4.3. Микроконтроллеры
Однокристальные микро-ЭВМ со своей архитектурой выпускают практически все ведущие фирмы в области микроэлектроники. Разрядность таких микроконтроллеров варьируется от 8 до 32 бит (реже используются другие разрядности), быстродействие — от единиц до сотен и более миллионов операций в секунду, память программ — от единиц и долей кбт до десятков Мбт, размер встроенного ОЗУ — от единиц байт до десятков Мбт. То есть задача выбора такого устройства представляет собой довольно нетривиальную задачу. Часто в качестве основного критерия выступают в этом случае доступность этого микроконтроллера, доступность программного обеспечения для него, а также и “модность” этого микроконтроллера. Рассмотрим характеристики нескольких микроконтроллеров разных фирм.
► Основные характеристики 8-миразрядного микроконтроллера с RISC-архитектурой ATMega8535 фирмы Atmel (серия AVR) [8]:
— общее количество команд — 130,
— 32 8-разрядных рабочих регистра,
— производительность — до 16 миллионов операций в секунду при тактовой частоте 16 МГц (среднее быстродействие 5 MIPS),
— встроенный двухтактовый перемножитель,
— 8 кбт Flash-памяти программ,
— 512 байт перепрограммируемой памяти данных,
— 512 байт ОЗУ,
— два 8-разрядных таймера с предделителем,
— один 16-разрядный таймер с предделителем,
— 4 канала ШИМ,
— 10-битный АЦП с коммутатором на 8 каналов,
— программируемый последовательный универсальный синхронно-асинхронный приемо-передатчик (USART),
— встроенные аппаратные последовательные интерфейсы SPI и I2C,
— программируемый сторожевой таймер,
— встроенный аналоговый компаратор,
— внутренний RC-генератор,
— встроенный драйвер управления питанием,
— 32 программируемых линии ввода-вывода,
— напряжение питания в зависимости от типа от 2,7В до 5,5В,
— режимы микропотребления,
— внутренние и наружные источники прерываний,
— возможность защиты программ и данных от наружного считывания.
Данная серия содержит микроконтроллеры с памятью программ до 128 кбт, быстродействием до 7 MIPS, с общим числом линий ввода-вывода до 84.
► Основные характеристики 32-разрядного микроконтроллера с RISC-архитектурой µPD70F3707(3706) фирмы NEC (серия V850):
— объем флэш-памяти программ 256 кбт (для контроллера 3706 — 128кбт),
— объем ОЗУ 12 кбт,
— количество 32-разрядных РОН — 32,
— объем адресуемой памяти программ 64 Мбт,
— частота тактового генератора — до 5 МГц с возможностью умножения частоты внутри контроллера на 4 (частота до 20 МГц),
— минимальное время выполнения инструкции 50 нс (среднее быстродействие 27 MIPS),
— количество линий ввода-вывода — 84,
— четыре 16-разрядных таймера-счетчика типа P,
— два 16-разрядных таймера-счетчика типа Q,
— один 16-разрядный таймер временных интервалов типа M,
— один сторожевой таймер 2,
— один часовой таймер,
— 10-разрядный АЦП с коммутатором на 16 каналов,
— три канала UART,
— два канала последовательного трехпроводного интерфейса CSIB,
— четыре контроллера прямого доступа в память,
— встроенная функция внутрисхемной отладки программ,
— встроенный монитор питания со сбросом микроконтроллера,
— векторов прерывания наружных — 12, внутренних — 43,
— напряжение питания контроллера — от 3,5В до 5,5В,
— рабочий диапазон температур — от -40 до +85°С.
Данная серия (V850) содержит микроконтроллеры с памятью программ до 640 кбт, быстродействием до 100 MIPS, с общим числом линий ввода-вывода до 200. Данные контроллеры являются прямыми конкурентами микроконтроллеров на базе ядра ARM7.
► Рассмотрим контроллеры фирмы Atmel на базе ядра ARM7 [10]. Они построены на базе ядра ARM7TDMI. Аббревиатура TDMI означает следующее:
– T (Thumb architecture extension) – наличие 16-битного набора команд THUMB;
– D (core has Debug extension) – наличие аппаратного доступа к ядру для отладки;
– M (core has enhanced Multiplier) – наличие аппаратного умножителя;
– I (core has embedded ICE macrocell) – наличие встроенного модуля для подключения внутрисхемного эмулятора.
Ядра с обозначением TDMI поддерживают два набора команд – 32-битный набор ARM и 16-битный набор THUMB, являющийся подмножеством набора ARM. В ряде приложений использование набора команд THUMB приводит к уменьшению размера кода и более быстрому выполнению последнего. Сравнительная таблица микроконтроллеров приведена на рис. 4.2.
Рисунок 4.2. Сравнительная таблица параметров контроллеров на базе ядра ARM7
Примечания: SPI – последовательный трехпроводный интерфейс; TWI – последовательный двухпроводный интерфейс (с поддержкой режима I2C); USART – универсальный синхронно-асинхронный последовательный интерфейс; SSC – последовательный трехпроводный интерфейс (с поддержкой режима I2S).
Контроллеры поддерживают также работу с сетью Ethernet 10/100.
► Рассмотрим контроллеры фирмы Atmel на базе ядра ARM9 [11]. Они построены на базе ядра ARM9TDMI. Ядро ARM9TDMI является развитием ARM7ТDMI и совместимо с ним на уровне исходных кодов. В отличие от микросхем ARM7, контроллеры на ядре ARM9, как правило, имеют на кристалле кэш-память команд и данных, что повышает общую производительность процессора. Корпорация ATMEL выпускает ряд моделей таких микроконтроллеров (см. табл. на рис.4.3).
Рисунок 4.3. Сравнительная таблица параметров контроллеров на базе ядра ARM9
“Родоначальником” семейства ARM9 у ATMEL является микроконтроллер AT91RM9200, построенный на ядре ARM920ТDMI. При тактовой частоте 180 МГц эти контроллеры имеют производительность примерно 200 MIPS. Все микросхемы имеют раздельное питание ядра и периферийных модулей 1,8 и 3,3 В соответственно. Причём напряжение питания ядра можно изменять в диапазоне 1,65…1,95 В, управляя таким образом потребляемой мощностью и тактовой частотой ядра контроллера. Такое сочетание параметров позволяет применять микроконтроллеры ARM9 в самых разных приложениях, в том числе для построения низкопотребляющих систем, работающих в режиме реального времени. Все микроконтроллеры Atmel семейства ARM9 содержат модуль управления памятью (MMU, Memory Management Unit). Этот модуль необходим для полноценной работы операционных систем класса Linux или Windows. Контроллеры поддерживают также работу с сетью Ethernet 10/100. Контроллеры могут поддерживать внешнюю интерфейсную шину (EBI) – поддержка памяти SDRAM, Burst Flash, CompactFlash, SmartMedia и NAND Flash. Поскольку при выполнении команд используется кэш-память, то при управлении в реальном времени могут возникать задержки реакции системы на прерывания (впрочем, весьма небольшие).