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作者：潘新民著

出版社：电子工业出版社

出版时间：2014-01-01

书籍编号：30467691

ISBN：9787121223044

正文语种：中文

字数：211612

版次：2

所属分类：教材教辅-大学

版权信息

书名：微型计算机控制技术（第2版）（网络资源版）

作者：潘新民

ISBN：9787121223044

版权所有 · 侵权必究

前　　言

光阴荏苒，一晃本书到今年已经整整出版29年了（1985年8月第1版）。在这29年中，得到了广大师生和技术人员的厚爱，在此，对所有读者表示深深的谢意。随着微型计算机控制技术的发展，先后在不同的出版社出版了6次，本书是第7次出版，也是在电子工业出版社出版的本书的第2版。由作者主讲的以该书为内容的同名电视讲座于1989—1990年先后在湖北电视台和天津电视台举办，后来又由国务院电振办、中央电视台和国家技术监督局联合在中央电视台举办“微型计算机控制技术”讲座，听众大约十几万人之多，当时，在全国具有相当大的影响。

随着大规模集成电路的发展，微型计算机的应用愈加广泛、日益深入。其中，由单片微型计算机（简称单片机）构成的嵌入式系统已经愈来愈受到人们的关注。现在可以毫不夸张地说，作者在十几年前预言的“没有微型计算机的仪器不能称为先进的仪器，没有微型计算机的控制系统不能称其为现代控制系统”的时代已经到来。

嵌入式系统正是为适应这一领域的需要而发展起来的一门新技术。嵌入式系统是内部含有微型计算机用于完成智能化功能的电子系统。它是先进的半导体技术、计算机技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。一般由嵌入式微处理器、I/O接口设备、嵌入式操作系统及应用程序4部分组成。嵌入式系统的最大特点是它的“嵌入”性，也就是它“嵌入”到仪器仪表和控制系统的内部，使用者甚至感觉不到它的存在。但是，它却在那里“默默”地工作着。

嵌入式系统的优点是体积小、成本低、功能强、智能化。现在，随着社会对嵌入式系统开发人员的需求，讲述嵌入式系统的《微型计算机控制技术》已成为我国高等院校的计算机应用、自动化、电子与电气工程和机电一体化等专业的主干课程，同时也是广大技术人员更新知识的必备参考书。

本书正是为了适应这一形式而编写的，专门讲述嵌入式系统设计的专业教科书，全书共分11章。第1章介绍微型计算机控制系统的组成及分类，这是本书的开篇，全面提出了微型计算机控制技术的主要内容及它们之间的关系，给读者以整体概念；第2章介绍模拟量输入/输出通道接口技术，主要包括采样-保持器、多路开关、A/D和D/A转换和数据采集方法，这是微型计算机沟通模拟世界的重要通路；第3章介绍人机交互接口技术，主要有键盘接口技术、遥控键盘技术、LED显示接口技术及LCD显示接口技术，这是人机交互的桥梁；第4章介绍常用控制程序设计，主要内容有报警技术、开关量输出接口技术、电机控制接口技术和步进电机控制等，这是实现微型计算机控制的关键技术；第5章是IC卡技术，主要讲述目前在物联网中广泛应用的接触式I/C卡和射频识别技术（RFID），这是现代信息社会中物联网不可或缺的重要前端接口技术；第6章介绍串行通信及其接口总线，如RS-232-C、RS-485、SPI、I2C及现场总线等，这是微型计算机控制系统信息传递的动脉和纽带；第7章介绍过程控制的数据处理方法，主要讲述数字滤波、标度变换、自动量程转换、非线性补偿及DSP技术等，这是微型计算机控制软件设计的基础；第8章介绍数字PID及其算法，内容包括PID数字化、PID的发展、PID参数的整定方法等，这是微型计算机控制系统应用最多、最简单的一种控制算法；第9章介绍模糊控制，讲述模糊控制的规律及在微型计算机中的实现方法，这是解决控制算法的万能钥匙；第10章介绍微型计算机控制系统的设计方法及实例，这是本书全部知识应用的范例，通过本章的学习，可以逐步掌握微型计算机控制系统的设计真谛；第11章为微型计算机控制技术抗干扰技术，主要介绍各种软件、硬件抗干扰措施，这些是微型计算机控制系统从理论到实际不可忽视的知识。

