Московский Государственный Горный Университет

Микроконтроллеры для встраиваемых приложений

Москва 2009

Аннотация

В учебном пособии приводится сравнительный анализ 8-ми разрядных микроконтроллеров фирм Motorola, Intel, Atmel, Philips, Microchip, Infenion. Приведены функциональные схемы основных блоков, различные электрические параметры микроконтроллеров семейств MSC-51 Intel, HC05, HC08 Motorola, PIC16, PIC17, Microchip.

Содержание

Введение ………………………………………………………………...4

1. Модульный принцип построения МК ................................................6

2. Процессорное ядро МК ……………………………………………..8

3. Резидентная память МК ……………………………………………11

4. Порты ввода/вывода ………………………………………………..17

5. Таймеры и процессоры событий …………………………………..26

6. Аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи ……37

7. Контроллеры последовательного порта …………………………...41

8. Минимизация потребления энергии в системах МК ……………..47

9. Мониторинг напряжения питания МК …………………………….53

10. Аппаратные и программные решения по повышению надежности работы МК ………………………………………………………………….56

Введение

Средства вычислительной техники, используемые для целей автоматизации управления, развиваются по двум взаимодополняющим направлениям:

1. Совершенствование архитектуры (внутренней организации), позволяющее на каждом новом витке сложности алгоритмов управления обеспечить адекватную производительность вычислительных средств.

2. Снижение уровня энергопотребления и повышение уровня надежности, которые делают функционально совершенные средства управления не только технически реализуемыми, но и целесообразными с потребительской и экономической точки зрения.

Приведем два примера. Постоянно возрастающие требования к качеству регулирования в электроприводе заставили разработчиков обратить внимание на уже использовавшиеся в других областях высокопроизводительные процессоры цифровой обработки сигналов. Но их массовое внедрение в регулируемый электропривод началось лишь тогда, когда появились специализированные однокристальные микроконтроллеры с процессором цифровой обработки сигналов в качестве вычислительного ядра. А для переносных пультов управления бытовой аппаратуры было достаточно быстродействия даже самых первых микропроцессоров. Однако пульты появились, когда энергия потребления микропроцессоров уменьшилась настолько, что стало возможным их питание от батареек.

Анализируя пути совершенствования микропроцессорных средств управления, будь то микропроцессорная элементная база для встраиваемых систем (сначала микропроцессорные комплекты ИС, а затем однокристальные микроконтроллеры) или средства промышленной автоматизации — программируемые логические контроллеры (ПЛК/PLC) и универсальные микропроцессорные комплексы, — можно заметить, что развитие их архитектуры подобно спирали с двумя ярко выраженными полюсами на каждом витке:

* На первой стадии (один полюс) производительность процессорного ядра не только достаточна, но даже превышает требования алгоритмов управления, для которых она предназначена. Поэтому многие задачи могут быть решены чисто программными средствами. Структура периферийных устройств на этом этапе еще далека от оптимальной.

* На следующем этапе (второй полюс) сохранившаяся производительность процессорного ядра становится минимально достаточной. Совершенствование структуры периферийных модулей позволяет разгрузить процессорное ядро от несвойственных ему операций.

Когда все возможности по оптимизации структуры периферии исчерпываются, начинается новый виток развития, отмеченный скачкообразным увеличением производительности процессорного ядра.

Так было при переходе от 8-разрядных микроконтроллеров к 16- и 32-разрядным: увеличение разрядности обрабатываемого слова даже при неизменной частоте тактирования существенно увеличивает производительность. Затем появились процессоры цифровой обработки сигналов (DSP). И каждый раз новый уровень производительности процессорного ядра сопровождался совершенствованием структуры периферийных устройств.

Однако увеличение производительности центрального процессора не обязательно связано с увеличением разрядности обрабатываемого слова. Это в полной мере справедливо для алгоритмов с большим объемом вычислительных операций. А для алгоритмов с преобладанием логических операций увеличение разрядности обрабатываемого слова практически не сказывается на производительности. Это обстоятельство является главной причиной жизнеспособности 8-разрядных микропроцессоров.

Элементная база 8-разрядных микропроцессоров (МП) не стоит на месте. Она уже совершила два витка в своем развитии. Первый из них приходится на МП комплекты ИС и первые однокристальные микроконтроллеры (МК). Второй, отмеченный повышением практически на порядок производительности 8-разрядного процессорного ядра и превращением в автономные модули периферийных устройств, завершается в настоящее время. И уже появились первые ласточки следующего витка спирали. Это RISC МК Scenix с частотой тактирования до 50 МГц. Пока эти МК не имеют встроенных периферийных модулей, все функции периферии эмулируются программными средствами. Надолго ли достигнутое быстродействие будет достаточно большим, чтобы обходиться без аппаратных средств?