Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине «Микропроцессорные устройства систем управления»

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет Балаковский институт техники, технологии и управления СОВРЕМЕННЫЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине «Микропроцессорные устройства систем управления» для студентов специальности 210100 всех форм обучения Одобрено редакционно-издательским советом Балаковского института техники, технологии и управления Балаково 2009 Цель работы - изучение современных однокристальных микроконтроллеров с CISC- и RISC- архитектурой, организации их памяти и функционирования, принципов построения микропроцессорных систем на МК. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Диапазон применения микропроцессорной техники в настоящее время очень широк, к микропроцессорным системам предъявляются разнообразные требования. Ниже представлены основные типы микропроцессорных систем (МПС), различающихся мощностью, универсальностью, быстродействием и структурой: - микроконтроллеры (МК) - наиболее простой тип микропроцессорных систем, в которых все или большинство узлов системы выполнены в виде одной микросхемы; - контроллеры - управляющие микропроцессорные системы, выполненные в виде отдельных модулей; - микрокомпьютеры - более мощные микропроцессорные системы с развитыми средствами сопряжения с внешними устройствами; - компьютеры (в том числе персональные) - самые мощные и наиболее универсальные микропроцессорные системы. В настоящее время при разработке новых МПС чаще выбирают путь использования микроконтроллеров (примерно в 80% случаев). При этом МК применяются самостоятельно (c дополнительной аппаратурой) или в составе сложных контроллеров с развитыми средствами ввода/вывода. Классические МПС на базе микросхем процессоров и микропроцессорных комплектов выпускаются сейчас редко из-за сложности процесса разработки и отладки этих систем. Данный тип МПС выбирают тогда, когда микроконтроллеры не могут обеспечить требуемых характеристик. Заметное место занимают МПС на основе персонального компьютера (ПК). Персональный компьютер имеет развитые средства программирования, что упрощает задачу разработчика. К тому же он может обеспечить самые сложные алгоритмы обработки информации. Основные недостатки ПК - большие размеры корпуса, аппаратурная избыточность для простых задач, неприспособленность большинства ПК к работе в сложных условиях (высокая влажность, вибрации, высокие температуры и т.д.). Однако выпускаются специальные ПК, приспособленные к различным условиям эксплуатации. Однокристальные МК объединяют в одном кристалле все основные элементы МПС: центральный процессор (ЦП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), порты ввода/выводы, таймеры. Классификация и структура микроконтроллеров В настоящее время выпускается целый ряд типов МК. Эти приборы можно условно разделить на три основных класса: - 8-разрядные МК для встраиваемых приложений; - 16- и 32-разрядные МК; - цифровые сигнальные процессоры (DSP). Наиболее распространенным представителем семейства МК являются 8-разрядные приборы, широко используемые в промышленности, бытовой и компьютерной технике, выпускаемые известными фирмами - Motorola, Microchip, Intel, Zilog, Atmel и многими другими. Современные 8-разрядные МК имеют отличительные признаки: - модульная организация, при которой на базе одного процессорного ядра (центрального процессора) проектируется ряд (линейка) МК, различающихся объемом и типом памяти программ, объемом памяти данных, набором периферийных модулей, частотой синхронизации; - использование закрытой архитектуры МК, характеризующейся отсутствием линий магистралей адреса и данных на выводах корпуса; МК представляет собой законченную систему обработки данных, наращивание возможностей которой с использованием параллельных магистралей адреса и данных не предполагается; - использование типовых функциональных периферийных модулей (таймеры, процессоры событий, контроллеры последовательных интерфейсов, аналого-цифровые преобразователи и др.), имеющих незначительные отличия в алгоритмах работы в МК различных производителей; -расширение числа режимов работы периферийных модулей, которые задаются в процессе инициализации регистров специальных функций МК. При модульном принципе построения все МК одного семейства содержат процессорное ядро, одинаковое для всех МК данного семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК разных моделей. Структура модульного МК приведена на рисунке 1. Процессорное ядро включает в себя: - центральный процессор; - внутреннюю контроллерную магистраль (ВКМ) в составе шин адреса, данных и управления; - схему синхронизации МК; - схему управления режимами работы МК, включая поддержку режимов пониженного энергопотребления, начального запуска (сброса) и т.