diplom kz Микроконтроллер құрылғыларының1

Алғашқы микроконтроллерлер

«Микроконтроллер» термині алғашында қолданылып жүрген «біркристалды микро-ЭЕМ» терминін ығыстырып шығарды. 1971 жылы Texas Instruments инжинерлері М. Кочрен және Г. Бун-ге бірінші біркристалды микро-ЭЕМ ге патент берілді. Олар бір кристалда микропроцессормен қатар жады және енгізу-шығару құрылғысын да орналастыруға ұсыныс жасады. 1972 жылы 32 байт мәліметтер жадысы, 1Кбайт программа жадысы, сағат және енгізу-шығару құрылғысы бар бірінші 4-разрядты МКTMS1000 шығарылды. Бірақ оған аса көп мән берілмеді сондықтан бірінші микроконтроллер ретінде 1976 жылы Intel фирмасымен шығарылған I8048 микросхемасын қателесіп санайды.

Орталық процессормен қатар, оның кристалында 1Кбайт программа жадысы, 64 байт мәліметтер жадысы, екі 8-биттік таймер, сағат генераторы және 27 енгізу/шығару порттары орнатылған. Ендігі кезде бұл құрылғы назарсыз қалмады, соның арқасында 8048 микроконтроллері ойын приставкаларында, пернетақталарда, алғашқы IBM PC да және бірқатар басқа да құрылғыларында қолданды.

1980 жылы Intel компаниясы келесі МКI8051 шығарды. Қосымша құрылғылардың сәтті жинағы, ішкі немесе сыртқы программалық жадының икемді таңдауының мүмкіндігі және бағасының қолжетімді болуы бұл МК-ге нарықтағы артықшылықты қамтамасыз етті және ол берілген кластың классикалық үлгісі болып қалды.

8051 Микроконтроллері

Технологиялық көзқараспен қарағанда МКI8051 өз уақытының өте қиын бұйымы болып табылады. Оның кристалында 128 мың транзистор орналасқан, ол дегенімз 16-разрядты МПI8086 тарнзисторлар санынан 4 есеге көп. Бұл 8-разрядты чип микроконтроллерлардың бір тип бұтағының пайда болуына негіз болды, және бұл тип қазіргі уақытқа дейін нарықта көшбасшы орындарды алып тұрды. I8051 аналогін көптеген кәсіпорындар, соның ішінде совет одағындағы Минск, Киев, Воронеж, Новосибирск қалаларындағы кәсіпорындар шығарған. 8051 МК-де отандық өңдеушiлердi бүтiн ұрпағы өстi. Қазіргі кезде МКI8051мен үйлесімді 200-ден астам модификациялары бар. Бірақ 51 топ өзінің орнын одан жас және кемшіліксіз микроконтроллерлерге босатып беріп жатыр.

Motorola и Zilog

Басқа сегізразрядты микроконтроллерлердің жарқын өкілдері болып Motorola (68HC05, 68HC08, 68HC11) және Zilog (Z8) компанияларының бұйымдары болып келеді.

Motorola өзінің МК мен тез және арзан жұмыс бастау үшін керек құралдарды ұсынбады, осы жағдай корпаративтік емес қызметкерлердің арасында оның танымалды болуына септігін тигізе қоймады. Біздің елімізде де оның танымалдылығы кең жайылмаған, ол оқу құралдары мен жасау құралдары санының аздығынан болуы мүмкін. Бірақ айта кету керек шет елдерде Motorola МК- лі нарықта алдыңғы орындарды алып тұр. Intel-дің бұрынғы қызметкерлері негзін қалаған Zilog фирмасынан шыққан атақты МКZ8-дің болашағы жарқын көрінген, бірақ нарықтың қарқынды дамып келе жатқан бұл бөлігінде жарысқа шыдамаған микроконтроллердің басқару жүйесі ескірген болып көрінеді.

