Память микроконтроллеров. Регистровая память

Можно выделить три основных вида памяти, используемой в микроконтрол­лерах:

● память программ, которая представляет собой постоянную память, пред­назначенную для хранения программного кода и констант. Эта память не из­меняет своего содержимого в процессе выполнения программы;

● память данных, предназначенная для хранения переменных (результатов) в ходе выполнения программы;

● регистровая память, состоящая из внутренних регистров микроконтроллера. Рассмотрим особенности каждого из перечисленных видов памяти.

Память программ.

Необходимость такой памяти вызвана тем, что микроконт­роллер не содержит таких устройств памяти, как винчестер в компьютере, с кото­рого загружается исполняемая программа. Поэтому код программы должен по­стоянно храниться в микроконтроллере.

Все типы памяти программ относятся к энергонезависимой памяти, или постоянной памяти (ПЗУ), содержимое которой сохраняется после выключения питания микроконтроллера.

В процессе выполне­ния программа считывается из этой памяти, а блок управления (дешифратор команд) обеспечивает ее декодирование и выполнение необходимых операций. Содержимое памяти программ не может меняться (перепрограммироваться) во время выполнения программы. Поэтому функциональное назначение микроконт­роллера не может измениться, пока содержимое его памяти программ не будет стерто (если это возможно) и перепрограммировано (заполнено новыми коман­дами).

Следует обратить внимание, что разрядность микроконтроллера (8, 16 или 32 бит) указывается в соответствии с разрядностью его шины данных.

Когда го­ворится, что устройство является 8–разрядным, это означает разрядность дан­ных, которые способен обрабатывать микроконтроллер.

В Гарвардской архитектуре команды могут иметь большую разрядность, чем данные, чтобы дать возможность считывать за один такт целую команду. Напри­мер, микроконтроллеры PIC в зависимости от модели используют команды с раз­рядностью 12, 14 или 16 бит. В микроконтроллерах AVR команда всегда имеет разрядность 16 бит. Однако все эти микроконтроллеры имеют шину данных раз­рядностью 8 бит.

В устройствах с Принстонской архитектурой разрядность данных обычно оп­ределяет разрядность (число линий) используемой шины. В микроконтроллерах Motorola 68НС05 24–разрядная команда размешается в трех 8–разрядных ячейках памяти программ. Для полной выборки такой команды необходимо произвести три цикла считывания этой памяти.

Выделим и рассмотрим пять типов энергонезависимой резидентной памяти, или постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), используемых для хранения про­грамм.

Масочная память.

Масочные ПЗУ (Mask–ROMили просто ROM) изготавли­ваются на этапе производства микроконтроллеров для полностью отлаженной программы. На стеклянном фотошаблоне при использовании программы созда­ется рисунок маски. Полученный фотошаблон с маской используется для форми­рования соединений между элементами, из которых состоит память программ.

Первые масочные ПЗУ появились в начале 1960–х годов и находят применение до настоящего времени благодаря таким достоинствам как низкая стоимость при массовом производстве изделий и высокая надежность хранения программ.

Недостатки масочных ПЗУ — любое изменение прикладной программы связано со значительными затратами средств и времени на создание нового комплекта фотошаблонов и их внедрение в производство.

Однократно программируемая память.

Эта память (One–Time Program­ mable ROM — OTPROM ) программируется пользователем и в исходном состоянии содержит ячейки с единичными битами. Программированию подлежат только те ячейки памяти, содержимое которых должно принять значение 0. Для этого на ячейку памяти подают последовательность импульсов повышенного напряжения.

Уровень напряжения, число импульсов и их временные параметры должны строго соответствовать техническим условиям. После записи нуля восстановить единич­ное значение невозможно. По этой причине память получила название однократ­но программируемых ПЗУ. Однако следует указать на возможность допрограммирования (не тронутых) ячеек с единичными битами.

Микроконтроллеры с одно­кратно программируемым ПЗУ используются в изделиях, выпускаемых небольши­ми партиями.

Репрограммируемая память с ультрафиолетовым стиранием.

Ячейка памяти с ультрафиолетовым стиранием (Erasable Programmable ROM — EPROM) представляет собой ЛИПЗМОП (лавинно–инжекционный с плавающим затвором) транзистор. В исходном состоянии (до записи) при обращении к ячей­ке считывается логическая единица. Программирование памяти сводится к запи­си в соответствующие ячейки логических нулей. Память ЕР ROM допускают много­кратное программирование, технология которого подобна технологии однократно программируемых ПЗУ.

