Современные микроконтроллеры

С появлением однокристальных микро-ЭВМ связывают начало эры массового применения компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому, это обстоятельство и определило термин «контроллер» (англ. controller -- регулятор, управляющее устройство).

В связи со спадом отечественного производства и возросшим импортом техники, в том числе вычислительной, термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микро-ЭВМ».

Первый патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам американской Texas Instruments. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только процессор, но и память с устройствами ввода-вывода.

В 1976 году[1] американская фирма Intel выпускает микроконтроллер i8048. В 1978 году фирма Motorola выпустила свой первый микроконтроллер MC6801, совместимый по системе команд с выпущенным ранее микропроцессором MC6800. Через 4 года, в 1980 году, Intel выпускает следующий микроконтроллер: i8051. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер i8051 являлся для своего времени очень сложным изделием -- в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре i8086.

На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов. Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, 16-битные MSP430 фирмы TI, а также 32-битные микроконтроллеры, архитектуры ARM, которую разрабатывает фирма ARM Limited и продаёт лицензии другим фирмам для их производства. Несмотря на популярность в России микроконтроллеров упомянутых выше, по данным Gartner Grup от 2009 года мировой рейтинг по объёму продаж выглядит иначе [2] первое место с большим отрывом занимает Renesas Electronics на втором Freescale, на третьем Samsung, затем идут Microchip и TI, далее все остальные.

1. Современные микроконтроллеры ST Microelectronics

3. Таймеры

Как видно, по большинству параметров контроллеры AVR проигрывают котнроллерам ST Microelectronics, главным образом по цене. Самое интересное что по цене пони проигрывают даже контроллерам.

Ну ведь не может быть такого чтобы были одни плюсы и ниодного минуса? Итак мы подходим к вопросу средств разработки.

Самое важное это компилятор языка C. Для AVR он представлен в виде порта замечательного компилятора GCC. Он бесплатен, исходники доступны. К сожалению STM8 пока что достаточно нов, и для него никаких OpenSource компиляторов нет, мало того, для него нет компиляторов под какие-нибудь ОС кроме Windows. Из проприетарных компиляторов имеется 2 кандидата: Cosmic и Raisonance. В бесплатной версии оба имеют лимит размера прошивки в 32кб. На мой взгляд для небольшого проекта этого вполне достаточно, для более крупных проектов целесообразне использовать контроллеры STM32. Для STM32 компиляторы представлены в ассортименте, это OpenSource компилятор GCC и проприетарные IAR и Keil. При компиляции GCC естественно не будет никаких ограничений на размер кода. периферия таймер микроконтроллер язык разметки

Аппаратные средства отладки. Для контроллеров AVR есть замечательный программатор-отладчик AVRDragon, поддерживает все микроконтроллеры AVR и цена его чуть больше 100 долларов США. Есть множество более дешевых решений. При наличии у компьютера LPT порта - запрограммировать большинство AVR можно подключив его к LPT порту через резисторы, однако с таким программатором, как правило, очень много проблем и использовать его можно только в единичных случаях. У ST Microelectronics есть программатор ST-Link, который поддерживает все контроллеры STM8, STM32 и очень много более старых серий микроконтроллеров от ST Microelectronics. Стоит он 1000 рублей. Естественно это слишком дорого для того чтобы «просто попробовать» эти контроллеры. На этот случай у ST Microelectronics есть отладочные платы серии Discovery. На этих отладочных платах имеется программатор (урезанная версия ST-Link) и микроконтроллер для разработки вашего устройства. Естественно что ST-Link на этой плате можно использовать для программирования внешних микроконтроллерв (только ой-же серии что на отладочной плате), соединив Вашу плату с платой Discovery 4х контактным шлейфом. Цена такой платы c контроллером STM8S105 около 340 рублей, STM32F100RB стоит немного дороже - около 390 рублей. Кроме того программатор на такой плате можно превратить в универсальный программатор Versaloon перепрошив микроконтроллер интерфейса ST-Link специальной прошивкой, в этом случае этот программатор сможет программировать и отлаживать все микроконтроллеры семейства STM8 и STM32.

4. Современные восьмиразрядные микроконтроллеры фирмы Philips на базе серии MCS-51 фирмы Intel

С 80-х годов XX века в микропроцессорной технике выделился самостоятельный класс интегральных схем - однокристальные микроконтроллеры, которые предназначены для встраивания в приборы различного назначения. От класса однокристальных микропроцессоров их отличает наличие внутренней памяти, развитые средства взаимодействия с внешними устройствами.