本书的主要特点。

1.以点带面。以目前应用最多的MCS-51系列单片机为主，同时也兼顾其他类型的单片机。虽然以单片机为例进行讲述，但书中所涉及的全部内容都是目前所流行的嵌入式系统所需要的，完全适用于嵌入式系统。

2.与时俱进。为了适应微型计算机控制技术发展的需要，本书在原来《微型计算机控制技术》的基础上，进行了大量的增删，去掉了一些理论推导和原理性的论述，增加了一些更加实用的内容。主要有：嵌入式系统在物联网中的应用、FPGA系统、串行A/D转换器、LED点阵显示器的设计、遥控键盘的设计、触摸式电子开关接口技术、远程报警系统的设计、IC卡和射频识别技术（RFID）及微型计算机控制系统抗干扰措施等。

3.软件和硬件相结合。本书既对硬件接口进行了详细的论述，同时又对软件的设计思想、程序流程图及汇编语言程序进行了全面的说明。

4.实用性强。本书很多实例都取自于作者多年的科研课题。学完本书后，只要把本书的内容稍加修改，串联起来即可构成一个实用的课题。因此，本书对学生毕业设计、首次涉足嵌入式微型计算机系统设计的人员特别有用。

5.内容精练。本书摒弃了一些较深的理论推导，深入浅出、言简意赅、精练实用。

6.信息流概念清楚。本书在编写过程中，有意识地培养和建立读者的思维能力，使读者真正建立数据流及信息流的概念，以便在控制应用中，能够使软件和硬件有机地结合。通过对各章实例进行分析，可使广大读者真正掌握微型计算机嵌入式系统的设计方法。

7.强化练习。每章最后都附有习题，内容包括选择题、思考题和练习题，而且书后附有部分习题参考答案及课程设计选题。

8.网络资源。本书配有网络资源，把我们在福建省级精品课建设中积累的一些资料与大家共享。主要内容有：教学大纲、教学进度表（参考）、用Proteus开发的部分章节仿真系统及课程设计范例等。同时，为了顾及熟悉C语言的读者，还附录了书中部分内容的C语言程序，详见附录中的网络资源资料索引。若需要本书教学课件和网络资源，请到 www.broadview.com.cn下载。

本书第2章、第3章、第4章、第5章和第7章由王燕芳编写，其余部分由潘新民编写。潘莉、潘峰也完成了本书的部分编写工作、绘图工作及编写和调试了部分程序。此外，网络资源中部分章节的Proteus仿真系统和C语言程序在作者指导下，由冯招程、陈琼莺、杨延和陈国勇等编写和调试。对上述人员表示诚挚的谢意。

虽然我们付出了很大的努力，但书中错误和不当之处在所难免，欢迎广大读者批评指正。

作　者

2010年6月

E-mail:xmppxm@163.com

第1章　微型计算机控制系统概述

本章要点：

◆ 微型计算机控制系统的组成

◆ 微型计算机控制系统的发展概况及趋势

◆ 微型计算机控制系统的分类

自从20世纪70年代初第一个微处理器Intel 4004 问世以来，随着半导体技术的进步，微型计算机（简称为微型机）以惊人的速度向前发展。在短短的四十几年时间里，经过了4位机、8位机、16位机和32位机等几个大的发展阶段，目前64位机已经问世。就微型机的种类而言，不但有8088、8086、80286、80386、80486、80586、Pentium这样功能齐全的高性能微处理器相继问世，而且还出现了许多小巧灵活的单片机，如Intel公司的MCS-51系列、PCI系列单片机、Motorola公司的6805系列等。近年来DSP处理器的出现，更使微型机在工业控制领域中取得了长足的进步。从20世纪90年代初的单片机，到更加实用的嵌入式系统，从结构简单、可靠性高的STD总线工业控制机，到具有更加强大功能的工业PC机，从简单的单机控制到复杂的集散型多机控制，无不体现微型计算机在工业控制中的强大生命力。特别是最近几年出现的嵌入式系统，更将微型计算机的应用推向了一个高峰。如今，作者在十几年前提出的“没有微处理器的仪器不能称其为先进的仪器，没有微型机的控制系统更谈不上是现代的工业控制系统”已经实现。作为现代从事工业控制和智能化仪器的研究、开发和使用的人员，不懂微型计算机，在工业控制领域内简直寸步难行。近两年来，随着物联网的发展，又赋予微型计算机控制技术以新的使命，应用范围将更加广泛（详见1.2.5节）。

