Гл3_06 (Раздаточный материал к курсовому проекту)

101ГЛАВА 3. ОДНОКРИСТАЛЬНЫЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ СЕМЕЙСТВА MCS513.1. Микропроцессоры и микроконтроллерыОднокристальные микроконтроллеры явились естественной эволюцией микропроцессоров применительно к нуждам систем автоматического управления. В отличие от типового микропроцессора, ориентированного на решение общих вычислительных задач, наобработку чисел с плавающей точкой, вынужденных обрабатывать огромные массивыинформации и т.п., микроконтроллер ориентирован на выполнение задач управления, где,как правило, переменных не столь же много, но обработку информации нужно вести строго привязано ко времени.1.

Микроконтроллер должен иметь развитые средства работы в «жестком» реальном времени. Должен иметь встроенную развитую таймерную систему.2. Микроконтроллер должен быть ориентирован на квазипараллельную обработкуинформации, иметь средства параллельно (или квазипараллельно) решать ряд относительно простых задач. Например, для регулировки температуры и давления в технологическойкамере, микроконтроллер должен параллельно вести два процесса:− измерить температуру в камере;− сравнить ее с требуемой температурой;− по рассогласованию рассчитать требуемое значение управляющего сигнала на блокэнергообеспечения нагревателя;− выдать этот сигнал на объект управления;− ждать период квантования до следующего запуска кванта управления нагревом.Период квантования зависит от характеристик управляемого процесса.

Мы еще будем рассматривать вопросы программирования САУ и рассмотрим вопросы выбора периода квантования. Пока только примем к сведению, что для инерционных процессов, ккоторым относится и конвективный нагрев, порядок периода квантования составляет десятки секунд или даже минуты. Длительность же обработки приведенного кванта управления составляет не более миллисекунды. Т.е., даже сравнительно слабенький микроконтроллер теоретически способен управлять тысячей нагревательных процессов.Во время ожидания микроконтроллер совсем не простаивает. Его диспетчер задачпроверяет, не подошло ли время выполнения какого либо другого кванта, например, регулировки давления. Аналогичный квант регулирования давления выполняется и снова передает управление диспетчеру и т.д. Это, так называемая, «добровольная многозадачность», когда каждый квант сам передает управление диспетчеру задач.

Возможна «исключающая многозадачность», когда диспетчер задач сам отводит кванты времени на выполнение каждого из процессов. Мы пока не будем обсуждать, что лучше и что хуже, отметим только, что хороший микроконтроллер должен уметь реализовать оба этих методаквазипараллельного ведения процессов.

Процессы, точнее участки их непрерывного исполнения, переключаемые во времени будем называть синхроквантами.3. Микроконтроллер должен постоянно следить за состоянием объекта. Его диспетчер задач, при возникновении на объекте некоторых ситуаций (например, координатныйстолик дошел до упора и т.п.) должен либо сразу запускать программу реакции на эту ситуацию (остановить или реверсировать двигатель), либо ставить соответствующий процесс в очередь на обработку, если задержка в несколько миллисекунд некритична.

Процессы (точнее их кванты) с запуском по состоянию объекта будем называть интерквантами (если допустима задержка) или экстраквантами, если задержка недопустима. Дляреализации интер и экстраквантов микроконтроллер должен быть оснащен простой и развитой системой прерываний.4. Микроконтроллер должен полностью интегрировать в себе на одном «чипе» всевычислительное ядро и элементы устройства связи с объектом (тактовый генератор, память программ и данных, разбитую на ряд зон так, чтобы он после перезапуска должен вРябов Владимир Тимофеевич.

Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru102кратчайшие сроки продолжить управление. Причем должен иметь простые средства расширения и подключения дополнительных устройств.5. Микроконтроллер должен иметь удобные средства обработки не только машинных слов, но и отдельных битов. Микропроцессор ориентирован на обработку машинныхслов, причем, чем длиннее слово, тем производительнее будет микропроцессор. Каждыйбит машинного слова микроконтроллера способен включить или выключить двигательили клапан. Нужно иметь развитые средства для контроля и изменения отдельных битовмашинного слова микроконтроллера, не изменяя остальные.6.

