Кофанов В.Л.

Цифрові пристрої, ч. 2

Навч. посібник (електронний варіант)

ВНТУ, кафедра радіотехніки, 2012

ЗМІСТ

1. Компоненти мікропроцесорної техніки 2

2. Структура МПС 3

3 Архітектура ядра МК AVR 8

4 Система команд МК AVR 22

5 EEPROM 36

6. Запам'ятовувальні пристрої 38

7. Таймери-лічильники 43

8. Аналогові компаратори 65

1. Компоненти мікропроцесорної техніки

Мікропроцесор – це програмно-керований пристрій, що виконує функції цифрової обробки інформації і керування процесом цієї обробки в системі. (процесами переміщення даних та реалізації операцій з ними). МП є програмно-керованим пристроєм, бо функціонує під керуванням заздалегідь складеної програми шляхом послідовного в часі виконання її команд, а слово "мікро" в його назві підкреслює мікросхемне виконання такого модуля (на одній або декількох ІС).

У будь-якій системі обробки інформації МП відіграє роль лише центрального процесорного модуля (Central Processor Unit, CPU), позаяк сам процесор не в змозі виконати будь-яку задачу, бо потрібні ще, як мінімум, запам’ятовувальні пристрої (ЗП) для зберігання програми і даних та пристрої введення/виведення (ПВВ) для введення вхідних даних (інформації, яка підлягає обробці) і виведення результатів обробки (рис. 1). У різних системах застосовуються також інші ІС, зокрема, контролери – блоки керування, що забезпечують обмін інформацією між зовнішніми пристроями, з одного боку, і певним МП або блоком пам'яті, з іншого боку. Зазначені та інші подібні пристрої виконують у вигляді конструктивно самостійних модулів (корпусів) на інтегральних мікросхемах, у т. ч. ВІС/НВІС.

Рис. 1. Компоненти мікропроцесорної техніки

Набір компонентів мікропроцесорної техніки (МП, ЗП, ПВВ та ін.) як родини окремих ВІС, розрахованих на сумісне застосування, становлять мікропроцесорний комплект (МПК). Крім ІС певної серії, які завжди є сумісними за електричними та конструктивними параметрами, до складу МПК можуть входити також ІС інших серій за умови їх сумісності.

З потрібного для вирішення різних завдань набору пристроїв МПК можна побудувати мікропроцесо­рну систему (МПС), або, іншими словами, мікроЕОМ. До МПС належать, наприклад, обчислювальні, контрольно-вимірюва­льні сис­теми і різні сис­теми керування, якщо процес цифрової обробки інформації в них здійснюється під керуванням мікропроцесора.

Мікроконтролер (МК, Micro Controller Unit, MCU) – це МПС, зорієнтована на реалізацію алгоритмів керування технічними пристроями і технологічними процесами, усі модулі якої виконано в одному корпусі ІС. Позаяк МК на одному кристалі містить МП, ЗП і різні периферійні пристрої, зокрема, ПВВ, то його можна вважати однокристальною мікроЕОМ, придатною для вирішення простих практичних задач. Отже, МП є лише компонент МПС, хоч і головний, а МК – це вже завершена МПС, яка може функціонувати автономно. До складу МК можуть входити модулі того ж самого призначення, що й містяться в ЕОМ, проте, на відміну від універсальних мікроЕОМ, МК є простіші, бо відрізняються меншим (інколи на декілька порядків) обсягом пам'яті, яка до того ж має простішу структуру, менш складними алгоритмами керування технічними засобами та вужчим набором зовнішніх пристроїв.

МК поділяються на спеціалізовані та широкого призначення. Спеціалізовані МК випускаються для масового виробництва і тому є дешевими. Вони містять лише ті модулі мінімальної складності, які потрібні для керування тільки даним конкретним засобом: пультом керування, зарядним пристроєм, мобільним телефоном, касовим апаратом, іграшкою тощо. Програма записується ("прошивається") до пам'яті таких МК ще на стадії виробництва і не може змінюватися, а перепрограмовуватися можуть лише дані, якщо під час роботи пристрою їх потрібно змінювати. МК широкого призначення є універсальні, бо містять набір різноманітних пристроїв, а які з них використовувати визначає споживач залежно від власних потреб. Проте головна відмінність полягає в тому, що такі МК є програмовні: програму складає сам розробник і пам'ять їх може багаторазово (порядку 100 000 разів) перепрограмовуватися.

З огляду на те, що МК виконуються на одній мікросхемі, їх зручно вбудовувати в технічні засоби різноманітного призначення, у т. ч. у цифрові системи високоякісного радіо- і телемовлення, системи зв’язку (професійного й абонентського), автомобілі, верстати, побутову апаратуру, різноманітні інтелектуальні давачі (пожежні, охоронні, контрольно-вимірювальні та ін.) тощо. Через це попит на мікросхеми МК (як готові системи) на ринку збуту значно перевищує попит на мікросхеми МП (як елемент у складі системи).

МК є різновидом системи на кристалі (SOC – Systems On Chip). В міру зростання ступеня інтеграції в ПЛІС стали розміщувати різноманітні модулі, серед них МП, ЗП, ПВВ і т. ін., причому такі модулі можна виконати потрібної конфігурації (тобто вибрати, які модулі вставити в систему, їх кількість, розрядність тощо). Подібні конфігуровні структури здобули назву системи на ПЛІС (SOPC – Systems On Programmable Chip), причому під назвою SOPC розуміється не лише МПС, але й довільна цифрова система. Незалежно від того, де застосовується структура потрібної конфігурації (ядро) МП: вбудовується в SOPC у складі ПЛІС або в ядро МК, знання основ МП техніки залишається актуальним.