9. Современные микроконтроллеры. Архитектура, особенности различных типов микроконтроллеров.

Микроконтроллеры (МК) - разновидность микропроцессорных систем (микро-ЭВМ), ориентированных на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами. Отличие МК от универсальной микро-ЭВМ: малый объем памяти и менее разнообразный состав внешних устройств. МК реализуют несложные алгоритмы, для размещения программ им требуются емкости памяти, на несколько порядков меньшие, чем у микро-ЭВМ широкого назначения. Для хранения промежуточных данных достаточна память небольшой емкости. Число пользователей МК в несколько раз превышает число пользователей микросхем МП. Применение МК поддерживается такими областями массового производства, как бытовая аппаратура, станкостроение, автомобильная промышленность, военное оборудование и т.д. Годовой мировой выпуск микроконтроллеров сейчас оценивается цифрой 2 млрд., а их номенклатура насчитывает тысячи типов.

Первые МК были выпущены фирмой Intel в 1976г. (восьмиразрядный МК-8048). В настоящее время многими поставщиками выпускаются восьми-, 16-и 32-разрядные МК с емкостью памяти программ до десятков килобайт, небольшими ОЗУ данных и набором таких интерфейсных и периферийных схем, как параллельные и последовательные порты ввода/вывода, таймеры, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, широтно-импульсные модуляторы и др. Среди выпускаемых МК широко известно семейство восьмиразрядных контроллеров MCS-51/151/251 и 16-разрядных MCS-96/196/296 (фирма Intel) В отечественной номенклатуре это восьмиразрядные МК К1816ВЕ51, К1830ВЕ51. В последнее время фирма Intel сосредоточила усилия на разработке сложных микропроцессоров для компьютеров и уступила сектор рынка простых МК другим фирмам, в частности, фирме Atmel, которая выпускает несколько популярных семейств МК. Признанными авторитетами в области создания и производства МК являются фирмы Motorola, Microchip, Zilog и др. Несмотря на появление новых 16- и 32-разрядных МК, наибольший успех на рынке остается за восьмиразрядными. На рынке восьмиразрядных микроконтроллеров доминирует следующая тройка: семейство 8051 фирмы Intel (аналоги микроконтроллеров этого семейства выпускаются несколькими фирмами), семейство AVR (фирмы Atmel) и микроконтроллера семейства РIС (фирмы Microchip). Микроконтроллеру AVR отдано предпочтение как обладающему хорошо продуманной архитектурой и высоким быстродействием. Микросхемы AVR используют RISC-процессоры и подразделяются на три семейства, среди которых базовым является семейство Classic.

По одному из классификационных признаков микропроцессоры (и МК) могут принадлежать к CISC- или RISC-процессорам. Процессоры CISC имеют сложную систему команд, т.е. большой набор разноформатных команд, и используют многие способы адресации. Архитектура CISC присуща классическим (традиционным) процессорам, она позволяет применять эффективные алгоритмы решения задач, но усложняет схему процессора и его стоимость и не обеспечивает его максимального быстродействия. Процессоры типа RISC имеют сокращенную систему команд, из которой исключены редко применяемые команды. Снижено число используемых способов адресации. Увеличенное число регистров процессора позволяет редко обращаться к внешнему модулю памяти микропроцессорной системы, что повышает быстродействие контроллера.

Структура микроконтроллера AVR 8515. МК AVR - восьмиразрядный RISC-микроконтроллер с Гарвардской архитектурой и пониженным энергопотреблением. Набор команд -120, однако при этом сохранено основное преимущество RISC-архитектур - повышенное быстродействие и сокращенное число операций обмена с памятью программ. Почти все команды размещаются в одной ячейке программной памяти и выполняются за один такт синхронизации. Микроконтроллер AT90S8515 имеет восьмиразрядную шину данных, посредством которой его модули обмениваются информацией.

Многие блоки AVR по назначению аналогичны блокам микропроцессора и имеют те же обозначения. Программный счетчик PC содержит адрес подлежащей выполнению команды и адресует флэш-память программ. Считанная из флэш-памяти команда поступает в регистр команд IR, ее КОП (код операции) декодируется дешифратором команд для выработки сигналов управления блоками микроконтроллера соответственно заданной операции. В памяти типа EEPROM хранятся редко изменяемые данные. Указатель стека SP используется для организации стека в некоторой области памяти SRAM, глубина стека ограничивается только наличием свободной области в этой памяти. Регистры общего назначения (РОН) объединены в регистровый файл.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) способно выполнять операции над содержимым любой пары регистров блока и направлять результат в любой регистр. Три регистровые пары (X, Y, Z), получаемые объединением двух восьмиразрядных регистров в один 16-разрядный, используются для косвенной адресации. Регистр состояния по функциональному назначению аналогичен регистру флагов RF в структуре МП, он содержит признаки результатов при выполнении некоторых команд (нуль, знак, перенос, половинный перенос и т.д). Генератор синхросигналов имеет внешние выводы для подключения кварцевого резонатора либо внешнего тактирующего сигнала. Кроме основного синхрогенератора микроконтроллер имеет и дополнительный встроенный RC-генератор с фиксированной частотой 1 МГц (при напряжении питания 5 В) для тактирования сторожевого таймера. Вход RESET (L-активный) служит для сброса микроконтроллера (приведения его в исходное состояние), а также перевода его в режим программирования при подаче на этот вход специального повышенного напряжения 12 В. Выход ALE используется при подключении к микроконтроллеру внешнего ЗУ. Модуль прерываний служит для приема и обработки запросов прерывания основной программы, как внутренних, так и внешних. Предусмотрено наличие 10 внутренних и двух внешних запросов. Последовательный периферийный интерфейс SPI применяется как для программирования микроконтроллера в последовательном режиме, так и для обмена данными с периферийными устройствами или между микроконтроллерами. Протокол обмена для SPI предусматривает работу МК в режиме ведущего (Master), либо ведомого (Slave). Скорости передачи задаются синхросигналами, получаемыми делением тактовой частоты МК. Асинхронный последовательный интерфейс между микроконтроллером и внешними устройствами обеспечивается блоком UART. Блок преобразует параллельные данные от микроконтроллера в последовательные для внешнего устройства и наоборот, работает по асинхронному протоколу. Аналоговый компаратор сравнивает напряжения, подаваемые на две специально выделенные линии порта В. Одно из этих напряжений сигнальное, другое опорное.