Виды МикроЭВМ и МК (Тема)
Микроконтроллеры – управляющие устройства в
микроисполнении – широко применяются в различных областях технической деятельности
человека: в ПЭВМ, стиральных машинах, музыкальных центрах, автомобилях,
средствах измерений, и т.д. Микроконтроллер является управляющим ядром
аппаратных комплексов различного назначения. С его помощью гораздо легче, в
отличие от традиционных решений, реализуются различные схемы. Можно представить
внутреннее содержание микроконтроллера и его направленность на некоторые
возможные объекты управления так, как это сделано на рисунке ниже.
Рис. Содержание и
возможная направленность микроконтроллера
Достоинство микроконтроллера (МК) – это наличие на
кристалле большого числа периферийных схем, что позволяет ему общаться с
разнообразными внешними устройствам при минимуме дополнительных узлов. Это
также уменьшает размеры конструкции и позволяет снизить потребление энергии от
источника питания.
Из рисунка видно, что МК содержит типовые функциональные
узлы, к ним относятся следующие:
1. Центральное процессорное устройство – оно принимает из
памяти программ коды команд, декодирует их и исполняет. В него входят
арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры и цепи управления.
2. Память программ – она хранит коды команд,
последовательность которых формирует программу микроконтроллера.
3. Оперативная память данных (ОЗУ) – здесь хранятся
переменные программ. У многих МК здесь также расположен стек.
4. Тактовый генератор – инициирует работу контроллера, и
от него зависит скорость работы МК.
5. Цепь сброса – приводит МК в исходное состояние, чем
определяет правильный запуск его работы.
6. Последовательный порт – позволяет обмениваться данными
с внешними устройствами при малом числе проводов.
7. Цифровой порт ввода-вывода
– с помощью его линий можно управлять
одновременно несколькими внешними устройствами, адресуя их.
8. Таймер – задаёт временные интервалы.
9.
Сторожевой таймер – специальный таймер, предназначенный для предотвращения
системных сбоев программы: после запуска он начинает отсчёт заданного
временного интервала. Если программа не перезапустит его до истечения этого интервала
времени, сторожевой таймер перезапустит МК. То есть программа должна
сигнализировать таймеру, что с ней всё в порядке. Если такого сигнала нет, то в
работе программы по какой-то причине произошёл сбой.
Наиболее
распространён ОмК ф. Intel 51-й
серии и его клоны от разных производителей. Кроме этого, появились интегральные
схемы, использующие сокращённый набор команд процессора (RISK – Reduced Instruction Set Computers). Среди них популярны контроллеры ф. Microchip семейства PIC (Peripheral
Interface Controller). Также лидирующее место занимают RISK ОмК из
серии AVR (например, ф. Аtmel).
PIC-контроллеры выпускают многие фирмы, кому не лень их
делать.
PIC-контроллер имеет также RISK-процессор,
только архитектура процессора другая и кодовое слово не 8 бит, а 11–15 бит.
Основное
отличие RISK-процессора от 51-й серии ф. Intel,
например, то, что команда в нём исполняется за один такт, и число команд
ограничено – обычно около 60–70 штук. Поэтому в ходе изучения нужно
рассматривать оба типа микроконтроллеров. Как обычный ОмК нужно рассмотреть
контроллер 51-й серии (и как самый
используемый тип контроллеров). А в качестве RISK-контроллера
необходимо рассмотреть PIC-контроллеры и контроллер AVR ф. Аtmel, так
как для него много всевозможного бесплатного обеспечения, используемого для
программирования и демонстрации.
Впрочем,
нет принципиальной разницы, на каком оборудовании изучаются ОмК, так как сейчас
все они часто программируется на языке С. Но ресурсы в разных процессорах
разные и, в зависимости от модели, что-то может присутствовать, а что-то может
быть упущено. После контроллера 51-й
серии целесообразно рассматривать AVR-контроллеры, а затем
идут atmega и arm как дальнейшее
развитие. Достаточно рассмотреть и изучить один процессор – и полученные знания
легко распространяются на все остальное. Новые ресурсы и возможности
появляются, а принципы остаются всё те же (кроме PIC-контроллеров).
Семейство MCS-51, по сути дела, стало прародителем семейств так называемых PIC и AVR микроконтроллеров, выполненных по Гарвардской архитектуре процессора.
В случае высоких требований к быстродействию МК, при условии их низкой
стоимости и энергопотребления, разработки на основе МК MCS-51 применяются реже, уступая место разработкам на PIC и AVR микроконтроллерах.
В целом,
многообразие современных ОмК чрезвычайно велико. Зачастую их делят на виды:
1) встраиваемые 8-разрядные;
2) 16- и 32-разрядные МК;
3) цифровые сигнальные процессоры (DSP).
Встраиваемые (embedded) микроконтроллеры имеют все ресурсы (память,
устройства ввода-вывода, и т.д.) на одном кристалле с процессорным ядром. На
такой контроллер подаются питание и тактовые сигналы. В них процессорное ядро
может быть общего плана или разработано специально для данного МК. Основное
назначение встраиваемых МК – обеспечить гибкое программируемое управление
объектами и связь с внешними устройствами. Они не приспособлены для выполнения
комплекса сложных функций.
Такие МК
содержат большое число вспомогательных устройств, за счёт чего реализуется их
включение в конкретную систему с использованием минимального числа
дополнительных компонентов. Обобщённая структура такого контроллера приведена
на рисунке далее.
Рис. Обобщённая
структура простого встраиваемого микроконтроллера
В состав таких МК обычно входят схема начального запуска (Reset); генератор тактовых импульсов; центральный процессор;
память программ (ПЗУ или ППЗУ, ЭППЗУ); память данных (ОЗУ); средства
ввода-вывода данных; таймеры, фиксирующие число командных циклов.