在本章里，主要介绍微型机控制系统的基本概念、组成和分类。

1.1　微型计算机控制系统的组成

微型计算机控制系统由微型计算机、接口电路、外部通用设备和工业生产对象等部分组成，本书主要以嵌入式系统为主（关于嵌入式系统的概念将在1.2.4节讲述），其典型结构图如图1.1所示。

图1.1中，被测参数经传感器、变换器，转换成统一的标准信号，再经多路开关分时送到A/D转换器进行模拟/数字转换，转换后的数字量通过接口送入计算机，这就是模拟量输入通道。在计算机内部，用软件对采集的数据进行处理和计算，然后经模拟量输出通道输出。计算机输出的数字量通过D/A转换器转换成模拟量，再经过反多路开关与相应的执行机构相连，以便对被测参数进行控制。

下面介绍微型机控制系统的硬件结构和软件功能。

图1.1　典型微型机控制系统的组成

1.1.1　微型机控制系统的硬件结构

微型机控制系统的硬件是由主机CPU、接口电路及外部设备组成的。由于系统的不同，组成微型机控制系统的硬件也不同，一般可根据系统的需要进行扩展。现在已经生产出具有各种功能的接口板，可用标准总线连接起来。用户可根据实际需要进行挑选，使用非常方便，如STD总线工业控制机、PC总线工业控制机等，都属此类工业控制机。本书主要以嵌入式系统为主，重点讲述嵌入式系统的原理与设计。

1.CPU

微处理器是整个控制系统的指挥部，通过接口及软件可向系统的各个部分发出各种命令，对被测参数进行巡回检测、数据处理、控制计算、报警处理及逻辑判断等操作。因此，主机是微型机控制系统的重要组成部分，主机的选用将直接影响到系统的功能及接口电路的设计等。目前最常用的CPU是Intel 8051系列单片机，如AT89C51、8XC51和8XC552等。由于单片机种类繁多，功能各异，因此，在选用单片机作为CPU时，对接口电路的设计必须引起高度重视。

2.I/O接口

I/O接口是主机与被控对象进行信息交换的纽带。主机通过I/O接口与外部设备进行数据交换。目前，绝大部分I/O接口电路都是可编程的，即它们的工作方式可由程序进行控制。目前在工业控制机中常用的接口有：①并行接口，如8155和8255；②串行接口，如8251；③直接数据传送接口，如8237；④中断控制接口，如8259；⑤定时器/计数器接口，如8253等。此外，由于计算机只能接收数字量，而一般的连续化生产过程的被测参数大都为模拟量，如温度、压力、流量、液位、速度、电压及电流等，因此，为了实现计算机控制，还必须把模拟量转换成数字量，即进行A/D转换。随着物联网的应用，一种新型的I/O接口——射频自动识别（RFID），被提到应用日程（详见5.4节）。同样，外部执行机构也多为模拟量，所以计算机在输出被调参数之前，还必须把数字量转变成模拟量，即进行D/A转换。因此，A/D和D/A转换器也是微型机控制系统和智能化仪器的重要接口之一。

3.通用外部设备

通用外部设备是为了扩大主机的功能而设置的，主要用来显示、打印、存储及传送数据。目前已有许多专业厂家生产各种各样的通用外部设备，如电传打印机、CRT显示终端、纸带打孔机、纸带读入机、卡片读入机、声光报警器、磁带机、磁盘驱动器、光盘驱动器和扫描仪等。这些设备就像微型机的眼、耳、鼻、舌和四肢一样，大大扩充了主机的功能。

4.检测元件及执行机构

在微型机控制系统中，为了对生产过程进行控制，首先必须对各种数据，如温度、压力、流量、液位和成分等进行采集。为此，必须通过检测元件，即传感器，把非电量参数转换成电量。如热电偶可以把温度转换成mV信号；压力变换器可以把压力转变成电信号。这些信号经变换器转换成统一的标准信号（0～5V或4～20mA）后，再送入微型机。因此，检测元件精度的高低，直接影响到微型机控制系统的精度。

此外，为了控制生产过程，还必须有执行机构。它们的作用就是控制各参数的流入量。例如，在温度控制系统中，根据温度的误差来控制进入加热炉的煤气（或油）量；在水位控制系统中控制进入容器的水的流量。执行机构有的采用电动、气动或液压传动控制，也有采用电机、步进电机及可控硅元件等进行控制。关于这部分内容将在第4章详细介绍。

