Микроконтроллеры РICОбщие сведения

История создания PIC–контроллеров. Прообразом контроллеров семейства PIC с RISC–архитектурой послужил периферийный контроллер (Peripheral Interface ControllerPIC), разработанный в 1975 году отделением компании General Instrument Microelectronics Inc для поддержки ввода–вывода 16–разрядного про­цессора. Поскольку к контроллеру не предъявлялось высоких требований по об­работке данных, он имел ограниченный набор команд, при этом почти все команды в нем выполнялись за один машинный цикл. Другая особенность контроллера — использование Гарвардской архитектуры, основанной на разделении шин и обла­стей памяти для данных и команд.

Позже отделение компании General Instrument выделилось в самостоятельную фирму (Microchip Technology Ltd.), которая в конце 1980–х годов разработала и изготовила первые модели микроконтроллеров семейства Р1С16С5х. Дальней­шее развитие и совершенствование контроллеров шло по пути расширения со­става периферийных устройств и набора команд, совершенствования технологии и улучшения характеристик. За прошедшие годы фирмой выпущено несколько семейств PIC, каждое из которых постоянно пополняется новыми моделями (вер­сиями).

Обзор PIC–контроллеров. В настоящее время фирма Microchip выпускает пять семейств микроконтроллеров:

●     PIC16C5X включает недорогие контроллеры с минимальным набором периферийных устройств:

●     РIС12Сххх содержит МК в миниатюрном 8–выводном корпусе со встроенным тактовым генератором и модулем 8–разрядного АЦП (для некоторых моделей);

●     РIС16х/7х/8х/9х объединяет МК с развитой периферией (таймеры–счетчики с опциями захвата/сравнения, широтно–импульсные модуляторы, аналоговые компараторы, АЦП, контроллеры последовательных интерфейсов);

●     РIC17С4х/5хх включает высокопроизводительные МК с расширенной систе­мой команд и обширной периферией. Микроконтроллеры этого семейства имеют встроенный аппаратный умножитель 8r8, выполняющий операцию ум­ножения за один машинный цикл;

●     РIС18Сххх — новое семейство с оптимизированным под использование Си–компилятора RISC–ядром и частотой внутренней шины до 10 МГц.

Потребителям предоставляются три модели микроконтроллеров семейства PICMicro с различными сочетаниями характеристик и свойств.

Младшие модели. К ним относятся МК серии 16С5х и 8–выводные МК серии 12С5хх, которые реализуют нижний уровень возможностей микроконтроллеров семейства PICMicro и используются для создания небольших и простых приложе­ний. Они выполняют подмножество команд старших моделей и программно со­вместимы с ними. Младшие модели сыграли большую роль в развитии семейства PICMicro. Однако ограниченные возможности обработки прерываний, малый объем доступной памяти программ и RAM, отсутствие внутрисистемного про­граммирования и портов ввода/вывода с расширенными функциями, снижение стоимости технологических затрат явились причинами перехода к моделям мик­роконтроллеров среднего уровня, которые продавались по такой же (и даже бо­лее низкой) цене, как и МК младших моделей.

Средние модели. Модели среднего уровня образуют законченную линию микроконтроллеров (серия 16Схх) с множеством различных функций и получили наиболее широкое распространение. Они имеют такую же базовую архитектуру, как микроконтроллеры младших моделей, но существенно отличаются возможно­стями обработки прерываний.

Старшие модели. Микроконтроллеры старших моделей (серии 17Схх) раз­рабатывались для взаимодействия с другими цифровыми устройствами. Поэтому в них отсутствуют имеющиеся в моделях среднего уровня АЦП и устройства для подключения датчиков. В контроллерах используются 16–битные команды, спо­собные адресовать по 128К байт памяти программ и памяти данных (64К слов по 16 бит). Для чтения/записи памяти программ в МК используется модифицированное ядро центрального процессора, позволяющее различным командам обращаться ко всем регистрам процессора. Это повышает гибкость микроконтроллеров и расширяет области их применения. Младшие и средние модели такой возможно­стью не обладают. Кроме того, в старших моделях PICMicro имеется несколько векторов прерываний, в то время как в микроконтроллерах среднего уровня ис­пользуется только один вектор прерывания.

Характеристики контроллеров. Следует отметить, что различный аппарат­ный состав и характеристики имеют не только микроконтроллеры разных се­мейств, но и модели (версии) одного семейства. Однако общим для большинства моделей контроллеров является:

●     RISC–архитектура (с двухступенчатым конвейером), обеспечивающая выпол­нение большинства команд процессора за один машинный цикл;

●     Гарвардская архитектура (с раздельными шинами данных и программ), обес­печивающая одновременный доступ к памяти данных и программ;

●     КМОП технология, обеспечивающая:

•      полностью статический режим работы, при котором остановка тактового генератора не приводит к потере логических состояний внутренних узлов;

•      широкий диапазон напряжений питания (2...6 В) и температур (–40...+70 °С);

•      малое энергопотребление;

●     наличие таймера–счетчика с программируемым предварительным делителем, сторожевого таймера с встроенным RС–генератором, таймера–счетчика реаль­ного времени — ТМR0, регистра состояния — STATUS; регистра косвенной адресации — FSR и др.

●     прямой и косвенный режимы адресации; режим пониженного энергопотреб­ления.

