1.5 计算机控制系统的总线技术

1.5.1 微处理器与微控制器

计算机控制系统的实现涉及许多专业知识，包括计算机技术、自动控制理论、过程控制技术、自动化仪表、网络通信技术等，计算机控制系统的发展与这些相关学科的发展息息相关，相辅相成。众所周知，美国在1946年生产出了世界上第一台电子计算机，20世纪50年代中期便有人开始研究将计算机用于工业控制。1959年，世界上第一套工业过程控制系统在美国得克萨斯州的一个炼油厂正式投运。该系统控制了26个流量、72个温度、3个压力、3种成分，控制的主要目的是使反应器的压力最小，确定反应器进料量的最优分配，并根据催化作用控制热水流量以及确定最优循环。

在工业过程计算机控制方面所进行的这些开创性的工作引起了人们的广泛注意。工业界看到了计算机将成为提高自动化程度的强有力工具，制造计算机的厂商看到了一个潜在的市场，而控制界则看到了一个新兴的研究领域。然而，早期的计算机采用电子管，不仅运算速度慢、价格昂贵，而且体积大、可靠性差，计算机平均无故障时间（Mean Time Between Failures，MTBF）只有50~100h。这些缺点限制了计算机控制系统在工业上的发展与应用。随着半导体技术的飞速发展及大规模、超大规模集成电路的出现，计算机运算速度加快、可靠性提高。特别是近几年高性能、低价格的微处理器、嵌入式微控制器及数字信号处理器制造商越来越多，可选择的微处理器与微控制器数据运算宽度从8位到64位应有尽有，给设计者带来了广阔的选择空间。但由于有众多的选择，设计者们有时候又不知选什么，选哪一个厂家的。

目前，可以选择的微处理器与微控制器有单片机、DSP、ARM和PowerPC等，制造公司主要有Intel、Freescale、Renesas、NEC、ATMEL、NXP、TI、Microchip、TOSHIBA、Samsung、ST、ADI和STC等。其中ARM的性价比是非常高的，也是现在最常用的微控制器。

ARM是Acron公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。更早称作Acron RISC Machine。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。1985年，Acron公司设计了第一代32位6MHz处理器，20世纪90年代，Acron公司正式改组为ARM公司，之后，ARM32位嵌入式RISC处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能嵌入式系统应用领域的领先地位。

嵌入式设备中最常用的ARM系列产品主要有ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、ARM11系列、Xscale系列、Cortex系列。ARM公司既不生产芯片也不销售芯片，它只出售芯片技术授权。

目前微处理器与微控制器的同步总线结构分为两种：一种是源于Motorola公司的微处理器M6800，另一种是源于Intel公司的微处理器8085。这两种同步总线结构的地址总线、数据总线是没有区别的，但其控制总线与外围芯片或存储器芯片的接口是不同的。一些外围芯片制造商为了使自己的产品既有Motorola总线结构接口，又有Intel总线结构接口，就在产品中定义了一个引脚，通常用MOTEL表示，为Motorola和Intel总线兼容之意，在某些产品中也用MODE表示。通常，MOTEL接地表示与Intel总线兼容；MOTEL接+5V，表示与Motorola总线兼容。两种总线的对应关系为：

Motorola CPU信号　　　　Intel CPU信号

在我国，常用Intel总线结构。即使为Intel总线结构，不同公司生产的微处理器和微控制器其存储空间配置也不尽相同，针对不同的领域、不同的需要，应选择的微处理器和微控制器也各不相同。

微处理器和微控制器的三种存储空间配置结构如下。

（1）冯·诺依曼（von Neumann）存储空间配置结构

程序存储器和数据存储器统一编址，有专门的I/O指令，类似于X86系列微处理器的这种存储空间配置结构称为冯·诺依曼结构。

（2）哈佛（Harvard）存储空间配置结构

程序存储器和数据存储器分别编址，没有专门的I/O指令，I/O地址作为数据存储器地址的映射，类似于MCS-51系列及其兼容单片微控制器的这种存储空间配置结构称为哈佛结构。

（3）普林斯顿（Princeton）存储空间配置结构

程序存储器和数据存储器统一编址，没有专门的I/O指令，I/O地址作为数据存储器地址的映射，类似于MCS-96系列单片微控制器的这种存储空间配置结构称为普林斯顿结构。