微机系统设计：单片机基础及应用

2023-11-17 理论教育版权反馈

【摘要】：微机系统是整个应用系统的核心，包括微处理器、总线结构、时钟电路、复位电路、存储器等。2．总线与结构系统中微处理器是通过总线与外围芯片、电路板、其他设备相互连接来实现数据传送的。总线的选择应与选机型、确定结构同时进行。系统功能复杂，为避免重复设计，可以选用标准总线连接多板结构，通用部分采用标准板，专用部分自行设计。7．复位电路系统的复位有上电复位、按钮复位、掉电冻结、故障恢复等几种情况。

微机系统是整个应用系统的核心，包括微处理器、总线结构、时钟电路、复位电路、存储器等。

1．微处理器

不同类型、不同型号的微处理器，其字节长度、时钟频率、指令功能、寻址空间、存储能力、I／O扩展能力、中断能力、定时／计数能力、特殊功能、功耗及兼容性都不同。

根据所完成的功能确定微处理器的类型（单CPU、多类型CPU等）；根据性能指标所需的字节长度、时钟频率、指令功能、寻址空间、I／O扩展能力、中断能力、定时／计数能力、特殊功能、功耗确定芯片型号。

2．总线与结构

系统中微处理器是通过总线与外围芯片、电路板、其他设备相互连接来实现数据传送的。总线的选择应与选机型、确定结构同时进行。

大多系统采用标准总线结构，可简化结构、方便连接、可扩充性和维护性好、可靠性高。按照使用范围分为内总线和外总线。

（1）内总线

内总线是系统内部板与板间的连线，分为两种结构：

1）单板结构。系统功能简单，没有对外连接的总线。合理布局数据、地址线并采用I2C（Inter IC Bus）和SPI（Serial Peripheral Interface）等连接微处理器、存储器和I／O接口。具有结构简单、成本低、体积小、可靠性高等优点。

2）多板结构。系统功能复杂，为避免重复设计，可以选用标准总线连接多板结构，通用部分采用标准板，专用部分自行设计。这样可以缩短开发周期，是研制阶段经常采用的一种结构。

（2）外总线

外总线是设备与设备间连接的总线，一般采用标准总线。外总线分为并行和串行总线，其传输速率、可靠性、传输距离、使用的传输线数量都不同，常用的外总线如下：

1）IEEE-488并行接口总线。通用目的接口总线。

2）RS-232C串行接口总线。早些年使用广泛。

3）RS-422、RS-423、RS-485串行接口总线。比232性能好，使用广泛。

3．存储器

存储器有片内存储器和外扩展的存储器，也有存放数据和存放程序之分。

1）尽可能使选用的单片机芯片的内部存储器的存储类型、存储容量、存取时间、功耗、数据保护等满足系统的要求，并留有一定的余量。

2）需要扩展外部ROM或RAM时，一般选用容量较大的ROM和RAM芯片，如可选用2764（8KB）、27128（16KB）、27256（32KB）、6264（8KB）或62256（32KB），原则上应尽量减少芯片的数量，使译码电路简单。

4．I／O接口

一般数据输入／输出都是通过数据总线与I／O接口交换信息，必须使其有序进行。

（1）I／O接口编址

信息交换的方法是对每个外设确定一个相应的地址，给对应的地址进行读／写操作，就完成了数据输入的／输出。不同的微处理器有两种编址方式：(www.chuimin.cn)

1）统一编址方式（映射方式）：所有I／O接口当存储器看，对外设输入／输出操作和对单元的读／写操作一样。在一般的控制应用系统中，主要是以充分利用存储空间和简化硬件逻辑结构为原则，确定采用全译码、部分译码或线选法。

2）单独编址方式：I／O接口地址和存储器分开编址，对I／O接口和存储器的操作指令相互独立，因此二者的地址可以重叠。

（2）I／O接口控制方式

微处理器和外设间交换的信息有数据、状态信息、控制信息3种类型。控制方式有以下3种：

1）查询方式。查询I／O接口状态，了解外设情况，决定是否进行相应的处理。这种方式要占用CPU时间，响应不及时。

2）中断方式。外设通过I／O接口向CPU发出中断请求，CPU响应中断执行相应的处理程序。该方式实时性好、效率高，如能分时操作更好。

3）DMA方式。在DMA控制器管理下，I／O接口设备和存储器直接交换信息，无需CPU参与。

（3）I／O接口芯片

首先是用于大、中型应用系统的可编程芯片，如8155、8255、8279等，接口线多，硬件逻辑简单，但节约CPU的资源；其次是用于小型系统采用不可编程的TTL或CMOS芯片，完成简单的输入／输出功能，如三态缓冲器使CPU将控制信号和数据送至外设，寄存器将外设状态信号和数据送至数据总线。

接口芯片品种繁多，各有其特点，如74LS低功耗肖特基型，74AS先进肖特基型，MC14500系列，CD4000系列，74HC、74HCT、74HCU系列，HTL高阈值系列，MC68XX系列，Intel和Zilog的8XXX系列。

选用芯片时，应按系统的要求选取，以速度为主要指标应选TTL，以功耗为主要指标应选CMOS，以抗干扰为主应选CMOS或HTL。可编程芯片能减轻CPU的负担，程序简单，专门完成特定的任务。

5．总线驱动

微处理器通过数据、地址、控制总线与I／O接口交换信息，微处理器自身总线的驱动能力有限，如MCS-51系列单片机的P0口能驱动8个LSTTL电路，P1～P3口只能驱动4个LSTTL电路。在实际应用中，这些端口的负载不应超过总负载能力的60%～70%，如果满载或负载太重，会引起芯片发热、逻辑混乱、波形失真，导致系统混乱，从而大大降低系统的稳定性和抗干扰能力。

按照总线信息流动的方向，可分为单向和双向。一般地址线、大部分控制线、状态线是单向的，可采用恒定接通的单向8路三态缓冲器74LS244作为单向总线驱动器；数据总线是双向的，用两个单向驱动器或双向驱动器，可采用双向8路三态缓冲器74LS245作为总线驱动器，以提高端口的驱动能力和系统的抗干扰能力。

系统中尽可能选用低功耗的CMOS芯片，使负载消耗电流最小，可缓解总线驱动能力不足的矛盾。

6．时钟电路

时钟是CPU定时的基准，最好使用其典型值，对最高频率必须留有一定的富裕量。必须按照微处理器对时钟电平、频率、波形的要求进行设计，包括允许的最低和最高频率、高低电平容差、脉冲宽度容差、最大与最小升降时间；晶振有标准、高速、低功耗、高精度、多频切换的可以选择。

因要求时钟的频率要稳定，又要简化设计，最好选用典型的时钟电路，优先使用内部时钟电路；再选用专用时钟芯片，外部提供时钟时应选数倍于所需频率的晶振，经分频得到所需频率，从而保证稳定的频率。

7．复位电路

系统的复位有上电复位、按钮复位、掉电冻结、故障恢复等几种情况。

1）上电复位、按钮复位。不同的CPU和接口芯片所要求的复位电平和持续时间不同，应按照其要求设计，一般都采用典型的复位电路。

2）掉电冻结。电源电压较低时把数据保存起来，冻结CPU的运行，电压恢复时自动启动运行，掉电保护电路和复位电路要一起进行设计，区分上电复位和故障复位。

3）故障恢复。避免复位时造成数据丢失，从而采取一定的措施。