数字集成电路的发展历程

20世纪60年代开始,数字集成电路在集成度方面的发展经历了以下4个阶段:包含几十到几百个逻辑门的小规模集成电路(Small Scale IntegrationSSI);包含几百到几千个逻辑门的中规模集成电路(Medium Scale IntegrationMSI);包含几千到几万个逻辑门的大规模集成电路(Large Scale IntegrationLSI);包含几万个以上逻辑门的超大规模集成电路(Very Large Scale IntegrationVLSI)。

在工作原理方面,数字集成电路可以划分为标准逻辑器件、微处理器和专用集成电路。

标准逻辑器件

标准逻辑器件在集成度方面属于中小规模集成电路,它包括基于TTL工艺的54/74系列和基于CMOS工艺的4000系列的各种逻辑门、触发器、译码器、多路选择器、计数器等器件。这些器件的工作原理和应用在《数字电路逻辑设计》课程中有详细的介绍。

作为传统数字系统设计中使用的主要器件,标准逻辑器件的产量很大,因此它们的生产成本低廉、价格便宜。由于这些器件的功能确定,芯片设计时主要考虑如何提高器件的性能,因此标准逻辑器件的工作速度快,但是由于集成度较低,采用它们设计的数字系统需要较多的器件,这就使得电路连线复杂,系统的可靠性降低。由于用户无法修改这类器件的功能,修改系统设计必须通过对电路重新设计和组装来实现。

微处理器

微处理器,包括在本书中将要学习的单片机,在集成度方面属于大规模集成电路。它们被应用于数字系统的设计起始于20世纪70年代。这类器件可以通过编写程序来实现系统功能。基于微处理器所设计电路的逻辑功能可由软件配置,这个特点使得设计灵活性得到提高,当修改系统设计时,设计者不需要,或者较少需要修改电路连线。相对于由标准逻辑器件构成的数字系统,基于微处理器设计的系统工作速度较低;其次,微处理器的工作仍需要一些标准逻辑器件或者相关逻辑器件构成的外围电路的支持。

专用集成电路

专用集成电路(Application Specific Integrated CircuitASIC)的出现在一定程度上克服了上述两种逻辑器件的缺点。专用集成电路是为满足一种或几种特定功能而专门设计和制作的集成电路芯片,它的集成度很高,一片专用集成电路芯片甚至可以构成一个完整的数字系统,因此这使得系统的硬件规模进一步降低,可靠性进一步提高。

专用集成电路可以分为全定制(Full-custom)产品、半定制(Semi-custom)产品和可编程逻辑器件(Programmable Logic DevicePLD)。

1)全定制产品

全定制产品是指专为特定目的设计、制造的集成电路芯片,例如电视机、电话等设备中大量使用的专用集成电路芯片。这类产品的设计是从晶体管的版图尺寸、位置和相互连线开始进行,其目的是达到半导体芯片面积利用率高、工作速度快、功耗低的优良性能。专用集成电路芯片的制作过程包括电路设计、逻辑模拟、版图设计和集成电路的全部生产工序。全定制产品的性能优越,但是它的设计制造成本高、周期长,同时还具有较大的风险,因此该产品仅适用于需要进行特大批量生产的情况。

2)半定制产品

半定制产品内部包含基本逻辑门、触发器和具有特定功能的逻辑块所构成的标准单元。这些标准单元是由器件生产厂家预先做好,但是标准单元之间的连线有待按用户要求进行连接。应用半定制产品时,用户需要根据设计要求选择合适的产品,再由产品的结构设计出连线版图,最后交给生产厂家完成各个标准单元之间的连线。

3)可编程逻辑器件

全定制产品和半定制产品的使用都离不开器件生产厂家的支持,这给用户带来了很多麻烦。用户希望自己能设计专用集成电路芯片,并且能立即投入实际应用之中,而且在使用中也能比较方便地对设计进行修改。可编程逻辑器件(PLD)就是为满足这一需求而产生的。可编程逻辑器件内的电路和连线都是事先由器件生产厂家做好,但是其逻辑功能并没有确定。逻辑功能的确定可以由设计者借助于开发工具,通过编写程序的方法来实现。可编程逻辑器件的工作速度与标准逻辑器件的工作速度相当,但目前使用它们实现信号处理比使用微处理器要复杂,而且使用成本高。

MCS51单片机介绍

单片机的全称是单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)。为了使用方便,它把组成计算机的主要功能部件:中央处理器(CPU)、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROMEPROME2PROMFLASH)、定时/计数器和各种输入/输出接口电路等都集成在一块半导体芯片上,构成了一个完整的计算机系统。与通用的计算机不同,单片机的指令功能是按照工业控制的要求设计,因此它又被称为微控制器(Microcontroller)。

MCS51系列单片机是美国Intel公司于1980年推出的一种8位单片机系列。该系列的基本型产品是805180318751。这3种产品之间的区别只是在片内程序存储器方面。8051的片内程序存储器(ROM)是掩膜型的,即在制造芯片时已将应用程序固化进去;8031片内没有程序存储器;8751内部包含有用作程序存储器的4KBEPROM。由于8051的编程需要制造商的支持,8751的价格昂贵,因此8031获得了更为广泛的使用。

MCS51系列单片机优异的性能/价格比使得它从面世以来就获得用户的认可。Intel公司把这种单片机的内核,即8051内核,以出售或互换专利的方式授权给一些公司,如AtmelPhilipsADI等。这些公司的这类产品也被称为8051兼容芯片,这些8051兼容芯片在原来的基础上增加了许多特性。本书应用电路中采用了Atmel公司的AT89S51芯片,它与MCS51单片机指令集兼容,同时它的内部包含用作程序存储器的4KB的基于FLASH技术的只读存储器。采用这款芯片既克服了采用8031需要添加外部程序存储器导致电路复杂的缺点,又克服了采用8751导致电路制作成本高的缺点。

AT89S51 单片机的特性

Atmel公司的AT89S51芯片具有以下特性:

指令集和芯片引脚与Intel公司的8051兼容;

4KB片内在系统可编程Flash程序存储器;

时钟频率为033MHz

128字节片内随机读写存储器(RAM);

32个可编程输入/输出引脚;

216位定时/计数器;

6个中断源,2级优先级;

全双工串行通信接口;

监视定时器;

2个数据指针。

AT89S51 单片机的封装

AT89S51单片机具有多种封装形式,包括PDIP40PDIP42PLCC44TQFP44。最适合学校实验室使用的是PDIP40封装形式。PDIP40封装形式的单片机芯片可以很方便地使用面包板来组成应用电路。

2009年06月15日

初识51单片机

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