單片機(jī)最小系統(tǒng)的研究

摘要：近年來，隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)以它開發(fā)簡單、工作穩(wěn)定、成本低廉等特點應(yīng)用越來越廣。單片機(jī)最小系統(tǒng)是指單片機(jī)正常工作的最小硬件系統(tǒng)。在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可以方便進(jìn)行二次開發(fā)和功能擴(kuò)展，縮短開發(fā)周期。該最小系統(tǒng)可以應(yīng)用于工業(yè)自動控制、傳感器、電子設(shè)計等領(lǐng)域。本文詳細(xì)介紹了單片機(jī)最小系統(tǒng)各模塊的構(gòu)成和功能，對初學(xué)者有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：單片機(jī) 最小系統(tǒng) 自動控制技術(shù)

中圖分類號：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0026-01

1 引言

單片機(jī)是一種單硅片上集成微型計算機(jī)功能的芯片，內(nèi)部集成了CPU，RAM，ROM，定時器/計數(shù)器，I/O接口以及通信接口等主要功能部件。在發(fā)展過程中由逐漸擴(kuò)展了各種控制功能，可以獨立執(zhí)行內(nèi)部程序，所以單片機(jī)也稱之為微型控制器。

2 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

單片機(jī)由五個基本部分組成，包括中央處理器CPU、時鐘、存儲器（RAM和ROM）、輸入/輸出口（I/O）、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。

單片機(jī)存儲器采用Harvard結(jié)構(gòu)，程序存取器和數(shù)據(jù)存儲器完全分開相互獨立。程序存儲器位只讀存儲器（ROM），數(shù)據(jù)存儲器為隨機(jī)存儲器（RAM），二者各有尋址方式和控制系統(tǒng)。其中，ROM用于存放應(yīng)用程序，RAM用于存放程序運行時產(chǎn)生的中間結(jié)果、暫存和緩沖數(shù)據(jù)等。

I/O端口是單片機(jī)與外界進(jìn)行聯(lián)絡(luò)的通路，實現(xiàn)對外部設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)交換。I/O端口分為串行和并行兩種，串行端口一次只能傳送一位二進(jìn)制數(shù)，并行端口一次能傳送一組二進(jìn)制數(shù)組。

中斷系統(tǒng)是指在程序執(zhí)行過程中，允許外部或內(nèi)部事件通過硬件中斷程序的執(zhí)行，使其轉(zhuǎn)向處理外部或內(nèi)部的中斷服務(wù)程序中去。完成中斷服務(wù)程序后，CPU繼續(xù)執(zhí)行原來被中斷的程序。

3 最小系統(tǒng)總體設(shè)計

單片機(jī)最小系統(tǒng)包括電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路、JTAG接口等。這些部分是保證單片機(jī)正常運行的關(guān)鍵部分，其中JTAG接口用來對單片機(jī)進(jìn)行在線調(diào)試以及程序下載等。

3.1 電源電路

電源電路一般采用LDO電源芯片為系統(tǒng)供電，可以供3.3V、5V等電源。此外，在電源輸入端設(shè)計電源保護(hù)，采用肖特基二極管限位防止電源反接。在輸出端接濾波電容，抑制紋波和濾掉電源中的干擾信號。輸出端C3為0.01～0.1uF陶瓷電容，濾掉高頻干擾信號。C2為大容量電解電容，通常為10～100uF，可以濾掉低頻干擾信號以及在電源電壓波動時候起到儲能作用，抵消電源的波動，穩(wěn)定電壓。如圖1所示。

3.2 復(fù)位電路

單片機(jī)在上電時候狀態(tài)并不穩(wěn)定，為了解決這個問題，單片機(jī)需要一個復(fù)位邏輯信號，它可以把單片機(jī)初始化到某個確定的狀態(tài)。除了由專門的復(fù)位芯片構(gòu)成的復(fù)位電路以外，最簡單的復(fù)位電路就是RC復(fù)位電路，復(fù)位信號分高電平有效和低電平有效兩種，具體可參看所選用的單片機(jī)芯片手冊。

3.3 時鐘電路

目前所有的微控制器均為時序電路，需要一個時鐘信號才能工作，單片機(jī)指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時鐘頻率。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供最簡單的就是利用芯片內(nèi)部的振蕩器來搭建時鐘電路。

3.4 JTAG接口

JTAG（Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動小組）是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試，JTAG技術(shù)是一種嵌入式調(diào)試技術(shù)，它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測試電路TAP（Test Access Port，測試訪問口），通過專用的JTAG測試工具對內(nèi)部節(jié)點進(jìn)行測試。如今大多數(shù)比較復(fù)雜的器件都支持JTAG協(xié)議，如ARM、DSP、FPGA器件等。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口包含測試模式選擇TMS、串行輸入信號TDI、串行輸出信號TDO、測試時鐘TCK等。

4 最小系統(tǒng)的擴(kuò)展

最小系統(tǒng)是單片機(jī)的核心系統(tǒng)，它完成單片機(jī)的基本功能。而其他功能由單片機(jī)外設(shè)來完成。外部器件的接口分為串行接口和并行接口兩種。近年來逐漸出現(xiàn)了各種串行接口芯片，形成了串行擴(kuò)展總線，常用的有Motorola公司的SPI總線，Philips公司的I2C總線等，支持這些接口總線的器件也越來越多，如A/D、EEPROM、I/O擴(kuò)展等芯片。

5 結(jié)語

單片機(jī)最小系統(tǒng)以其簡單的構(gòu)造、良好的擴(kuò)展性和通用性，可以直接作為核心控制單元。

在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可以方便進(jìn)行二次開發(fā)和功能擴(kuò)展，縮短開發(fā)周期。該最小系統(tǒng)可以應(yīng)用于工業(yè)自動控制、傳感器、電子設(shè)計等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2016-09-01

作者簡介：李麗（1975—），女，山西長治人，本科，中級，研究方向：電氣與電子工程。