2 Микропроцессорные системы
Альтернативой жесткой логике при разработке измерительных приборов и устройств являются микропроцессоры – программно-управляемые устройства, обеспечивающие процесс обработки информации. Функции, выполняемые микропроцессором, определяются подаваемой последовательностью команд или программой, хранящейся в памяти. То есть для различных задач могут использоваться одинаковые микропроцессоры и микросхемы памяти, отличие будет только в текстах конкретных программ.
С развитием технологии и увеличением степени интеграции появилась возможность размещать на одном кристалле и модули памяти и дополнительные периферийные элементы, традиционно используемые при разработке микропроцессорных систем. Такие интегральные схемы получили название микроконтроллеры.
2.1 Микроконтроллеры
Микроконтроллер (МК) это вычислительная система, реализованная в виде одной интегральной схемы и включающая в себя ядро, память программ, память данных и ряд периферийных устройств [5].
Типовая архитектура микроконтроллера приведена на рис. .10.
Рисунок .10 – Типовая архитектура микроконтроллера
Основу микроконтроллера составляет вычислительное ядро – центральное процессорное устройство (CPU).
Оно выполняет все вычислительные операции и управляет работой всех остальных элементов схемы. По системным шинам процессорное ядро обменивается данными с памятью и всеми функциональными блоками. Разрядность процессорного ядра определяет разрядность микроконтроллера.
Память микроконтроллера обычно разделена на две части: память программ и память данных. В памяти программ хранится программа микроконтроллера в виде последовательности команд. Процессорное ядро последовательно считывает команды из памяти, расшифровывает и выполняет их. Множество команд, составляющее систему команд микроконтроллера, представлено арифметическими и логическими операциями, операциями пересылки данных. В процессе выполнения команд ядро обращается к памяти и периферийным модулям. Память данных хранит исходные данные и промежуточные результаты вычислений.
Периферийные модули обеспечивают взаимодействие микроконтроллера с внешними элементами системы. Они осуществляют ввод и вывод информации, подсчет внешних событий и интервалов времени, передачу внешних запросов на процессорное ядро, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразования сигналов, сравнение различных величин, контроль напряжения питания и др. Для процессорного ядра любой периферийный модуль доступен через специальные регистры, каждый из которых имеет свой адрес. Наиболее часто в кристалл микроконтроллера в качестве периферийных устройств вносят: параллельные и последовательные порты в порты ввода-вывода, осуществляющие обмен данными; таймеры-счетчики, обеспечивающие формирование временных интервалов и выполняющие подсчет логических событий; узлы аппаратной обработки событий с привязкой по времени.
Все производители микроконтроллеров разрабатывают семейства микроконтроллеров, основываясь на модульной структуре. Процессорное ядро, как правило имеющее оригинальную схему, неизменно, а структура блоков памяти и состав функциональных блоков у каждого микроконтроллера различны.
Характеристики микроконтроллеров
1. Разрядность.
Разрядность МК определяется разрядностью его арифметико-логического устройства (АЛУ). Как правило, за один машинный цикл АЛУ выполняет операции над числами, длина которых эквивалентна его разрядности.
При необходимости обработки чисел большей разрядности, кроме вычислительных операций потребуется выполнить и вспомогательные, например, операции пересылки для сохранения промежуточных результатов. Таким образом, разрядность во многом определяет производительность микроконтроллеров.
При решении задач проектирования измерительных устройств популярными являются 8-ми разрядные микроконтроллеры, отличающиеся хорошей функциональностью при невысокой стоимости. Также существуют 4-х, 16-ти, 32-х разрядные микроконтроллеры.
2. Потребляемая мощность.
Уменьшение потребляемой мощности может быть достигнуто напряжения питания или снижением тактовой частоты, причем в последнем случае снижается производительность микроконтроллера. Большинство производителей микроконтроллеров выпускают различные модели: стандартные и мало потребляющие, но работающих на пониженных тактовых частотах.
Также многие во многих микроконтроллерах предусмотрены программно управляемые режимы пониженного энергопотребления, при переводе в которые потребление микросхемы уменьшается в разы.
3. Тактовая частота.
Тактовая частота определяет скорость работы МК. Однако поскольку производительность зависит и от архитектурных особенностей микроконтроллера, и разные модели на одинаковой тактовой частоте обеспечивают разную производительность, более объективную оценку производительности можно получить, используя показатель, определяющий количество миллионов инструкций в секунду.
4. Память микроконтроллера.
