Специализированный микропроцессорыСпециализированный микропроцессоры - к этому классу процессоров обычно относят:

●       микроконтроллеры, предназначенные для применения во встроенных систе­мах управления;

      цифровые сигнальные процессоры (Digital Signal ProcessorsDSP), исполь­зуемые для обработки цифровых потоков информации в реальном времени. Микроконтроллеры, обладая широкими специализацией и разнообразием функций, находят применение в различных объектах управления (от бытовой тех­ники до сложных роботов). Их ежегодный выпуск составляет миллионы изделий.  В этом разделе рассмотрены общие вопросы структурно–функ­циональной организации микроконтроллеров, а также средства их программи­рования и отладки, приводится наиболее доступный для понимания материал по PIC–контроллерам, излагаются вопросы по микроконтрол­лерам семейства MCS–51, достаточно подробно рассмотрена структурно–функциональная организация и программная модель контроллеров.

В разделе также будут рассмотрены про­цессоры семейства ADSP–21XX фирмы Analog Devices. Эти процессоры относятся к классу 16–разрядных процессоров, предназначенных для высокоскоростных вы­числений с фиксированной точкой, являются оптимальными по соотношению цена/качество и имеют полный набор программных и аппаратных средств под­держки разработчика.

 

Аппаратные средства микроконтроллеров

Общие сведения



Введение. Цифровая техника развивается по нескольким направлениям. Ее возникновение (как и самого термина «цифровая») обусловлено стремлением со­здания средств автоматического решения задач, требующих многократных и слож­ных вычислений. Появление микропроцессоров послужило сильным толчком в развитии этого направления и привело к созданию электронно–вычислительных машин (ЭВМ), а затем — персональных компьютеров. Выпустив в 1976 г. первый универсальный 8–разрядный микроконтроллер 8048, фирма INTEL открыла новое перспективное направление цифровой техники, связанное с разработкой и при­менением встраиваемых микроконтроллеров (Embedded Microcontrollers), сфера применения которых оказалась во много раз шире, чем микропроцессоров. По количеству выпускаемых изделий в год микроконтроллеры на порядок превосхо­дят традиционные микропроцессоры.

Новый этап в развитии микроэлектронной техники, наступивший с появ­лением микроконтроллеров, изменил подход к проектированию и реализации систем управления, потребовал использования новых архитектурных и структурных

решений.

Микроконтроллер (МК), называемый раньше однокристальной микроЭВМ, представляет собой изготовленную на одном кристалле сложную микропроцес­сорную систему, ориентированную на реализацию алгоритмов цифрового управ­ления различными объектами и процессами. Микроконтроллер содержит цент­ральный процессор, внутреннюю постоянную и оперативную память, набор пери­ферийных устройств (параллельные и последовательные порты ввода–вывода данных, таймеры, аналого–цифровые преобразователи, широтно–импульсные мо­дуляторы и др.). На его основе (при включении минимального количества допол­нительных компонентов) можно построить цифровую систему управления с ши­рокими функциональными возможностями.

Сфера применения микроконтроллеров весьма широка — от современной бы­товой техники (холодильники, стиральные машины, кухонные комбайны и др.) до сложнейших систем управления и робототехнических комплексов. Они использу­ются также как компоненты в системах управления технологическими процессами, информационно–измерительных и контрольно–диагностических системах. Огром­ная номенклатура выпускаемых микросхем микроконтроллеров, их широкие функ­циональные возможности, высокие технические показатели, относительно низкая стоимость позволяют удовлетворить запросы многих разработчиков и произ­водителей разнообразной электронной аппаратуры. Об этом свидетельствует по­стоянный рост производства и применения микроконтроллеров.

Современные МК обладают такими ресурсами управления в режиме реально­го времени, для получения которых раньше использовались дорогие многокрис­тальные компоновки в виде отдельных плат микроЭВМ.