Широкое распространение получили 8-разрядные однокристальные микроконтроллеры семейства MCS-51. Это семейство образовалось на основе микроконтроллера Intel 8051, получившего большую популярность у разработчиков микропроцессорных систем контроля благодаря удачно спроектированной архитектуре. Архитектура микроконтроллера - это совокупность внутренних и внешних программно-доступных аппаратных ресурсов и системы команд. Впоследствии фирма Intel выпустила около 50 моделей на базе операционного ядра микроконтроллера Intel 8051. Одновременно многие другие фирмы, такие как Atmel, Philips, начали производство своих микроконтроллеров, разработанных в стандарте MCS-51.

Архитектура

Микроконтроллер Intel 8051 выполнен на основе высокоуровневой n-МОП технологии. Его основные характеристики следующие:

- восьмиразрядный центральный процессор, оптимизированный для реализации функций управления;

- встроенный тактовый генератор (максимальная частота 12 МГц);

- адресное пространство памяти программ - 64 Кбайт;

- адресное пространство памяти данных - 64 Кбайт;

- внутренняя память программ - 4 Кбайт;

- внутренняя память данных - 128 байт;

- дополнительные возможности по выполнению операций булевой алгебры (побитовые операции);

- 32 двунаправленные и индивидуально адресуемые линии ввода/вывода;

- два 16-разрядных многофункциональных таймера/счетчика;

- полнодуплексный асинхронный приемопередатчик (последовательный порт);

- векторная система прерываний с двумя уровнями приоритета и пятью источниками событий.

На смену в дальнейшем пришла более совершенная КМОП технология с пониженным энергопотреблением.

Изначально эти микроконтроллеры являлись функционально завершенными однокристальными микроЭВМ, построенными по гарвардской архитектуре с разделением адресных пространств памяти программ и данных.

Программный код в этих кристаллах мог храниться во внутреннем однократно программируемом ПЗУ программ или в ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием.

Фирму Philips можно по праву назвать чемпионом по количеству выпускаемых ею модификаций семейства 8051 - их более 100. В состав семейства 8051 от Philips входят микроконтроллеры в корпусах от 24 до 80 выводов, тактовыми частотами до 40 МГц и напряжением питания от 1,8 В.

Во всех микроконтроллерах Philips используется стандартное ядро MCS-51, поэтому все временные и функциональные характеристики полностью соответствуют характеристикам микроконтроллеров фирмы Intel . Фирма Philips значительные усилия направила на интегрирование широкого спектра периферийных устройств на базе ядра 8051.

Области применения микроконтроллеров Philips с Flash-памятью программ на основе 8-разрядного 80С51-ядра весьма широки:

- Контроллеры управления и разграничения доступа в зданиях

- Измерители температуры и детекторы огня

- Управление процессами в промышленных приложениях

- Промышленное оборудование

- Бытовая техника

- Ручные измерительные системы

- Системы преобразования протоколов

Одним их семейств 8-разрядных микроконтроллеров Philips, имеющих высокоэффективную Flash-память и пониженное энергопотребление, является семейство P89LPC9xx.

5. Семейство P89LPC9xx

В основе микроконтроллеров LPC9xx лежит ядро, совместимое с 80С51 архитектурой, но со временем выполнения команд от 2 до 4 тактов. Благодаря этому производительность увеличена в 6 раз. Таким образом, на частоте 12 МГц большинство команд выполняется за 167 нс.

Помимо этого, особые решения Philips позволили снизить величину электромагнитных излучений (EMI).

Все микроконтроллеры семейства оснащены Flash-памятью, созданной по 0,35 мкм технологическому процессу Philips и работают в промышленном диапазоне температур от -40 ° С до +85 ° С, при напряжении питания от 2.4 до 3.6 В.

Линии ввода/вывода допускают подключение нагрузок с потреблением до 20 мА, а при работе с внешними устройствами на линии ввода/вывода возможна подача напряжения 5В.

В кристалл P89LPC935 интегрировано 768 байт ОЗУ, 512 байт EEPROM данных и 8 кБ Flash -памяти программ.