Перед каждым сеансом программирования выполняется операция стирания для восстановления исходного состояния ячеек памяти. Для этого в корпусе мик­роконтроллера предусмотрено специальное окно, которое облучается ультрафио­летовыми лучами. Число сеансов стирания/программирования ПЗУ составляет 25–100 раз при соблюдении технологии программирования (заданные значения питающих напряжений, число и длительность импульсов) и технологии стирания (волновой диапазон источника ультрафиолетового излучения).

Микроконтролле­ры с памятью EPROM из–за высокой стоимости применяются в опытных образцах разрабатываемых приложений.

Для уменьшения цены микросхемы EPROM заклю­чают в корпус без окошка (версия EPROM с однократным программированием). Благодаря снижению стоимости версии EPROM часто используются вместо масочно–программируемых ROM.

Репрограммируемая память с электрическим стиранием.

В ка­честве элемента памяти с электрическим стиранием (Electrically Erasable Pro ­grammable ROM — EEPROM или E2 PROM) используется транзистор со структурой МНОП (Металл, Нитрид кремния, Окисел кремния, Полупроводник), благодаря чему ПЗУ имеет сравнительно низкую стоимость (по отношению к EPROM) и до­пускает максимальное число циклов стирания/программирования 10⁴–10⁶. Кроме того, технология программирования памяти EEPROM позволяет реализовать побайтное стирание и побайтное программирование, не снимая контроллер с платы, что позволяет периодически обновлять его программное обеспечение.

Несмотря на указанные достоинства, этот тип памяти не получил широкого распространения для хранения программ по двум причинам:

● ПЗУ типа EEPROM имеют ограниченную емкость;

● появились ПЗУ типа FLASH , которые имеют близкие пользовательские харак­теристики, но более низкую стоимость.

Память типа FLASH.

Электрически программируемая и электрически сти­раемая память типа FLASH (FLASH ROM) создавалась как альтернатива между де­шевыми однократно программируемыми ПЗУ большой емкости и дорогими EEPROM ПЗУ малой емкости. Память FLASH (как и EEPROM) сохранила возмож­ность многократного стирания и программирования.

Из схемы ПЗУ изъят тран­зистор адресации каждой ячейки, что, с одной стороны, лишило возможности программировать каждый бит памяти отдельно, с другой стороны, позволило уве­личить объем памяти. Поэтому память типа FLASH стирается и программируется страницами или блоками.

Таким образом, функционально FLASH –память мало отличается от EEPROM. Основное отличие состоит в способе стирания записанной информации: если в EEPROM–памяти стирание производится отдельно для каждой ячейки, то во FLASH –памяти — целыми блоками. В микроконтроллерах с памятью EEPROM при­ходится изменять отдельные участки программы без необходимости перепро­граммирования всего устройство.

В настоящее время МК с FLASH начинают вытеснять МК с однократно про­граммируемым (и даже масочным) ПЗУ.

Программирование ПЗУ.

Отметим, что Mask ROM –память программируется только в заводских условиях при изготовлении МК. Память типа OTPROM и EPROM предоставляет разработчику возможности программирования с исполь­зованием программатора и источника повышенного напряжения, которые под­ключаются к соответствующим выводам МК.

Память EEPROM и FLASH относится к многократно программируемой, или репрограммируемой, памяти. Необходимое для стирания/программирования по­вышенное напряжение питания создается в модулях EEPROM и FLASH –памяти со­временных контроллеров с помощью встроенных схем усиления напряжения, на­зываемых генераторами накачки. Благодаря реализации программного управления включением и отключением генератора накачки появилась принципиальная возможность осуществить программирование или стирание ячеек памяти FLASH и EEPROM в составе разрабатываемой системы. Такая технология программиро­вания получила название программирования в системе (In System Programming — ISP).

Она не требует специального оборудования (программаторов), благодаря чему сокращаются расходы на программирование. Микроконтроллеры с ISP–па­мятью могут быть запрограммированы после их установки на плату конечного из­делия.

Рассмотрим, как реализуется (и используется) возможность программирова­ния EEPROM–памяти под управлением прикладной программы. Если программу с алгоритмом программирования хранить в отдельном модуле памяти с номи­нальным питающим напряжением, а EEPROM–память снабдить генераторами накачки, то можно произвести ISP–программирование EEPROM –памяти. Данное обстоятельство делает EEPROM –память идеальным энергонезависимым запоми­нающим устройством для хранения изменяемых в процессе эксплуатации изде­лия настроек пользователя. В качестве примера можно привести современный телевизор, настройки каналов которого сохраняются при отключении питания.