5.操作台

操作台是人机对话的联系纽带。通过它人们可以向计算机输入程序，修改内存的数据，显示被测参数，以及发出各种操作命令等。它主要由以下4部分组成。

（1）作用开关。如电源开关、数据及地址选择开关及操作方式（如自动或手动）选择开关等。通过这些开关，人们可以对主机进行启停操作、设置和修改数据，以及修改控制方式等。作用开关可通过接口与主机相连。

（2）功能键。设置功能键的目的主要是通过各种功能键向主机申请中断服务，如常用的复位键、启动键、打印键和显示键等。此外，面板上还有工作方式选择键，如连续工作方式或单步工作方式。所有这些功能键通常以中断方式与主机进行联系。

（3）LED数码管及CRT显示。它们用来显示被测参数及操作人员感兴趣的内容。随着微型机控制技术的发展，CRT显示的应用越来越普遍。它不但可以显示数据表格，而且能够显示被控系统的流程总图、棒状指示图、开关状态图、时序图、变量变化趋势图、调节回路指示图、表格式显示，以及报警、索引等。

（4）数字键。用来送入数据或修改控制系统的参数。

关于键盘及显示接口的设计将在第3章中讲述。

1.1.2　微型机控制系统的软件

对于微型机控制系统而言，除了上述硬件组成部分以外，软件也是必不可少的。所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，如操作、监控、管理、控制、计算和自诊断程序等。软件分系统软件和应用软件两大部分，它们是微型机系统的神经中枢，整个系统的动作都是在软件指挥下进行协调工作的。按使用语言来分，软件可分为机器语言、汇编语言和高级语言；就其功能来分，软件可分为系统软件和应用软件。

系统软件一般由计算机厂家提供，专门用来使用和管理计算机的程序。系统软件包括：①各种语言的汇编、解释和编译软件，如8051汇编语言程序，C51、C96、PL/M、Turbo C、Borland C和MS-C等；②监控管理程序、操作系统、调整程序及故障诊断程序等。这些软件一般不需要用户自己设计，对用户来讲，它们只作为开发应用软件的工具。

应用软件是面向生产过程的程序，如A/D或D/A转换程序、数据采样程序、数字滤波程序、标度变换程序、键盘处理程序、显示程序和过程控制程序（如PID运算程序、数字控制程序）等。应用软件大都由用户根据实际需要自行开发，本书将在以后各章中详细讲述这些程序的设计方法。目前也有一些专门用于控制的应用软件，如LEBTECH/CONTROL和ONSPEC等。这些应用软件的特点是功能强，使用方便，组态灵活，可节省设计者大量时间，因而越来越受到用户的欢迎。

对于嵌入式系统，如中小型控制系统、专用控制系统及智能化仪器，主要使用汇编语言和高级语言，如WAVE和C51等。

1.2　微型机控制系统的分类

微型计算机控制系统与其所控制的生产对象密切相关。控制的对象不同，其控制系统也不同。下面根据微型机控制系统的工作特点分别进行介绍。

1.2.1　操作指导控制系统

所谓操作指导控制系统（Oprating Indication System）是指计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只对系统过程参数进行收集、加工处理，然后输出数据。操作人员根据这些数据进行必要的操作，其原理方块图如图1.2所示。

图1.2　操作指导控制系统的原理

如图1.2所示，在这种系统中，每隔一定的时间计算机会进行一次采样，经A/D转换后送入计算机进行加工处理，然后再进行报警、打印或显示。操作人员根据此结果进行设定值的改变或必要的操作。

该系统最突出的特点是比较简单且安全可靠，特别是对于未摸清控制规律的系统来说更为适用。它常常被用于计算机系统的初级阶段，或用于试验新的数学模型和调试新的控制程序等。它的缺点是仍要进行人工操作，所以操作速度不能太快，太快了人跟不上计算机的变化，而且不能同时操作几个回路。它相当于模拟仪表控制系统的手动与半自动工作状态。

1.2.2　直接数字控制系统（DDC）

所谓DDC（Direct Digital Control）系统就是用一台微型机对多个被控参数进行巡回检测，使检测结果与设定值进行比较，再按PID规律或直接数字控制方法进行控制运算，然后输出到执行机构对生产过程进行控制，使被控参数稳定在给定值上。其工作原理如图1.3所示。

