mpusu_avr_p1
.pdf
20.12.2017
Микропроцессорные устройства систем управления
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» Факультет электротехники и автоматики
Кафедра систем автоматического управления
к.т.н., доцент
Голик Станислав Евсеевич
E-mail: segolik@gmail.com
Тел: (921) 321-0875
2
Голик С.Е.
1
20.12.2017
Микропроцессорные устройства систем управления
Литература:
1.Голик С. Е. Микроконтроллеры для систем управления: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015. 160 с.
2.Евстифеев, А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega: руководство пользователя/ А.В. Евстифеев. – М.: ДМК Пресс, Додэка, 2015.
3. Микропроцессорные системы: Учеб. пособие для вузов / Е. К. Александров, Р. И. Грушвицкий, М. С. Куприянов и др.: Под общ. ред. Д. В. Пузанкова. СПб.: Политехника, 2002.
4.Мортон, Д. Микроконтроллеры AVR: ввод. курс: пер. с англ. / Д. Мортон. – М.:
ДОДЭКА-21, 2006.
3
Голик С.Е.
Электронные лампы
История изобретения и использования
4
Голик С.Е.
2
20.12.2017
ЭВМ на электронных лампах
5
Голик С.Е.
Транзистор
6
Голик С.Е.
3
20.12.2017
ЭВМ на транзисторах
7
Голик С.Е.
Микросхема
8
Голик С.Е.
4
20.12.2017
ЭВМ на микросхемах
9
Голик С.Е.
Микропроцессор
10
Голик С.Е.
5
20.12.2017
Современный компьютер
11
Голик С.Е.
Архитектура микроконтроллеров
Определение микроконтроллера
Микроконтроллер – это реализованное в виде одной интегральной схемы программируемое вычислительное устройство, включающее в свой состав процессорное ядро для производства вычислений и набор периферийных модулей для реализации различных функций контроля и управления
12
Голик С.Е.
6
20.12.2017
Архитектура микроконтроллеров
Магистрально-модульная организация
Типовая структура микроконтроллера
13
Голик С.Е.
Архитектура микроконтроллеров
Определение архитектуры
Понятие архитектуры микроконтроллеров отражает следующие наиболее важные компоненты:
•структуру МК как совокупность модулей и связей между ними;
•систему команд и форматы их представления;
•организацию памяти и структуру адресного пространства;
•способы представления данных;
•способы обращения ко всем элементам структуры (адресация к регистрам, ячейкам постоянной и оперативной памяти, функциональным модулям и внешним устройствам);
•систему обработки прерываний.
14
Голик С.Е.
7
20.12.2017
Архитектура микроконтроллеров
Классификация архитектур
По организации пространства памяти:
•гарвардская архитектура с раздельной памятью команд и данных;
•архитектура фон Неймана с общей памятью для команд и данных
По организации системы команд:
•CISC – архитектура с расширенным набором команд, включающем большое число достаточно сложных команд с развитыми возможностями адресации;
•RISC – архитектура с сокращенным набором команд фиксированной длины и выполнением команд за один машинный цикл
15
Голик С.Е.
Архитектура микроконтроллеров
Процессорное ядро
Процессорное ядро (MCU – Microcontroller Core Unit) является основным узлом любого микроконтроллера, предназначенным для выполнения вычислительных операций и координации работы всех остальных модулей микроконтроллера.
16
Голик С.Е.
8
20.12.2017
Процессорное ядро
Операционное устройство
Операционное устройство выполняет одну из главных функций микроконтроллера – арифметическую и логическую обработку данных в соответствии с командами прикладной программы. Основным узлом операционного устройства, выполняющим эту обработку, является арифметико-логическое устройство - АЛУ.
Основные регистры:
•регистры общего назначения (РОН);
•регистр состояния программы (РСП).
Типовые флаги регистра состояния программы:
•флаг переноса, который устанавливается в 1, если в результате выполнения операции произошел перенос из старшего разряда результата;
•флаг дополнительного переноса, который равен 1, если в результате выполнения операции
произошел перенос из младшей тетрады результата в старшую;
•флаг переполнения, который устанавливается в 1, если в результате выполнения арифметической операции произошло переполнение разрядной сетки результата;
•флаг нуля, в который заносится 1, если результат операции равен 0;
•флаг знака результата, который дублирует знаковый разряд результата операции;
•флаг четности, который равен 1, если число единиц в результате операции четно.
17
Голик С.Е.
Процессорное ядро
Устройство управления
Устройство управления обеспечивает выполнение последовательности микроопераций по коду текущей команды и организует выборку команд в соответствии с программой. Его основной функцией является превращение исходного кода команды в последовательность управляющих воздействий для АЛУ, внутренних регистров и регистрового файла, которая приводит к выполнению команды. Помимо этого, устройство управления координирует работу МК, поддерживая требуемую последовательность работы всех остальных его узлов.
Основные блоки устройства управления:
•дешифратор команд (ДК), который по зафиксированному в регистре команд (РК) коду команды определяет вид операции, число байтов в команде, адреса операндов, участвующих в операции, а также используемые способы адресации операндов;
•цифровой автомат (ЦА), который по полученному от дешифратора команд расширенному
коду формирует с каждым очередным тактом синхронизации необходимый для выполнения команды набор управляющих сигналов.
Основные регистры устройства управления:
•регистр счетчика команд (СК);
•регистр указателя стека (УС);
•регистр указателя данных (УД).
18
Голик С.Е.
9
20.12.2017
Процессорное ядро
Тактовый генератор и блок синхронизации
Тактовый генератор вырабатывает периодический сигнал, на основе которого блок синхронизации формирует синхронизирующие импульсы для процессорного ядра и периферийных модулей.
Типы времязадающих цепочек:
•кварцевые резонаторы – для формирования сигналов высокой стабильности (погрешность – сотые – тысячные доли процента) в диапазоне частот от десятков килогерц до десятков мегагерц;
•пьезокерамические резонаторы – для формирования сигналов средней стабильности
(погрешность – десятые доли процента) в диапазоне частот от десятков килогерц до единиц мегагерц;
•LC-цепочки – для формирования сигналов средней стабильности (погрешность – десятые доли – единицы процентов) в диапазоне частот от единиц до сотен килогерц;
•RC-цепочки – для формирования сигналов низкой стабильности частоты (погрешность – единицы процентов) в диапазоне частот от единиц до сотен килогерц.
19
Голик С.Е.
Процессорное ядро
Блок задания режимов
Блок задания режимов работы позволяет переводить МК в один из энергосберегающих режимов работы
Помимо основного режима работы в МК реализованы различные режимы энергосбережения, среди которых можно выделить два наиболее распространенных:
•режим ожидания (Wait, Idle или Halt mode)
•процессорное ядро отключено от тактового генератора
•системные и периферийные модули включены
•выход из режима - по прерыванию или сбросу
•снижение мощности в 5-10 раз
•режим останова (Stop, Sleep или Power Down mode)
•тактовый генератор отключен
•системные и периферийные модули отключены
•выход из режима - по прерыванию или сбросу
•снижение мощности до нескольких микроватт
20
Голик С.Е.
10