д. Рис. 1. Модульная организация МК Изменяемый функциональный блок включает модули памяти различного типа и объема, порты ввода/вывода, модули тактовых генераторов (Г), таймеры. В простых МК модуль обработки прерываний входит в состав процессорного ядра. В более сложных МК он представляет собой отдельный модуль. В состав изменяемого функционального блока могут входить дополнительные модули: компараторы напряжения, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и другие. Структура процессорного ядра микроконтроллера Основные характеристики, определяющие производительность процессорного ядра МК - набор регистров для хранения промежуточных данных; система команд процессора; способы адресации операндов в пространстве памяти; организация процессов выборки и исполнения команды. С точки зрения системы команд и способов адресации операндов процессорное ядро современных 8-разрядных МК реализует один из двух принципов построения процессоров: - процессоры с CISC-архитектурой, реализующие полную систему команд (Complicated Instruction Set Computer); - процессоры с RISC-архитектурой, реализующие сокращенную систему команд (Reduced Instruction Set Computer). CISC-процессоры выполняют большой набор команд с развитыми возможностями адресации. В применении к 8-разрядным МК процессор с CISC-архитектурой может иметь однобайтовый, двухбайтовый и трехбайтовый (редко четырехбайтовый) формат команд. При этом система команд, как правило, неортогональна, то есть не все команды могут использовать любой из способов адресации применительно к любому из регистров процессора. Выборка команды осуществляется побайтно в течение нескольких циклов работы МК. Время выполнения команды может составлять от 1 до 12 циклов. К МК с CISC-архитектурой относятся МК фирмы Intel с ядром MCS-51, которые поддерживаются в настоящее время рядом производителей, МК семейств НС05, НС08 и НС11 фирмы Motorola и другие. В процессорах с RISC-архитектурой набор исполняемых команд сокращен до минимума. Все команды имеют формат фиксированной длины (например, 12, 14 или 16 бит), выборка команды из памяти и ее исполнение осуществляется за один цикл (такт) синхронизации. Система команд RISC-процессора предполагает возможность равноправного использования всех регистров процессора. Это обеспечивает дополнительную гибкость при выполнении ряда операций. К МК с RISC-процессором относятся МК AVR фирмы Atmel, МК PIC16 и PIC17 фирмы Microchip и другие. Производительность МК оценивается числом операций пересылки «регистр-регистр», которые могут быть выполнены в течение одной секунды. В МК с CISC-процессором время выполнения таких операций составляет от 1 до 3 циклов, что уступает производительности МК с RISC-процессором. В то же время, в системе команд большинства CISC-процессоров присутствуют команды пересылки содержимого РОН в один из портов ввода/вывода. То есть более сложная система команд иногда позволяет реализовать более эффективный способ выполнения операции. При разработке быстродействующих устройств автоматизированного управления основное внимание необходимо уделять времени выполнения операций умножения и деления при реализации уравнений различных передаточных функций. А при реализации пульта дистанционного управления бытовой техникой важно время выполнения логических функций, которые используются при опросе клавиатуры и генерации последовательной кодовой посылки управления. Поэтому в ситуациях, требующих высокого быстродействия, следует оценивать производительность на множестве операций, которые преимущественно используются в алгоритме управления и имеют ограничения по времени выполнения. С точки зрения организации процессов выборки и исполнения команды в современных 8-разрядных МК применяется одна из архитектур МПС: фон-неймановская (принстонская) или гарвардская. Особенностью фон-неймановской архитектуры является использование общей памяти для хранения программ и данных (рис. 2). Рис. 2. Структура МПС с фон-неймановской архитектурой Преимущество архитектуры Фон-Неймана - упрощение устройства МПС, так как реализуется обращение к общей памяти. Использование единой области памяти позволяет оперативно перераспределять ресурсы между областями программ и данных, что повышает гибкость МПС с точки зрения разработчика программного обеспечения. Размещение стека в общей памяти облегчает доступ к его содержимому. Фон-неймановская архитектура применяется в персональных компьютерах. Особенность гарвардской архитектуры - использование раздельных адресных пространств для хранения команд и данных (рис. 3). Рис. 3. Структура МПС с гарвардской архитектурой Применение отдельной небольшой по объему памяти данных способствует сокращению длины команд и ускорению поиска информации в памяти данных. Гарвардская архитектура обеспечивает более высокую скорость выполнения программы по сравнению с фон-неймановской за счет возможности реализации параллельных операций, но является недостаточно гибкой для реализации некоторых программных процедур. Большинство производителей современных 8-разрядных МК используют гарвардскую архитектуру. Сравнение МК, выполненных по разным архитектурам, следует проводить применительно к конкретному приложению. Система команд МК Набор команд МК включает команды пересылки данных, арифметические команды, логические команды, команды переходов. Для реализации возможности независимого управления разрядами портов (регистров) в большинстве современных МК предусмотрена группа команд битового управления, что позволяет сократить объем кода управляющих программ и время их выполнения. В ряде МК выделяют группу команд управления ресурсами контроллера, используемую для настройки режимов работы портов ввода/вывода, управления таймером и т.