数理与信息工程学院课程设计题目：改善单片机系统用电效率的微控制器专业：计算机科学与技术（专升本）班级：056计算机科学与技术姓名：黄王旦学号：05191115指导老师：余水宝成绩：( 2006.6 )目录改善单片机系统用电效率的微控制器 (3)第一节引言 (3)1.1单片机的产生、发展和应用 (3)1.2单片机系统简单介绍 (4)第二节设计步骤 (6)2.1时钟频率 (6)2.2高速内核 (7)2.3集成化 (8)2.3.1内部程序存储器 (8)2.3.2内部数据存储器 (9)2.4时钟源 (9)2.5时钟管理 (10)2.5.1停机模式 (10)2.5.2空闲模式 (11)2.6功率管理模式 (12)2.6.1中断和PMM的使用 (13)2.6.2改进突发工作模式 (13)2.6.3跑跑停停 (14)第三节应用实例 (14)结束语 (15)参考文献 (16)改善单片机系统用电效率的微控制器数理与信息工程学院 05计算机专升本黄王旦指导教师：余水宝第一节引言一种改进架构的高性能8051设计、外围功能集成、选用合适的时钟源以降低功耗；并介绍节省电能的软件技术及采用待机模式降低功耗的技巧。
便携式产品的功能和性能日新月异。
消费者对产品性能的要求也越来越高，需要更强大的运算能力支持；另一方面，希望产品具有更低的功耗。
尽管已经出现了很多功耗处理器，但它们的性能通常很有限。
Dallas公司的系列高速微控制器在性能和功耗之间取得了一个很好的折衷，采用了8051架构——世界上最流行的微控制器之一。
简单易用、丰富的I/O资源使这种微控制器深受设计者的喜爱，并被广泛接受。
它的流行势头已蔓延到了便携式领域，在很多应用中都有其用武之地。
本文旨在探讨使用8051控制器时，如何降低功率的消耗，重点介绍一种改进架构的高性能8051设计。
1.1单片机的产生、发展和应用单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。
它由主机、键盘、显示器等组成。
还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机。
顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。
因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。
它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。
现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。
现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。
究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
1.2单片机系统简单介绍（一）8051的CPU由运算器和控制器组成。
一、运算器运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心，再加上暂存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序状态标志寄存器PSW及布尔处理器。
1进位标志CY（PSW 7）。
它表示了运算是否有进位（或借位）。
如果操作结果在最高位有进位（加法）或者借位（减法），则该位为1，否则为0。
2辅助进位标志AC。
又称半进位标志，它反映了两个八位数运算低四位是否有半进位，即低四位相加（或减）有否进位（或借位），如有则AC为1状态，否则为0。
3 溢出标志位OV。
MCS－51反映带符号数的运算结果是否有溢出，有溢出时，此位为1，否则为0。
4 奇偶标志P。
反映累加器ACC内容的奇偶性，如果ACC中的运算结果有偶数个1（如11001100B，其中有4个1），则P为0，否则，P=1。
由于PSW存放程序执行中的状态，故又叫程序状态字?运算器中还有一个按位（bit）进行逻辑运算的逻辑处理机（又称布尔处理机）。
二、控制器控制器是CPU的神经中枢，它包括定时控制逻辑电路、指令寄存器、译码器、地址指针DPTR及程序计数器PC、堆栈指针SP等。
这里程序计数器PC是由16位寄存器构成的计数器。
要单片机执行一个程序，就必须把该程序按顺序预先装入存储器ROM的某个区域。
单片机动作时应按顺序一条条取出指令来加以执行。
因此，必须有一个电路能找出指令所在的单元地址，该电路就是程序计数器PC。
当单片机开始执行程序时，给PC装入第一条指令所在地址，它每取出一条指令（如为多字节指令，则每取出一个指令字节），PC的内容就自动加1，以指向下一条指令的地址，使指令能顺序执行。
只有当程序遇到转移指令、子程序调用指令，或遇到中断时，PC才转到所需要的地方去。
8051 CPU碢C指定的地址，从ROM相应单元中取出指令字节放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中的指令代码被译码器译成各种形式的控制信号，这些信号与单片机时钟振荡器产生的时钟脉冲在定时与控制电路中相结合，形成按一定时间节拍变化的电平和时钟，即所谓控制信息，在CPU内部协调寄存器之间的数据传输、运算等操作。