Простые средства подключения объекта управления. Микроконтроллер должениметь на кристалле если не завершенное устройство связи с объектом управления, к которому можно непосредственно подключить линии связи, то, хотя бы универсальные портыдля формирования таких линий, по которым можно легко проводить дискретное управление ДУ (включить – выключить) и дискретные контроль ДК (включено?), аналоговоеуправление АУ и аналоговый контроль АК. Хотя аналоговое управление все более выходит из употребления и обосновано заменено широтно или фазоимпульсным управлениемпо линиям ДУ(см. ).7. Повышенные требования к надежности работы микроконтроллера.

Конечно, никому не нужен и ненадежный микропроцессор, но с «подвисанием» офисного компьютераеще можно смириться, совсем другая история, если подвиснет микроконтроллер, управляющий элементом ядерного реактора. Микроконтроллер должен иметь средства аппаратной и программной защиты от сбоев и средства быстрого перезапуска, так, чтобы объект управления даже не понял, что, чуть было, не потерял голову.8. Микропроцессор может быть с совмещенной памятью программ и данных, когдауправляющие коды программы и операнды, с которыми совершаются действия, находятсяв общей памяти. Такую архитектуру называют фон-Неймановской. Либо управляющиекоды и операнды хранятся в разных зонах памяти – памяти программ и памяти данных.Такую архитектуру называют Гарвардской.

Ясно, что для микроконтроллеров удобнееГарвардская организация, поскольку программное обеспечение должно оставаться неизменным и управляющую программу можно разместить в РПЗУ, а переменные операнды –ОЗУ. После включения микроконтроллер сразу будет готов к работе.Составим себе типовой портрет некоторого обобщенного микропроцессора. Микропроцессор – устройство, способное к программно управляемой обработке информации.Микропроцессор – это последовательностная схема, реакция которой на входныевоздействия, помимо значений этих воздействий зависит еще и от состояния схемы. Для работы микропроцессора необходима память, в которой содержится набор необходимых длявыполнения инструкций или команд. Каждая команда содержит ее код, дополненный принеобходимости адресами операндов, поэтому длина команд может быть различной.

Например, для простейшей команды «уменьшить содержимое аккумулятора на единицу» достаточно задать только ее код, а команда «прибавить к #32 #86» должна, помимо кода, содержать еще и операнды #32 и #86. Не вдаваясь пока в подробности и особенности адресации операндов (символ «#» - признак непосредственной адресации, когда значения операндов идут непосредственно за кодом команды), пока отметим, что в команде, помимо ее кодаможет быть и еще что-то.Внутри себя микропроцессор содержит набор специальных регистров и регистровобщего назначения.

Разрядность регистров микропроцессора наряду с его тактовой частотой во многом определяют его параметры. Восьмиразрядные микропроцессоры способныобрабатывать восьмиразрядные слова или байты, 16-и разрядные способны проводитьдействия с машинным словом в два байта. Тактовая частота определяется частотойтактового генератора, сигналы которого инициируют работу микропроцессора. Свой циклработы или машинный цикл микропроцессор выполняет за несколько тактов, совершаяпри этом простейшее завершенное действие или простую (короткую) команду, напримерочистить аккумулятор CLR A.

Число тактов на цикл у микропроцессоров различно и соРябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru103ставляет от 1-2 у микропроцессоров Risc-архитектуры до 12-и и более.Среди специальных регистров прежде всего выделим счетчик команд РС(Program Counter) или (Program Calculator).

Он определяет объем адресного пространства памяти, с которой способен работать микропроцессор. Это неотъемлемая часть любогомикропроцессора и микроконтроллера. Алгоритм работы микропроцессора таков:1. Считать из памяти содержимое ячейки, адрес которой содержится в счетчике команд РС и интерпретировать считанное значение, как код команды.2. По коду команды определить ее длину, содержит ли команда, кроме кода, операнды или их адреса и определить адрес следующего кода команды.3.

Установить на РС адрес кода следующей команды.4. Дочитать содержимое команды и выполнить предписанные действия.5. Перейти на 1.Любой микропроцессор имеет вывод Reset, который служит для установки процессора в начальное состояние. При этом в счетчике команд устанавливается предопределенное начальное значение. Для большинства микропроцессоров это 0. Хотя, наиболее распространенные микропроцессоры семейств Х86, которому относится и Pentium, при сбросе устанавливают на счетчике команд F0000H. Достаточно счетчику команд сбиться и ввести вместо кода команды любую другую ее часть, как микропроцессор собьется и сам ужене восстановит своего правильного функционирования.