п. Система команд МК по сравнению с системой команд универсального МП имеет, как правило, менее развитые группы арифметических и логических команд, зато более мощные группы команд пересылки данных и управления. Эта особенность связана со сферой применения МК. Схема синхронизации МК Схема синхронизации МК обеспечивает формирование сигналов синхронизации, необходимых для выполнения командных циклов центрального процессора, а также обмена информацией по внутренней магистрали. В зависимости от исполнения центрального процессора командный цикл может включать в себя от одного до нескольких (4 - 6) тактов синхронизации. Схема синхронизации формирует также метки времени, необходимые для работы таймеров МК. В состав схемы синхронизации входят делители частоты, которые формируют необходимые последовательности синхросигналов. Память программ и данных МК В МК используется три основных вида памяти. Память программ представляет собой постоянную память (ПЗУ), предназначенную для хранения программного кода (команд) и констант. Ее содержимое в ходе выполнения программы не изменяется. Память данных предназначена для хранения переменных в процессе выполнения программы и представляет собой ОЗУ. Регистры МК - этот вид памяти включает в себя внутренние регистры процессора и регистры, которые служат для управления периферийными устройствами (регистры специальных функций). Память программ. Основным свойством памяти программ является ее энергонезависимость, то есть возможность хранения программы при отсутствии питания. Различают следующие типы энергонезависимой памяти программ: - ПЗУ масочного типа - mask-ROM. Содержимое ячеек ПЗУ этого типа заносится при ее изготовлении с помощью масок и не может быть впоследствии заменено или допрограммировано. МК с таким типом памяти программ используют после опытной эксплуатации. Основной недостаток - необходимость затрат на создание новых фотошаблонов и их внедрение в производство. ПЗУ масочного типа обеспечивают высокую надежность хранения информации по причине программирования в заводских условиях с последующим контролем результата; - ПЗУ, программируемые пользователем, с ультрафиолетовым стиранием - EPROM (Erasable Programmable ROM). Программируются электрическими сигналами и стираются с помощью ультрафиолетового облучения. Ячейка памяти EPROM представляет собой МОП-транзистор с «плавающим» затвором, заряд на который переносится с управляющего затвора при подаче соответствующих электрических сигналов. Для стирания содержимого ячейки она облучается ультрафиолетовым светом, сообщающим заряду на плавающем затворе энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера и стекания на подложку. МК с EPROM допускают многократное программирование и выпускаются в дорогостоящем керамическом корпусе с кварцевым окошком для доступа ультрафиолетового света, что увеличивает стоимость МК. Для уменьшения стоимости МК с EPROM его заключают в корпус без окошка (версия EPROM с однократным программированием); - ПЗУ, однократно программируемые пользователем - OTPROM (One-Time Programmable ROM). Представляют собой версию EPROM, выполненную в корпусе без окошка для уменьшения стоимости МК на его основе. Эти версии EPROM часто используют вместо масочных ПЗУ; - ПЗУ, программируемые пользователем, с электрическим стиранием - EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM). Это новое поколение EPROM, в которых стирание ячеек памяти производится электрическими сигналами за счет использования туннельных механизмов. Применение EEPROM позволяет стирать и программировать МК, не снимая его с платы. Таким способом можно производить отладку и модернизацию программного обеспечения. По стоимости EEPROM занимают промежуточное положение между OTPROM и EPROM; - ПЗУ с электрическим стиранием типа Flash - Flash-ROM. Различие EEPROM и Flash-памяти состоит в способе стирания записанной информации. В первом случае стирание производится отдельно для каждой ячейки, во втором - для целых блоков. Для изменения содержимого одной ячейки Flash-памяти необходимо перепрограммировать весь блок. Упрощение декодирующих схем по сравнению с EEPROM позволяет конкурировать с МК с однократно программируемыми и с масочными ПЗУ. Память данных. Память данных МК выполняется на основе статического ОЗУ. «Статическое» означает, что содержимое ячеек ОЗУ сохраняется при снижении тактовой частоты МК до сколь угодно малых значений (с целью снижения энергопотребления). Большинство МК имеют параметр «напряжение хранения информации». При снижении напряжения питания ниже минимально допустимого уровня, но выше уровня напряжения хранения работа программы МК выполняться не будет, но информация в ОЗУ сохраняется. При восстановлении напряжения питания можно сбросить МК и продолжить выполнение программы без потери данных. Уровень напряжения хранения составляет обычно около 1В, что позволяет переводить МК на питание от автономного источника (батареи) и сохранять в этом режиме данные ОЗУ. Объем памяти данных МК невелик и составляет десятки и сотни байт. Регистры МК. МК имеют набор регистров, которые используются для управления его ресурсами. Это регистры процессора (аккумулятор, регистры состояния, индексные регистры), регистры управления (регистры управления прерываниями, таймером), регистры, обеспечивающие