Зміст
Введення
1. Загальна частина
1.1 Класифікація і структура мікроконтролерів
1.2 Структура процесорного ядра мікроконтролерів
2. Спеціальна частина
2.1 CISC і RISC архітектура процесора
2.2 RISC-архітектура
2.3 Мікроконтролер з RISC архітектурою
Введення
Мікроконтролер (MCU) - мікросхема, призначена для керування електронними пристроями. Типовий мікроконтроллер поєднує в собі функції процесора і периферійних пристроїв, може містити ОЗУ і ПЗУ. По суті, це однокристальний комп'ютер, здатний виконувати прості завдання. Використання однієї мікросхеми, замість цілого набору, як у випадку звичайних процесорів, що застосовуються в персональних комп'ютерах, значно знижує розміри, енергоспоживання і вартість пристроїв, побудованих на базі мікроконтролерів. Мікроконтролери є основою для побудови вбудованих систем, їх можна зустріти в багатьох сучасних приладах, таких, як телефони, пральні машини і т. п. Термін «мікроконтроллер» (МК) витіснив з ужитку раніше використовувався термін «однокристальна мікро-ЕОМ». Перший же патент на однокристальних мікро-ЕОМ був виданий в 1971 році інженерам М. Кочрену і Г. буну, співробітникам Texas Instruments. Саме вони запропонували на одному кристалі розмістити не тільки мікропроцесор, але й пам'ять, пристрої введення-виведення. З появою однокристальних мікро-ЕОМ пов'язують початок ери комп'ютерної автоматизації в галузі управління. Мабуть, ця обставина і визначило термін «мікроконтроллер» (control - управління). У 1979 році НДІ ТТ розробили однокристальних 16-розрядну ЕОМ К1801ВЕ1, архітектура якої називалася «Електроніка НЦ». У 1980 році фірма Intel випускає мікроконтролер i8048. Трохи пізніше в цьому ж році Intel випускає наступний мікроконтролер: i8051. Вдалий набір периферійних пристроїв, можливість гнучкого вибору зовнішньої або внутрішньої програмної пам'яті і прийнятна ціна забезпечили цьому мікроконтролеру успіх на ринку. З погляду технології мікроконтролер i8051 був для свого часу дуже складним виробом - у кристалі було використано 128 тис. транзисторів, що в 4 рази перевищувало кількість транзисторів в 16-розрядному мікропроцесорі i8086.
На сьогоднішній день існує більше 200 модифікацій мікроконтролерів, що сумісних з I8051, випускаються двома десятками компаній, і великої кількості мікроконтролерів інших типів. Популярністю у розробників користуються 8-бітові мікроконтролери PIC фірми Microchip Technology і AVR фірми Atmel, шестнадцатібітних MSP430 фірми TI, а також ARM, архітектуру яких розробляє фірма ARM і продає ліцензії іншим фірмам для їх виробництва, процесорів - мікроконтролери.
При проектуванні мікроконтролерів доводиться дотримувати баланс між розмірами і вартістю з одного боку і гнучкістю і продуктивністю з іншою. Для різних застосувань оптимальне співвідношення цих і інших параметрів може розрізнятися дуже сильно. Тому існує величезна кількість типів мікроконтролерів, що відрізняються архітектурою процесорного модуля, розміром і типом вбудованої пам'яті, набором периферійних пристроїв, типом корпусу і т. д.
Загальна частина
1.1 Класифікація і структура мікроконтролерів
В даний час випускається цілий ряд типів МК. Всі ці прилади можна умовно розділити на три основні класи:
8-розрядні МК для вбудованих додатків;
16 - і 32-розрядні МК;
цифрові сигнальні процесори (DSP).
Найбільш розповсюдженим представником сімейства МК є 8-розрядні прилади, широко використовуються в промисловості, побутової та комп'ютерної техніки. Вони пройшли у своєму розвитку шлях від найпростіших приладів з відносно слаборозвиненою периферією до сучасних багатофункціональних контролерів, які забезпечують реалізацію складних алгоритмів керування в реальному масштабі часу. Причиною життєздатності 8-розрядних МК є використання їх для управління реальними об'єктами, де застосовуються, в основному, алгоритми з переважанням логічних операцій, швидкість обробки яких практично не залежить від розрядності процесора.
Зростанню популярності 8-розрядних МК сприяє постійне розширення номенклатури виробів, що випускаються такими відомими фірмами, як Motorola, Microchip, Intel, Zilog, Atmel і багатьма іншими. Сучасні 8-розрядні МК володіють, як правило, поряд відмітних ознак. Перерахуємо основні з них:
модульна організація, при якій на базі одного процесорного ядра (центрального процесора) проектується ряд (лінійка) МК, що розрізняються обсягом і типом пам'яті програм, обсягом пам'яті даних, набором периферійних модулів, частотою синхронізації;
використання закритої архітектури МК, яка характеризується відсутністю ліній магістралей адреси і даних на висновках корпусу МК. Таким чином, МК являє собою закінчену систему обробки даних, нарощування можливостей якої з використанням паралельних магістралей адреси і даних не передбачається;
використання типових функціональних периферійних модулів (таймери, процесори подій, контролери послідовних інтерфейсів, аналого-цифрові перетворювачі та ін), що мають незначні відмінності в алгоритмах роботи в МК різних виробників;
розширення числа режимів роботи периферійних модулів, які задаються в процесі ініціалізації регістрів спеціальних функцій МК.
При модульному принципі побудови всі МК одного сімейства містять процесорний ядро, однакове для всіх МК даного сімейства, і змінюваний функціональний блок, який відрізняє МК різних моделей. Процесорний ядро включає в себе:
центральний процесор;
внутрішню контролерну магістраль (ВКМ) у складі шин адреси, даних і управління;
схему синхронізації МК;
схему управління режимами роботи МК, включаючи підтримку режимів зниженого енергоспоживання, початкового запуску (скидання) і т.д.