Таким образом, микроконтроллер (МК) — это микропроцессорная система об­работки информации, предназначенная для управления объектами, выполненная на одной БИС и содержащая все необходимые функциональные блоки и узлы, не­обходимые для обработки информации: центральный процессор, память и пери­ферийные устройства для ввода и вывода информации.

Последующие статьи этого раздела посвящены 8–разрядным встраиваемым микроконтроллерам, которые имеют незначительную емкость памяти (обычно с физическим и логическим ее разделением на память программ и память дан­ных) и систему команд, ориентированную на выполнение алгоритмов управления. Микроконтроллеры включают в себя все устройства (процессор, ПЗУ, ОЗУ, порты ввода–вывода, систему прерываний, средства обработки битовой информации и др.), необходимые для реализации микропроцессорной системы управления минимальной конфигурации.

Основные области применения 8–разрядных МК:

●     встроенные системы управления бытовыми приборами и механизмами;

●     средства обеспечения безопасности, системы охранной сигнализации;

●     средства связи, измерений, контроля, диагностики, отображения информации;

●     системы управления промышленным оборудованием, системами энергопи­тания.

Современные 8–разрядные МК отвечает таким требованиям как:

●     простота схемотехнических решений при большом наборе выполняемых функций;

●     малое энергопотребление при высоком быстродействии;

●     малые затраты на подготовку производства при подготовке серийного выпус­ка изделий;

●     простота и доступность цены технических средств для разработки и отладки схем.

Поэтому изделия с использованием микроконтроллеров технологичны и на­дежны, имеют простые технические решения и низкую стоимость, обладают воз­можностью модификации выполняемых функций. Разработка таких изделий не требует больших капиталовложений и специального оборудования, может быть выполнена достаточно быстро техническим персоналом, не обладающим высо­ким уровнем подготовки, и принести коммерческий успех.

Особенности микроконтроллерных систем. При разработке МК–систем уп­равления необходимо создать не только аппаратные средства путем соответ­ствующего подключения однокристального микроконтроллера к внешним узам и устройствам, но и обеспечить выполнение многих системных функций, которые в традиционных микропроцессорных системах возложены на операционную си­стему и специальные периферийные микросхемы. Поэтому создание системы на основе микроконтроллера связано с оптимизацией ее аппаратной и программной частей для конкретного применения. Широкое многообразие современных мик­роконтроллеров и средств отладки, выпускаемых промышленностью, позволяет решить эту задачу.

Классификация микроконтроллеров. Приведем основные классификацион­ные признаки микроконтроллеров.

Разрядность микроконтроллеров. По этому признаку МК разделяются на три группы: 8–, 16– и 32–разрядные микроконтроллеры.

Расположение памяти. По расположению и использованию памяти мож­но выделить два типа микроконтроллеров.

      Микроконтроллеры с внутренней памятью. К ним относятся 8–разрядные встраиваемые микроконтроллеры, в которых память, а также устройства вво­да–вывода и другие необходимые ресурсы располагаются на одном кристал­ле с процессорным ядром. Встраиваемые микроконтроллеры предназначены для реализации комплекса несложных функций таких, как управление объек­тами, с помощью недорогих средств. Наличие в контроллере вспомогатель­ных устройств позволяет использовать минимальное количество дополни­тельных компонентов при его включении в создаваемую систему. Для функ­ционирования встраиваемого контроллера достаточно подвести питание и тактовые сигналы.

В состав простейшего микроконтроллера входит процессор, память про­грамм и данных, порты ввода/вывода и блок синхронизации и управления. Более сложные встраиваемые микроконтроллеры могут дополнительно содер­жать внутренние средства программирования памяти программ, аналогового ввода/вывода, обработки прерываний от различных источников, подключения внешней памяти и другие, что значительно увеличивают гибкость применения микроконтроллеров и облегчает процесс разработки систем на их основе. Все современные микроконтроллеры изготавливаются по CMOS–технологии, позволяющей значительно уменьшить размеры кристалла и рассеиваемую мощность. Максимальная частота тактовых сигналов микроконтроллеров ограничивается временем доступа к памяти и составляет 10...50 МГц. Для большинства применений это ограничение не является существенным.