Microchip

Бірінші айтарлықтай өзгерістер Microchip фирмасының PIC МК-нің пайда болуымен басталды. Бұл микросхемалар сол уақытпен салыстрғандағы өте төмен бағалармен сатылды, соның арқасында қысқа уақытішінде олар МК нарығының біраз бөлігін өзіне қаратты. Сонымен қатар Microchip фирмасының кристаллдары өнімділігі жағынан х51 МК-інен кем түспейтін ал кей жағдайларда асып кететін және ол қымбат программаторды қажет етпейді. Бұл МК-лер сауатты жобаланған порттары бар болды, бірақ қалғаны онша ыңғайлы жасалмады: архитектурасы мардымсыз, ал командалар жүйесі өте шектеулі болды. Соған қарамастан PIC МК-і қымбат емес және оңай қызмет ететін жүйені жасағанда қолданылатын таптырмас құрал болып табылады.

Scinex

PIC МК атағы асқан кезде Scinex фирмасынан осыған ұқсас көптеген құрылғылар шықты. Олар PIC-тің 33 командаларына қарағанда 52 командалары болды. Негізінде, тағы жадымен жұмыс жасау үшін ыңғайлы нұсқаулар, әр команда бір такт ішінде орындалатындай дамытылған архитектура осының бәрі PIC МК-мен салыстырғанда тезәрекеттілікті 4 есеге арттырды. Сонымен қатар Scinex фирмасының МК-інің тактілік жиілігі 100 МГц –қа жетті. Осындай микроконтроллердің жоғарғы жылдамығы оның жасаушыларына әр түрлі перефериядан бас тартуға мүмкіндік берді. Осымен бірге МК-де жоғарыжылдамдықты ядро, жады және енгізу/шығару порттары да бар.

Atmel

1996 жылы микроконтроллер әлемінде нағыз жаңалық, Atmel корпорациясының жаңа прогрессивті AVR ядросы негізінде жасалған өзінің бір топ чиптерін шығаруы болды. AVR МК-і жақсы дамыған командалар жүйесіне ие, оның нұсқаулары 133-ке дейін, жоғарғы өнімділігі 1 MIPS/МГц-ке жақын, схема ішіндегі қайтапрограммалау мүмкіндігін беретін Flash-ПЗУ прогрммалары бар. Көптеген чиптер өзін-өзі программалау функциясына ие. AVR-архитектурасы жоғарғыдеңгейлі Си тіліне негізделген. Сонымен қатар топтағы барлық кристаллдар "жоғарыдан төмен" үйлесімді. Ақылмен жасалған AVR архитектурасы, Microchip контроллерімен салыстырғанда озатын тезәрекеттілік, тартымды бағалы саясат, осының бәрі №1 контроллер атағына ие болуына әкелді. AVR МК-нің танымалдылығына программалық жабдықтаманың және жасау құралдарының қолдауы да әсерін тигізді.

Atmel фирмасы осы сұраққа көп көңіл бөледі және қолданушыға көптеген тегін таратылатын программалық өнімдерді ұсынады. Жаңадан бастаған құрастырушыға AVR МК-ін программалау үшін апаратты программаторсыз да жұмыс жасауға болатыны маңызды артықшылық болып табылады. Бұл микроконтроллерлерді программалаудың ең танымал түрі ол персоналды компьютердің параллельді портымен 5 өткізгішті байланыс орнату. AVR біртіндеп 8-разрядты жалпы тағайындалған МК арасында индустриалды стандарт болып қалыптасып келе жатыр. Оларды кез келген жерден алуға болады, орташа бағасы жоғары емес, Microchip компаниясының бұйымдарымен тең бәсекеге түсуімен ерекшеленеді. Қазіргі таңда осының бәрі Atmel AVR МК-лерін ең тартымды және көп үмiт күттіретін компания болып отыр.

Жоғарыда айтылған компаниялар мен олар шығаратын МК-дың тізімі толық емес. МК өндіруші ірі компаниялар арасында мыналарды да атап өту қажет: Cypress, Texas Instruments, Dallas Semiconductor, Philips, Siemens, STMicroelectronics, Futjitsu, Mitsubishi Electronics, National Semiconductor және тағы да басқалар. Қазіргі екзде ең танымал микроконтроллерлерге Microchip Technology компаниясының 8-разрядты РІС-МК мен Atmel компаниясының AVR микроконтроллерлері.

