Микропроцессорные устройства РТС и их программное обеспечение, страница 6

Данная особенность была востребована в приложениях промышленной автоматики. Ещеодна ценная особенность состояла в 4 независимых наборах регистров, которые значительно уменьшализадержки при обработке прерываний, в сравнении с классическим использованием стека, применявшимсяранее.Универсальный асинхронный приёмопередатчик (УАПП,UART) может быть настроен для использования врежиме 9-бит данных, что делает возможным адресную приемо-передачу в многоточечном подключении наоснове RS-485 аппаратного протокола.8051-совместимые микроконтроллеры обычно имеют один или два УАПП (UART), два или три таймера, 128или 256 байт встроенной ОЗУ (16 байт которой имеют побитовую адресацию), от 512 байт до 128 Кбайтвстроенной памяти программ (ПЗУ), и иногда встречается использование EEPROM, адресуемой через«регистры специального назначения» (SFR = special function register).

Один машинный цикл оригинального8051 ядра занимает 12 временных тактов, а большинство инструкций выполняется за один или двамашинных цикла. При частоте тактового генератора, равной 12 МГц, 8051 ядро может выполнять 1 миллионопераций в секунду, выполняемых за один цикл, или 500 тысяч операций в секунду, выполняемых за двацикла.

Улучшенное 8051-совместимое ядро, которое в настоящее время распространено, выполняетмашинный цикл за шесть, четыре, два, или даже за один временной такт, и позволяет использовать тактовыегенераторы с частотой до 100 МГц, что позволило увеличить количество выполняемых операций в секунду.Все 8051 совместимые устройства, производимые SILabs, некоторые из производимых Dallas и немногие изпроизводимых Atmel имеют ядро с 1 тактом на машинный цикл.Еще более быстрые 8051 ядра, с 1 тактом на машинный цикл, организуются использованием ПЛИС, такихкак FPGA (скорость в диапазоне 130—150 МГц) или ASIC (скорость в диапазоне нескольких сотен МГц),при помощи специальной прошивки. Примеры можно увидеть на e8051.com.Общей особенностью в современных 8051-совместимых микроконтроллерах стало встраивание улучшенныхи дополнительных схем, таких как: автоматический сброс по падению питающего напряжения; встроенныетактовые генераторы; внутрисхемное программирование памяти программ; автозагрузчики долговременнойпамяти данных на основе EEPROM; I²C (стандарт 3-х проводной последовательной шины); SPI; USB хостинтерфейс; ШИМ-генераторы; аналоговых компараторов; АЦП и ЦАП преобразователей; часов реальноговремени; дополнительных таймеров и счетчиков; внутрисхемных отладчиков, дополнительных источниковпрерываний; расширенных энергосберегающих режимов.ПрограммированиеДля 8051 доступно несколько компиляторов с языка программирования Си, большинство из которыхподдерживает расширения языка для более эффективного использования особенностей 8051.

Например,программист может указать, в каком из шести типов памяти 8051 необходимо хранить переменную;компилятору можно указать, каким образом использовать переключаемые регистровые блоки и инструкциидля манипулирования отдельными разрядами регистров.

Для программирования 8051 используются идругие языки высокого уровня: Форт, Бейсик, Паскаль, PL/M и Modula-2, однако они не получили такогоширокого распространения как Си и ассемблер.Родственные контроллерыПредшественником контроллера 8051 был Intel 8048, который был применён в клавиатуре первогокомпьютера IBM PC — он конвертировал сигналы о нажатиях на клавиши в поток данных, передававшийсяпо последовательной линии в системный блок компьютера. Контроллер 8048, а также контроллеры,спроектированные на его базе, всё ещё применяются в клавиатурах начального уровня.Контроллер 8031 является урезанной версией Intel 8051: у него отсутствует встроенная память для храненияпрограммы.Контроллер 8052 является расширенной версией оригинального Intel 8051: он оснащён 256 байтамивнутреннего ОЗУ (вместо 128 байт 8051), 8 КБ ПЗУ (вместо 4 КБ), также ему добавлен третий 16-разрядныйтаймер. Контроллер 8032 аналогичен 8052, но не имеет встроенной памяти для хранения программы.Контроллеры 8052 и 8032 считаются устаревшими, так как почти все современные варианты 8051 оснащенытеми расширениями, которыми обладает 8052.Шина ISA.

Основные параметры. Стандарт PC-104.Впервые шина ISA появилась на компьютерах IBM PC/XT в 1981 году. Это была 8-разрядная шина счастотой до 8 МГц и скоростью передачи данных до 4 МБайт/с (передача каждого байта требовала минимумдвух тактов шины). Разъём состоял из 62 контактов, из которых 8 использовалось для данных, 20 — дляадреса, остальные — для управляющих сигналов, а также подачи напряжений питания (земля, +5 В, –5 В,+12 В и –12 В).В 1984 году шина была усовершенствована. Была удвоена разрядность данных (что повлекло удвоениепропускной способности) и добавлены четыре разряда адреса; кроме того, увеличилось число линийзапросов прерываний (IRQ) и запросов прямого доступа к памяти (DMA). Кроме того, в 16-разрядной шинеISA любое подключенное к ней устройство могло выступать в роли задатчика, т.е.

