13. Віртуальні периферійні пристрої. Призначення, приклад реалізації.

Виртуальная периферия становится реальностью

Новые 100MIPS 8-разрядные микроконтроллеры SX фирмы Scenix Semiconductor имеют флеш память программы, обеспечивают внутрисхемную отладку и программирование, совместимы с популярными микроконтроллерами PIC16C5X и поддерживаются широким набором загружаемых периферийных модулей.

Каждый разработчик в своей практике сталкивался с тем, что несмотря на всю широту выбора микроконтроллеров, нет именно того, который бы идеально подошел под его конкретную задачу. Например, для управления небольшой системой подошел бы 8-разрядный микроконтроллер с 3 каналами ШИМ до 20 кГц и пятью UART на 19.2K. Среди серийно выпускаемых таких нет, нужно ставить несколько микроконтроллеров и/или отдельных микросхем UART, объединять их в систему и писать довольно сложную программу управления всей системой. Другой подход стал возможен с появлением микроконтроллеров SX, имеющих производительность до 100 MIPS при тактовой частоте 100 МГц и высокоэффективную систему прерываний с автоматическим сохранением всех служебных регистров. На тактовой частоте 100 МГц они имеют время выполнения одной команды 10нс, время входа в прерывание и выхода из него фиксировано и составляет 30 нс для внутренних прерываний и 50 нс для внешних.

Такая высокая производительность и фиксированное время обработки прерываний позволяет заменить многие периферийные функции, ранее выполнявшиеся в виде аппаратных модулей, небольшими отлаженными подпрограммами, работающими по прерываниям, и выполняющимися независимо друг от друга. Выбор таких виртуальных периферийных устройств уже сегодня довольно широк, и их библиотека постоянно пополняется (см таблицу). Для достижения совместимости всех периферийных устройств разработаны специальные правила [1]. Теперь любой необходимый набор периферии можно просто набрать из имеющихся модулей, не меняя сам микроконтроллер.

Более чем на порядок высокая производительность микроконтроллеров SX по сравнению с типовыми микроконтроллерами других фирм позволяет использовать гибкие программные решения там, где традиционно применялась жесткая логика, вентильные матрицы и специализированные микросхемы - обработка ИКМ трактов, выделение каналов из потока E1, маршрутизация, поддержка шины USB, интерфейсов IrDA и ProfiBus, многоканальные и высокоскоростные UART, широкодиапазонные синтезаторы частоты, телефонные модемы, формирование и обработка видео- и аудиосигналов, врезка логотипов и субтитров, телетекст и системы кодирования видеосигнала.

Ядро микроконтроллеров SX и их система команд совместимы с завоевавшими широкую популярность микроконтроллерами PIC16C5X [2], однако есть и ряд улучшений. Команды у SX выполняются за 1 период тактовой частоты, а не за 4, как у PIC. Память программы электрически перепрограммируемая (до 10000 циклов), причем нет необходимости принимать специальные меры предосторожности для выводов RB6 и RB7, как у PIC - программирование и отладка осуществляется через выводы OSC1 и OSC2, к которым обычно подключены пассивные элементы - кварц или керамический резонатор. Для каждого входа индивидуально можно выбрать порог срабатывания - ТТЛ или КМОП, включить подтягивающий резистор, а для входов RB и RC еще и триггер Шмидта. Все выходы имеют нагрузочную способность 30 мА, а выходы RA еще и симметричные выходные ключи. Микроконтроллеры SX имеют быстрый аналоговый компаратор (10 мВ, 250 нс) на выводах RB0...RB2, встроенный RC генератор 4 МГц с программируемым коэффициентом деления до 31 кГц, прерывания по изменению состояния на любом выводе порта RB, 8-уровневый аппаратный стек. Добавлено 10 новых команд для увеличения эффективности кода, память программы доступна для чтения, в командах сложения и вычитания можно использовать флаг С (математические подпрограммы стали почти вдвое короче по сравнению с PIC16C5X), регистр W отображается в памяти данных.

Микроконтроллеры SX имеют всю необходимую поддержку для внутрисхемной отладки в реальном времени. Каждый кристалл имеет дополнительную аппаратную возможность перейти в отладочный режим, в котором есть аппаратная точка останова, возможность чтения и модификации всех регистров и стека. Управление процессом отладки идет через те же ножки OSC, но тактовую частоту в режиме отладки генерирует эмулятор. Конструктивно внутрисхемный эмулятор SX-KEY производства фирмы PARALLAX Inc. представляет собой плату размером 15х50 мм с 4-контактным разъемом, содержащую микроконтроллер SX18, синтезатор частоты до 130 МГц и преобразователь напряжения. Эмулятор питается от отлаживаемого устройства, потребляя менее 100 мА, заодно реализуя и функции внутрисхемного программатора. Для микроконтроллеров SX отпадает необходимость в сложных, больших и дорогих внешних эмуляторах и отладочных кристаллах как таковых. Особенно это важно при отладке высокочастотных устройств и устройств с SMD монтажом (например, для SX в корпусе SSOP). Традиционные методы внутрисхемной отладки в этих случаях часто дают неадекватные результаты из-за вносимых ими паразитных емкостей и задержек.

Уже доступен широкий спектр средств программирования и отладки для микроконтроллеров SX. Выпущено несколько коммерческих и бесплатных компиляторов Си, программных симуляторов, ассемблеров, программаторов. Постоянно растут списки примеров применения и виртуальной периферии. Всю эту информацию на русском и английском языках можно найти по адресу http://www.svtehs.com/ru/scenix.htm. Там же публикуется русская документация на микроконтроллеры SX, схемы и программное обеспечение программаторов. Фирмой SV TEHS также разработаны две модели недорогих программаторов для микроконтроллеров SX.

На сегодня микроконтроллеры SX доступны в 18/20 и 28-выводном вариантах с памятью программы 2048х12 слов, ОЗУ 136х8 байт в корпусах DIP, SOIC и SSOP с коммерческим 0...+70 и индустриальным -40....+85 диапазонами рабочих температур. Версия 50 МГц поставляется со склада, версия 100 МГц будет доступна в 1 квартале 1999 года. Ориентировочная стоимость микроконтроллеров составляет $4 в партии 100 штук, стоимость внутрисхемного эмулятора- программатора и среды разработчика SX-KEY 350$.