Понятие микроконтроллера

Біркристаллды микро-ЭЕМ пайда болуымен басқару аймағындағы автоматтандыруда нағыз төңкеріс болды. Дәл осы жағдай «микроконтроллер» (от англ. control – управление)терминін қолдануды анықтады. Микроконтроллер(МК)- бір микросхемадағы компьютер, әр түрлі электронды құрылғыларды басқару үшін және оған сәйке жазылған программа арқылы олардың арасындағы өзара iс-әрекеттiң жүзеге асыруы. Микропроцессорлық жүйелердің(МПЖ) дамуының қазіргі кезеңдегі негізгі ерекшелігі ол бірнеше интегралды сұлбалардан құралған жүйелерден қазіргі МК ге дейін өтуі. МК универсалды микропроцессордан (МП) айырмашылығы ол бір кристаллда МПЖ-дегі негізгі элементтердің бірігуі: орталық процессор (ЦП), жедел еске сақтау құрылғысы (ОЗУ), тұрақты еске сақтау құрылғысы (ПЗУ), енгізу/шығару порттары және бірқатар мамандандырылған электронды құрылғылар. Орнатылған құрылғылар сырттан ешқандай электр тізбегін қажет етпегендіктен, олар жоғарғы төзімділікке ие. ПЗУ МК орындайтын программаны сақту үшін қызмет етеді. ОЗУ МК-дің ішкі регистрлерінің пулын ұйымдастыру және айнымалыларды уақтша сақтау үшін қолданылады. Енгізу/шығару порттары сыртқы құрылғылармен (негізінде персональді компьютермен, себебі көптеген МК стандартты RS-232C интерфейсімен үйлесімді) МК-дің қосылуын қамтамасыз етеді.

Қазірде кең тараған мамандандырылған құралдарға мыналар кіреді:

• АСТ-аналогты-сандық түрлендіргіштер (ADC – Analog-to-Digital Converter);

• САТ- сандық-аналогты түрлендіргіштер (DAC – Digital-to-Analog Converter);

• Сандық потенциометрлер;

• Әртүрлі байланыс интерфейстері:

• Таймерлер – бұл құрылғыларды берілген периоды мен ұзақтығы ішінде тік бұрышты импульс беру үшін программалауды іске асыруға рұқсат беретін, сонымен қатар көршілес кіру импульстерінің арасындағы уақыт интервалдарын санау құрылғысы болып табылады.

МК-дің нақты моделіне қарай кейбір құрылғылар болмауы мүмкін немесе МК-де бірегей құрылғылар (мысалы, сұйықкристаллды дисплейдің драйверлері, вакуумды флуоресцентті дисплейдің драйвері және тағы да басқа) орнатылуы ғажап емес. Барлық мамандандырылған құрылғылар өзінің тапсырмаларын МК-дің мкропроцессорлы ядросының басқаруымен орындайды.

Микроконтроллердің құрылымды сызбасы.

МК топтарға біріктіріледі. Бір топқа жататын бұйымдарға бірдей микропроцесорлық ядосы бар бұйымдар кіреді. Топтың ең басты ерекшелігі- оған кіретін барлық МК-дің екілік код деңгейінде үйлесуі. Бір топ ішіндегі әртүрлі МК-дің айырмашылығы ол негізінде перефериялық құрылғылардың тізімі және программа мен мәліметтер жадысының көлемінде. Қазіргі кездегі МК-лер ерекше белглерге ие. Олардың негізгілерін талдайық:

• Модульдік ұйымдастыру, бір процессордың ядросының (орталық процессор) негізінде бірқатар МК жобаланады, олардың бір- бірінен айырмашылығы программа жадысының көлемі және түрінен, мәліметтер жадысының көлемінен, перефериялық модульдердің жинағымен, синхрондау жиілігімен танып білінеді;

• МК жабық архитектурасын қолдану, ол МК корпусының енгізуіндегі адрес және мәліметтер магистралінің болмауымен сипатталады. Осылайша МК мәліметтерді өңдеуің біткен жүйесі болып табылады, және оның адрестер және мәліметтер магистралін параллельді қолдану арқылы оның мүмкіншіліктерін арттыра алмаймыз.

