15. Микроконтроллеры

Микроконтроллеры появились одновременно с процессорами Intel 8008. Их модификации, разновидности (рис. 15.2) насчитывают несколько десятков названий. Всех их выделяет развитая архитектура входных и выходных портов. По разрядности мы увидим 4-х, 8-ми,16-ти, 32-х, 64-х разрядные процессоры. Ряд из них поддерживает виртуальную память, имеет встроенные КЭШ данных команд. По производительности они перешли рубеж в 1 Гига операций в секунду. Однако они дешевы, не требуют специальных систем охлаждения и следовательно встраиваемы в «глаза» роботов, поздравительные открытки. Они неизбежный атрибут любой компьютерной системы и существуют в ней в количестве десятков, сотен экземпляров. Например, на рис. 15.1 показаны места установки микроконтроллеров в современном автомобиле. Рис. 15.3 показывает подключение различных устройств к 32-х разрядному контроллеру.

Рис. 15.1. Место микроконтроллеров в изделиях современной техники на примере автомобиля.

Рис. 15.2. Гибкость микроконтроллеров на примере линейки М16_М32.

Рис. 15.3. Комплексный охват возможных наборов внешних устройств на примере 32-х разрядного микропроцессора SH3-DSP SH7727.

В микроконтроллерах, как в миниатюрных зеркалах отражаются многие ключевые принципы формирования архитектуры компьютерных систем. Это же касается и методики программирования КС. Однако рабочие программы микроконтроллеров более стабильны и менее ориентированы на будущие изменения в окружении микроконтроллера, чем стандартные пакеты программ в КС на базе РС. Выбор типа микроконтроллера предполагает предварительный анализ параметров потоков данных и алгоритмов управления внешними устройствами. Современный рынок микроконтроллеров предлагает множество возможных решений. Остановимся на изучении специфики двух групп.

Признанным лидером в мире микроконтроллеров 8-разрядной архитектуры является архитектура MCS-51/151/251 фирмы Intel. Число клонов этой модели исчисляется многими десятками типов БИС. Практически она встраивается и в состав различных СБИС, как, например, АЦП AduC812_0 фирмы Analog Devices. Документы AduC812_0.pdf, Assemble.pdf, Simulate.pdf позволяют подробно изучить данное семейство. Программы Wavrasm и Wavrsim помогут написать и отладить программы для устройств на базе данной архитектуры.

Среди микроконтроллеров, претендующих на более высокие планки функциональных возможностей и быстродействия, выделяется серия SuperH фирмы Hitachi), тактовые частоты семейства достигли в 1999 г. отметки – 100 МГц). Младший представитель данного семейства рассматривается ниже.

H8/3002 - микроконтроллер с ядром H8/300H базовой Hitachi архитектуры. H8/300H - центральный процессор имеет 32-битовую внутреннюю архитектуру с шестнадцатью 16-битовыми регистрами общего назначения (могут использоваться как шестнадцать 8-битовых регистров или восемь 32-битовых). Процессор квази RISC архитектуры (на 16 МГц - время выполнения команд Add/subtract: 125 ns, Multiply/divide: 875 ns). Может адресовать 16-Мбайт линейного пространства. Система команд совместимая снизу вверх в уровне объектного кода с H8/300, позволяя переносить ПО на чипы H8/300 серии.

H8/3002 (рис. 15.4) включает RAM, 16-битовй таймер (ITU), программируемый контроллер синхронизации (TPC), таймер (WDT), последовательный интерфейс (SCI), A/D - АЦП, порты I/O, контроллер прямого доступа в память (DMAC), контроллер регенерации R… c… и другие средства. Четыре режима (MCU) назначают ширину шины данных и размер адресного пространства.

Рис 15.4. Структура микроконтроллера H8/3002

Поддерживает режимы:

1. нормальный режим (64-кбайт пространства адреса, доступного вне чипа H8/3002);

2. широкий режим (16-Мбайт пространства адреса)

3. Характерные инструкции:

4. 8/16/32-битовая пересылка данных,

5. практически полный набор 8/16/32-битовых арифметических и логических инструкций,

6. знаковое и без знаковое умножение (8 бит на 8 бит, 16 бит на 16 бит),

7. знаковое и без знаковое деление (16 бит на 8, 32 бита на 16),

8. побитовые инструкции аккумулятора,

9. поразрядные операции с регистрово-косвенным указанием позиций.