算單元有四種，分別是邏輯運算單元、位移單元、乘法單元、數據尋址單元。這四個單元上有16個32位的寄存器，作為數據傳輸的通道。

C6X DSP微處理器還具有一個EMIF擴充接口，可以不需要加外圍電路就直接與SRAM、ROM或其他的記憶裝置等相連接。

2.4.3 ARM嵌入式系統微處理器

ARM公司是一家提供RISC架構嵌入式系統微處理器的公司，成立于1990年，主要開發和設計16位、32位的嵌入式系統微處理器，并將它所開發的技術授權給其他的半導體制造公司進行ARM微處理器的制造。

ARM公司所提供的ARM RISC（Reduced Instruction Set Computer，簡約指令）微處理器有著低功耗、高運算效率及高度整合性等特點，使得很多芯片設計公司與芯片制造公司競相采用它作為自已公司開發的微處理器芯片中的運算核心。

例如，ARM7 Thumb嵌入式系統系列微處理器具有以下特點。

（1）32位的寄存器。

（2）32位的RISC架構的邏輯運算單元。

（3）32位的移位器。

（4）32位的尋址模式。

（5）16位的Thumb指令集。

ARM7 Thumb嵌入式系統系列微處理器是針對初、中級市場應用而設計的，價格與傳統的8位或16位單片機不會相差很多，但卻擁有32位的微處理器執行效率。它具有很高的工作效率以及很低的功率消耗，目前很受市場的歡迎。

ARM7 Thumb嵌入式系統系列微處理器可以按所需要處理的工作選擇要外加內存或者使用內部內存，可以按內存的成本、執行效率以及芯片體積將它與其他的ASIC（Application Specific Integrated Circuit，專用集成電路）及外圍內存裝置結合成一個符合工作需求的嵌入式系統。

ARM9 Thumb嵌入式系統系列微處理器是ARM公司繼ARM7 RISC架構微處理器之后，又開發出來的一種32位RISC架構嵌入式系統微處理器，它可以同時采用ARM 32位RISC指令集以及16位的Thumb指令集作為程序代碼的控制指令。ARM9 Thumb嵌入式系統系列微處理器有兩個主要成員。

（1）ARM940T微處理器具有兩個4KB的快取內存，主要用于簡單程序控制下的嵌入式系統，不需要處理很多額外的應用程序，適合簡單的嵌入式操作系統作為系統控制之用，其工作頻率可以達到180MHz。

（2）ARM920T微處理器內部含有兩個16KB的快取內存，可以讓許多嵌入式操作系統，如Linux、Windows CE等在上面執行，最高工作頻率可達200MHz。目前，許多的嵌入式系統開發廠商采用ARM9 Thumb嵌入式系統微處理器作為嵌入式系統的控制器，如移動電話、數字板、智能型網絡卡、調制解調器和數字機頂盒等，應用十分廣泛。

在實際應用中，可以結合DSP微處理器和控制微處理器進行設計。如圖2.18所示為某個數字移動電話的內部結構框圖，其中的主要操作系統控制核心是由ARM RISC微處理器控制，由ARM RISC微處理器的輸入/輸出接口外接鍵盤及液晶顯示器等的外圍裝置。而TSM320C5401 DSP微處理器則處理射頻（RF）電路的連接，接收數字的音頻信號，進行信號處理的工作。此外，通過TSM320C5401 DSP微處理器的數據處理程序，還可以消除回音和降低噪聲，提高通話質量。

前面提到，DSP、ARM等嵌入式單片機也可以用Proteus軟件建立原理圖、PCB圖和仿真，當需要采用浮點數運算處理時，一般選用DSP芯片，當要處理的工作比較多且比較復雜時，可以考慮選用ARM芯片。