1. Обзор современных ОЭВМ
Хотя первыми на рынке появились микропроцессоры (МП), и они в 70-х и 80-х годах были основной элементной базой управляющих и вычислительных устройств, по мере развития микроэлектроники МП были вытеснены из большинства своих применений ОЭВМ, которые иначе еще называются микроконтроллерами (МК). В настоящее время МП сохраняют свое ведущее положение только в вычислительной технике (производство ПЭВМ).
Микроконтроллеры (МК) являются наиболее массовыми представителями современной микропроцессорной техники, объем выпуска которых составляет около 2,5 млрд. штук в год. Имея на своем кристалле высокопроизводительный процессор, память и набор периферийных устройств, МК позволяют с минимальными затратами реализовать высокоэффективные системы и устройства управления различными объектами и процессами. Благодаря этому они находят широкое применение в промышленной автоматике, контрольно-измерительных приборах и системах, аппаратуре связи, автомобильной электронике, бытовой технике и многих других применениях.
Первым МК на рубеже 80-х и 90-х годов стала микросхема той же фирмы INTEL I8048. Она была очень простой, содержала на кристалле всего 1 Кбайт ПЗУ или ППЗУ, могла адресовать всего 4 Кбайт памяти программ, имела только 64 байта ОЗУ на кристалле. Этот тип МК так и не стал массовым и далее не развивался.
Другим, и гораздо более перспективным прибором, стал МК типа I8751. Этот тип МК дал начало целому семейству МК, которое получило название MCS-51. Структура и возможности этого МК были настолько удачными, что это семейство развивается до сих пор. Со временем фирма INTEL отошла от производства МК, но эстафету подхватили такие мощные фирмы, как Philips, Atmel, Dallas Semiconductors, Analog Devices и другие. Они теперь развивают эту ветвь МК.
Еще на заре развития МП в этой отрасли появился такой гигант радиоэлектроники, как американская фирма Motorolla. Она примерно в то же время, что и INTEL начала развивать свою отрасль МП и первым процессором стал МС6800. Он имел несколько иную структуру, чем I8080, хотя по такому интегральному показателю, как "мощность" это были примерно равные приборы. Со временем Motorolla также поняла перспективность развития МК и выпустила на рынок 8-разрядные семейства МК 68НС05. И в настоящее время продукция фирмы контролирует значительную часть рынка МК.
Основным недостатком МК еще недавно была их относительно высокая стоимость. Это не позволяло эффективно использовать их в простых приложениях, где надо было считать каждую копейку, а задачи, возложенные на МК были самыми простыми.
Поэтому возникла идея создать наиболее простой, но и наиболее дешевый процессор.
Поэтому фирма Microchip разработала целое семейство МК, основанных на так называемой RISC технологии. Основной особенностью ее является упрощенная система команд, состоящая, как правило, из нескольких десятков простейших инструкций. На этой основе были созданы PIC МК. Со временем они, конечно, усложнились, их мощность повысилась, но они и сейчас остались самыми дешевыми и простыми МК.
Таким образом, можно констатировать, что рынок МК сейчас поделен на 3 части: семейство MCS-51 (примерно 50 - 60%), МК фирмы Motorolla (20 - 30%) и PIC МК (10 - 20%).
Ниже приводятся краткие сведения о последних двух видах МК, а контроллеры семейства MCS-51 рассматриваются более подробно в разделе ???.??., а МК типа PIC – в разделе ??????.
1.1. МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ ФИРМЫ MOTOROLLA
МК фирмы MOTOROLLA составляют несколько семейств, которые различаются в основном по вычислительной мощности и ориентации на определенные области применения.
В первую очередь это 8-разрядные МК семейств НС05, НС08 и НС11.
Семейство 68НС05 содержит более 150 модификаций МК, которые формировались фирмами, использующими аппаратуру на контроллерах, или так называемые "заказные" МК. Они настроены под конкретную конфигурацию программно-аппаратных средств пользователя.
МК МС68НС08 - развитие семейства НС05. Они совместимы по системе команд и коду с этими МК, но имеют в 5 - 10 раз большую производительность. МК этого типа имеют модульную внутреннюю архитектуру, большую универсальность, увеличенные объемы внутренней памяти, энергонезависимые блоки памяти типа EEPROM Flash EEPROM.