Сложные встраиваемые МК реализуют дополнительные
возможности: встроенный монитор-отладчик программ; внутренние средства
программирования памяти программ; обработка прерываний от различных источников;
аналоговый ввод-вывод; последовательный ввод-вывод (синхронный и асинхронный);
параллельный ввод-вывод (включая интерфейс с компьютером); подключение внешней
памяти (микропроцессорный режим).
Типичные значения частоты тактовых сигналов различных МК
составляют 10–20 МГц. Главным фактором, ограничивающим их скорость, является
время доступа к памяти.
Микроконтроллеры с
внешней памятью (особенно 16- и 32-разрядные) используют только внешнюю память,
которая включает в себя как память программ ПЗУ (ROM), так и некоторый объём памяти
данных ОЗУ (RAM), требуемый
для конкретного применения. Структура МК с внешней памятью приведена на рисунке
1.9.
Примером такого МК служит БИС ф. Intel 80188. Это микропроцессор
8088 (используемый в компьютерах IBM PC),
интегрированный на общем кристалле с дополнительными схемами, реализующими ряд
стандартных функций (прерывания и прямой доступ к памяти DMA). Здесь
в одном корпусе объединены устройства, необходимые для реализации систем, в
которых могут использоваться функциональные возможности и ПО микропроцессора 8088.
Рис. Обобщённая
структура микроконтроллера с внешней памятью
Микроконтроллеры с внешней памятью предназначены для применений,
требующих большого объёма памяти данных ОЗУ и небольшого количества устройств
(портов) ввода-вывода. Для них наиболее подходят приложения, в которых
критическим ресурсом является память, а не число логических входов–выходов
общего назначения, тогда как для встраиваемых МК характерна обратная ситуация.
Типичный пример МК с внешней памятью – контроллер жёсткого
диска (HDD) с буферной кэш-памятью, который
обеспечивает промежуточное хранение и распределение больших объёмов данных
(обычно, мегабайты). Внешняя память даёт возможность такому МК работать с более
высокой скоростью, чем встраиваемый МК.
Цифровые сигнальные
процессоры (DSP) предназначены для получения
текущих данных от аналоговой системы и формирования соответствующего отклика. В
них АЛУ работает с очень высокой скоростью, что позволяет осуществлять
обработку данных в реальном масштабе времени (в темпе поступления входных
данных). Пример – активный шумоподавляющий микрофон, когда второй микрофон
обеспечивает сигнал окружающего шума, который вычитается из сигнала первого
микрофона. Так подавляется шум и остаётся только голос.
Цифровым сигнальным процессорам присущи особенности встраиваемых
МК и контроллеров с внешней памятью. Они не предназначены для автономного
применения, а входят в состав систем и предназначены для управления внешним
оборудованием. Например, наличие аналогового ввода–вывода и встроенного
устройства цифровой обработки в БИС КМ1813ВЕ1
позволяет использовать её для построения фильтров (в том числе
перестраиваемых), в синтезаторах и анализаторах речи, в анализаторах спектра,
для генераторов сигналов различной формы и т.п.
Наиболее доведённой до практического применения являлась
серия 1850. Ряд серий ОмЭВМ имеют
БИС отладочного кристалла без встроенного ПЗУ и позволяют отрабатывать различные
применения БИС данных серий за счёт замены или перепрограммирования внешнего
ПЗУ (например, КМ1814ВЕ3, КР1816ВЕ35, КР1816ВЕ39 или КР1820ВЕ1).
Наличие аналогового ввода-вывода и встроенного устройства цифровой обработки в
БИС КМ1813ВЕ1 позволяет использовать
её для построения фильтров (в том числе перестраиваемых), в синтезаторах и
анализаторах речи, в анализаторах спектра, для генераторов сигналов различной
формы и т.п.
Выводы
Основной причиной качественно нового этапа в развитии
автономных средств вычислительной техники послужили успехи электронной промышленности
в увеличении разрешающей способности формирования элементов на
полупроводниковом кристалле. Целесообразность применения однокристальных
МП-устройств определяется эффективностью при их включении в проект.
Преимущество RISC-процессоров проявляется в том,
что их более простые команды требуют для выполнения значительно меньшее число
машинных циклов. За счёт этого достигается существенное увеличение
производительности.
ОмЭВМ объединяет на одном полупроводниковом кристалле как
сам МП, так и ряд дополнительных устройств, обеспечивающих его функционирование
в системе управления: оперативную и программную память, генератор синхроимпульсов,
разнообразные устройства ввода и вывода информации и др. ОмК –
это устройства переработки информации, ориентированные на работу с некоторой
искусственной системой. Большое число портов – их особенность. Микроконтроллер
является управляющим ядром аппаратных комплексов различного назначения. С его
помощью гораздо легче, в отличие от традиционных решений, реализуются различные
схемы.
Основное преимущество Принстонской архитектуры в том, что
она упрощает устройство микропроцессора, так как реализует обращение только к
одной общей памяти при необходимости воспользоваться ЗУ данных, программ или
стеком. Это представляет большую гибкость для разработчика ПО прежде всего в
области операционных систем реального времени. Гарвардская архитектура
выполняет команды за меньшее число тактов, чем предыдущая – здесь больше
возможностей для реализации параллельных операций.
С целью
уменьшения выводов БИС ОмЭВМ и ОмК при их построении применяют различные
структурные организации. Многообразие современных ОмК чрезвычайно велико, и
часто их делят на виды: встраиваемые 8-разрядные; 16- и 32-разрядные; цифровые
сигнальные процессоры.