      Микроконтроллеры с внешней памятью. К ним относятся 16– и 32–разрядные микроконтроллеры, использующие только внешнюю память (как память про­грамм, так и некоторый объем памяти данных, требуемый для данного при­менения).

Микроконтроллеры с внешней памятью предназначены для применений, тре­бующих большого объема памяти (RAM) при небольшом количестве уст­ройств (портов) ввода/вывода. Примером такого применения является кон­троллер жесткого диска с буферной кэш–памятью, который должен обеспечи­вать промежуточное хранение и распределение больших объемов данных (измеряемых в мегабайтах). Микроконтроллер с внешней памятью работает с более высокой скоростью, чем встраиваемый микроконтроллер.

Архитектура процессоров. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя комплекс программно–аппаратных средств, определяющих его структурно–функциональную организацию.

С точки зрения форматов используемых команд различают два вида архитек­тур микроконтроллеров: CISC– и RISC–архитектуру. Их сравнительная характери­стика дана в табл. 4.1.1.

табл. 4.1.1

Как видно и табл. 4.1.1, оба вида архитектур находят применение в различных семействах микроконтроллеров.

По способу организация выборки команд и данных различают Принстонскую и Гарвардскую архитектуры.

Характерные их особенности приведены в табл. 4.1.2.

табл. 4.1.2

Показатели микроконтроллеров. Микроконтроллер как любой рыночный продукт характеризуется соответствующим набором показателей, отражающих функциональные возможности и качество изделия. Однако в отличие от других микроэлектронных изделий существует ряд причин, в силу которых показателям микроконтроллеров следует уделять особое внимание.

К основным причинам относятся:

●     весьма широкая номенклатура (сотни, тысячи различных моделей) выпуска­емых изделий, охватывающая области применения от бытовой техники до сложных динамических систем управления и робототехники;

    концепция заказных изделий, впервые реализованная фирмой Motorola при изготовлении семейства 8–разрядных микроконтроллеров НС08 для массовых приложений. Архитектура микроконтроллера определяется пользователем и создается на базе набора стандартных модулей, что значительно сокращает сроки изготовления заказного изделия;

●     использование микроконтроллеров в качества встраиваемых устройств в объек­ты управления и влияние их показателей на характеристики всей системы. Рассмотрим основные показатели микроконтроллеров.

Показатели архитектуры. Это наиболее многочисленная группа показа­телей, отражающая такие архитектурные особенности микроконтроллеров как:

●     вид архитектуры (RISC или CISC, Гарвардская и Принстонская архитектура);

    организация памяти (тип памяти, карты памяти программ и данных; набор программно–доступных регистров; назначение отдельных бит регистров и др.);

●     показатели процессорного ядра и периферии (аппаратный состав и функции); система команд (количество команд, формат команды, циклы выполнения, особенности выборки и др.);

●     способы адресации (прямая, непосредственная, косвенная адресация и др.);

●     способы обработки данных (обмен, прерывания, прямой доступ к памяти и др.);

●     другие показатели (возможность выбора типа генератора тактирования; на­личие специальных таймеров; режим пониженного потребления; защита кода от считывания; биты идентификации и др.).

Электрические показатели. В эту группу показателей входят:

    рабочие и максимально допустимые значения электрических параметров (напряжений, токов, потребляемых мощностей, рабочих температур и др.);

    временные диаграммы и параметры. С их помощью задаются требования к форме сигналов и параметрам (длительность, частота) для генераторов, таймеров, портов и других устройств;

    электрические характеристики, представляющие собой зависимость показа­телей от выбранного параметра, например, зависимость частоты генератора от температуры или зависимость потребляемого тока от напряжения питания.