Он имеет развитые возможности коммуникации через интерфейсы UART, I2C и SPI; два 16-разрядных таймера/счетчика, модуль захвата/сравнения и два 8-разрядных 4-канальных АЦП.

Система команд

Система команд - это уникальный, характерный для данного микропроцессора набор команд (инструкций), определяющих перечень всех его возможных операций. Каждая инструкция для микропроцессора представляется в двоичном коде, который называется кодом операции (КОП).

В зависимости от числа использованных кодов операций системы команд микропроцессоров подразделяют на два вида: CISC и RISC. Термин CISC является аббревиатурой английского определения

Complex Instruction Set Computer и означает сложную (полную) систему команд. Аналогично термин RISC означает сокращенную систему команд и происходит от английского Reduced Instruction Set Computer.

Систему команд микроконтроллера INTEL 8051 можно отнести к типу CISC. Система содержит 111 базовых команд (при общем количестве 255), которые по функциональному признаку могут быть разделены на пять групп:

- команды передачи данных,

- арифметические операции,

- логические операции,

- команды передачи управления.

94 команды, т.е. большинство, имеют формат в один или два байта и выполняются за один или два машинных цикла. При тактовой частоте 12 МГц длительность машинного цикла составляет 1 мкс.

Способы адресации данных

В микроконтроллере используются следующие способы адресации данных:

- неявный;

- регистровый;

- непосредственный;

- прямой;

- косвенный.

Неявный способ получил такое название из-за того, что адрес операнда в команде явно не указывается, а подразумевается самим кодом операции (КОП).

Регистровый способ адресации используется для операндов, хранящихся в одном из регистровых банков: регистры общего назначения R0 - R7.

Непосредственный способ адресации служит для использования в качестве операнда непосредственных данных. При этом операнд находится в программной памяти непосредственно за КОП команды.

Прямой способ адресации предполагает указание операндов посредством адреса, содержащегося в команде.

Косвенный способ адресации предполагает указание операндов посредством адреса, содержащегося в регистре либо в регистровой паре. В команде указывается регистр, который в свою очередь указывает адрес операнда. Этот способ адресации позволяет уменьшить формат команд и повысить гибкость программирования.

6. Микроконтроллеры серии AVR фирмы Atmel

К началу 1990-х широко распространенное семейство микроконтроллеров MCS51, выпускаемое целым рядом фирм-производителей (Intel, Philips, Temic, OKI, Siemens и др.), уже являлось де-факто промышленным стандартом для 8-разрядных систем и прекрасно подходило для использования в широком классе задач, особенно если выбирались кристаллы с дополнительными встроенными периферийными устройствами и повышенной тактовой частотой. Конечно, была и оборотная сторона медали - значительное удельное энергопотребление этих микроконтроллеров.

Окончательный выбор разработчиком той или иной микропроцессорной платформы для реализации своей задачи зависит, естественно, от большого числа разнообразных факторов, включая экономические. Но обычно первостепенным условием остается получение максимально выгодного соотношения "цена - производительность - энергопотребление", определяемого сложностью решаемой задачи. Видимо, это обстоятельство и послужило толчком к разработке в середине 1990-х нового 8-разрядного микроконтроллера.

AVR, пожалуй, одно из самых интересных направлений, развиваемых корпорацией Atmel. Они представляют собой мощный инструмент для создания современных высокопроизводительных и экономичных многоцелевых контроллеров. На настоящий момент соотношение "цена - производительность - энергопотребление" для AVR является одним из лучших на мировом рынке 8-разрядных микроконтроллеров.

Области применения AVR многогранны. Для семейства "tiny" - это интеллектуальные автомобильные датчики различного назначения, игрушки, игровые приставки, материнские платы персональных компьютеров, контроллеры защиты доступа в мобильных телефонах, зарядные устройства, детекторы дыма и пламени, бытовая техника, разнообразные инфракрасные пульты дистанционного управления. Для семейства "classic" - это модемы различных типов, современные зарядные устройства, изделия класса Smart Cards и устройства чтения для них, спутниковые навигационные системы для определения местоположения автомобилей на трассе, сложная бытовая техника, пульты дистанционного управления, сетевые карты, материнские платы компьютеров, сотовые телефоны нового поколения а также различные и разнообразные промышленные системы контроля и управления. Для "mega" AVR - это аналоговые (NMT, ETACS, AMPS) и цифровые (GSM, CDMA) мобильные телефоны, принтеры и ключевые контроллеры для них, контроллеры аппаратов факсимильной связи и ксероксов, контроллеры современных дисковых накопителей, CD-ROM и т.д.

