Лекция №8. Микропроцессоры и микроконтроллеры
Микропроцессор – это процессор, выполненный в виде отдельной микросхемы.
Характеристики микропроцессора:
Тактовая частота, определяющая максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ;
Разрядность – это максимальное числом одноврЕменно обрабатываемых двоичных разрядов.
Разрядность МП обозначается m/n/k/, где m – разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров; n – разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации; k – разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20.
3. Архитектура – это система команд и способов адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.
Микроархитектура микропроцессора – это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.
Макроархитектура – это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.
Микроконтроллер — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.
Микроконтроллеры являются основой для построения встраиваемых систем, их можно встретить во многих современных приборах, таких, как телефоны, стиральные машины и т. п. Большая часть выпускаемых в мире процессоров — это микроконтроллеры.
При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д.
В то время, как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие большими вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры.
Ограничения по цене и энергопотреблению сдерживают также рост тактовой частоты контроллеров. Хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они в то же время предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания.
Во многих моделях микроконтроллеров используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это даёт контроллеру возможность работать на меньших частотах и даже не терять данные при полной остановке тактового генератора. Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения, в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль.
Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись. Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти. В отличие от процессоров общего назначения, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура.
Неполный список периферии, которая может присутствовать в микроконтроллерах, включает в себя:
различные интерфейсы ввода-вывода
аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
компараторы
широтно-импульсные модуляторы
таймеры
Программирование микроконтроллеров, обычно, осуществляется на языке ассемблера или Си, хотя существуют компиляторы для других языков, используются также встроенные интерпретаторы Бэйсика и Форта.
Для отладки программ используются программные симуляторы (специальные программы для персональных компьютеров, имитирующие работу микроконтроллера), внутрисхемные эмуляторы (электронные устройства, имитирующие микроконтроллер, которые можно подключить вместо него к разрабатываемому встроенному устройству) и интерфейс JTAG.
Структурная схема типичного микроконтроллера (рисунок ниже).
Из рисунка видно, что микроконтроллер может управлять различными устройствами и принимать от них данные при минимуме дополнительных узлов, так как большое число периферийных схем уже имеется непосредственно на кристалле микроконтроллера. Это позволяет уменьшить размеры конструкции и снизить потребление энергии от источника питания.
динамик
Типичные схемы, присутствующие в микроконтроллерах:
Центральное процессорное устройство (ЦПУ) — это сердце микроконтроллера. Оно принимает из памяти программ коды команд, декодирует их и выполняет. ЦПУ состоит из регистров, арифметико-логического устройства (АЛУ) и цепей управления.
Память программ. Здесь хранятся коды команд, последовательность которых формирует программу для микроконтроллера.
Оперативная память данных. Здесь хранятся переменные программ. У большинства микроконтроллеров здесь расположен также стек.
Тактовый генератор. Этот генератор определяет скорость работы микроконтроллера.
Цепь сброса. Эта цепь служит для правильного запуска микроконтроллера.
Последовательный порт — очень полезный элемент микроконтроллера. Он позволяет обмениваться данными с внешними устройствами при малом количестве проводов.
Цифровые линии ввода/вывода. По сравнению с последовательным портом с помощью этих линий возможно управлять одновременно несколькими линиями.
Таймер. Используется для отсчета временных интервалов.