Поэтому одной из тенденций совершенствования резидентной памяти 8–раз­рядных МК стала интеграция на кристалл МК двух модулей энергонезависимой памяти: FLASH (или OTP ) — для хранения программ и EEPROM — для хранения перепрограммируемых констант.

Рассмотрим технологию (ре)программирования FLASH –памяти с встроенным генератором накачки под управлением прикладной программы. Прежде всего, отметим два обстоятельства:

● если для хранения перепрограммируемых констант в МК встроена память EEPROM, то попрограммирование нескольких бит FLASH –памяти при эксплуа­тации готового изделия не имеет смысла. При необходимости лучше сразу использовать режим репрограммирования;

● не следует программу программирования FLASH –памяти хранить в самой FLASH –памяти, так как переход в режим программирования приведет к невоз­можности дальнейшего ее считывания. Программа программирования долж­на располагаться в другом модуле памяти.

Для реализации технологии программирования в системе выбирается один из оследовательных портов МК, обслуживание которого осуществляет специальная программа монитора связи, расположенная в резидентном масочном ПЗУ МК. Через последовательный порт персональный компьютер загружает в ОЗУ МК про­грамму программирования и прикладную программу, которая затем заносится в память FLASH. Так как резидентное ОЗУ МК имеет незначительный объем, то прикладная программа загружается отдельными блоками (порциями). Если в МК установлен модуль масочной памяти с программой программирования, в ОЗУ загружается только прикладная программа.

Микроконтроллеры, реализующие технологию программирования в системе, часто имеют в своем составе четыре типа памяти:

FLASH –память программ, Mask ROM –память монитора связи, EEPROM –память для хранения изменяемых кон­стант и ОЗУ промежуточных данных.

Технология программирования в системе в настоящее время все шире ис­пользуется для занесения прикладных программ в микроконтроллеры, располо­женные на плате конечного изделия. Ее достоинство — отсутствие программато­ра и высокая надежность программирования, обусловленная стабильностью за­данных внутренних режимов МК.

В качестве примера приведем показатели резидентной FLASH –памяти МК се­мейства НС08 фирмы Motorola:

● гарантированное число циклов стирания/программирования — 10⁵;

● гарантированное время хранения записанной информации — 10 лет, что практически составляет жизненный цикл изделия; модули FLASH –памяти работают и программируются при напряжении питания МК от 1,8 до 2,7 В;

● эквивалентное время программирования 1 байта памяти — 60 мкс.

Память данных.

В качестве резидентной памяти данных используется стати­ческое оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), позволяющие уменьшать частоту тактирования до сколь угодно малых значений. Содержимое ячеек ОЗУ (в отличие от динамической памяти) сохраняется вплоть до нулевой частоты. Еще одной особенностью статического ОЗУ является возможность уменьшения на­пряжения питания до некоторого минимально допустимого уровня, при котором программа управления микроконтроллером не выполняться, но содержимое в ОЗУ сохраняется.

Уровень напряжения хранения имеет значение порядка одно­го вольта, что позволяет для сохранения данных при необходимости перевести МК на питание от автономного источника (батарейки или аккумулятора). Некото­рые МК (например, DS5000 фирмы Dallas Semiconductor) имеют в корпусе авто­номный источник питания, гарантирующий сохранение данных в ОЗУ на протяжении 10 лет.

Характерной особенностью микроконтроллеров является сравнительной не­большой объем (сотни байт) оперативной памяти (ОЗУ), используемой для хране­ния переменных. Это можно объяснить несколькими факторами:

● стремлением к упрощению аппаратных средств МК;

● использованием при написании программ некоторых правил, направленных на сокращение объема памяти ОЗУ (например, константы не хранятся как переменные);

● распределением ресурсов памяти таким образом, чтобы вместо размещения данных в ОЗУ максимально использовать аппаратные средства (таймеры, ин­дексные регистры и др.);

● ориентацией прикладных программы на работу без использования больших массивов данных.

Особенности стека.

В микроконтроллерах для организации вызова под­программ и обработки прерываний выделяется часть памяти ОЗУ, именуемая стеком. При этих операциях содержимое программного счетчика и основных ре­гистров (аккумулятора, регистра состояния, индексных и других регистров) со­храняется, а при возврате к основной программе восстанавливается. Напомним, что стек работает по принципу: последний пришел — первый ушел (Last In , First Out—LIFO).

