личить объем ОЗУ, в то время как расширение памяти программ не предусмотрено. Шина адреса интерфейса внешней памяти – 16 бит, шина данных - 8 бит.

Наличие контроллера прямого доступа к памяти (DMA) в микроконтроллерах с высокоразрядным быстродействующим АЦП (серия С8051F064:067) позволяет осуществлять быструю передачу результатов преобразования АЦП во внешнюю либо внутреннюю память микроконтроллера, не задействуя ресурсов микроконтроллера.

Интегрированный источник опорного напряжения (ИОН) имеет значение 2,43 В (в некоторых семействах 2,5 В) и температурную нестабильность 15 ppm/ C. Максимальный ток нагрузки ИОН составляет 200 мкА. При использовании внешнего источника внутренний ИОН может быть программно отключен.

Встроенный тактовый генератор может перепрограммироваться "на лету", что позволяет оперативно, во время выполнения программы, менять тактовую частоту и, соответственно, энергопотребление.

Во всех микроконтроллерах предусмотрен отладочный интерфейс JTAG (в микроконтроллерах с небольшим количеством выводов - двухпроводный интерфейс C2). Наличие такого интерфейса позволяет осуществлять отладку программы в микроконтроллере без использования дорогостоящего эмулятора, необходим только адаптер с подключением к компьютеру через последовательный порт (наименование адаптера SiLabs EC2), либо USB (DEBUGADPTR1-USB). Отладка осуществляется в режиме реального времени.

Микроконтроллеры SiLabs содержат широкий набор последовательных коммуникационных интерфейсов: двухпроводной двунаправленный интерфейс SMBus (совместимый с I2C), последовательный периферийный интерфейс (SPI), до двух последовательных асинхронных интерфейсов (UART), а в специализированных линейках – контроллеры интерфейсов USB или CAN.

Уникальной особенностью данных микроконтроллеров является наличие цифрового коммутатора (CROSSBAR), позволяющего подключать цифровые и аналоговые узлы к различным выводам микроконтроллера, в том числе в процессе работы.

Летом 2006 г. корпорация Ramtron начала поставки микроконтроллера VRS51L2070 /15/, первого представителя нового семейства высокопроизводительных и многофункциональных микроконтроллеров VERSA с ядром промышленного стандарта 8051. Новое семейство призвано обеспечить для 8-разрядных платформ производительность 16-разрядных процессоров за счет выполнения машинного цикла за один такт синхронизации и высокой тактовой частоты — 40 МГц. Таким образом, быстродействие процессоров со стандартным набором команд 8051 может достигать 40 MIPS. Кроме высокого быстродействия, новое семейство предлагает очень широкий набор стандартной и уникальной встроенной периферии, а также имеет версии микроконтроллеров со встроенной FRAM – памятью, построенной на ферроэлектрическом эффекте (названном по.аналогии с ферромагнитным эффектом гистерезиса).

И, наконец, сама фирма «Intel» предложила новое процессорное ядро MCS-251, совместимое на уровне кодов с программами для 8051. Основные характеристики центрального процессора с архитектурой MCS-251:

•расширенный набор команд, включающий 16-битные арифметические и логические инструкции;

•регистровая архитектура, допускающая обращение к переменным в байтовом, двухбайтовом и четырехбайтовом форматах;

•конвейер команд;

•линейная адресация до 16 Мбайт памяти программ;

•выполнение самой быстрой инструкции в шесть раз быстрее MCS-51.

МК семейства MCS-251 содержат на кристалле три таймера, программируемый счетный массив РСА, улучшенный асинхронный порт, сторожевой таймер.

20

2.3. Микроконтроллеры семейства AVR

Идея разработки нового RISC-ядра принадлежит двум студентам Norwegian University of Science and Technology (NTNU) из норвежского города Тронхейма (Trondheim) — Альфу Богену и Вегарду Воллену. В 1995 году Боген и Воллен решили предложить американской корпорации Atmel, которая была известна своими чипами с Flash-памятью, выпускать новый 8-битный RISC-микроконтроллер и снабдить его Flash-памятью для программ на одном кристалле с вычислительным ядром.

Идея была одобрена Atmel Corp., и было принято решение незамедлительно инвестировать в данную разработку. В конце 1996 года был выпущен опытный микроконтроллер AT90S1200, а во второй половине 1997-го корпорация Atmel приступила к серийному производству нового семейства микроконтроллеров, к их рекламной и технической поддержке.

Новое ядро было запатентовано и получило название AVR. Существует несколько трактовок данной аббревиатуры. Кто-то утверждает, что это Advanced Virtual RISC, другие полагают, что это аббревиатура от Alf-Egil Bogen – Vegard Wollan RISC.

