2-656-1400428110-1 (Микроконтроллеры. Назначение. Общие свойства архитектуры. Особенности микроконтроллеров различных фирм)

1. Микроконтроллеры. Назначение. Общие свойства архитектуры. Особенности микроконтроллеров различных фирм производителей. Управляющие восьмиразрядные микроконтроллеры семейства MCS-51 фирмы Intel и совместимые с ними.

Микропроцессор

Микропроцессор (МП) — это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации — ее перемещения, осуществления арифметических и логических операций по командам, которые он считывает из памяти.

Последовательность команд называется программой.

В 1970 году М.Э. Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ — первый микропроцессор Intel-4004, который уже в 1971 году был выпущен в продажу.

Микропроцессор включает в себя:

• арифметическо-логическое устройство (АЛУ), которое служит для осуществления собственно арифметических и логических операций: арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, деление и т.д.). Логической операцией именуют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции И, ИЛИ, НЕ и т.д.).

• регистры общего назначения (РОН), которые используются для хранения информации — сверхоперативного запоминающего устройства. Регистры предназначены для хранения операндов в процессе выполнения операций и функциональных схем, необходимых для выполнения преобразования операндов при передаче их с одного регистра на другой. Количество и назначение РОН в МП зависят от его архитектуры.

• аккумулятор — регистр, из которого берется одно из чисел, с которыми производятся арифметические или логические операции. В него помещается результат;

• счетчик адреса команд, в котором хранится адрес ячейки памяти, в которой записан код текущей команды;

• регистр флагов или условий — в него помещаются сведения об особенностях результата выполнения арифметических или логических операций, например, нулевой результат, переполнение (перенос), четность и пр.;

• регистр адреса стека, в котором записан адрес последний занятой под стек ячейки памяти;

• блок управления шинами микропроцессорной системы, схемы формирующей сигналы на внешних шинах микропроцессора и, тем самым, управляющей микропроцессорной системой;

• блок дешифрирования кодов команд.

• Таймер-счетчик — предназначен для подсчета внутренних событий, для получения программно-управляемых временных задержек и для выполнения времязадающих функций МП.

• ОЗУ — служит для приема, хранения и выдачи информации, используемой в процессе выполнения программы.

• ПЗУ — служит для выдачи констант, необходимых при обработке данных в АЛУ.

• КЭШ-память — хранит внутри МП копии тех команд операндов и данных, к которым производились последние обращения МП. Если МП необходимо считать данные, имеющиеся в КЭШ, то она их представляет, и нет необходимости обращаться к внешней памяти. В КЭШ помещаются результаты вычислений.

• ША, ШД, ШУ (адреса, данных, управления) — группы линий, по которым передается однотипная информация.

• Шинный интерфейс — выполняет функции согласования действий между внутренними устройствами МП и внешней системой, т.е. управляет потоками и форматами данных между МП и внешними устройствами.

В тех случаях, когда память и средства ввода/вывода размещаются на той же подложке интегральной схемы, что и микропроцессор, последний превращается в микроконтроллер. Более подробный анализ позволяет определить микроконтроллеры как устройства, имеющие память RAM

или ROM вместо кэш-памяти, присутствующей обычно в большинстве периферийных устройств. В противоположность микроконтроллерам, микропроцессоры имеют устройство управления памятью и большой объем кэш-памяти. Иногда разница определяется производительностью или разрядностью.

Основные характеристики микропроцессора

Микропроцессор характеризуется:

1. тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов;

2. разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

3. архитектурой

Разрядность МП обозначается m:n:k и включает:

• m — разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

• n — разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;

• k — разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m:n:k=16:8:20;

Архитектура МП дает представление о функциональном поведении логической структуры и ее организации (взаимодействие отдельных узлов и блоков МП при выполнении тех или иных вычислительных операций), определяет особенности построения программных средств, описывает внутреннюю организацию потоков данных и управляющей информации.

Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.