В Принстонской архитектуре ОЗУ используется для реализации многих аппа­ратных функций, включая функции стека. В адресном пространстве памяти выде­лены отдельные области для команд, регистров общего назначения, регистров специальных функций и др. Это снижает производительность контроллера, так как обращения к различным областям памяти не могут выполняться одновремен­но.

Микропроцессоры с Гарвардской архитектурой могут параллельно (одновре­менно) адресовать память программ, память данных (включающую пространство ввода–вывода) и стек.

Например, при активизации команды вызова подпрограм­мы CALL выполняется несколько действий одновременно.

В Принстонской архитектуре при выполнении команды CALL следующая ко­манда выбирается только после того, как в стек будет помещено содержимое программного счетчика.

Из–за небольшой емкости ОЗУ в микроконтроллерах обеих архитектур могут возникнуть проблемы при выполнении программы:

● если выделен отдельный стек, то после его заполнения происходит цикличе­ское изменение содержимого указателя стека, в результате чего указатель стека начинает ссылаться на ранее заполненную ячейку стека. Поэтому после слишком большого количества команд CALL в стеке окажется неправильный адрес возврата, который был записан вместо правильного адреса;

● если микропроцессор использует общую область памяти для размещения данных и стека, то при переполнении стека произойдет затирание данных. Рассмотрим особенности сохранения в стеке содержимого регистров, обус­ловленные отсутствием команд загрузки в стек (PUSH) и извлечения из стека (POP). В таких микроконтроллерах вместо команды PUSH и POP используются две команды и индексный регистр, который явно указывает на область стека. После­довательность команд должна быть такой, чтобы прерывание между первой и второй командой не привело к потере данных. Ниже приведена имитация команд PUSH и POP с учетом указанного требования.

PUSH ; Загрузить данные в стек decrement index; Перейти к следующей ячейке стека move [ index], асе ; Сохранить содержимое аккумулятора в стеке POP ; Извлечь данные из стека move асе, [index]; Поместить значение стека в аккумулятор increment index ; Перейти к предыдущей ячейке стека

Если после первой команды программа будет прервана, то после выполнения обработки прерывания содержимое стека не будет потеряно.

Регистровая память.

Микроконтроллеры (как и компьютерные системы) име­ют множество регистров, которые используются для управления различными внутренними узлами и внешними устройствами. К ним относятся:

● регистры процессорного ядра (аккумулятор, регистры состояния, индексные регистры);

● регистры управления (регистры управления прерываниями, регистры управ­ления таймером);

● регистры ввода/вывода данных (регистры данных и регистры управления па­раллельным, последовательным или аналоговым вводом/выводом).

По способу размещения регистров в адресном пространстве можно выделить:

● микроконтроллеры, в которых все регистры и память данных располагаются в одном адресном пространстве, т. е. регистры совмещены с памятью дан­ных. В этом случае устройства ввода–вывода отображаются на память;

● микроконтроллеры, в которых устройства ввода/вывода отделены от общего адресного пространства памяти. Основное достоинство способа размещения регистров ввода–вывода в отдельном пространстве адресов — упрощается схема подключения памяти программ и данных к общей шине. Отдельное пространство ввода–вывода дает дополнительное преимущество процессо­рам с Гарвардской архитектурой, обеспечивая возможность считывать коман­ду во время обращения к регистру ввода–вывода.

Способы обращения к регистрам оказывают существенное влияние на их про­изводительность. В процессорах с RISC–архитектурой все регистры (часто и аккумулятор) располагаются по явно задаваемым адресам, что обеспечивает более высокую гибкость при организации работы процессора.

О внешней памяти.

В тех случаях, когда для разрабатываемых приложений не хватает резидентной памяти программ и памяти данных, к микроконтроллеру подключается дополнительная внешняя память. Известны два основных способа:

● подключение внешней памяти с использованием шинного интерфейса (как в микропроцессорных системах). Для такого подключения многие микроконт­роллеры имеют специальные аппаратные средства;

● подключение памяти к устройствам ввода–вывода, При этом обращение к па­мяти осуществляется через эти устройства программными средствами. Такой способ позволяет использовать простые устройства ввода/вывода без реали­зации сложных шинных интерфейсов. Выбор способа зависит от конкретного приложения.