Существенные параметры и особенности семейства

Flash-микроконтроллеры с архитектурой AVR производства Atmel Corp. отлично вписываются в среднюю нишу, на стык между 8- и 16-разрядными микроконтроллерами. В рамках единой архитектуры микроконтроллеры AVR подразделяются на подсемейства:

Classic AVR /9/ (Atmel Corp. сообщила о снятии Classic с производства), Tiny AVR, Mega AVR /8/. В /16, 17/ описана наиболее развитая версия – подсемейство xMega А. Соотношение между подсемействами по количеству выводов, объему памяти и возможностям проиллюстрировано фирмой следующей диаграммой (рис. 2.1).

Рис. 2.1

Стандартные семейства (приведены максимальные значения объёмов памяти):

tinyAVR:

o флеш-память 8 Кб, SRAM 512 б, EEPROM 512 б;

o число линий ввода-вывода 4-18 (общее количество выводов 6-32);

oограниченный набор периферийных устройств.

megaAVR:

21

o флеш-память 256 Кб, SRAM 8 Кб, EEPROM 4 Кб;

oчисло линий ввода-вывода 23-86 (общее количество выводов 20-100);

oаппаратный умножитель;

oрасширенная система команд и периферийных устройств.

XMEGA AVR (подробнее см. ниже):

oфлеш-память 384 Кб, SRAM 32 Кб, EEPROM 4 Кб;

o четырёхканальный DMA-контроллер;

o инновационная система обработки событий.

На основе стандартных семейств выпускаются микроконтроллеры, адаптированные под конкретные приложения:

со встроенными интерфейсами USB, CAN, контроллером LCD;

со встроенным радиоприёмопередатчиком — серии ATAхxxx, ATAMxxx;

для управления электродвигателями — серия AT90PWMxxxx;

для автомобильной электроники;

для осветительной техники.

Микроконтроллеры всех семейств поддерживают несколько режимов пониженного энергопотребления, имеют блок прерываний, сторожевой таймер и допускают программирование непосредственно в готовом устройстве.

Микроконтроллеры семейства Tiny /8/ имеют небольшие объемы памяти программ (1...2 Кбайта) и весьма ограниченную периферию. Большая их часть выпускается в 8- выводных корпусах, имеет 6 линий ввода/вывода, 1 или 2 восьмиразрядных таймера и предназначена для т.н. «бюджетных» решений, принимаемых в условиях жестких финансовых ограничений. Область применения этих микроконтроллеров — интеллектуальные датчики различного назначения (контрольные, пожарные, охранные), игрушки, зарядные устройства, различная бытовая техника и другие подобные устройства. В настоящее время ассортимент их расширен – выпускаются модели с 20 и 28 выводами, 16 и 19 линиями ввода/вывода, 10-разрядным АЦП.

Микроконтроллеры семейства Mega /8/, напротив, имеют весьма развитую периферию, бóльшие объемы памяти программ и данных. Они предназначены для использования в мобильных телефонах, контроллерах различного периферийного оборудования (принтеры, сканеры, современные дисковые накопители, приводы CD-ROM/DVD-ROM и т. п.), сложной офисной технике и т.д.

Существенные параметры и особенности подсемейства Mega

1.Наименование ядра – AVR.

2.Система команд – RISC (от 90 до 133 команд). Большинство команд занимает только

1ячейку памяти (16 бит). Большинство команд выполняется за 1 такт.

3.Архитектура – Гарвардская, распределение адресного пространства – память программ и память данных разделены, как и шины доступа к ним.

4.Количество и организация регистров общего назначения, наличие выделенного регист- ра-аккумулятора – 32 8-битных регистра общего назначения, объединённых в регистровый файл. Выделенного аккумулятора нет, зачастую в качестве него используется r16. В отличие от «идеального» RISC, РОН не абсолютно ортогональны, а именно:

*6 последних РОН могут использоваться как три «сдвоенных» 16-битных регистра-

указателя X (r26:r27), Y (r28:r29) и Z (r30:r31);

*некоторые команды работают только с регистрами r16…r31;

*результат умножения (в тех моделях, в которых есть модуль умножения) всегда помещается в r0:r1.

22

5.Память программ – Flash ПЗУ – до 128К слов x 16 разрядов, не менее 100000 циклов стирания/записи.

6.Память констант – пересылкой из памяти программ в память данных плюс EEPROM

0,5…4 Кбайт.

7.Память данных – внутреннее ОЗУ 0,5…8 Кбайт плюс внешняя до 64 Кбайт в отдельных моделях.