В зависимости от набора и порядка выполнения команд процессоры исторически сформировались несколько классов.

Архитектуры микропроцессора — RISC и CISC.

Основные черты CISC-концепции:

Ранее других появились процессоры CISC. Термин CISC означает сложную систему команд и является аббревиатурой английского определения Complex Instruction Set Computer. Благодаря этому процессоры выполняют самые разнообразные задачи обработки данных.

При разработке набора команд CISC заботились об удобстве программиста/компилятора, а не об эффективности исполнения команд процессором. В систему команд вводили много сложных команд (производящих по несколько простых действий). Часто эти команды представляли собой программы, написанные на микрокоде и записанные в ПЗУ процессора. Команды CISC имеют разную длину и время выполнения. Зато машинный код CISC-процессоров — язык довольно высокого уровня. В наборе команд CISC часто присутствуют, например, команды организации циклов, команды вызова подпрограммы и возврата из подпрограммы, сложная адресация, позволяющая реализовать одной командой доступ к сложным структурам данных. Основной недостаток CISC — большая сложность реализации процессора при малой производительности.

Примеры CISC-процессоров — семейство Motorola 680x0 и процессоры фирмы Intel от 8086 до Pentium II. Наиболее известные микроконтроллеры с CISC-архитектурой фирм Zilog, Intel, Motololla, Siemens.

Основные черты RISC-концепции:

Со временем стало необходимо повысить скорость работы процессоров. Одним из путей к этому стал процессор RISC, который характеризуется сокращенным набором быстро выполняемых команд и происходит от английского Reduced Instruction Set Computer.

• одинаковая длина команд;

• одинаковый формат команд — код команды регистр-приемник два регистра-источника;

• операндами команд могут быть только регистры;

• команды выполняют только простые действия;

• большое количество регистров общего назначения (могут быть использованы любой командой);

• конвейер(ы);

• выполнение команды не дольше, чем за один такт;

• простая адресация.

К RISC процессорам причисляют MIPS, SPARC, PowerPC, DEC Alpha, HP PA-RISC, Intel 960, AMD 29000. RISC-концепция предоставляет компилятору большие возможности по оптимизации кода. Существуют стандарты на RISC-процессоры, например SPARC — Scalable Processor ARChitecture, MIPS, PowerPC часто их называют открытыми архитектурами. Наиболее известные микроконтроллеры с RISC-архитектурой это семейства AT90S, ATMega, ARM фирмы Atmel, микроконтроллеры фирм PIC, Scenix, Holtek.

Сравнение архитектур

Основная идея RISC-архитектуры — это тщательный подбор таких комбинаций кодов операций, которые можно было бы выполнить за один такт тактового генератора. Основной выигрыш от такого подхода — резкое упрощение аппаратной реализации ЦП и возможность значительно повысить его производительность.

Однако обычно выигрыш от повышения быстродействия в рамках RISC-архитектуры перекрывает потери от менее эффективной системы команд, что приводит к более высокой эффективности RISC-систем в целом по сравнению с CISC. Так, в процессоре CISC для выполнения одной ко-

манды необходимо, в большинстве случаев, 10 и более тактов. Что же касается процессоров RISC, то они близки к тому, чтобы выполнять по одной команде в каждом такте. Также с упрощением ЦП уменьшается число транзисторов, необходимых для его реализации, следовательно, уменьшается площадь кристалла. А с этим связано снижение стоимости и потребляемой мощности.

Следует также иметь в виду, что благодаря своей простоте процессоры RISC не патентуются. Это также способствует их быстрой разработке и широкому производству. Между тем, в сокращенный набор RISC вошли только наиболее часто используемые команды. Ряд редко встречающихся команд процессора CISC выполняется последовательностями команд процессора RISC. Позже появилась концепция процессоров MISC, использующая минимальный набор длинных команд. Вслед за ними возникли процессоры VLIW, работающие со сверхдлинными командами. Быстродействие процессоров определяется в миллионах операций в секунду MIPS.