• Жұмыс істеу алгоритмдерінде ешқандай айырмашылық жоқ, әр түрлі өндіушілердің микроконтроллеріне типтік функционалды перефериялық модульдерді (таймерлер, АСТ, САТ, бірбәле контроллерлерінің интерфейстері, және т.б) қолдану.

• МК арнайы функциялары регистрлердің инициализация процесі кезінде берілетін, Перефериялық модульдердің жұмыс істеу режимдерінің санын кеңейту.

Модульдік құрылым принципінде бір түрге жататын барлық МК-де біркелкі процессорлық ядро, және өзгермелі функционалды блок, ол МК әртүрлі модельдерінде өзгеше болады. Модульдік МК-дің құрылымдық сұлбасы 1-ші суретте келтірілген.

1-сурет. МК модульдік жүйесі

Процессор ядросы өзіне мыналарды қосады:

• Орталық процессор;

• Ішкі контроллерлі магистраль (внутреннюю контроллерную магистраль(ВКМ)), ол адрестер,мәліметтері, басқару шинасынан тұрады;

• МК синхронизация сызбасы;

• МК жұмыс істеу режимін басқару сызбасынан, оған қоса төмендетілген энергия тұтыну мен бастапқы қалпына келу(реинициализации) және т.б.

Өзгермелі функционалды блок өзіне әртүрлі титі және көлемді жады модулін, енгізу/шығару құрылғысын, тактілік генераторлардың(Г) модулі, таймерлерді қосады. Өзгермелі функционалды блоктың құрамына келесідей қосымша модульдер, мысалы: кернеу компараторлары, АСТ, САТ, және т.б кіреді. Үзілістерді өңдеу модульдері жайлы айтатын болсақ салыстырмалы қарапайым МК-де ол процессор ядросының құрамында болады ал одан күрделі МК-де ол мүмкіндігі жетілген бөлек модуль түрінде беріледі. Әр модуль МК құрамында жұмыс жасау үшін, ВКМ-нің нақты хаттамасын есепке ала отырып жобаланады. Мұндай тәсіл бір түр ішіндегі құрылымы жағынан әр түрлі МК шығаруға мүмкіндік береді.

Микроконтроллерлердің жіктелуі

Бүгінде дүниеде МК мыңдаған түрлері шығарылады. Оларды жіктеудің негізгі белгісі болып микропроцессор ядросындағы арифметикалық-логикалық құрылғы(АЛҚ) өңдейтін мәліметтер разрядтылығы болып табылады. Осы белгіге қарай олар :

• 4-разрядты- ең қарапайым және арзан МК. Олар ең төмен функционалды мүмкіндіктерімен сиптталады және бағасы төмен қосымшаларға арналған;

• 8-разрядты- бағасы мен мүмкіндігі жағынан оңтайлы болғанына байланысты ең көп таралған топ. Бұл топтың жарқын өкілдеріне- MCS-51 сериалы (Intel) МК , сонымен қатар PIC (Microchip), HC68 (Motorola), Z8 (Zilog) жатады.

• 16-разрядты – 8-разрядты МК-ге қарағанда жоғары өнімді бірақ бағасы да жоғары.

• 32-және 64- разрядты- әдетте универсалды микропроцессорлардың модификациясы болып табылады.

Бөлек топқа сандық сигналды процессорды (DSP – Digital Signal Processor)-арнайы МК жатқызуға болады. Олар сигналды өңдеу жүйелерінде қолдануға бағытталған.

Қазіргі кездегі әлемдік микроконтроллер нарығының үлкен үлесін 8-разрядты құрылғылар алып жатыр(шамамен 50% бағалық үлесте). Олар өнеркәсіпте, тұрмыстық және компьютерлік техникада кеңінен қолданылады. Одан кейін 16-разрядты МК және DSP ( әр топ нарықтың шамамен 20% алып тұр).

