Обзор контроллеров 8ми–разрядных: особенности MCS-51, Atmel, Microchip, Мotorоla и других

Краткий обзор 8–разрядных контроллеров.

Рассмотрим семейства наибо­лее распространенных 8–разрядных микроконтроллеров (МК), имеющих невысо­кую стоимость и пригодных для использования в изделиях различного назначе­ния. Такие микроконтроллеры выпускает большое количество фирм.

Микроконтроллеры семейства MCS-51.

Первый контроллер 8051АН этого семейства разработала и выпустила фирма Intel в 1980 г. Микроконтроллер содержал ПЗУ объемом 4 Кбайта, ОЗУ в 128 байт, 4 порта ввода/вывода, 2 тайме­ра и асинхронный порт. На его кристалле размещалось 128 тысяч транзисторов.частота внутренней шины составляла 1 МГц. В последующих моделях микроконт­роллеров были увеличены частота внутренней шины (до 3 МГц) и объем памяти программ (8, 16 и 32 Кбайта), в состав контроллеров введены новые периферий­ные узлы (АЦП, сторожевой таймер и др.).

Семейство контроллеров MCS–51 выполнено на основе гарвардской архитек­туры. Процессорное ядро MCS–51 оказалось настолько удачным, что в течение двух десятилетий стало по сути дела стандартом в области 8–разрядных контрол­леров. В России широкое распространение получил микроконтроллер 1816ВЕ51 — аналог контроллера 8051АН. Одновременно ряд фирм (Philips, Infineon, Atmel и др.) разработал контроллеры, программно совместимые с семейством MCS–51, обла­дающие современными типами памяти программ и данных (Flash, EEPROM), имеющие расширенный набор периферийных модулей, работающие в широком диапазоне напряжения питания.

Микроконтроллеры фирмы Мotorоla.

Фирма Motorola обладает самой широкой в мире номенклатурой микроконтроллеров (около 300 моделей — от простейших дешевых 8–разрядных до высокопроизводительных 32–разрядных микроконтроллеров с RISC–ядром и мощной периферией), охватывающей прак­тически все области применения. Поэтому пользователь имеет возможность вы­брать для своего приложения оптимальную модель микроконтроллера, как по на­бору встроенных функций, так и по экономическим параметрам. Важной особен­ностью микроконтроллеров является их высокое качество и надежность, посколь­ку фирма Motorola относится к основным поставщикам военно–промышленного и аэрокосмического комплексов. 

Первый МК популярного до настоящего времени семейства НС05 появил­ся одновременно с контроллером 8051АН. При выпуске контроллеров этого се­мейства используется стратегия «заказных» МК, согласно которой конфигурация контроллера заказывается потребителем под конкретную продукцию. В настоя­щее время семейство НС05 насчитывает около 180 различных типов контролле­ров, выполненных на основе принстонской архитектуры. Благодаря разнообра­зию периферийных модулей при неизменном и очень простом процессорном ядре НС05 перед разработчиком открываются широкие возможности по реализа­ции различных технических решений при полном удовлетворении предъявляемых требований (высокой производительности, низкой стоимости изделия и др.) без избыточных ресурсов в архитектуре.

Позднее появились универсальные и более производительные МК (около 40 моделей) семейства НС11 как дополнение к дешевым «заказным» конт­роллерам семейства НС05.

Отличительными особенностями семейства НС11 являются:

● возможность выполнения операций над 16–разрядными операндами;

● дополнительные способы адресации;

● повышенная частота внутренней шины (до 4 МГц);

● три типа памяти на кристалле: однократно программируемого ПЗУ программ, статического ОЗУ данных и ПЗУ данных с электрическим способом програм­мирования и стирания.

Представленное в конце 1990–х годов фирмой «Motorola» новое 8–разрядное семейство НС08 должно постепенно заменить МК семейства НС05 и стать новым «промышленным стандартом» 8–разрядных МК фирмы. Основные достоин­ства семейства НС08:

● программная совместимость «снизу вверх» с процессорным ядром семейства НС05 (на уровне исходного текста и объектных кодов);

● наличие 8–разрядного АЛУ, позволяющего повысить производительность цен­трального процессора НС08 в 6 раз по сравнению с процессором семейства НС05. Это стало возможным благодаря:

• повышению частоты обмена внутренней шины до 8,0 МГц;

• совмещению циклов исполнения и выборки следующей команды;

• введению специальных команд просмотра таблиц и организации циклов;

• увеличению способов адресации операндов.

● использование FLASH–технологии для ПЗУ программ пользователя. Разрабо­таны две модели полностью идентичных МК, отличающиеся только техноло­гией занесения информации в ПЗУ программ (maskROM или FLASH). Контрол­леры с памятью программ типа FLASH позволяют реализовать режим програм­мирования в системе, в этом режиме прикладная программа заносится в па­мять контроллера, который стационарно расположен на плате изделия. Коды программы передаются по последовательному интерфейсу от персонального компьютера;

● наличие расширенного набора контроллеров последовательного обмена в библиотеке периферийных модулей семейства. Кроме стандартных портов асинхронного (SCI) и синхронного (SPI) обмена, разработаны контроллеры для работы в промышленных сетях с протоколом CAN и для перспективной шины вычислительной техники USВ;

● улучшены возможности отладки МК: встроенный монитор и специальный порт позволяют производить отладку прикладных программ управления непосред­ственно на плате конечного изделия без использования дорогостоящих схем­ных эмуляторов;

● использование специальных схемотехнических решений для повышения на­дежности работы МК в условиях электромагнитных помех.