8.Организация доступа к ОЗУ – линейная, в начале адресного пространства находятся 32 РОН, 64 регистра специальных функций (есть модели с расширением).

9.Разрядность АЛУ – 8.

10.Кол-во тактов на команду – 1 (двухуровневый конвейер).

11.Тактовая частота – от нуля до 16 МГц (зависит от источника).

12.Источники тактового сигнала и их частоты: керамический резонатор (0,4-3,0 МГц), кварцевый резонатор (3,0-8,0 МГц), «часовой кварц» (215 Гц), внешняя RC-цепочка (до 8 или 16 МГц), внутренняя RC-цепочка (ряд 1, 2, 4, 8 МГц), внешний ГТИ (до 8 или 16 МГц).

13.Организация стека – в памяти данных (через указатель стека) от максимального адреса вниз, глубина неограниченна, автоматически сохраняемый контекст – только значение счетчика команд (РС), прочее – программно.

14.Организация прерываний – многоуровневая приоритетная система прерываний с 2-32 внешними источниками запросов на обслуживание радиального типа. Приоритет источника прерывания определяется адресом его вектора прерывания: чем меньше адрес, тем выше приоритет прерывания.

15.Программирование (в системе): наличие, интерфейс – отладка программ осуществляется с помощью интерфейсов JTAG или debugWIRE.

Существенные параметры и особенности подсемейства XMega

Микроконтроллеры XMEGA A интегрируют следующие ресурсы:

8/16-битное высокопроизводительное RISC ЦПУ AVR,

внутрисистемно-программируемая Flash-память команд с возможностями чтения во время записи (система команд – RISC, 138 команд),

эффективная поддержка 8-, 16- и 32-битных арифметических команд,

32 8-битных регистра, напрямую подключенные к ALU;

стек в оперативной памяти;

указатель стека, доступный в пространстве памяти ввода-вывода,

до 16 Мбайт памяти программ и 16 Мбайт памяти данных с прямой адресацией,

внутренние EEPROM и SRAM,

аппаратное умножающее устройство,

четырехканальный DMA-контроллер,

полная поддержка 16/24-битного доступа к 16/24-битным регистрам ввода-вывода,

восьмиканальная система событий и программируемый многоуровневый контроллер прерываний,

до 78 линий ввода-вывода общего назначения,

16или 32-битный счетчик реального времени (RTC),

до 8 универсальных 16-битных таймеров-счетчиков с режимами сравнения и возможностями широтно-импульсной модуляции (ШИМ),

до восьми интерфейсов USART,

до четырех I2C- и SMBUS-совместимых интерфейсов TWI,

до четырех интерфейсов SPI,

ускорители криптографических алгоритмов AES и DES,

23

до двух 8-канальных 12-битных аналогово-цифровых преобразователей (АЦП, ADC) с опциональным дифференциальным входным усилительным каскадом с программируемым усилением,

до двух 2-канальных 12-битных цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП, DAC),

до четырех аналоговых компараторов с оконным режимом,

программируемый сторожевой таймер с отдельным внутренним генератором,

точные внутренние генераторы с функциями фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, PLL) и предделения частоты,

интерфейс программирования и отладки PDI,

защита от изменения настроек критических функций системы,

атакже программируемый супервизор питания (BOD).

Кроме того, в МК входят два интерфейса, которые могут использоваться для программирования МК и доступа к встроенной отладочной системе: 2-проводной быстродействующий интерфейс PDI и IEEE 1149.1-совместимый интерфейс JTAG.

Типичные применения: промышленная автоматика; управление климатом; карманные устройства с батарейным питанием; контроллеры автоматизации; ZigBee; управление электроприводами; системы нагрева, вентиляции и кондиционирования воздуха; коммуникационное оборудование; измерительные приборы; бытовое электрооборудование; медицинская техника.

Особенности линейки AVR xMega_A4 /16/ приведены в табл. 2.1.

2.4. Микроконтроллеры семейства PIC

Компания Microchip Technology Inc. представляет широкий спектр 8-разрядных RISCподобных микроконтроллеров семейства PIC (PICmicro™ MCU) 3 (всего более 500 различных наименований), среди которых имеются как однократно программируемые (ОТР), так и Flash-версии, в обозначении моделей которых присутствует буква F /12/.

Существенные параметры и особенности семейства

Всю номенклатуру выпускаемых микроконтроллеров PIC можно разделить на следующие уровни (рис. 2.2):

3 Название PIC является сокращением от Peripheral Interface Controller. Название объясняется тем, что изначально PIC предназначались для расширения возможностей ввода-вывода 16-битных микропроцессоров CP1600. Вскоре аббревиатура была перетолкована как "программируемый интеллектуальный контроллер".

