Предисловие (стр. 32 )

·  тактовая частота 40 или 50 МГц.

·  производительность свыше 2 млрд операций в секунду;

·  четыре 32-разрядных ADSP - процессора;

·  32-разрядный главный RISC-процессор с вычислителем с плавающей точкой;

·  50 Кбайт статической памяти SRAM на кристалле;

·  64-разрядный контроллер обмена с динамическим конфигурированием шины на обмен 64-х, 32-х, 16- и 8-разрядными словами;

·  режим ПДП к 64-разрядному SRAM, DRAM;

·  4-Гбайтный объем адресного пространства;

·  видеоконтроллер;

·  4 внешних прерывания;

·  встроенные средства внутрисхемной эмуляции;

·  напряжение питания 3,3 В;

·  около 4 млн транзисторов на кристалле;

·  0,5/0,6 КМОП-технология;

·  305-контактный корпус PGA

Рассмотренные универсальные микропроцессоры и ЦПОС применяются в сложных уникальных устройствах, разработкой которых занимаются большие коллективы специалистов. Для решения задач автоматизации технологических процессов больший интерес представляют однокристальные микроконтроллеры.

4.3. Однокристальные микроконтроллеры

Контроллер (от английского control – управлять, регулировать) – это устройство, предназначенное для управления реальными объектами. Управление происходит во времени, поэтому говорят, что контроллер управляет объектом в реальном масштабе времени. Как всякое устройство управления, контроллер собирает исходную информацию, обрабатывает ее и формирует сигналы управления. Как правило, сигналы, несущие исходную информацию, и сигналы управления представляют собой аналоговые сигналы, такие как напряжение, ток, магнитный и световой потоки, линейные и угловые перемещения и многое другое. Обработка этих сигналов может происходить в аналоговой и цифровой форме; последняя, вследствие ее универсальности, находит в настоящее время повсеместное применение – контроллеры превращаются в аналого-цифровые устройства.

Итак, современный контроллер – это цифровой вычислитель, связанный со средой управления аналого-цифровыми и цифроаналоговыми преобразователями. В зависимости от сложности алгоритма управления цифровой вычислитель может быть построен в виде комбинационного устройства, автомата, операционного устройства или микропроцессорного вычислителя. Выбор вида реализации вычислителя зависит также от трудоемкости и продолжительности проектирования контроллера, стоимости элементной базы, уровня технологического оснащения производства, требований потребителя и других факторов. Основные требования, предъявляемые потребителем к управляющим блокам приборов, можно сформулировать следующим образом: низкая стоимость, высокая надежность, высокая степень миниатюризации, малое энергопотребление, работоспособность в жестких условиях эксплуатации; достаточная производительность для выполнения требуемых функций. Выполнение всех этих довольно противоречивых условий одновременно затруднительно, поэтому в настоящее время контроллеры выполняют на базе управляющих однокристальных микроконтроллеров (ОМК), дополняя их необходимой периферией. К настоящему времени разработано более 1000 различных ОМК. Наибольшее применение находят ОМК фирмы Atmel (семейства MCS-48, MCS-51, MCS-96) и фирмы Motorola (семейства НС05, РС08, РС11).

4.3.1. Структура однокристальных контроллеров

Выделим некоторые черты архитектуры и системы команд, общие для всех современных ОМК:

·  так называемая гарвардская архитектура, т. е. раздельные области памяти для хранения команд (программы) и данных;

·  интеграция в одном корпусе микросхемы (на одном кристалле) практически всех блоков, характерных для полнофункционального компьютера – процессора, ПЗУ, ОЗУ, устройств ввода/вывода, тактового генератора, контроллера прерываний и т. д.; в русскоязычной литературе подобные устройства часто называются однокристальные ЭВМ (ОЭВМ).

Как и большинство современных микросистем, ОМК строятся по магистрально-модульному принципу, когда все модули подключаются к единой внутрисистемной магистрали. ОМК включает центральный процессор (ЦП), постоянное и оперативное запоминающие устройства, цифровое и аналоговое устройства ввода/вывода (ЦВВ, ABB), таймер (Т) и устройство прерываний (УПР). Центральный процессор выполняет две задачи: организует пересылку информации между всеми модулями ОМК и осуществляет преобразование информации на арифметико-логическом устройстве. Запоминающее устройство служит для хранения программ и констант (ПЗУ) и оперативно изменяющихся данных (ОЗУ). В отличие от универсальных ЭВМ ОЗУ ОМК имеет небольшой объем, не превышающий, как правило, нескольких сот байт. Цифровое устройство ввода/вывода осуществляет связь ОМК с цифровыми блоками объекта управления через последовательные и параллельные интерфейсы. К ним относятся клавишные пульты, устройства отображения и печати, вспомогательные вычислители и микроЭВМ. По линии цифрового ввода/вывода передаются также сигналы воздействия релейного типа, устанавливающие факт наличия или отсутствия какого-либо события (тумблер/кнопка в положении включено, индикаторный светодиод горит и т. д.). Аналоговые устройства ввода/вывода служат для контроля состояния аналоговых блоков объекта управления (напряжение, ток, температура, давление, перемещение и др.) и выработки сигналов управления непрерывными процессами (скорость вращения двигателя, мощность калорифера, перемещение механической заслонки и др.). Таймер используется для организации управления в реальном масштабе времени. Он фиксирует время возникновения отдельных событий, формирует временные интервалы между событиями, осуществляет счет событий. Таймер является, по существу, внутренними часами микроконтроллера. Устройство прерывания оптимизирует процесс управления с учетом возникновения непредсказуемых событий: изменяет процесс обмена и обработки данных, фиксирует и исправляет сбои, восстанавливает работоспособность ОМК при кратковременном пропадании питания и многое другое.