Улучшенная RISC (enhanced RISC) архитектура AVR-микроконтроллеров (рис. 1) объединяет в себе комплекс решений, направленных на повышение быстродействия микропроцессорного ядра AVR.

Арифметико-логическое устройство (ALU), в котором выполняются все вычислительные операции, имеет доступ к 32-м оперативным регистрам, объединенным в регистровый файл. Выборка содержимого регистров, выполнение операции и запись результата обратно в регистровый файл выполняются за один машинный цикл. Для сравнения полезно вспомнить, что большинство встраиваемых микроконтроллеров имеют только один такой регистр, непосредственно доступный ALU, - аккумулятор, что требует включения в программу дополнительных команд его загрузки и считывания.

Основной идеей всех RISC (Reduced Instruction Set Computer), как известно, является увеличение быстродействия за счет сокращения количества операций обмена с памятью программ. Для этого каждую команду стремятся уместить в одну ячейку памяти программ. При ограниченной разрядности ячейки памяти это неизбежно приводит к сокращению набора команд микропроцессора.

У AVR-микроконтроллеров в соответствии с этим принципом практически все команды (исключая те, у которых одним из операндов является 16-разрядный адрес) также упакованы в одну ячейку памяти программ. Но сделать это удалось не за счет сокращения количества команд процессора, а путем расширения ячейки памяти программ до 16 разрядов. Такое решение является причиной богатства системы команд AVR по сравнению с другими RISC-микроконтроллерами.

Организация памяти AVR выполнена по схеме Гарвардского типа, в которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но также и шины доступа к ним.

Вся программная память AVR-микроконтроллеров выполнена по технологии FLASH и размещена на кристалле. Она представляет собой последовательность 16-разрядных ячеек и имеет емкость от 512 слов до 64K слов в зависимости от типа кристалла.

Во FLASH-память, кроме программы, могут быть записаны постоянные данные, которые не изменяются во время функционирования микропроцессорной системы. Это различные константы, таблицы знакогенераторов, таблицы линеаризации датчиков и т. п.

Достоинством технологии FLASH является высокая степень упаковки, а недостатком то, что она не позволяет стирать отдельные ячейки. Поэтому всегда выполняется полная очистка всей памяти программ. При этом для AVR гарантируется, как минимум, 1000 циклов перезаписи FLASH-памяти.

Кроме того, для хранения данных AVR-микроконтроллеры могут иметь, в зависимости от типа кристалла, внутреннюю (от 0 до 4K байт) и внешнюю (от 0 до 64 Кбайт) оперативную SRAM память и энергонезависимую внутреннюю EEPROM память (от 0 до 4K байт).

Разделение шин доступа (рис. 1) к FLASH памяти и SRAM памяти дает возможность иметь шины данных для памяти данных и памяти программ различной разрядности, а также использовать технологию конвейеризации. Конвейеризация заключается в том, что во время исполнения текущей команды программный код следующей уже выбирается из памяти и дешифрируется.

Для сравнения вспомним, что у микроконтроллеров семейства MCS-51 выборка кода команды и ее исполнение осуществляются последовательно, что занимает один машинный цикл, который длится 12 периодов кварцевого резонатора.

В случае использования конвейера приведенную длительность машинного цикла можно сократить. Длительность машинного цикла AVR составляет один период кварцевого резонатора. Таким образом, AVR способны обеспечивать заданную производительность при более низкой тактовой частоте. Именно эта особенность архитектуры и позволяет AVR-микроконтроллерам иметь наилучшее соотношение энергопотребление/производительность, так как потребление КМОП микросхем, как известно, определяется их рабочей частотой.

EEPROM блок электрически стираемой памяти AVR предназначен для хранения энергонезависимых данных, которые могут изменяться непосредственно на объекте. Это калибровочные коэффициенты, различные уставки, конфигурационные параметры системы. EEPROM-память имеет меньшую, по сравнению с FLASH, емкость (до 4К байт), но при этом допускает возможность побайтной перезаписи ячеек, которая может происходить как под управлением внешнего процессора, так и под управлением собственно AVR-микроконтроллера во время его работы по программе.

Программирование энергонезависимых блоков памяти AVR может осуществляться как параллельно, так и последовательно через SPI (Serial Peripheral Interface) интерфейс.

