Общие вопросы проектирования встроенных микроконтроллерных систем. Введение Предмет рассмотрения

Предметом рассмотрения в данном учебном пособии будут применения средств вычислительной техники, которые раньше именовали термином "управляющие ЭВМ", а теперь чаще используют словосочетание “встроенные (или встраиваемые?) применения” (это перевод англоязычного словосочетания “embeddedapplications”). Под этим названием кроется использование средств цифровой вычислительной техники для управления объектами самой различной природы. При этом чаще всего цифровое управляющее устройство взаимодействует "напрямую" с объектом управления (без оперативного участия человека) и обычно конструктивно интегрировано, встроено в управляемый объект (отсюда и название “встроенные применения”).

Эта область техники переживает в настоящее время период стремительного роста. Это объясняется несколькими факторами: - очень быстрое падение цен на вычислительные мощности и расширение номенклатуры компонентов; - время разработки нового цифрового управляющего устройства к настоящему времени сократилось от лет и месяцев до недель и даже дней, благодаря появлению в продаже устройств, “почти готовых к употреблению” - содержащих все, что нужно для построения контроллера, а также благодаря аппаратным и программным средствам поддержки разработки; - фирмы - изготовители микроконтроллеров предоставляют широкий спектр услуг по поддержке разработок от обучения специалистов применению новых изделий до изготовления новых типов микросхем по спецификациям заказчика, при этом, благодаря использованию мощных САПР цикл "разработка-изготовление" может занимать всего лишь недели или даже дни, а объем партии может составлять сотни или даже десятки штук при весьма доступных ценах.

В технической литературе широко используется термин “микроконтроллер, причем в нескольких разных смыслах. В данном пособии этот термин будет использоваться в двух значениях : 1) специализированная микросхема, микропроцессор (в отличие от универсальных микропроцессоров для построения ЭВМ общего назначения), являющийся "ядром" цифрового управляющего устройства и 2) цифровое устройство управления в целом (включающее кроме микропроцессора внешнюю память, устройства связи с объектом и т.п.).

Особенности встроенных применений

Применение средств цифровой вычислительной техники для целей автоматического управления разнообразными объектами характеризуется рядом особенностей:

Особенности управляющих микропроцессорных систем (встраиваемых применений)	... в сравнении с персональными ЭВМ общего назначения
Чрезвычайно широкое разнообразие алгоритмов, которое не позволяет надеяться на разработку "универсальных" управляющих программ; для каждой новой задачи алгоритм приходится разрабатывать почти "с нуля"	Большая часть задач по обработке данных может быть решена универсальными пакетами (типа MicrosoftOffice,Matlab, Pcad, Photoshop, …)
Разнообразие видов входных и выходных величин - они могут быть самой различной физической природы.поэтому в состав контроллера должны входить датчики, преобразующие эти величины в цифровую форму и исполнительные узлы, формирующие управляющие воздействия.	Большая часть первичных данных вводится человеком посредством немногих стандартных устройств ввода (клавиатура, мышь, сканер, видеобластер с телекамерой, аудиокарта с микрофоном.)
Фиксированный алгоритм для решения данной конкретной задачи – программа и данные-константы хранятся в ПЗУ	Можно использовать огромное множество разнообразных программ, загружаемых с внешних носителей (Флэш-нак., CD, сеть)
Относительная простота алгоритмов управления для большей части задач - это позволяет обходиться относительно малыми вычислительными ресурсами, определяемыми конкретной задачей	Большая часть современных пакетов требует значительных ресурсов: быстродействия, объема ОЗУ, дискового пространства
Работа в "реальном времени" - управление должно быть способно отслеживать изменения состояния объекта с должной скоростью	Задачи, решаемые на ПК весьма редко требуют режима реального времени
Повышенные требования к надежности – система должна функционировать без сбоев и ошибок в необслуживаемом режиме. Ошибка управления может привести к повреждению или разрушению объекта управления	Нередки случаи "зависания" ПК, когда пользователю приходится выполнять перезагрузку программы или даже операционной системы
Минимальная стоимость, соответствующая решаемой задаче, она может лежать в достаточно широких пределах (от $1 до $10000 и более).	За последние 20 лет стоимость среднего ПК оставалась приблизительно постоянной (около $1000)