Построение контроллеров на базе ОМК отличается от построения контроллеров на базе микропроцессорных комплектов (в комплект входят: микросхемы КР580ВМ80А, КР580ВИ53, КР580ВН59, КР580ВВ55, КР580ВВ51 и другие). На основе микропроцессорных комплектов разработаны одноплатные контроллеры серии МС1200 и МС1212. Для таких контроллеров программы и данные располагаются в едином адресном пространстве памяти (архитектура фон Неймана) и никаких признаков, указывающих на тип информации, не несут. Содержимое ячейки памяти интерпретируется оператором обработки, в качестве которого выступает код операции команды. Таким образом, память программ и память данных для архитектуры фон Неймана являются совмещенными; ячейки памяти адресуются единым кодом адреса, размер которого определяется объемом этой памяти. Как показывает практика, это обстоятельство уменьшает эффективность использования адресной части команды, увеличивает объем программ и уменьшает скорость их выполнения.

Поскольку в однокристальных микроконтроллерах используется так называемая гарвардская архитектура, то память программ и память данных имеют раздельные адресные пространства, при обращении к которым используются различные механизмы адресации. Это позволяет реализовать компактное кодирование набора машинных команд и, следовательно, экономно использовать память данных. В соответствии с требованиями Гарвардской архитектуры находящаяся на кристалле физическая память МК делится на постоянную (для записи программ) и оперативную (для хранения изменяющихся данных.

4.3.2. Основные серии однокристальных

микроконтроллеров

Несмотря на непрерывное развитие и появление новых 16- и 32-разрядных микроконтроллеров и микропроцессоров, наибольшая доля мирового микропроцессорного рынка и по сей день остается за 8-разрядными устройствами. В настоящее время семейство MCS-51 является несомненным чемпионом среди других семейств 8-разрядных микроконтроллеров по числу разновидностей и числу компаний, выпускающих его модификации. Оно получило свое название от первого представителя этого семейства – микроконтроллера 8051, изготовленного в 1980 году на базе технологии HMOS. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке.

Такая высокая популярность микроконтроллеров семейства МСS-51 была достигнута благодаря открытой политике фирмы Intel, родоначальницы архитектуры 8051. Политика фирмы направлена на широкое распространение лицензий на ядро 8051 среди большого количества ведущих полупроводниковых компаний мира.

В результате ее проведения в настоящее время существует более 200 модификаций микроконтроллеров семейства МСS-51, выпускаемых почти 20 компаниями. Эти модификации включают кристаллы с широчайшим спектром периферии: от простых 20-выводных устройств с одним таймером и 1 Кбайт программной памяти до сложнейших 100-выводных кристаллов с 10-разрядными АЦП, массивами таймеров/счетчиков, аппаратными 16-разрядными умножителями и 64 Кбайт программной памяти на кристалле. Каждый год появляются все новые варианты представителей этого семейства.

Основными направлениями совершенствования ОМК являются увеличение быстродействия (повышение тактовой частоты и переработка архитектуры), снижение напряжения питания и потребления, увеличение объема ОЗУ и флэш-памяти на кристалле с возможностью внутрисхемного программирования, введение в состав периферии микроконтроллера сложных устройств типа системы управления приводами, CAN - и USB-интерфейсов и т. п. Все микроконтроллеры семейства MCS-51 имеют общую систему команд. Наличие дополнительного оборудования влияет только на число регистров специального назначения.

Микроконтроллер семейства 8051 имеет следующие аппаратные особенности [5]:

·  внутреннее ОЗУ объемом 256 байт;

·  четыре двунаправленных побитно настраиваемых 8-разрядных порта ввода/вывода;

·  два 16-разрядных таймера/счетчика;

·  встроенный тактовый генератор;

·  адресация 64 Кбайт памяти программ и 64 Кбайт памяти данных;

·  две линии запросов на прерывание от внешних устройств;

·  интерфейс для последовательного обмена информацией с другими микроконтроллерами или персональными компьютерами.