8-разрядты жалпы қолданылатын МП-лар олардан өнімділігі әлдеқайда жоғары модельдермен ығыстырылып шықты, сол уқытта 8-разрядты МК әлі де кеңінен қолданысқа ие. Өзінің даму барысында олар салыстырмалы әлсіз дамыған перефериясы бар қарапайым құрылғылардан қазіргі заманға сай қиын басқару алгоритмдерін жүзеге асыратын көпфункционалды МК-ге айналды. 8-разрядты МК-дің мұндай тіршілікке қабілеттілігі олардың нақты объектілерде пайдалануы және бұл объектілерде негізінен логикалық операциялары басым болатын алгоритмдер қолданылады, олардың жылдам өңделуі процессор разрядтылығынан іс жүзінде тәуелсіз. Бұдан бөлек жоғары өнімділіктің қажеті жоқ, бірақ бағасының төмен болуы шарт көптеген пайдалану аялары бар.

МК процессорлық ядросының сәулеті

МК процессор ядросының өнімділігін анықтайтын басты сипаттамалар:

1. Процессордың командалар жүйесі және опрандтарды дербестендіру тәсілі;

2. Аралық мәліметтерді сақтауға арналған регистрлер жиынтығы;

3. Команданы таңдау және орындау процесін ұйымдастыру;

CISC- және RISC- сәулеті

Командалар жүйесі және опрандтарды дербестендіру тәсілінің көзқарасынан қазіргі заманғы 8-разрядты МК процессорының ядросы осы сәулеттердің біреуіне тиесілі:

CISC-сәулеті (Complicated Instruction Set Computer), толық командалар жүйесін жүзеге асырады;

RISC-сәулеті (Reduced Instruction Set Computer), қысқартылған командалар жүйесін іске асырады;

CISC-процессорлары адрестеудің дамыған мүмкіндіктерімен үлкен командалар жиынтығын орындайды, ол жұмыс жасаушы адамға қажет операцияны орындауға ең қолайлы команданы таңдауға мүмкіндік жасайды. Мұндай командалар жүйесінде, кез келген адресация амалы, кез келген процессор регистріне барлық командаларды қолдана алмайды. Командаларды таңдау және оны орындау МК жұмыс істеу циклының бірнеше рет қайталануы ішінде жүзеге асырылады. CISC-сәулетіне жататын МК-ге мына фирмалар қатысты: MCS-51ядросымен Intel-дің МК, қазіргі кезде олар бірқатар өндірушілерден қолдау тауып отыр, Motorola фирмасының НС05, НС08 және НС11 және т.б.

RISC-сәулетіне жататын процессорларда орындалатын командалар жиынтығы минимумге дейін қысқартылған. Күрделі операциларды орындау үшін қолда бар командаларды құрамдастыруға тура келеді. Сонымен қатар барлық командалар ұзындығы тиянақталған форматқа ие, жадыдан команданы таңдау мен оны орындау бір цикл ішінде жүзеге асады. RISC-процессорының командалар жүйесі барлық регистрлерді тең дәрежеде қолдануды шамалайды. Бұл бірқатар операциялардың орындалу кезінде қосымша икемділікті қамтамасыз етеді. RISC-процессорына жататын МК-ге Atmel фирмасының AVR МК-і және Microchip фирмасының PIC МК-і.

RISC-сәулетінің негізгі идеясы тактілік генераторда бір такт ішінде операцияны орындау үшін кодтардың комбинациясын тиянақты түрде таңдау болып табылады. Мұндай тәсілдің ұтымдылығы - ОП-дың аппаратты іске асыруының оңайлатуы және оның өнімділігін едәуір өсіру мүмкіндігі. Бастапқыда мұндай тәсілді іске асыру тек командалар жиынтығын елеулі түрде қысқартудың арқасында қол жеткізуге болатын, осыдан RISC атауы пайда болды. Жалпы айтқанда CISC-сәулетінің бір командасына RISC-сәулетінің бірнеше командалары сәйкес келу керек. Бірақ әдетте RISC-сәулетінің тезәрекеттілігін өсіруінен табылған ұтыс тиімділігі азырақ командалар жүйесінен келген шығынды толығымен жабады, бұл жағдай CISC жүйесіне қарағанда жалпы RISC жүйесінің тиімділігінің жоғары болуына әкеледі. Сондай-ақ ОП оңайлатумен ондағы транзсторлардың санының азаюына, сол себептен кристаллдың ауданының азаюына да алып келеді. Ал онымен МК бағасы мен тұтынылатын қуатының төмендеуі де байланысты.

