微操控器是将微型核算机的首要部分集成在一个芯片上的单芯片微型核算机。微操控器诞生于20世纪70年代中期，经过20多年的开展，其本钱越来越低，而功用越来越强壮，这使其运用现已无处不在，广泛各个领域。例如电机操控、条码阅读器/扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、HVAC、楼宇安全与门禁操控、工业操控与主动化和白色家电(洗衣机、微波炉)等。
微操控器可从不同方面进行分类：依据数据总线宽度可分为8位、16位和32位机;依据存储器结构可分为Harvard结构和Von Neumann结构;依据内嵌程序存储器的类别可分为OTP、掩膜、EPROM/EEPROM和闪存Flash;依据指令结构又可分为CISC(Complex Instruction Set Computer)和RISC(Reduced Instruction Set Computer)微操控器。本文将结合不同指令结构微操控器的开展及其特性进行论说。
1 微操控器的开展进程
Intel公司作为最早推出微处理器的公司，相同也是最早推出微操控器的公司。继1976年推出MCS-48后，又于1980年推出了MCS-51，为开展具有杰出兼容性的新一代微操控器奠定了杰出的根底。在8051技能完结敞开后，Philips、Atmel、Dallas和Siemens等公司纷繁推出了依据80C5l内核(805l的CMC)S版别)的微操控器。这些各具特色的产品能够满意许多嵌入式运用需求。依据80C51内核的微操控器并没有中止开展的脚步，例如现在Maxim/Dallas公司供给的DS89C430系列微操控器，其单周期指令速度现已进步到了805l的12倍。
依据CISC架构的微操控器除了80C51外，还包含Motorola供给的68HC系列微操控器，这也是许多运用的微操控器系列。
依据RISC架构的微操控器则包含Microchip的PIC系列8位微操控器等。在16位RISC架构的微操控器中，Maxim公司推出的MAXQ系列微操控器以其高功用、低功耗和杰出的代码履行功率，成为许多需求高精度混合信号处理以及便携式体系和电池供电体系的抱负挑选。
2 依据8051内核的COSC微操控器
迄今为止，MCS-51已成为8位机中运转最慢的系列。现在Dallas推出的DS89C430系列产品在坚持与80C51引脚和指令集兼容的根底上，每个机器周期仅为一个时钟，完结了8051系列的最高吞吐率。一般来说，关于现有的依据8051的运用软件能够直接写入DS89C430而无需进行更改。除此之外，DS89C430还在许多其他方面引入了新的功用，然后为详细运用供给了更多灵活性。下面介绍DS89C430不同于8051的功用和特色。
2.1 片内程序存储器及运用
片内程序存储器逻辑上分为成对的8 KB、16 KB或32 KB闪存单元，以支撑在运用编程。这答应器材在运用软件的操控下修正程序存储器，运用体系能够在履行其首要功用的情况下，完结在线软件晋级。DS89C430集成了64 B加密阵列，答运用户以加密方法检查数据，进行程序代码校验。
器材支撑经过RS-232串口完结在体系编程。在体系编程经过将器材的一个或多个外部引脚设置为某特定状况来激活引导加载程序。器材发动后，开端履行驻留于器材内部专用ROM的加载程序。一旦收到一个回车符号，串口就履行主动波特率功用，并与主机的波特率同步。如图1所示是在体系编程的物理衔接.简略的引导加载程序接口答应运用几种办法来完结PC机与方针微操控
器间的通讯。最简略的办法是运用Dallas的微操控器工具包(MTK)软件.它具有高度前端特征，简化了方针装备，上传、下载代码以及特别功用装备等使命操作。
2.2 双数据指针
8051微操控器是经过MOVX指令来拜访片外数据空间的，用MOVX@DPTR指令可拜访整个64 KB的片外数据存储器。传统的8051只要一个数据指针DPTR，要将数据从一个地址移到另一个地址十分费事。DS89C430则具有双数据指针DPTR0和DPTRl，因而软件能够运用一个指针装载源地址，另一个指针装载意图地址。DPTR0的SFR地址与805l相同(82H和83H)，因而运用该指针时源代码无需更改，DPTRl坐落84H和85H地址。一切与数据指针相关的操作都运用活动数据指针，活动指针经过操控位SEL挑选。每个指针还各有