инициировать операциюобмена данными (в 8-разрядной шине задатчиками были только процессор и контроллер DMA). Дляподключения 16-разрядных устройств используются разъёмы, состоящие из двух частей: полностьюсовместимой с 8-разрядной шиной 62-контактной и новой 36-контактной.В 1988 консорциумом из девяти производителей компьютеров: (AST Research, Compaq, Epson, HewlettPackard, NEC, Olivetti, Tandy, Wyse и Zenith) была обнародована 32-разрядная архитектура системной шиныEISA.В 1993 году компании Intel и Microsoft усовершенствовали шину и разработали ISA PnP (Plug and Play),которая позволяла операционной системе самой определять назначаемое прерывание для устройства.Интерфейс ISA был основным на устаревших системах типа AT.

В новых корпусах форм-фактора ATX,выпускаемых с 1997 года, этот интерфейс часто отсутствует, а с начала века не интегрируется вовсе.В промышленности широкое распространение получила шина PC/104. Электрически она полностьюсовместима с шиной ISA, но отличается от неё конструкцией разъёмов.PC/104 — шина расширения (которая также дала название формату плат), созданная на базе 8-разрядноговарианта шины ISA.

Отличительной особенностью механического конструктива PC/104, являетсярасположение разъёмов не на краю платы, а перпендикулярно ей, что позволяет, устанавливать платы другна друга как бутерброды.Такая конструкция позволяет собрать до 3-6 плат в один большой «сэндвич» и разместить его в компактномгерметичном корпусе, который будет иметь большую ударопрочность. Подобный подход широкоприменяется в авионике, космонавтике, военной технике.С появлением шины PCI появился новый стандарт PC/104+ иногда называемый PC/104Plus, в которыйдобавлена шина PCI.

Платы PC/104 и PC/104+ совместимы между собой.Разъём для плат PC/104 и PC/104+ довольно часто устанавливают на боковую поверхность плат MicroPC идругих плат предназначенных для промышленных компьютеров, встроенных систем, телекоммуникации,цифровых приборов в качестве мезонинной платы. Это позволяет при отсутствии на стандартнойпроцессорной плате какого-либо нужного элемента (модулей аналогового или дискретного ввода-вывода,модема, датчика GPS, ГЛОНАСС, сетевого интерфейса промышленной сети, например CANbus), простодобавить на неё 1-2 платы PC/104 (+).

При этом решение получается очень компактным и отпадаетнеобходимость в разработке новой платы.НедостаткиНизкоскоростная шина ISA — морально устарела.Горячей замены плат не может быть в принципе, так как разобрать собранный «сэндвич» из платнепросто.ДостоинстваПолная совместимость с персональными компьютерамиМожно использовать в качестве мезонинной платыШина ISA очень хорошо изучена, много специалистовБольшая скорость обычно не требуется, при необходимости можно использовать PC/104+Большая ударопрочностьПоследовательные интерфейсы микропроцессорных систем.

Основы функционирования, сравнительныехарактеристики.Любой микроконтроллер предназначен для выполнения полезных функций по управлению или контролюфизическими параметрами конкретных объектов управления. Функции управления или контроля сводятся кобработке и последующему использованию цифровой двоичной информации, поступающей от объектовуправления по линиям связи от различных устройств сопряжения МК с объектом. В качестве такихустройств могут быть датчики различных аналоговых физических параметров и связанные с ниминормирующие преобразователи электрических сигналов, аналого-цифровые преобразователи, датчикицифровой информации и др. Со стороны вывода информации МК взаимодействует с цифровымииндикаторами, исполнительными механизмами, дисплеями, цифропечатающими устройствами и другимисредствами запоминания, хранения и использования результатов обработки информации.Соединение всего многообразия внешних устройств с шинами микроконтроллера осуществляется спомощью интерфейсов, которые следует понимать как унифицированное средство объединения различныхустройств в единую систему.

Любой интерфейс должен обеспечить решение следующих двух задач.Во-первых, интерфейс в своей аппаратной части должен обеспечить электрическое соединение различныхвнешних устройств с различными электрическими и конструктивными параметрами, с единой системой шинконкретного микроконтроллера. При этом должны быть учтены такие параметры, как количество линийсвязи, уровни и мощности электрических сигналов, длина и помехозащищенность линий связи.Во-вторых, интерфейс должен обеспечить гибкое программное управление всеми подключеннымивнешними устройствами. В этой части интерфейс должен обеспечить не только работоспособность ВУ, но исогласование по быстродействию различных ВУ и центрального МП.

Таким образом, под интерфейсомследует понимать унифицированное программно-аппаратное устройство, предназначенное для организацииобмена информацией между микропроцессором и внешними устройствами, объединенными в единуюсистему.По своему назначению интерфейсы бывают внутренними и внешними. Внутренний интерфейс объединяетБИС микропроцессора, модули памяти и средства управления вводом-выводом. Внешний интерфейсобеспечивает сопряжение информационных шин МК с внешними устройствами.В практике создания микропроцессорных систем управления используются два типа системногоинтерфейса: интерфейс с изолированными шинами и интерфейс с совмещенными шинами.Интерфейс с изолированными (адресными) шинами.Отличительной особенностью этого интерфейса является раздельная адресация памяти и внешнихустройств. Так, при адресации памяти в системах, построенных на базе МП КР580 (рис.