Конструкционно–технологические показатели. К ним относятся:

    используемый тип корпусов и их маркировка;

●     количество выводов и их назначение;

●     система обозначений МК;

●     технологические особенности. Например, КМОП технология; полностью ста­тическое устройство; широкий диапазон напряжения питания; коммерческий и промышленный температурный диапазон; низкое энергопотребление.

Поддержка разработок. Использование микроконтроллеров во встраива­емых системах управления помимо разработки аппаратных средств и программ­ного обеспечения включает отладку отдельных частей и всей системы в реальных условиях. Поэтому важную роль в процессе создания приложений играет обеспе­ченность микроконтроллера средствами программирования и отладки, что не только существенно облегчает процесс разработки конкретного устройства, но и позволяет получить требуемые характеристики и параметры.

Современные микроконтроллеры поддерживаются полным набором про­граммных и аппаратных средств разработки, включающих:

●     макроассемблер, предоставляющий такие возможности как создание макроко­манд, условное ассемблирование, разные форматы исходного текста и листинга. Для поддержки средств разработчика он может генерировать код в разных форматах и осуществлять символьную отладку при использовании эмулятора;

●     компилятор (Compiler) — программа, транслирующая исходную программу (Source Program) на языке высокого уровня в объектный код перед ее выпол­нением. Объектный код (Object Code) — исполнительный машинный код или некоторый его вариант;

    симулятор (Simulator — модель, имитатор), который представляет собой про­грамму или устройство для моделирования функционирования микроконтрол­лера с помощью инструментального компьютера. Программный симулятор позволяет пользователю симулировать микроконтроллеры на уровне команд. При выполнении любой команды пользователь может проверить и изменить данные, а также подать внешний сигнал на любой вывод. Выполнение про­граммы может происходить непрерывно, пошагово, до точки останова или в режиме трассировки. Некоторые симуляторы поддерживают символьную отладку кодов;

    эмулятор (Emulator) — аппаратное или (микро)программное средство, позво­ляющее инструментальному компьютеру имитировать работу микроконтрол­лера. Эмуляторы используются для отладки устройства в реальном времени;

    программатор (Programmer) — автономный или управляемый от компьютера прибор для записи (программирования) содержимого в микросхемы PROM, EPROM и флэш–памяти. Для аппаратной поддержки режима программирова­ния микросхем имеются различные типы программаторов, подключаемых к компьютерам типа IBM PC. Существуют типы программаторов, которые можно подключать непосредственно к рабочей плате контроллера, что значительно ускоряет отладку. Режим программирования задается путем ус­тановки соответствующего напряжения;

    демонстрационная плата — это средство, предназначенное для демонстра­ции возможностей микроконтроллеров. Она содержит необходимое аппарат­ное и программное обеспечение для запуска основных демонстрационных программ. Демонстрационные платы позволяют программировать микроконт­роллеры, подсоединить эмулятор для тестирования программного обеспечения.

Производительность микроконтроллера. Этот показатель является одним из важнейших при управлении объектами в реальном времени.

Наиболее распространенной единицей измерения производительности конт­роллеров (как и процессоров) является MIPS (Million Instruction Per Second) — число элементарных операций, которые могут быть выполнены в течение одной секунды. При расчетах в качестве элементарной операции используют инструк­цию пересылки регистр–регистр с минимальным временем выполнения. Такая инструкция имеется в системе команд любого микроконтроллера. По своей сути MIPS представляет собой частоту в мегагерцах (МГц). Поэтому мерой косвенной оценки производительности МК может служить предельная частота тактирования (fXCLK), которая обычно приводится в справочных данных 8–разрядных МК. Однако в большинстве случаев для непосредственной оценки она не используется по следующей причине. Время выполнения команды зависит от длительности ма­шинного цикла центрального процессора, которая определяется частотой обмена (fBUS) по внутренним магистралям адреса и данных. Соотношение fXCLK/fBUS для разных семейств микроконтроллеров имеет различное значение, например:

    fXCLK/fBUS = 12 для семейства MSC–51 фирмы Intel;

●     fXCLK/fBUS = 4для семейства PIC 16 фирмы Microchip;

●     fXCLK/fBUS = 1 для семейства AVR фирмы Amtel;

●     fXCLK/fBUS < 1 для семейства НС08МК фирмы Motorola, поскольку тактирование осуществляется с использованием умножителя частоты и fXCLK > fBUS. По указанной причине при сравнении производительности различных контрол­леров следует сопоставлять максимальную частоту тактирования межмодульных магистралей fBUS с приведенной в паспортных данных частотой fXCLK.

Микроконтроллеры с RISC–архитектурой выполняют каждую команду за один машинный цикл, длительность которого составляет 1/fBUS, следовательно, их про­изводительность (в MIPS) равна fBUS (в МГц): например, производительность PIC16 составляет 5 MIPS, а контроллеров AVR — 20 MIPS.

Микроконтроллеры с CISC–архитектурой имеют более низкую производитель­ность, так как на выполнение операции регистр–регистр затрачивают от 1 до 3 циклов.

Однако рассмотренная оценка производительности не учитывает особен­ностей алгоритмов управления, используемых в конкретных областях примене­ния. Алгоритмы управления (или функционирования) позволяют выявить наибо­лее узкие места по быстродействию системы управления, например:

●     в быстродействующих регуляторах основное внимание следует уделять вре­мени выполнения операций умножения и деления, которые требуются при реализации уравнений различных передаточных функций;

●     в системе лифтов следует оценивать время выполнения только логических функций, которые используются при опросе кнопочной клавиатуры и при оп­тимизации перемещения между этажами сразу нескольких кабин лифта;

●     в устройствах силовой электроники на первый план выходит реализация бы­строго перебора больших таблиц данных.

Поэтому при высоких требованиях к быстродействию производительность следует оценивать с учетом операций алгоритма управления, ограничивающих временя выполнения программы.

Отметим, что помимо алгоритма весьма важным фактором, влияющим на оценку производительности МК, является время перехода на подпрограмму пре­рывания по запросу внешнего устройства или периферийного модуля. Суммар­ное время перехода на подпрограмму прерывания, определяемое архитектурой процессорного ядра МК и частотой его тактирования, включает в себя время:

●     распознавания запроса на прерывание;

●     ожидания завершения выполнения текущей команды;

●     сохранения содержимого программного счетчика и некоторых регистров в стеке;

● загрузки вектора прерывания в процессор МК; выполнения некоторых вспомогательные команд.

Принципы построения современных контроллеров. Микроконтроллеры (МК) находят широкое и разнообразное применение, их разработкой и производ­ством занимается большое количество фирм. Каждая фирма выпускает собствен­ные семейства контроллеров, представляющие собой набор моделей с различ­ными характеристиками и параметрами. Для создания широкого разнообразия моделей МК, сокращения сроков разработки, производства и выпуска на рынок новых моделей используется модульный принцип построения МК, при котором все модели одного семейства содержат в себе два блока (рис. 4.1.1).

Процессорное ядро представляет собой базовый, неизменный функцио­нальный блок контроллера, предназначенный для использования во всех моделях семейства. Обозначение имени семейства МК ассоциируется с названием процессорного ядра, основой которого оно является. Например, семейство НС05 контроллеров фирмы Motorola имеет процессорное ядро НС05, основанное на архитектуре популярного микропроцессора 6800. В состав процессорного ядра входят:

●     центральный процессор;

●     формирователь многофазной импульсной последовательности для тактиро­вания центрального процессора и межмодульных магистралей;

●     устройство управления режимами работы МК (активным режимом, в котором МК выполняет прикладную программу; режимами пониженного энергопотреб­ления, начального запуска и прерываний);

●     внутренние шины адреса, данных и управления.