三、存储器存储器是单片机的又一个重要组成部分,其中每个存储单元对应一个地址，256个单元共有256个地址，用两位16进制数表示，即存储器的地址（00H～FFH）。
存储器中每个存储单元可存放一个八位二进制信息，通常用两位16进制数来表示，这就是存储器的内容。
存储器的存储单元地址和存储单元的内容是不同的两个概念，不能混淆。
（1）程序存储器程序是控制计算机动作的一系列命令，单片机只认识由“0”和“1”代码构成的机器指令。
如前述用助记符编写的命令MOV A，＃20H，换成机器认识的代码74H、20H：（写成二进制就是01110100B和00100000B）。
在单片机处理问题之前必须事先将编好的程序、表格、常数汇编成机器代码后存入单片机的存储器中，该存储器称为程序存储器。
程序存储器可以放在片内或片外，亦可片内片外同时设置。
由于PC程序计数器为16位，使得程序存储器可用16位二进制地址，因此，内外存储器的地址最大可从0000H到FFFFH。
8051内部有4k字节的ROM，就占用了由0000H～0FFFH的最低4k个字节，这时片外扩充的程序存储器地址编号应由1000H开始，如果将8051当做8031使用，不想利用片内4kROM，全用片外存储器，则地址编号仍可由0000H开始。
不过，这时应使8051的第{31}脚（即EA脚）保持低电平。
当EA为高电平时，用户在0000H至0FFFH范围内使用内部ROM，大于0FFFH后，单片机CPU自动访问外部程序存储器。
（2）数据存储器单片机的数据存储器由读写存储器RAM组成。
其最大容量可扩展到64k，用于存储实时输入的数据。
8051内部有256个单元的内部数据存储器，其中00H～7FH为内部随机存储器RAM，80H～FFH为专用寄存器区。
实际使用时应首先充分利用内部存储器，从使用角度讲，搞清内部数据存储器的结构和地址分配是十分重要的。
因为将来在学习指令系统和程序设计时会经常用到它们。
8051内部数据存储器地址由00H至FFH共有256个字节的地址空间，该空间被分为两部分，其中内部数据RAM的地址为00H～7FH（即0～127）。
而用做特殊功能寄存器的地址为80H～FFH。
在此256个字节中，还开辟有一个所谓“位地址”区，该区域内不但可按字节寻址，还可按“位（bit）”寻址。
对于那些需要进行位操作的数据，可以存放到这个区域。
从00H到1FH安排了四组工作寄存器，每组占用8个RAM字节，记为R0～R7。
究竟选用那一组寄存器，由前述标志寄存器中的RS1和RS0来选用。
在这两位上放入不同的二进制数，即可选用不同的寄存器组。
（3）特殊功能寄存器特殊功能寄存器（SFR）的地址范围为80H～FFH。
在MCS－51中，除程序计数器PC和四个工作寄存器区外，其余21个特殊功能寄存器都在这SFR块中。
其中5个是双字节寄存器，它们共占用了26个字节。
其中带＊号的可位寻址。
特殊功能寄存器反映了8051的状态，实际上是8051的状态字及控制字寄存器。
用于CPU PSW便是典型一例。
这些特殊功能寄存器大体上分为两类，一类与芯片的引脚有关，另一类作片内功能的控制用。
与芯片引脚有关的特殊功能寄存器是P0～P3，它们实际上是4个八位锁存器（每个I/O口一个），每个锁存器附加有相应的输出驱动器和输入缓冲器就构成了一个并行口。
MCS－51共有P0～P3四个这样的并行口，可提供32根I/O线，每根线都是双向的，并且大都有第二功能。
(二)8051单片机的内部总体结构其基本特性如下：8位CPU、片内振荡器4k字节ROM、128字节RAM21个特殊功能寄存器32根I/O线可寻址的64k字节外部数据、程序存贮空间2个16位定时器、计数器中断结构：具有二个优先级、五个中断源一个全双口串行口位寻址（即可寻找某位的内容）功能，适于按位进行逻辑运算的位处理器。
除128字节RAM、4k字节ROM和中断、串行口及定时器模块外，还有4组I/O口P0～P3，余下的就是CPU的全部组成。
把4kROM换为EPROM就是8751的结构，如去掉ROM/EPROM部分即为8031的框图，如果将ROM置换为Flash 存贮器或EEPROM，或再省去某些I/O，即可得到51系列的派生品种，如89C51、AT89C2051等单片机的框图。
单片机各部分是通过内部的总线有机地连接起来的。
第二节设计步骤2.1时钟频率任何微控制器设计中，决定功耗的一个首要因素就是系统的时钟频率。
互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的器件功耗直接正比于时钟频率。
因此，从省电的角度考虑，将处理器运行于尽可能低的频率比较有利。
图1表示一个普通的8051微控制器的典型功率曲线，一个被所有便携系统设计得所熟知的关系。
一般来讲，电流随频率的变化曲线为线性，具有一定的DC偏移。
这个静态电流由片由的静态电路所消耗，例如比较器、运算放大器等。