24

PIC

Рис. 2.2. Семейства микроконтроллеров PIC

Следует отметить, что микроконтроллеры PIC 10/12/16 представляют собой самое дешевое, базовое (baseline) семейство. Они идеально подходят для систем, критичных к стоимости и энергопотреблению. Высокопроизводительное (среднее) семейство 8-битных микроконтроллеров PIC18 представлено широкой гаммой микроконтроллеров, включающих большой набор периферийных модулей. Чтобы обеспечить еще более высокое быстродействие в ответственных системах, применяют 16-разрядные микроконтроллеры PIC 24 и 32разрядные PIC 32. 16-разрядные сигнальные контроллеры dsPIC 30/33 находят применение в системах цифровой обработки сигналов.

Следует обратить внимание на то, что в терминологии фирмы Microchip понятие разрядности процессорного ядра относится не к разрядности данных, а к разрядности команд. Например, словосочетание «12-разрядное процессорное ядро» означает, что процессор оперирует 12-разрядными командами. Аналогично и для другой разрядности. Так, младшее подсемейство (например, PIC12C5xx, PIC16C5x) имеет 12-разрядное ядро, среднее подсемейство (в частности, PIC16C6х) – 14-разрядное, старшее (в частности, PIC17, PIC18)

– 16-разрядное. Повторяю: здесь «разрядность» означает разрядность команд (тем не менее, далее в пособии понятие разрядности будет относиться лишь к данным). Фиксированная разрядность команд однозначно указывает на принадлежность семейства PIC к МК с RISC-архитектурой. Микроконтроллеры PIC имеют симметричную систему команд, позволяющую выполнять операции с любым регистром, используя любой метод адресации.

Microchip традиционно доминирует на "low-end" рынке для низкостоимостных приложений (например, разнообразные охранные системы и системы доступа). Однако, как видно из диаграммы, семейство развивается – как в направлении усложнения интерфейсной части МК, так и в сторону усложнения архитектуры. Следует отметить, что среди микроконтроллеров, выпускаемых на отечественных предприятиях, есть аналоги МК PIC. К ним можно отнести МК 1886ВЕ6 4, который функционально схож с серией PIC 17 /12/. Однако, на данный момент поддержка семейства PIC 17 компанией Microchip официально прекращена.

Характеристики основных линеек микроконтроллеров PICmicro приведены в табл. 2.2.

4 Сведения по МК серии 1886 см., например, в /35-37/.

25

5Архитектура одного из МК подсемейства PIC 16 (PIC16C54) рассмотрена в /2/.

6Структурная схема одного из МК подсемейства PIC 18 приведена на рис. 2.3.

26

Рис. 2.3. Структурная схема микроконтроллеров PIC18F242

27

Существенные параметры и особенности подсемейства PIC18 на примере

PIC18F46J50

0.Наименование ядра – PIC.

1.Система команд – RISC (83 команды, 16 разрядов).

2.Наличие в программной модели выделенного регистра-аккумулятора – есть единственный рабочий регистр WREG. Пользователь может сохранять результат операции в самом регистре-аккумуляторе или во втором регистре, используемом для операции.

3.Архитектура – Гарвардская, распределение адресного пространства – память программ и память данных разделены, как и шины доступа к ним.

4.Память программ –Flash ПЗУ – 64К слов x 16 разрядов + прозрачный доступ к внешней памяти, которая для пользователя является частью программного пространства объемом

2 Мб.

5.Память констант – EEPROM нет, однако существуют МК с поддержкой внутренней энергонезависимой памяти объемом от 1 тыс. до 4 тыс. слов.

6.Память данных – внутреннее ОЗУ 4 Кбайт.

7.Организация доступа к ОЗУ – 16 банков (текущий банк определяется значением служебного регистра BSR), виртуальные регистры и указатели, косвенная адресация через FSR. Для выбора текущего банка памяти (BSR<3:0>) используются младшие 4 бита регистра BSR, старшие 4 бита регистра BSR не реализованы.

8.Организация стека – отдельное 21-разрядное ОЗУ (через указатель стека) на 31 слово, автоматически сохраняемый контекст – значение счетчика команд (РС), прочее – программно (быстрый стек отсутствует). Указатель стека доступен для записи и чтения, он фактически является адресатом вершины стека, которая может быть прочитана и изменена через регистры специального назначения. Данные могут быть загружены/прочитаны в стек, выполняя операции с вершиной стека. Биты статуса отображают состояние указателя стека (переполнение, исчерпание стека).