Для работы вычислительного ядра необходима память для хранения программы и оперативная память для хранения промежуточных результатов. Микроконтроллер, как правило, имеет эти два типа памяти на кристалле. Характеристиками памяти в данном случае являются ее объем и тип. Большой объем памяти упрощает процесс написания программы, однако увеличивает стоимость кристалла. Тип памяти определяет кратность программирования. В однократно программируемые программа зашивается при изготовлении микроконтроллера (ROM) или пользователем (PROM), при этом коррекция программы невозможна, что делает такую память применимой лишь в серийно выпускаемых изделиях. На этапах отладки применяются МК, память в которых модно перепрограммировать. Существует два варианта такой памяти, отличающиеся типом стирания: ультрафиолетовое (UV) и электрическое (Flash).
Оперативная память, как правило, представлена ограниченным набором регистров общего назначения и небольшим ОЗУ общего назначения. В некоторых моделях МК встречаются небольшие по объему блоки EEPROM памяти, выполняющие функции энергонезависимого ОЗУ, данные в котором сохраняются после выключения/включения питания МК.
Если память на кристалле отсутствует, МК имеет средства для подключения внешней памяти, однако это приводит к уменьшению быстродействия.
5. Архитектурные особенности.
Применительно к микроконтроллеру понятие «архитектура» подразумевает ряд структурных особенностей, основными из которых являются: организация памяти и система команд. Существуют четыре общих архитектурных принципа так или иначе реализуемые в любом процессорном ядре.
По организации памяти различают принстонскую и гарвардскую архитектуры, предложенные соответственно Принстонским и Гарвардским университетами.
Принстонская архитектура (иногда называемая архитектурой Фон-Неймана по имени научного руководителя этой разработки) характеризуется общим пространством памяти для хранения данных и кода программы, при этом разрядность памяти фиксирована. Эта архитектура лежит в основе микроконтроллеров фирмы Motorola (например, НС05 и НС08), в которых общий массив 8-битных ячеек памяти включает в себя как память программ, так и память данных.
Гарвардская архитектура отличается разделением памяти программ и памяти данных. При этом разрядность памяти программ и памяти данных, а также шины доступа к ним, различны. В частности, все микроконтроллеры PIC12, PIC16 фирмы Microchip имеют 8-битную память данных, а разрядность памяти программ у них различна: PIC12 имеют 12 битную память программ, a PIC16 - 14 битную.
По системе команд различают CISC и RISC архитектуры.
CISC-архитектура (Complicated Instruction Set Computer) предполагает использование развитого набора одно, двух и трех байтовых команд, которые передаются, наряду с данными, по общей шине. Выполнение одной команды, таким образом, может занимать от одного до нескольких машинных циклов.
RISC-архитектура (Reduced Instruction Set Computer) основана на уменьшении числа команд с тем, чтобы любая из них могла выполняться за минимальное число тактов. Одна инструкция, как правило, занимает только одну ячейку памяти, и все инструкции имеют равное время исполнения.
6. Периферийные устройства микроконтроллера
МК имеет периферийные устройства двух категорий: для обеспечения работы вычислительного ядра (встроенный аппаратный умножитель, сторожевой таймер, схема контроля напряжения питания) и для обеспечения связи ввода/вывода информации (параллельные и последовательные порты, таймеры-счетчики событий, устройства доступа к памяти, UART, I2C, Microwire, SPI, АЦП и ЦАП, модули ШИМ регулирования и т.д.).
Семейства микроконтроллеров
Компания Intel начала в 1980 году выпуск 8-ми разрядных МК семейства i8051 с Гарвардской архитектурой, которое сохранило популярность до настоящего времени: на сегодняшний день существует более 200 модификаций МК этого семейства, выпускаемых почти 50-ю компаниями (Philips, Siemens, Intel, Atmel, Dallas, Temic, Oki, AMD, MHS, Gold Star, Winbond, Silicon Systems и др.). Развитие МК 8051 связано с увеличением быстродействия (повышением тактовой частоты и модификацией архитектуры), снижением напряжения питания и потребления, увеличение объема ОЗУ и FLASH памяти на кристалле с возможностью внутрисхемного программирования, введение расширение набора периферийных устройств МК.
Компания Microchip Technology производит широкий ассортимент 8-битных контроллеров с уникальной RISС-архитектурой под маркой PIC®. МК Microchip сочетают высокую производительность, низкую стоимость и маленькие размеры корпусов, имеют сложную систему тактирования, встроенный АЦП, возможность использования внешней памяти, различные интерфейсы связи (I2C/SPI/USB/CAN, USART, LIN, USB, Ethernet), поддерживается внутрисхемное программирование и отладка.