Функциональный блок с изменяемой структурой определяет отличи­тельные черты характеристик и параметров отдельных моделей (версий) семей­ства. Этот блок включает в себя различные модули постоянной и оперативной па­мяти, периферийных устройств, генераторов синхронизации, а также дополни­тельные модули специальных режимов работы контроллера. Каждый модуль име­ет выводы для подключения его к шинам процессорного ядра, что позволяет при проектировании новой модели МК вводить те или иные модули, создавая, таким образом, разнообразные по структуре МК в пределах одного семейства. Все мо­дули размещают на одном полупроводниковом кристалле.

Библиотека периферийных модулей. Совокупность модулей, разра­ботанных для конкретного процессорного ядра, называют библиотекой перифе­рийных модулей. В библиотеку семейств МК входят:

    модули памяти. Память типа FLASH и EEPROM, используемая в современных контроллерах, позволяет реализовать режимы стирания и программирования под управлением прикладной программы, поэтому снабжена дополнительны­ми средствами управления такими режимами работы;

    модули периферийных устройств, включающие:

•      параллельные порты ввода/вывода;

•      контроллеры последовательного интерфейса (UART, SCI, SPI, l2C, CAN, USB);

•      таймеры–счетчики, таймеры периодических прерываний, процессоры событии,

•      аналого–цифровые и цифроаналоговые преобразователи;

•      контроллеры ЖК–индикаторов и светодиодной матрицы;

•      другие типы модулей, например, модуль прямого доступа к памяти, модуль управления ключами силовых инверторов напряжения, модуль генератора для тонального набора номера в телефонии;

    модули встроенных генераторов синхронизации. Генераторы синхронизации 8–разрядных МК в настоящее время разделились на два класса: собственно генераторы синхронизации и формирователи многофазной последовательности импульсов для тактирования центрального процессора и межмодульных шин.

Расширился круг схемотехнических решений генераторов синхронизации. В качестве времязадающего элемента помимо кварца широко используются керамический резонатор и RC–цепь. Для повышения частоты тактирования центрального процессора и межмодульных магистралей в генератор синхро­низации вводится умножитель частоты с программно настраиваемым коэф­фициентом, который выполняется по схеме синтезатора с контуром фазовой автоподстройки. Цепи синтезатора частоты и регистры специальных функций для управления режимами его работы объединены в один из модулей гене­ратора синхронизации;

●     модули контроля питающего напряжением и хода выполнения программы, осуществляющие диагностику некоторых подсистем МК и позволяющие вос­становить работоспособность устройства на основе МК при нарушениях про­граммного характера, сбоях в системе синхронизации, снижении напряжения питания;

●     модули внутрисхемной отладки и программирования, позволяющие отлажи­вать прикладную программу и заносить коды программы в энергонезависи­мую память МК прямо на плате изготовленного изделия, без использования дополнительных аппаратных средств отладки и программирования.

 

Использование в 8–разрядных контроллерах внутренних шин адреса, данных и управления лишает разработчика изделия на МК возможности подключения внешних запоминающих устройств (из–за отсутствия внешних выводов). Поэтому в состав каждого семейства МК входит ряд модификаций с одним и тем же набо­ром периферийных модулей, отличающихся только объемом резидентной (встро­енной) памяти программ и данных. Это позволяет разработчику изделия выбрать МК с требуемым объемом памяти внутреннего ПЗУ.


Рекомендуйте эту статью другим!



Особенности нового ГОСТа по качеству электроэнергии
июнь 16, 2014 4347

Особенности нового ГОСТа по качеству электроэнергии

С начала 2013 года вступил в действие обновлённый стандарт качества ГОСТ Р 54149, в…
рис. 1.141
окт 17, 2016 736

Влияние различных факторов на выходное напряжение операционного усилителя

При практическом использовании операционного усилителя необходимо учитывать, что…
dif1
апр 03, 2017 1914

Дифференциальная защита, диф реле, принцип работы, применение

Дифференциальная защита - одна из самых быстродействующих. Для нее не требуется выдержки…
Последовательный обмен
нояб 11, 2015 1611

Способы и методы последовательного обмена

Принципы обмена. Последовательный обмен (ввод–вывод данных), когда байт данных передается…