Змінний функціональний блок містить у собі модулі пам'яті різного типу й обсягу, порти вводу / виводу, модулі тактових генераторів (Г), таймери. У відносно простих МК модуль обробки переривань входить до складу процесорного ядра. У більш складних МК він являє собою окремий модуль з розвиненими можливостями. До складу змінюваного функціонального блоку можуть входити і такі додаткові модулі як компаратори напруги, аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) та інші. Кожен модуль проектується для роботи в складі МК з урахуванням протоколу ВКМ. Даний підхід дозволяє створювати різноманітні за структурою МК в межах однієї родини.
1.2 Структура процесорного ядра мікроконтролера
Основними характеристиками, що визначають продуктивність процесорного ядра МК, є:
набір регістрів для зберігання проміжних даних;
система команд процесора;
способи адресації операндів в просторі пам'яті;
організація процесів вибірки і виконання команди.
З точки зору системи команд і способів адресації операндів процесорний ядро сучасних 8-розрядних МК реалізує один з двох принципів побудови процесорів:
процесори з CISC-архітектурою, реалізують так звану систему команд (Complicated Instruction Set Computer);
процесори з RISC-архітектурою, реалізують скорочену систему команд (Reduced Instruction Set Computer).
CISC-процесори виконують великий набір команд з розвиненими можливостями адресації, даючи розробникові можливість вибрати найбільш підходящу команду для виконання необхідної операції. У застосуванні до 8-розрядним МК процесор з CISC-архітектурою може мати однобайтовий, багатобайтових і трехбайтовий (рідко чотирьохбайтові) формат команд. Час виконання команди може складати від 1 до 12 циклів. До МК із CISC-архітектурою відносяться МК фірми Intel з ядром MCS-51, які підтримуються в даний час цілим рядом виробників, МК сімейств НС05, НС08 і НС11 фірми Motorola і ряд інших.
У процесорах з RISC-архітектурою набір команд, що виконуються скорочений до мінімуму. Для реалізації більш складних операцій доводиться комбінувати команди. При цьому всі команди мають формат фіксованої довжини (наприклад, 12, 14 або 16 біт), вибірка команди з пам'яті і її виконання здійснюється за один цикл (такт) синхронізації. Система команд RISC-процесора припускає можливість рівноправного використання всіх регістрів процесора. Це забезпечує додаткову гнучкість при виконанні ряду операцій. До МК із RISC-процесором відносяться МК AVR фірми Atmel, МК PIC16 і PIC17 фірми Microchip і інші.
На перший погляд, ЦП із RISC-процесором повинні мати більш високу продуктивність у порівнянні з CISC МК при одній і тій же тактовій частоті внутрішньої магістралі. Однак на практиці питання про продуктивність більш складний і неоднозначний.
З точки зору організації процесів вибірки і виконання команди в сучасних 8-розрядних МК застосовується одна з двох вже згадуваних архітектур МПС: фон-неймановскую (Прінстонський) або гарвардська.
Основна перевага архітектури Фон-Неймана - спрощення пристрою МПС, так як реалізується звернення тільки до однієї спільної пам'яті. Крім того, використання єдиної області пам'яті дозволяло оперативно перерозподіляти ресурси між областями програм і даних, що істотно підвищувало гнучкість МПС із точки зору розробника програмного забезпечення. Розміщення стека в загальній пам'яті полегшувало доступ до його вмісту. Невипадково тому фон-неймановскую архітектура стала основною архітектурою універсальних комп'ютерів, включаючи персональні комп'ютери.
Гарвардська архітектура майже не використовувалася до кінця 70-х років, поки виробники МК не зрозуміли, що вона дає певні переваги розробникам автономних систем управління.
Справа в тому, що, судячи з досвіду використання МПС для управління різними об'єктами, для реалізації більшості алгоритмів керування такі переваги фон-неймановскої архітектури як гнучкість і універсальність не мають великого значення.Аналіз реальних програм керування показав, що необхідний обсяг пам'яті даних МК, використовуваний для зберігання проміжних результатів, як правило, на порядок менше необхідного обсягу пам'яті програм. У цих умовах використання єдиного адресного простору призводило до збільшення формату команд за рахунок збільшення числа розрядів для адресації операндів.Застосування окремої невеликої за обсягом пам'яті даних сприяло скороченню довжини команд і прискоренню пошуку інформації в пам'яті даних.
Крім того, гарвардська архітектура забезпечує потенційно більш високу швидкість виконання програми в порівнянні з фон-неймановскої за рахунок можливості реалізації паралельних операцій. Вибірка наступної команди може відбуватися одночасно з виконанням попередньої, і немає необхідності зупиняти процесор на час вибірки команди. Цей метод реалізації операцій дозволяє забезпечувати виконання різних команд за однакове число тактів, що дає можливість більш просто визначити час виконання циклів і критичних ділянок програми.
Більшість виробників сучасних 8-розрядних МК використовують гарвардську архітектуру. Однак гарвардська архітектура є недостатньо гнучкою для реалізації деяких програмних процедур. Тому порівняння МК, виконаних з різних архітектур, варто проводити стосовно до конкретного додатком.
В даний час найбільш яскравими представниками мікроконтролерів SISC і RISC, що мають відповідно фон-неймановскую і гарвардську архітектури є мікроконтролери i8051 та AVR - мікроконтролери фірми Atmel, які по ряду характеристик перевершили дуже відомі PIC - мікроконтролери. Тому розглянемо організацію і пристрій вищеперелічених представників.