9.Разрядность АЛУ – 8.

10.Кол-во тактов на команду – 4 (двухступенчатый конвейер).

11.Тактовая частота – от нуля до 40 МГц (зависит от источника), в результате быстродействие 40/4 = 10 MIPS (до 16 MIPS). Тактовый генератор может работать в восьми режимах. Пользователь может выбрать один из режимов в битах конфигурации микроконтроллера.

12.Организация прерываний – есть несколько источников прерываний и функция приоритетной системы прерываний, которая позволяет для каждого источника прерываний назначить высокий или низкий приоритет, предусмотрено 10 регистров специального назначения для управления прерываниями. В обработчике прерываний конкретный источник прерываний может быть определен проверкой соответствующих флагов. Флаги прерываний должны быть сброшены в обработчике прерываний для предотвращения повторного перехода на обработку прерывания. Три слова программы в верхней (с меньшим адресом) части доступной области памяти зарезервированы для аппаратных векторов перехода. Это вектор сброса (0x00), вектор прерывания низкого приоритета (0x08) и вектор прерывания высокого приоритета (0x18). В обработчике прерываний конкретный источник прерываний может быть определен проверкой соответствующих флагов. Для предотвращения повторного перехода на обработку прерывания в обработчике прерываний флаги прерываний должны быть сброшены. Время перехода на обработку прерываний от внешних источников (прерывания INT, изменение уровня сигнала на входах PORTB и др.) составляет три-четыре цикла команд. Время перехода не зависит от типа выполняемой команды (однословная или двухсловная).

13.Реализовано пять портов ввода/вывода. Некоторые каналы портов ввода/вывода мультиплексированы с дополнительными функциями периферийных модулей микроконтроллера. Каждому порту соответствует три управляющих регистра:

28

TRIS - регистр выбора направления данных в каналах порта ввода/вывода

PORT - регистр порта (результатом чтения является логический уровень сигнала на выводах)

LAT - защелка порта ввода/вывода

14.Последовательный интерфейс – USART, SPI, I2С, CAN, USB (Device), Ethernet.

15.Дополнительные возможности:

модуль аппаратного умножения 8 x 8 бит (результатом является беззнаковое 16разрядное число, которое сохраняется в спаренном регистре PRODH:PRODL. Умножение не изменяет состояние флагов регистра STATUS),

10-битный АЦП (13 каналов),

2 аналоговых компаратора,

CTMU – блок измерения времени заряда (Charge Time Measurement Unit), удобный для сенсорных датчиков 7

допустимость 5-вольтовых входных цифровых сигналов при напряжении питания 2,0- 3,6 В.

3.ИНТЕРФЕЙСЫ УДАЛЕННЫХ УСТРОЙСТВ

3.1. Общие сведения

Система управления технологическим объектом – это обычно многопроцессорная система, в состав которой входят полнокомплектные ЭВМ и микроконтроллеры МК с целевыми функциями. Для управления распределенными системами общепринятой является сетевая архитектура. Сформировалось направление, состоящее в разработке унифицированных функциональных модулей, которые допускают простое объединение через шину или иной интерфейс при однотипном алгоритмическом и программном обеспечении.

Такие производственные системы состоят из узлов, в каждом из которых организуется микроконтроллерная система управления МКСУ, основой которой является микроконтроллер. МКСУ поддерживает локальную шину, нагрузочная способность которой позволяет подключать несколько модулей связи с объектом (цифровой ввод/вывод, аналоговый ввод/вывод, силовые модули). Каждое такое образование объединяется с себе подобными через унифицированный интерфейс. Требования к такому интерфейсу подробнее рассмот-

рены ниже, но основное из них – разнесение МКСУ по конструкции объекта с тем, что-

бы каждая находилась в максимальной близости к исполнительным элементам – диктует выбор интерфейсов с малым числом проводов, т.е. последовательных. К последовательному интерфейсу может подключаться N локальных СУ (рис. 3.1), при необходимости в канал интерфейса встраивают буферный повторитель для повышения нагрузочной способности.

Такая локальная сеть (нижний уровень) подключается к системе управления верхнего уровня. Последняя должна иметь соответствующий сетевой интерфейс, а также обладать дополнительными интерфейсными средствами (ИС ВУ) для включения в сеть следующего, более высокого уровня.

7Другие применения CTMU:

•измерение абсолютного и относительного изменения заряда, причем относительное не требует калибровки (для детектирования касания сенсорной кнопки);

•измерение временных промежутков (динамический рефлектометр, измерение длины кабеля);

•высокоскоростной ШИМ;

•ЦАП;

•измерение температуры при помощи одного диода.

29