一个操控位，决议INCDPTR操作是递加仍是递减数据指针值。
在复制数据块时，与运用单数据指针比较，双数据指针能够节约许多代码。用户经过转化SEL位来转化活动数据指针，其间一种办法可经过履行INCDPS指令来完结。关于这些大的数据块复制，用户有必要频频履行该指令来转化DPTR0和DPTRl。为了在节约代码的一起进步运转速度和功率，DS89C430又包含了一个转化挑选位 (TSL)，来确认履行MOVX指令时硬件是否主动转化SEL位，这样就能够省去INCDPS指令并进一步进步运转速度。
大的数据块复制需求源指针和意图指针逐字节寻址数据空间，传统的办法是经过运用INCDPTR指令来添加数据指针。为了进一步进步数据传输速率，引入了主动增减操控位(AID)，用以确认履行MOVX指令时，是否会主动增减活动指针值。表l为各种情况下DS80C320和DS89C430进行64B数据块传输时的速度比较。从表l中能够看出，选用双数据指针后运转速度得到极大进步。
2.3 电源办理和时钟分频操控
CMOS电路的功耗首要由两部分组成：接连漏电流形成的静态功耗以及对负载电容进行充放电所需的转化开关电流形成的动态功耗。其间，动态功耗是整体功耗的首要部分，该功耗(PD)能够经过负载电容(CL)、电源电压(VDD)和作业频率(f)进行核算，即：PD=CL×VDD2×f。
关于某详细运用，电容和电源电压相对固定，而处理器的处理速度在不一起刻或许是不同的，因而作业频率能够依据不同需求进行调整，然后在不影响体系功用的前提下到达下降功耗的要求。
DS89C430支撑三种低功耗节电形式。
①体系时钟分频操控：答应微操控器运用内部分频的时钟源持续作业，以节约功耗。经过软件设置时钟分频操控位，设置作业速率为每机器周期1024个振荡器周期.
②闲暇形式：以静态方法坚持程序计数器，并挂起处理器。在此形式中，处理器不取指令也不履行指令。除了外围接口时钟坚持为活动状况以及定时器、看门狗、串口和电源监督功用依然作业外，一切的资源均保存。处理器能够运用答应的中止源退出闲暇形式。
③停机形式：制止处理器内部的一切电路。一切片内时钟、定时器和串口通讯都中止运转，处理器不履行任何指令。经过运用六个外部中止中的任何一个，处理器都能够退出停机形式。
3 依据RISC架构的微操控器
MAXQ2000微操控器是Maxino/Dallas公司推出的一款依据RIS(：架构的16位微操控器。了解这款微操控器的一些结构特色，能够使咱们更好地了解RISO结构微操控器的最新开展趋势和技能特色，然后为咱们构建新式体系供给愈加抱负的挑选。MAXQ2000的指令读取和履行操作在一个周期内完结，而没有流水线操作，这是因为指令既包含了操作码也包含了数据。字母Q表明这款微操控器的一个重要特色就是“安静”，MAXQ架构经过智能化的时钟办理来下降噪声.这意味着MAXQ只向那些需求运用时钟的电路供给时钟，这样既下降了功耗，又为模仿电路的整合供给了一个最安静的环境。它包含液晶显示(I.CD)接口，最多能够驱动100或132段(两种版别)。这款微操控器的功耗目标和MIPS/MHz代码功率方面都在同类微操控器傍边遥遥领先.下面介绍MAXQ2000的首要特性。
3.1 指令集
指令集由23条对寄存器和存储器进行操作的固定长度的16位指令组成。指令集高度正交，答应算术和逻辑操作运用累加器和任何寄存器。特别功用寄存器操控外围设备，并细分红寄存器模块。产品系列的结构是模块化的，因而新的器材和模块能够持续运用为现有产品开发的代码.该结构是依据传送触发的，这意味着对某一寄存器方位的读或写会发生额定效果。这些额定效果构成了由汇编器界说的高层操作码的根底，如ADDC、OR和JUMP等。
3.2 存储器装备
MAXQ2000具有32KB闪存、lKBRAM、4KB的内部ROM存储器块和16级仓库存储器。存储器缺省装备成Harvard结构，程序和数据存储器具有独立的地址空间，还能够使能为Vorl Ncumann存储器装备形式，行将固定用处ROM、代码和数据存储器放置到一个接连的存储器映射中.这适合于需求进行动态程序修正或特别存储器装备的运用。闪存程序存储器能够经过16字密钥进行密码保护，然后防止未授权者拜访程序存储器。一起，还具有3个数据指针，支撑高效快速地处理数据.