Микроконтроллеры фирмы Microchip

Выпускаемые этой фирмой МК семейств PIC12 и PIC 16/17 (Peripheral Interface Controller) объединяют все пере­довые технологии микроконтроллеров: электрически программируемые пользо­вателем ППЗУ, минимальное энергопотребление, высокую производительность, хорошо развитую RISC –архитектуру, функциональную законченность и минималь­ные размеры. Широкая номенклатура изделий обеспечивает использование мик­роконтроллеров в устройствах, предназначенных для разнообразных сфер при­менения.

В конце 1980–х годов фирма  Microchip выпустила МК Р1С16С5х, которые осно­вали широко распространенное ныне семейство  PIC 16. Благодаря высокой производительности, малому потреблению и низкой стоимости это семейство с RISC –архитектурой составило серьезную конкуренцию выпускаемым в то время 8–разрядным МК с CISC–архитектурой. В основу концепции PIC была положена RISC –архитектура с системой простых однословных команд, выполняемых за один машинный цикл (команды перехода выполняются за два цикла). В процессе исполнения текущей команды происходит выборка из памяти следующей команды. Система команд базового семейства

PIC16C5X содержит только 33 команды. Производительность Р1С16С5х при частоте тактирования в 20 МГц составляет 5 MIPS (миллионов инструкций в секунду).

В настоящее время фирма Microchip выпускает пять семейств МК с RISC–ар­хитектурой:

● PIC15C5X включает недорогие контроллеры с минимальным набором перифе­рийных устройств;

● Р1С12Сххх содержит МК в миниатюрном 8–выводном корпусе со встроенным тактовым генератором и модулем 8–разрядного АЦП (для некоторых моделей);

● Р1С16х/7х/8х/9х объединяет МК с развитой периферией (таймеры–счетчики с опциями захвата/сравнения, широтно–импульсные модуляторы, аналоговые компараторы, АЦП, контроллеры последовательных интерфейсов);

● Р1С17С4х/5хх включает высокопроизводительные контроллеры с расширен­ной системой команд и обширной периферией. Микроконтроллеры этого се­мейства имеют встроенный аппаратный умножитель 8×8, выполняющий опе­рацию умножения за один машинный цикл;

● Р1С18Сххх — новое семейство МК с оптимизированным под использование Си–компилятора с RISC –ядром и частотой внутренней шины до 10 МГц.

Контроллеры фирма Atmel

Эта фирма производит два семейства мик­роконтроллеров: семейство АТ89, совместимое с фактическим промышленным стандартом MCS–51, и семейство высокопроизводительных RISC

–микроконтрол­леров АТ90 собственной архитектуры.

Характерной особенностью микроконтроллеров фирмы Atmel является Flash память программ, что обеспечивает быстроту программирования и уменьшение цикла разработки приложений.

Представленные в 1997 г. контроллеры семейства AVRAT90S содержат:

● мощный RISC–процессор с гарвардской архитектурой, обеспечивающей раз­дельный доступ к памяти программ и данных;

● АЛУ с аппаратным умножителем, 32 регистра общего назначения, параллель­ные порты, таймеры–счетчики, последовательные интерфейсы, АЦП, аналого­вые компараторы;

● базовый набор из 120 команд, большинство которых выполняется за один машинный цикл. Производительность ряда моделей составляет 20 MIPS.

Микроконтроллеры AVR подразделяются на три серии:

● tiny AVR — МК в 8–выводном корпусе низкой стоимости;

● classic AVR— основная серия контроллеров с производительностью до 16 MIPS, имеющих Flashпамять программ объемом до 8 Кбайт и статическое ОЗУ дан­ных 128…512 байт;

● mega AVR — МК с производительностью до 6 MIPS для сложных приложений, требующих большого объема памяти (FlashПЗУ до 128 Кбайт), ОЗУ до 4 Кбайт.

Контроллеры фирмы Scenix Semiconductor

Продукцией этой фир­мы являются высокоскоростные 8–разрядные микроконтроллеры SXс внутренней Flash памятью программ объемом 2К слов. Они выполнены с использованием статической КМОП технологии, обеспечивающей работу при тактовых частотах от 0 до 50 МГц. Их производительность достигает 50 MIPS. Аппаратные периферий­ные устройства могут быть заменены программными модулями. Такие модули, называемые виртуальными периферийными устройствами, позволяют уменьшить число компонентов и время разработки, увеличить гибкость проектов и, в конеч­ном счете, стоимость системы.

Контроллеры фирмы Zilog

Фирма Zilog выпускает развитое семейство универсальных микроконтроллеров Z8, а также специализированные микроконт­роллеры для дистанционного управления на инфракрасных лучах, контроллеры клавиатуры/мыши, контроллеры обработки голоса, цифровые телевизионные контроллеры, контроллеры с цифровыми сигнальными процессорами (DSP) и др. Микроконтроллеры фирмы Zilog с DSP являются недорогим вариантом для цело­го ряда задач по обработке сигналов.

Контроллеры фирмы Holtek

Микроконтроллеры базируются на высоко­эффективном RISC–подобном ядре и ориентированы на использование в каче­стве контроллеров вентиляторов, светильников, стиральных машин, игрушек и других устройств. Контроллеры имеют невысокую стоимость. Одной из основных отличительных особенностей ряда микроконтроллеров является наличие моделей с встроенными драйверами ЖКИ, что обеспечивает возможность построения оптимальных устройств с дисплейными функциями. 

Контроллеры фирмы Analog Devices

Семейство микроконтроллеров MicroConverter^Mэтой формы, соединяющих модули АЦП, ЦАП и микропроцессор­ное ядро, совместимое с MCS–51™ с Flash–памятью программ, представляет со­бой идеальное решение для полноценных систем сбора данных.