微算機 Chapter2 Microcontroller Basics

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Basic Blocks

1. CPU

2. input/output unit

   • 透過I/O ports (一種 registers )來和microcontroller去交換傳遞data, status, and control signals.

3. memory unit

   • 儲存intructions和data。
   • 包含ROM和RAM。

Basic Buses

1. Address Bus：

   • 由CPU單方面的丟address到各處，也被稱為 unidirectional bus。
   • address bus 的大小取決於 microcontroller 可取的 memory address。
   • eg. 一個CPU with 16 address bits 可以產生
     $2^{16}=64536bytes$ 的不同 address，也就是可能在 address bus 上跑的 address。

2. Data Bus：

   • 除了ROM因為不能寫之外，其他都是雙向可通的，也被稱為 bidirectional bus。

3. Control Bus：

   • 不論是CPU或I/O device都可丟，但RAM和ROM都只能接收。
   • 由數字和訊號組成，用來同步化各個微算機的元件。
   • 包含 clock signals

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Microcontroller architectures

​​​​前導知識：
​​​​   - Program memory ： 包含 instructions 和 immediate data
​​​​   - Data memory ： 包含 data 而他們的 address 會被 instructions 所使用
​​​​兩者的大小可能會不一樣

• Havard architecture：

  program memory 和 data memory 兩者的 buses 是分開的，所以可以同時執行 instructions 和 access data。這種 architecture 需要 4 個 buses：

  1.data bus for instructions
  2.data bus for data
  3.address bus for addresses of instructions
  4.address bus for addresses of data

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CPU

1. Basic CPU Register：

   • instruction register(IR)：用來儲存 instruction。
   • program counter(PC)：用來儲存下一個應該要被執行的 instruction，且program memory一個是16bit，所以PC一次就+2。
   • memory address register(MAR)：用來儲存 data 的 address。
   • accumulator：用來儲存大部分 ALU 執行完的結果。(即WREG)

   accumulator 使用addressing mode 去拿取資料(使用index register)

   • index register：當使用addressing mode的時候會用到。
   • status register：當中每個bit代表一個flag表示目前的狀態。
   • stack pointer register：在rcall的時候去存原本要執行的下一行。

2. control unit

   • purpose：去翻譯(decode)instuctions from program memory.
   • 主要就去翻譯instruction然後發出對應的signals去發動正確的ALU logic blocks達到instruction要的目的。
   • two basic operations：
     1. instruction interpretation：先從instruction register去讀instruction，然後去執行適當的functional units。
     2. instruction sequencing：產生下一個要被執行的instruction的地址，然後放入program counter.

3. arithmetic-logic unit(ALU)

   • size：取決於這個微算機是幾bit的。
   • typical function：
     1. Binary addition and logic operations.
     2. Finding the one's complement of data.
     3. Shifting or rotating the contents of a general-purpose register 1 bit to the left or right through carry.

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RISC vs. CISC

RISC	CISC
適合嵌入式系統	實作pipeline困難
適合應用於影像處理、機器人技術與儀器技術	執行相同複雜的操作，能使用較少的指令即可完成
因為指令短少，執行速度比CISC快