固定用处ROM由能够在运用软件中进行调用的子程序组成(缺省开端地址为8000H).包含：经过JTAG或UART接口进行在体系编程(引导加载程序);在电路调试程序;测验程序(内部存储器测验，存储器加载等);用于在运用闪存编程和快速查找表的用户可调用程序。不管以任何方法复位，都从固定用处ROM开端运转程序。R。M软件决议程序马上跳转到8000H方位、用户运用代码的开端方位、仍是上面说到的某特定用处子程序.用户可拜访固定用处ROM中的程序，而且能够由运用软件调用这些程序。
3.3 寄存器组
器材的大多数功用是由寄存器组来操控的。这些寄存器为存储器操作供给作业空间，并装备和寻址器材上的外设寄存器。寄存器分红两大类：体系寄存器和外设寄存器.公共寄存器组也称作体系寄存器，包含ALU、累加器寄存器、数据指针、仓库指针等。外设寄存器界说了或许包含在依据MAXQ架构的不同产品中的附加功用.
3.4 电源办理
MAXQ2000相同供给了先进的电源办理功用，依据体系不一起刻的不同功用需求，能够动态设置处理速度，然后大大下降功耗。经过软件挑选分频功用，来挑选体系时钟周期是l、2、4或许8个振蔼周期。为进一步下降功耗，还有别的三种低功耗形式，256分频、32 kH。和停机形式。
3.5 中 断
供给多个中止源，可对内部和外部事情快速呼应。MAXQ结构选用了单一中止向量(IV)和单一中止服务程序(ISR)规划。有必要在用户中止程序内铲除中止标志，以防止由同一中止源引发重复中止。当检测到使能的中止时，软件跳转到一个用户可编程的中止向量方位。
一旦软件操控权转移到ISR，能够运用中止辨认寄存器(IIR)来断定中止源是体系寄存器仍是外设寄存器。然后，就能够查询特定模块以确认详细中止源，并采纳相应的操作。因为中止源是由用户软件辨认的，因而用户能够为每种运用建立一个一起的中止优先级计划。
3.6 高速硬件乘法器
集成的硬件乘法器模块履行高速乘法、乘方和累加操作，并能在一个周期内完结一个16位×16位乘法和累加操作。硬件乘法器由2个]6位并行加载操作数寄存器(MA，MB)和1个累加器组成。加载寄存器能够主动发动操作，然后节约了重复核算的时刻。硬件乘法器的累加功用是数字滤波、信号处理以及PII)操控体系中的一个基奉单元，这使得MAXQ2000能够担任需求许多数学运算的运用。
4 结 论
经过以上两种依据CISC.和RISC架构的微操控器的比照剖析，会发现许多一起的特性，如安全特性、外围设备、电源办理和在体系编程等。明显.它们都是习惯详细运用的共性要求而添加的功用。两者最大的不同是指令结构的差异。MCS一5l有50条根本指令，若累计各种不同寻址方法，指令合计lll条，对应的机器指令有单字节、双字节和三字节指令~68H(：05有62条根本指令，加上多种寻址方法，终究指令达210条，也分为单字节、双字节和三字节指令。比较而言，RIS(：微操控器的一切指令是由一些简略、等长度的指令构成.精简指令使微操控器的线路能够尽量优化，硬件结构愈加简略，然后能够完结较低的本钱和功耗，当然完结相同的作业或许需求更多的指令。所以，二者取舍之间没有绝对优势，只能说依据运用的不同需求和侧重来进行挑选。
微处理器是20世纪巨大的技能创新之一，由此而衍生的微操控器将微处理器和外设集于一身，为多种运用创始了新局面，并将持续发挥不行代替的效果。
微处理器体系结构
哈佛结构和冯·诺伊曼结构
哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分隔的存储器结构。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作(一般是履行)。程序指令存储和数据存储分隔，能够使指令和数据有不同的数据宽度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。
哈佛结构的微处理器一般具有较高的履行功率。其程序指令和数据指令分隔安排和存储的，履行时能够预先读取下一条指令。现在运用哈佛结构的中央处理器和微操控器有许多，除了上面说到的Microchip公司的PIC系列芯片，还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安谋公司的ARM9、ARM10和ARM11，51单片机也归于哈佛结构。
冯·诺伊曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器兼并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理方位，因而程序指令和数据的宽度相同，如英特尔公司的8086中央处理器的程序指令和数据都是16位宽。
现在运用冯?诺伊曼结构的中央处理器和微操控器有许多。除了上面说到的英特尔公司的8086，英特尔公司的其他中央处理器、安谋公司的ARM7、MIPS公司的MIPS处理器也选用了冯诺·伊曼结构。