图1.3　DDC系统原理

由于微型计算机的速度快，所以一台微型机可代替多个模拟调节器，这是非常经济的。

DDC系统的另一个优点是功能强、灵活性大、可靠性高。因为计算机的计算能力强，所以用它可以实现各种比较复杂的控制，如串级控制、前馈控制、自动选择控制，以及大滞后控制等。正因为如此，DDC系统得到了广泛的应用。

1.2.3　计算机监督系统（SCC）

计算机监督系统（Supervisory Computer Control）简称SCC系统。在DDC系统中，是用计算机代替模拟调节器进行控制的，而在计算机监督系统中，则由计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳给定值送给DDC计算机，最后由DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程处于最优工作状况。SCC系统较DDC系统更接近生产变化的实际情况。它不仅可以进行给定值控制，同时还可以进行顺序控制、最优控制，以及自适应控制等，它是操作指导和DDC系统的综合与发展。

SCC系统就其结构来讲有两种。一种是SCC＋模拟调节器，另一种是SCC＋DDC系统。现在，主要应用的是SCC＋DDC系统。

SCC＋DDC系统的工作原理，如图1.4所示。

图1.4　SCC＋DDC系统的工作原理

该系统为两级计算机控制系统。一级为监督级SCC，一级为直接数字控制级DDC。SCC监督计算机的作用是收集检测信号及管理命令，然后按照一定的数学模型计算后，输出给定值到DDC。这样，系统就可以根据生产工况的变化，不断地改变给定值，以达到实现最优控制的目的。直接数字控制器（DDC）用来把给定值与测量值（数字量）进行比较，进而由DDC进行数字控制计算，然后经D/A转换器和反多路开关分别控制各个执行机构进行调节。

总之，SCC＋DDC系统比DDC系统有着更大的优越性，更接近生产的实际情况。另一方面，当系统中的DDC控制器出了故障时，可用SCC系统代替调节器进行调节，这样就大大提高了系统的可靠性。

但是，由于生产过程的复杂性，其数学模型的建立是比较困难的，所以此系统实现起来难度较大。

1.2.4　嵌入式系统（EMS）

嵌入式系统（Embedded System）一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它包括硬件和软件两部分，嵌入式系统的硬件部分，包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多数使用EPROM、EEPROM或闪存（Flash Memory）作为存储介质；嵌入式系统的软件部分包括操作系统软件（具备实时和多任务操作）和应用程序。应用程序控制着系统的运作和行为，而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于PC中BIOS的工作方式，具有软件代码少、高度自动化和响应速度快等特点，特别适合要求实时和多任务的体系。它是可独立工作的“器件”。

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下4个特点。

（1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。

（2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。

（3）可扩展的处理器结构，能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。

（4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗达到mW甚至μW级。

目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000种，流行体系结构有30几个系列，其中属于8051体系的占有多半。生产8051单片机的半导体厂家有20多个，共有350多种 生产品，仅PHILIPS就有近100种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从64KB到16MB，处理速度从0.1 MIPS到2000 MIPS，常用封装从8个引脚到144个引脚。根据其现状，嵌入式计算机可以分成下面几类。

1.嵌入式微处理器（Embedded Microprocessor Unit，EMPU）

嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU，在应用中，将微处理器装配到专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度缩小系统体积并降低功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上与标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰和可靠性等方面一般都做了各种增强。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低和可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口和各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机，如STD-BUS和PC104等。近年来，德国、日本的一些公司又开发出了类似“火盒”式名片大小的嵌入式计算机系列OEM产品，我国也有此类产品。

嵌入式处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS和ARM等系列。

2.嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU）

嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、并行I/O口、串行口、脉冲宽度调制输出、A/D转换器、D/A转换器、Flash RAM和E2PROM等各种必要功能模块和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种 生产品，每种 生产品的处理器内核都是一样的，不同的只是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能适当，以减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，嵌入式微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合控制，因此称为微控制器。

嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16和68300等。另外，还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541，支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70 的市场份额。

特别值得注意的是，近年来提供X86微处理器的著名厂商AMD公司，将Am186CC/CH/CU等嵌入式处理器称为Microcontroller，Motorola公司把以Power PC为基础的PPC505和PPC555也列入单片机行列，TI公司亦将其TMS320C2XXX系列DSP作为MCU进行推广。

3.嵌入式DSP处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）

DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较快。在数字滤波、FFT和谱分析等方面，DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两个发展来源：一是DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设等成为嵌入式DSP处理器，TI的TMS320C2000/C5000等属于此类；二是在通用单片机或S

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