Фон-неймановская(принстонская) и гарвардская архитектуры

Командаларды таңдау және орындау процесстерін ұйымдастыруына қарай қазіргі заманғы МК-лерде осы екі сәулеттің біреуі қолданылады: фон-нейман(принстон) немесе гарвард сәулеті.

Фон-нейман сәулетінің негізгі ерекшелігі программа мен мәліметті сақтау үшін жалпы жадыны қолдануы, ол 2-суретте көрсетілген.

Сурет-2. Фон-нейман сәулетінің МПЖ(микропроцессорлы жүйе) құрылымы

Фон-нейман сәулетінің негізгі артықшылығы- бір ғана жалпы жадымен жұмыс жасау арқылы МПЖ құрылғысын оңайлату. Біріңғай жады облысын қолдану программа және мәлімет облыстарының арасында қорды тез арада қайта бөлуге мүмкіндік береді, программалық жабдықтаманың құрастырушысының көзқарасында ол МПЖ икемділігін едәуір өсіреді. Стектің жалпы жадыда орналасуы оның ішіндегісіне қол жеткізуді оңайлатады.

Гарвардтік сәулеттің негзгі ерекшелігі - командалар және мәліметтерді сақтау үшін бөлек адресті кеңістіктерді қолдану(3-сурет). Гарвард сәулеті 70-ші жылдардың соңына дейін қолданылмады, одан кейін МК өндірушілері Гарвард сәулетінің автономды басқару жүйелерін жасаушыларға белгілі артықшылықтарды беретінін түсінді.

1-адрестер шинасы

2-мәліметтер шинасы

3- басқару шинасы

Рисунок3 – Структура МПС с гарвардской архитектур

Осыдан гарвард сәулетінің фон-нейман сәулетімен салыстырғандағы артықшылығы ол программаның орындалу жылдамдығының жоғары болуын қамтамасыз ететін параллельді операцияларды іске асыру мүмкіндігі.

Команда және мәліметтерді сақтау үшін адрестік кеңістіктің бөлінуінің арқасында келесі команданың таңдалуы бұдан бұрынғы команданың орындалуымен бір уақытта жүзеге асады, бұл әр түрлі командалардың бірдей такт ішінде орындалуын жүзеге асырады. Осыған орай 8-разрядты МК-дің көптеген өндірушілері дәл осы гарвард сәулетін қолданады.

Түрлі сәулетке қарап жасалған әртүрлі МК салыстыру қиын тапсырма болып табылады және оны нақты қосымшаға (программаға) қарай өткізу қажет.

МК жұмыс істеу тиімділігін нағыз объективті сандық түрде бағалау үшін бізге ВКМ-нің жылдамдығын алуға болады, ол МК өнімділігін анықтаушы ол дегеніміз белгілі бір уақыт аралығында орындалатын операциялар саны. МК өнімділігі MIPS(Million Instructions per Second –секундына миллион нұсқаулық).

Тактілік жиілік өскен сайын МК өнімділігі де артады. МК-дің үнемділігін сипаттайтын келесі сандық сипаттама- оның тұтынатын қуаты. Ол да МК тактілік жиілігі өскен сайын артады.

Особенности системы команд микроконтроллеров

Кез келген микропроцессорлы жүйедегідей МК-дің ОП-нің командалар жиыны өзіне негізгі төрт командалар тобын қосады:

• Мәліметтерді салып жіберу командалары;

• Арифметикалық командалар;

• Логикалық командалар;

• Өту командалары;

Бірқатар регистрлерге тәуелсіз басқару мүмкіндігін жүзеге асыру үшін көптеген заманауи МК-де биттік басқару командаларының тобы(буль немесе биттік процессор) қарастырылған. Биттік процессор командаларының бар болуы басқарушы программа кодының көлемін және олардың орындалу уақытын елеулі түрде қысқартуға рұқсат береді.