Память в микропроцессорных устройствах

В микропроцессорных устройствах память служит для хранения исходных данных программ обработки информации промежуточных и окончательных результатов вычисления.

Выделяют два основных типа памяти:

• ОЗУ — оперативное запоминающее устройство, используемое для хранения данных, поэтому эту память называют еще памятью данных. Число циклов чтения и записи в ОЗУ не ограничено, но при отключении питающего напряжения вся информация теряется; В современных микропроцессорах память ОЗУ представляет собой многоуровневую систему, в которой выделяют уровни сверхоперативной памяти (СОЗУ), ОЗУ, буферной памяти (БЗУ) и внешней памяти (ВЗУ). Каждый последующий уровень отличается от предыдущего емкостью и быстродействием.

• Емкостью называется максимальное количество информации, которая может быть записана в память.

• Быстродействие характеризуется длительностью операций чтения и записи — двух основных операций, выполняемых памятью. Для указанных уровней памяти емкость растет в направлении от СОЗУ к ВЗУ, а быстродействие в противоположном направлении.

• ПЗУ — постоянное запоминающее устройство, предназначенное для хранения программ, поэтому часто эту память называют кодовой или памятью программ. Микросхемы ПЗУ способны сохранять информацию при отключенном электропитании, но могут быть запрограммированы только один или очень ограниченное число раз.

ATMEL

Микроконтроллеры изготавливаются по КМОП (CMOS) технологии и имеют полностью статическую структуру. Базовая структура микроконтроллеров совпадает с базовой структурой микроконтроллеров семейства MCS-51 и отечественных микроконтроллеров серий 1816/51 и 1830/51, однако микроконтроллеры многих типов содержат новые запоминающие и периферийные устройства, а некоторые устройства базовой структуры имеют иные характеристики. В число «старых» устройств входят:

• запоминающие: внутреннее постоянное запоминающее устройство (Internal ROM, IROM), предназначенное для хранения команд программы и констант, и внутреннее оперативное запоминающее устройство (Internal RАM, IRАM), предназначенное для хранения данных. IROM представляет собой репрограммируемое запоминающее устройство с электрическим стиранием записи, выполненное по Flash технологии. IROM выдерживает до 1000 циклов перепрограммирования. IRAM является статическим оперативным запоминающим устройством.

• периферийные устройства: восьмиразрядные параллельные порты ввода-вывода Р0, Р1, Р2, Р3, последовательный порт SP, таймеры-счетчики Т/С0, Т/С1, Т/С2 и контроллер прерываний.

Микроконтроллеры некоторых типов имеют «новое» запоминающее устройство - внутреннее репрограммируемое запоминающее устройство для хранения данных (Internal Data ROM, IDROM). Первоначальная запись данных в IDROM производится при программировании микроконтроллера. В процессе выполнения программы обращения к IDROM для чтения и записи выполняются с использованием команд с мнемокодами операции MOVX. После обращения для записи в IDROM выполняется цикл записи длительностью несколько мс, в течение которого новое обращение к IDROM невозможно. «Новыми» периферийными устройствами являются блок последовательного периферийного интерфейса (SPI), сторожевой таймер (WDT) и аналоговый компаратор (АС).

Блок SPI предназначен для последовательного ввода и вывода данных с использованием трех шин. При этом микроконтроллер может работать в качестве ведущего или ведомого устройства, а микроконтроллер типа АТ89S4D12 - только в качестве ведомого. Блок SPI может быть использован также для программирования микроконтроллера после установки его в аппаратуру. Сторожевой таймер WDT предназначен для перезапуска программы при появлении сбоев в ходе ее выполнения. Программа, работающая без сбоев, периодически сбрасывает сторожевой таймер, не допуская его переполнения.

Аналоговый компаратор сравнивает по величине напряжения сигналы, поступающие на входы Р1.0 и Р1.1. Результат сравнения подается на вход Р3.6, не имеющий внешнего вывода.