ввод/вывод данных (регистры данных портов, регистры управления параллельным, последовательным или аналоговым вводом/выводом). В МК с RISC-процессором регистры располагаются по явно задаваемым адресам, что обеспечивает высокую гибкость при работе процессора. В некоторых МК все регистры и память данных располагаются в одном адресном пространстве. Это означает, что память данных совмещена с регистрами. Такой подход называется «отображением ресурсов МК на память». В других МК адресное пространство устройств ввода/вывода отделено от общего пространства памяти, что дает преимущество процессорам с гарвардской архитектурой, обеспечивая возможность считывать команду во время обращения к регистру ввода/ вывода. Стек микроконтроллера. В МК ОЗУ данных используется также для организации вызова подпрограмм и обработки прерываний. При этих операциях содержимое программного счетчика и основных регистров (аккумулятор, регистр состояния и другие) сохраняется и затем восстанавливается при возврате к основной программе. В фон-неймановской архитектуре единая область памяти используется и для реализации стека, что ведет к снижению производительности устройства, так как одновременный доступ к различным видам памяти невозможен. Например, при выполнении команды вызова подпрограммы следующая команда выбирается после того, как в стек будет помещено содержимое программного счетчика. В гарвардской архитектуре стековые операции производятся в специально выделенной памяти. Это означает, что при выполнении программы вызова подпрограмм процессор с гарвардской архитектурой производит несколько действий одновременно. МК обеих архитектур имеют ограниченную емкость памяти для хранения данных. Если в процессоре имеется отдельный стек и объем записанных в него данных превышает его емкость, то происходит циклическое изменение содержимого указателя стека, и он начинает ссылаться на ранее заполненную ячейку стека, т.е. в стеке окажется неправильный адрес возврата. Если МК использует общую область памяти для размещения данных и стека, то существует опасность, что при переполнении стека произойдет запись в область данных, либо возможна запись загружаемых в стек данных в область ПЗУ.

Похожие:

	Методические указания для самостоятельной работы студентов по дисциплине «Антропология» Антропология: методические указания к самостоятельной работе [Текст ] / cост Е. В. Инжеваткин. – Красноярск: Сибирский федеральный...		Методические указания по самостоятельной работе студентов Методические указания предназначены студентам для выполнения самостоятельной работы по дисциплине «Вторичные метаболиты растений»...
	Методические указания к самостоятельной работе (для специальности биохимия) Б 545 Безопасность жизнедеятельности: методические указания к самостоятельной работе [Текст ] / cост. О. А гусейнов. – Красноярск:...		Методические указания по самостоятельной работе студентов Методические указания предназначены студентам для выполнения самостоятельной работы по дисциплине «Избранные главы экологической...
	Методические указания к самостоятельной работе Красноярск Человек: основы антропологии: методические указания к самостоятельной работе [Текст ] / cост Е. В. Инжеваткин. – Красноярск: Сибирский...		Методические указания для самостоятельной работы студентов по дисциплине... М молекулярные механизм гормональной регуляции: методические указания к самостоятельной работе [Текст ] / cост Г. И. Боровкова. –...
	Методические указания для организации самостоятельной работы по дисциплине... Персонал предприятия как объект управления. Место и роль управления персоналом в системе управления предприятием. Принципы управления...		Методические указания по самостоятельной работе студентов содержат... М 20 Математическое моделирование биотехнологических процессов: Методические указания к самостоятельной работе [Текст] / сост. П....
	Т. Г. Волова, И. Е. Суковатая Настоящее издание является частью учебно-методического комплекса по дисциплине «Экологическая биотехнология», содержащего учебное...		Методические указания для внеаудиторной самостоятельной работы студентов... Методические указания предназначены для внеаудиторного самостоятельного изучения устройства и работы узлов, систем и механизмов некоторых...
	Методические указания для выполнения самостоятельной работы по дисциплине... Анский государственный аграрный университет факультет управления Кафедра менеджмента методические указания для выполнения самостоятельной...		Методические указания по самостоятельной работе Красноярск ...
	Реферат по дисциплине «Микропроцессорные средства систем автоматизации и управления» Классификация свободных программных средств разработки по для микроконтроллеров 5		Конспект лекций по дисциплине: «Операционные системы и среды» «Системы баз данных», «Инструментальные средства разработки аппаратно-программных систем», «Микропроцессоры и микропроцессорные системы»,...
	Методические указания для студентов по выполнеию внеаудиторной самостоятельной работы В работе даны методические указания для студентов 1 курса учреждений начального и среднего профессионального образования по выполнению...		Реферат по дисциплине «Микропроцессорные средства систем автоматизации и управления» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования