Выбор микроконтроллера

Выбор микроконтроллера [7] является одним из самых важных шагов, ведущих к успеху или провалу задуманного проекта. При этом необходимо учесть и оценить большое количество факторов. Обычно выбор проводится в 3 стадии:

1. Определение разработчиком необходимых характеристик МКпутем ответа на вопрос: «Что должен делать микроконтроллер в данной системе?». При этом немаловажной целью является выбор наименее дорогого МК, но удовлетворяющего требованиям по производительности, надежности, условиям применения и т. д.

2. Выбор микроконтроллеров или группы семейств МК, удовлетворяющих всем системным требованиям, включая необходимый подборлитературы, технических описаний и возможность получения консультаций, отдавая предпочтение однокристальным устройствам – из-за цены и надежности, с учетом стоимости и габаритов.

3. Выбор из списка приемлемых устройств одного путем анализа ряда факторов: цены, доступности, средств разработки, поддержки производителя, стабильности производства, наличия других производителей или поставщиков. Для выработки оптимального решения, возможно, весь процесс придется повторить несколько раз.

Рассмотрим основные критерии выбора МК в порядке значимости.

1. Пригодность МК для конкретной прикладной системы. Из возможных вариантов реализации системы (применением набора устройств автоматики, специализированных микросхем или однокристального МК промышленного производства) необходимо окончательно выбрать МК как гибкое, универсальное и недорогое средство автоматизации. Представляя основные задачи МК в разрабатываемой системе, необходимо выбрать МК с наиболее подходящим количеством контактов/портов ввода/вывода и набором встроенных дополнительных периферийных устройств (последовательные порты ввода/вывода, RAM, ROM, A/D, D/A, ШИМ, и т. д). Также надо убедиться в отсутствии избыточности по структуре и в оптимальном соотношении производительности и стоимости МК.

2. Доступность выбранного МК.Используя информацию о поставщиках и производителях МК, необходимо определить, имеются ли данные МК в количествах, достаточных для реализации вашего проекта, производятся ли сейчас и каковы перспективы их приобретения в будущем?

3. Поддержка разработчика МК. Для эффективной реализации задуманного проекта немаловажную роль играют такие факторы, как наличие ассемблеров и/или компиляторов с развитыми средствами отладки: оценочных модулей (EVM), внутрисхемных эмуляторов, насадок для логических анализаторов, отладочных мониторов, отладчиков программ в исходных текстах. Существенную помощь оказывают разработчики МК, осуществляющие информационную поддержку распространением примеров применения со схемами и исходными текстами программ, сообщений об ошибках, а также бесплатных оценочных ассемблеров. Для поддержки применений фирмы-поставщики обязаны иметь специальные группы поддержки применений, включающие инженеров, техников и менеджеров, обеспечивающих быструю реакцию на запросы о помощи.

4. Надежность фирмы-производителя. Хорошим ориентиром в выборе МК является компетентность фирмы-производителя, подтвержденная уже выполненными разработками, надежность производства и качества продукции, подтвержденная сертификатами, продолжительность работы в данной области, хотя не следует забывать, что любая фирма должна была с чего-то начинать.

Системные требования. Системный анализ проекта позволяет ответить на ряд вопросов и выявить существенные системные требования, в числе которых:

• состав периферийных устройств. Реализация некоторых функций ввода/вывода и обработки данных возможна как чисто программными средствами, так и с использованием встроенных специализированных средств – периферийных устройств, позволяющих повысить производительность МК, однако набор таких устройств для МК различных фирм-производителей и внутри семейств МК может различаться;

• манипуляции при программной обработке данных. Структуры обрабатываемых данных могут существенно повлиять на производительность системы, поскольку обработка битовых полей и числовых данных требует различного подхода к алгоритмам и программам. Еще более существенной разницы в затратах потребует обработка данных по алгоритмам целочисленной арифметики и при операциях с плавающей запятой;

• принцип управления системой. На успешное решение проекта может влиять правильность выбора одного из принципов управления системой: по командам, по готовности или по прерываниям, когда система должна работать в реальном времени (с жесткими характеристиками откликов);

• типы устройств ввода/вывода. Для связи с объектом управления и оператором могут потребоваться различные устройства: терминалы, выключатели, реле, контакторы, клавиатура, сенсоры и датчики (температуры, света, напряжения, тока, положения), звуковые устройства (микрофоны, синтезаторы), индикаторы: жидкокристаллические (LCD); светодиодные (LED), аналого-цифровые (ADC) и цифроаналоговые (DAC) преобразователи;

• тип системы электропитания.В разрабатываемой системе может потребоваться стабилизированное напряжение питания не только для МК, но и для устройств связи с объектом. При этом номинальные значения напряжений и мощности источников вторичного питания (ВИП) будут определяться составом системы. В ряде случаев может потребоваться бесперебойная система электропитания со встроенными аккумуляторными батареями;

• условия эксплуатации.Выбор элементов системы должен учитывать диапазон рабочих температур, атмосферного давления, влажности, а также агрессивность и взрывоопасность среды при эксплуатации и хранении системы;

• массогабаритные характеристики.Наличие ограничений по массогабаритным характеристикам определяет много дополнительных требований, среди которых могут быть требования по базированию пользовательского программного обеспечения (на компакт-дисках, на твердотельных дисках, на микросхемах).

Основные особенности микроконтроллера.

1. Разрядность. Существуют группы 8-, 16-, 32-разрядных МК – по размеру АЛУ и индексных регистров или по размеру шин обмена данными и инструкциями.

2. Тактовая частота (или более точно – скорость шины) определяет, сколько операций ввода/вывода и вычислений может быть выполнено за единицу времени. Ранние МК могли работать в узком диапазоне частот, новые – в широком, вплоть до нулевой. Снижение тактовой частоты уменьшает потребление, а повышение – приводит к возрастанию вычислительной и потребляемой мощностей. Однако следует ожидать, что система с более высокой тактовой частотой будет стоить больше уже потому, что все дополнительные микросхемы (RAM, ROM, PLD) тоже будут дорогостоящими. В некоторых случаях выбор тактовой частоты может быть связан с требованиями определенной скорости обмена данными по последовательным каналам.

3. Язык программирования. Выбор языка программирования: ассемблер или язык высокого уровня (чаще всего «Си»).

4. Технология изготовления. Сравнивая технологии изготовления МК отметим, что N-канальную применяли в более ранних разработках. Современная технология HCMOS позволяет использовать полный диапазон напряжений от 0 до U питания, МК потребляют меньшую мощность, меньше нагреваются, имеют меньшие габариты и, следовательно, более дешевы в производстве, так как на одном кристалле получается большее количество чипов.

Возможности микроконтроллера. Наличие встроенных периферийных и дополнительных устройств повышает надежность систем на основе МК, поскольку не требуется внешних электрических цепей. К таким устройствам относятся устройства памяти, порты ввода/вывода, таймеры, системные часы, генераторы.

Память – устройство для хранения данных и программ. Оперативная память (RAM) используется для записи и хранения данных, полученных путем обмена с датчиками и терминалами или в процессе обработки (вычислений) во время работы системы. Постоянная память (ROM) используется для хранения программы, которая записывается один раз, до того как система начнет работать. Другие типы устройств памяти – перепрограммируемая (EPROM), электрически перепрограммируемая (EEPROM), FLASH – позволяют делать перезапись от сотен до десятков тысяч раз, что необходимо при отладке системы или может быть использовано для хранения некоторых параметров настройки.

Таймер – это часы реального времени и таймеры прерываний. Следует иметь в виду разрешение и диапазон таймеров (тактовую частоту и разрядность), а также наличие функций захвата событий и входных сигналов, что позволяет реализовывать эффективные алгоритмы обработки данных и управления аппаратурой.

Средства ввода/вывода включают порты параллельные и последовательные, аналого-цифровые (ADC) и цифроаналоговые (DАC) преобразователи, драйверы клавиатуры и дисплея – жидкокристаллического (LCD) или вакуумного флуоресцентного (VFD).

Сторожевой таймер (WDT) – таймер слежения за нормальным функционированием МК, система обнаружения отказа тактового генератора или «зависания» программы – бесконечного ожидания или циклического выполнения какой-то части программы в ущерб функционированию системы.

Системный интеграционный модуль (SIM) позволяет выбрать конфигурацию памяти и настроить внешние контакты микросхемы на ввод или вывод данных, а также настроить специальные регистры, управляющие работой всех встроенных периферийных устройств. В большинстве МК с внутрисхемными ресурсами содержится блок конфигурационных регистров для управления этими ресурсами, обеспечивающими необходимую гибкость при низкой стоимости.

Набор команд микроконтроллера. Набор команд МК играет важную роль в определении возможностей системы: манипуляции с битовыми полями, арифметические операции, умножение, деление и табличные преобразования.

Система команд микроконтроллера тесно связана с архитектурой. На рис. 20 показаны примеры выполнения арифметической операции с двумя операндами для процессоров с различной архитектурой.

Для большинства 8-разрядных микроконтроллеров (типа MCS-51, PIC) с «классической» аккумуляторной архитектурой операция сложения выполняется в 3 этапа:

1. загрузка первого операнда в аккумулятор, имеющий связь с одним из портов арифметическо-логического устройства (АЛУ);

2. извлечение второго операнда из оперативной памяти, сложение с данными, находящимися в аккумуляторе, и автоматическая передача результата в аккумулятор;

3. пересылка результата выполнения операции по месту назначения (в ОЗУ).

Такой подход позволяет существенно уменьшить формат команд за счет сокращения адресной части (необходим адрес только одного операнда), что уменьшает объем памяти программ.

По мере развития микропроцессорной техники аккумуляторная архитектура стала тормозом в повышении производительности процессора, появилась регистр-регистровая архитектура (16-разрядные микроконтроллеры MCS-196).

Основное отличие новой архитектуры заключается в том, что любые ячейки интегрированной на кристалл сверхбыстродействующей оперативной памяти, регистрового ОЗУ могут служить источником или приемником данных, т. е. могут выполнять функции аккумулятора. При этом любая команда процессора может быть трехоперандной и необходимость в дополнительных операциях по пересылке данных в аккумулятор и в ОЗУ отпадает. Естественно, время обработки данных сокращается, но сложность и формат команд увеличиваются. В сочетании с возможностью обработки 16-разрядных данных производительность MCS-196 по сравнению сMCS-51 увеличивается в несколько раз при работе на одной и той же тактовой частоте.

Прерывания. В системах реального времени очень важную роль имеет система прерываний. От того, насколько быстрой будет реакция системы на внешнее событие, зависит ее способность выполнять свою роль в процессе управления. Количество линий и уровней прерываний, имеющихся и используемых в системе, определяет число событий, которые может обработать система. Наличие маски прерываний позволяет на время исключить влияние некоторых событий. Наличие индивидуальных векторов для программ обработчиков прерываний позволяет каждое событие обрабатывать отдельной программой, что исключает необходимость опрашивать все возможные источники прерываний. Системы реального времени оцениваются по времени реакции на прерывание – т. е. по времени перехода к первой команде программы обработки.

Характеристика разработчика системы. Специально подготовленный и обученный персонал и наличие специальных средств разработки позволяет существенно сократить сроки и повысить вероятность успеха разработки.

Характеристика поставщика. Поставщиком может быть производитель МК или дилер нескольких компаний, обеспечивающий оптовые поставки.