46.Однокристальные микро эвм (микроконтроллеры).

Микроконтроллеры представляют собой отдельный класс микропроцессорных систем, которые являются интеграцией всех составных частей микропроцессорной системы: процессора, памяти, подсистемы ввода/вывода, средств поддержки режима реального времени и других устройств. Это привело к ряду ограничений на принципы организации таких систем, и потребовала развития их архитектуры в направлении, несвойственном для типовых микропроцессорных комплектов.

Организация однокристальных микро ЭВМ ориентирована в основном, на применение встраиваемых в оборудование недорогих управляющих микропроцессорных систем реального времени, рабочая программа которых располагается в ПЗУ системы. Поэтому располагающаяся на кристалле микро ЭВМ физическая память делится на постоянную (для записи программ) и оперативную (для хранения переменных).

Такому делению физической памяти способствуют также технологические ограничения, свойственные системам на одном кристалле. Современные однокристальные ЭВМ обладают такими вычислительными ресурсами и возможностями управления в режиме реального времени, для получения которых, сравнительно недавно, необходимы были дорогие многокристальные микропроцессорные системы. Их применение особенно эффективно в системах управления, где, наряду с относительно небольшой памятью, требуется интенсивно используемые средства ввода/вывода в реальном масштабе времени. Наиболее широко применяемыми для целей управления однокристальные ЭВМ являются изделия фирмы Intel:

• iMES48

• iMES51

• iMES96

Обобщенная схема однокристальной ЭВМ.

Однокристальные микроконтроллеры больших интегральных схем несколько отличаются друг от друга, но общим для них является 8-ми или 16-тиразрядный микропроцессор, ПЗУ – единицы Кбайт, ОЗУ – сотни байт и значительное число линий цифрового ввода/вывода, число которых достигает 32-х. Все системы имеют достаточно эффективные наборы команд от 70-ти, в том числе мощные средства вычислений в режиме реального времени.

Рис.46

Как видно из схемы, имеются 2 вида памяти программ: ПЗУ (масочная) и УСППЗУ (с ультрафиолетовым стиранием). Последняя удобнее при разработке и отладке исходной системы. Эту память при необходимости можно полностью очистить засветкой ультрафиолетом через прозрачное окошко на крышке корпуса микросхемы и, с помощью программирующих устройств, ввести новую программу. Среди аналогов однокристальных ЭВМ отечественного производства выделяем базовый комплекс К1816, в который входят 5 элементов:

• К1816 ВЕ35

• К1816 ВЕ39

• К1816 ВЕ48

• К1816 ВЕ49

• К1816 ВЕ51

Они отличаются функциональными возможностями памяти программ. К1816 ВЕ51 и К1816 ВЕ49 имеют масочные ПЗУ (не программируются). К1816 ВЕ48 – ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием, К1816 ВЕ35 и К1816 ВЕ39 – модели без ПЗУ.

В основу архитектуры положена организация машины гарвардского типа, т.е. организация, предусматривающая разделение памяти на 2 вида:

• память программ, допускает только считывание

• память данных, доступна для записи и считывания

Такое разделение позволяет минимизировать длину машинных команд, что было особенно важно в первых моделях. Однокристальные ЭВМ с ограниченными объёмами памяти. Как правило, объём программной памяти существенно превышает объём ОЗУ памяти данных.

Однокристальные ЭВМ серии К1816.

8-миразрядные ЭВМ представляют собой функционально законченные устройства, содержащие на одном кристалле: центральный процессор, ОЗУ данных и запоминающие устройства программ, многоканальный интерфейс ввода/вывода, состоящий из 3-х 8-миразрядных портов, таймер-счётчик, векторную схему прерываний, тактовый генератор и устройства синхронизации. Всё это обеспечивает универсальность, автономность и гибкость применений в устройствах различного назначения от устройств бытовой техники до локальных систем промышленной автоматики. Микросхемы серии К1816 имеют идентичную структуру и отличаются быстродействием, типом и объёмом внутренней памяти программ, объёмом внутреннего ОЗУ.

К1816 ВЕ39 – памяти нет, ПЗУ нет, ОЗУ 128 байт, тактовая частота 11 МГц.

К1816 ВЕ48 – память с ультрафиолетовым стиранием, объём 1 Кбайт, объём памяти данных ОЗУ 64 байт, тактовая частота 6 МГц.

К1816 ВЕ49 – программная память 2 Кбайт, объём ОЗУ 128 байт, тактовая частота 11 МГц.

Каждая из этих микросхем имеет возможность расширения памяти программ до 4 Кбайт, память данных до 384 байт ОЗУ, а также увеличение числа линий ввода/вывода за счёт подключения внешних интерфейсов ввода/вывода, например, серии КР580.

Имеется возможность работы этих однокристальных ЭВМ в пошаговом режиме, что существенно облегчает процесс отладки программ.

Диапазон рабочих температур от –10 до +70^оС. Разрядность канала адреса 12 бит. Число регистров общего назначения 16. Потребляемый ток не превышает 135 мА.

Система команд.

Базовая система команд включает 96 команд, из которых 68 однобайтные, в двухбайтных командах первый байт содержит подкоманды, второй – непосредственные данные (операнд) или младшие разряды адреса следующей команды, большинство команд – 53 из 96 – выполняются за один машинный цикл. 43 команды выполняются за 2 машинных цикла. Выполнение 2-х байтных команд за 2 цикла связано с дополнительным обращением к оперативной памяти. Система команд делится на команды 3-х видов:

• передачи данных (пересылка содержимого регистра общего назначения в аккумулятор и наоборот)

• преобразования данных (логическое И содержимого аккумулятора и регистра общего назначения)

• команды передачи управления (вызов подпрограммы обслуживания прерывания, возврат из подпрограммы обслуживания прерывания)

Если бы в однокристальных ЭВМ использовалась свойственная многокристальным ЭВМ фон неймановская архитектура, то большая часть памяти была бы занята кодами команд, что привело бы к неэффективному использованию адресной части команд и, как следствие, к увеличению объёмов программ и снижению скорости их исполнения.