Управление и обмен данными с EEPROM-памятью и со всеми периферийными узлами осуществляется при помощи регистров ввода/вывода, которые имеются в каждом периферийном узле.

Встроенные устройства

Внутренний тактовый генератор AVR может запускаться от нескольких источников опорной частоты (внешний генератор, внешний кварцевый резонатор, внутренняя или внешняя RC-цепочка). Поскольку AVR-микроконтроллеры полностью статические, минимальная допустимая частота ничем не ограничена (вплоть до пошагового режима). Максимальная рабочая частота определяется конкретным типом микроконтроллера. Верхние границы частотного диапазона гарантируют устойчивую работу микроконтроллеров при работе во всем температурном диапазоне.

Сторожевой (WATCHDOG) таймер предназначен для защиты микроконтроллера от сбоев в процессе работы. Он имеет свой собственный RC-генератор, работающий на частоте 1 МГц. Эта частота является приближенной и зависит, прежде всего, от величины напряжения питания микроконтроллера и от температуры. WATCHDOG-таймер снабжен своим собственным предделителем входной частоты с программируемым коэффициентом деления, что позволяет подстраивать временной интервал переполнения таймера и сброса микроконтроллера. WATCHDOG-таймер может быть отключен программным образом во время работы микроконтроллера, как в активном режиме, так и в любом из режимов пониженного энергопотребления. В последнем случае это приводит к значительному снижению потребляемого тока.

Система реального времени (RTC) реализована во всех микроконтроллерах семейства "mega" и в двух кристаллах семейства "classic". Таймер/счетчик RTC имеет свой собственный предделитель, который может быть программным способом подключен или к основному внутреннему источнику тактовой частоты микроконтроллера, или к дополнительному асинхронному источнику опорной частоты (кварцевый резонатор или внешний синхросигнал). Для этой цели зарезервированы два внешних вывода микроконтроллера. Внутренний осциллятор, нагруженный на счетный вход таймера/счетчика RTC, оптимизирован для работы с внешним "часовым" кварцевым резонатором 32,768 кГц.

Интересная архитектурная особенность построения портов ввода/вывода у AVR заключается в том, что для каждого физического вывода существует 3 бита контроля/управления, а не 2, как у распространенных 8-разрядных микроконтроллеров (Intel, Microchip, Motorola и т.д.). Дело в том, что использование только двух бит контроля/управления порождает ряд проблем при операциях типа "чтение-модификация-запись". Например, если имеют место две последовательные операции "чтение-модификация-запись", то первый результат может быть потерян безвозвратно, если вывод порта работает на емкостную нагрузку и требуется некоторое время для стабилизации уровня сигнала на внешнем выводе микросхемы. Архитектура построения портов ввода/вывода AVR с тремя битами контроля/управления позволяет разработчику полностью контролировать процесс ввода/вывода.

Система команд и способы адресации

Так же, как и у других встраиваемых микроконтроллеров, система команд АVR включает команды арифметических и логических операций, команды передачи данных, команды, управляющие последовательностью выполнения программы и команды операций с битами.

Выполнять арифметико-логические операции и операции сдвига непосредственно над содержимым ячеек памяти нельзя. Нельзя также записать константу или очистить содержимое ячейки памяти. Система команд AVR позволяет лишь выполнять операции обмена данными между ячейками SRAM и оперативными регистрами. Достоинством системы команд можно считать разнообразные режимы адресации ячеек памяти. Кроме прямой адресации имеются следующие режимы: косвенная, косвенная с пост-инкрементом, косвенная с пре-декрементом и косвенная со смещением.

Поскольку внутренняя и внешняя SRAM входят в единое адресное пространство (вместе с оперативными регистрами и регистрами ввода/вывода), то для доступа к ячейкам внутренней и внешней памяти используются одни и те же команды.

Заключение

Использование в современном микроконтроллере достаточного мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств. Используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:

- в вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков, CD и DVD;

- электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления -- стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах;

В промышленности:

- устройств промышленной автоматики -- от программируемого реле и встраиваемых систем до ПЛК,

- систем управления станками

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 большимми вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры.

Список используемой литературы

1. Архитектура микроконтроллеров семейства MCS-51. А.Е. Бояринов, И.А. Дьяков, ТГТУ, 2005г.

Размещено на Allbest.ru