В качестве примера в табл. 6.1.1 приведены показатели МК средних моделей.

табл. 6.1.1

Достоинства контроллеров. К достоинствам микроконтроллеров PIC следу­ет отнести:

● высокую производительность, которая позволяет реализовывать различные устройства, работающие в реальном времени с большими скоростями (си­стемы управления автомобильными и электрическими двигателями, видеоиг­ры и др.). В частности, производительность РIС16С5х при частоте тактирова­ния в 20 МГц составляет 5 MIPS (Million Instruction Per Second — миллионов инструкций в секунду). Высокая производительность достигается благодаря использованию:

•      RISC–процессора, большинство команд которого выполняется за один ма­шинный цикл (команды перехода и операции табличного чтения выполня­ются за два цикла);

•      двухступенчатого конвейера, совмещающего выполнение текущей команды с выборкой из памяти следующей команды;

•      Гарвардской архитектуры, обеспечивающей одновременное считывание команд (12, 14 или 16 бит) и данных (8 или 1 бит);

●     малое энергопотребление, открывающее широкие возможности для создания устройств с батарейным питанием, питанием от телефонной линии, солнеч­ных батарей (мобильные телефоны, электронные сторожа и др.). Для микро­контроллеров PIC17, имеющих широкий набор аппаратных средств, потреб­ление тока составляет:

•      менее 5 мА при 5 В, 4 МГц;

•      100 мкА при 4,5 В, 32 кГц;

•      менее 1 мкА при 5 В в режиме ожидания;

    мощную поддержку разработок, которую осуществляет фирма Microchip.

В качестве средств поддержки разработчику приложений предоставлены ассемблер MPASM и макроассемблер, симулятор MPSIM, интегрированная система отладки для Windows MPLAB, программный, внутрисхемный и отла­дочный эмуляторы, универсальный программатор и компилятор С. Кроме того, имеются библиотеки для работы с фиксированной и плавающей точкой, с последовательным интерфейсом и с аналого–цифровым преобразователем, а также большое количество документированных примеров применения мик­роконтроллеров PIC в различных областях с исходными текстами. Обилие средств поддержки разработчика способствует сокращению сроков создания приложений;

●     совместимость, проявляющуюся в том, что программы для микроконтролле­ров более ранних семейств PIC16C5X и PIC16CXX могут быть легко перене­сены на семейство устройств PIC17CXX;

● разнообразие используемых способов программирования «внутри» каждого семейства PIC. Фирма Microchip выпускает:

•      микроконтроллеры с ультрафиолетовым стиранием, в которых память мо­жет быть очищена и контроллер перепрограммирован с помощью програм­матора PRO МАТЕ фирмы Microchip для функционирования в любом режи­ме, например, в режиме с использованием RC–генератора. Эти микроконт­роллеры предназначены для экспериментальных разработок и отладки программ;

•      однократно программируемые контроллеры (OneTime Programming PROMOTP), изготовленные в пластиковом корпусе, позволяют пользователю за­писать в память программу и биты конфигурации только один раз. Они применяются в тех случаях, когда нет необходимости часто менять со­держание программы или конфигурацию микроконтроллера в выпускаемом устройстве;

•      контроллеры, программируемые изготовителем по заказу пользователя (Quality TPQTP). Этот сервис, предлагаемый фирмой Microchip, пред­назначен для устоявшегося кода программы;

•      контроллеры с серийными номерами (SQTP), программируемые изготови­телем по заказу пользователя. В этих МК несколько определенных пользо­вателем ячеек содержат номер, уникальный для отдельного устройства. Серийный номер может быть случайным, псевдослучайным и последова­тельным. Его можно использовать как код доступа, пароль или идентифи­катор;

•      масочные контроллеры (ROM), в которых используются масочные ПЗУ. Та­кие контроллеры, имеющие низкую стоимость, изготавливаются для мас­сового потребителя или при больших объемах заказа;

●     высокую надежность, низкую стоимость и др.

Благодаря указанным достоинствам микроконтроллеры находят широкое и разнообразное применение.

Области применения. К основным областям применения РIС следует отнести:

●     компьютерные устройства (мыши, модемы, принтеры, плоттеры, сканеры, се­тевые карты и др.);

●     устройства связи (микро–АТС, автоответчики, АОНы, мобильные телефоны, факс–аппараты, радиомодемы, пейджеры и др.);

●     автомобильная электроника (автомобильная сигнализации, радарные детек­торы, системы управления зажиганием и впрыском топлива, приборные пане­ли и др.);

●     промышленные устройства (устройства управления электродвигателями, про­мышленные роботы, интеллектуальные датчики, регуляторы температуры, влажности, давления и др.);

●     бытовые устройства (аудио системы, СD–проигрыватели, системы сигнализа­ции, счетчики воды, газа и электроэнергии, устройства заряда батарей, иг­рушки и др.).

Мощная RISC–архитектура, однократно или многократно электрически пере­программируемые пользователем ПЗУ, минимальное энергопотребление, высо­кая производительность, минимальные размеры корпуса и низкая стоимость по­зволили микроконтроллерам РIС16/17 занять достойное место во многих обла­стях инженерных применений.

 

В других статьях раздела рассматриваются микроконтроллеры серии РIС16С5х, как наи­более доступные для понимания.