Семейство МС68НС11 ориентировано на массовое применение и характеризуется большей гибкостью и универсальностью, широким применением внешней памяти. Ядро системы усовершенствовано, отличается повышенной производительностью и более эффективной архитектурой и системой команд. В семейство входят более 40 модификаций МК.
1.1.1. Семейство НС05
Все МК этого семейства имеют одинаковое 8-разрядное процессорное ядро, основанное на известном процессоре 6800, и отличаются набором периферийных функций. Это означает, что применение любого МК этого семейства позволяет пользователю использовать единый подход к проектированию системы на МК НС05, а также на МК НС08, который основан на более производительном, но программно совместимом ядре.
В состав периферийных устройств семейства входят: ПЗУ всех типов, ОЗУ, таймеры, АЦП, ШИМ, контроллеры ЖКИ и других индикаторов, последовательные интерфейсы и т.п.
Примером построения системы НС05 служит МК МС68НС805К3, предназначенный для работы в системах, требующих использование малогабаритного МК с микропотреблением и низкой стоимостью: охранных системах, датчиках, бытовых устройствах, портативных средствах связи, пультах дистанционного управления. Основные характеристики МК следующие:
ЦПУ НС05, умножение 8х8,
питание от 1,8 В (запись EEPROM от 3 В), низкое потребление,
920 + 16 Кбайт EEPROM,
прерывания реального времени,
прерывания от клавиатуры по 8 линиям,
нагрузочная способность до 8 мА по четырем линиям,
режимы пониженного потребления STOP, WAIT.
Структурная схема МК показана на рис.1.2.
Рис. 1.2. Структурная схема МК МС68НС805К3
Второй пример - МК типа МС68НС705Р6А, который может применяться в устройствах, требующих обработки аналогового сигнала и критичных к габаритам и стоимости применяемого МК, например, устройствах контроля температуры, электронных весах, локальных узлах управления, устройствах сигнализации, средствах связи и т.д.
Основные характеристики МК следующие:
ЦПУ НС05, умножение 8х8,
АЦП ( 4 канала, 8 разрядов),
синхронный последовательный порт,
16-разрядный таймер с функциями входного захвата и выходной фиксации,
4,6 Кбайт ППЗУ,
176 байт ОЗУ,
21 линия ввода-вывода,
прерывания от 8 линий,
2 выхода с током 15 мА,
режимы пониженного потребления STOP, WAIT, сохранение данных в ОЗУ
Структурная схема МК показана на рис.1.3.
1.1.2. Семейство НС08
Семейство НС08 является следующим шагом в развитии МК и характеризуется повышенной в 5 - 10 раз производительностью процессорного ядра, совместимого по системе команд с ЦПУ НС05. Оно поддерживает дополнительные команды и способы адресации, а также новые функции - ПДП, технологию "нечеткой логики" и элементы цифровой обработки сигналов.
Ядро ЦПУ полностью статическое и оптимизировано для работы с пониженным напряжением питания и с помощью встроенного синтезатора частоты позволяет гибко управлять потреблением. Это первое семейство МК с определяемым пользователем архитектурой на базе стандартных модулей, что ускоряет цикл разработки системы.
Основные модули системы рассматриваются ниже.
Рис. 1.3. Структурная схема МК МС68НС705Р6А
Особенностями ЦПУ (логическая модель его показана на рис. 1.4) НС08 являются:
тактовая частота 8 МГц (цикл 125 нс),
16-разрядные индексный регистр, программный счетчик, указатель стека,
Рис. 1.4. Структура ЦПЭ семейства НС08
8 методов адресации, включая операции с индексным регистром и стеком, а также пересылки память-память,
аппаратная поддержка ПДП, точек останова,
быстрые операции умножения и деления,
64 Кбайт адресуемой памяти с возможностью расширения,
полностью статическая архитектура, низкое потребление, пониженное питание.
Модуль прямого доступа в память (DMA08) обеспечивает скоростной обмен с памятью и внешними устройствами. Он может обслуживать последовательный интерфейс, либо обеспечивать передачу блоков данных до 256 Кбайт.
Модуль таймера (TIM08) - устройство для решения задач, связанных с обработкой временных интервалов. Может иметь 2, 4 и 6 независимых каналов, каждый из которых содержит 16-битовый счетчик с программируемым предделителем, регистры входной фиксации, выходного сравнения и ШИМ.
Модуль последовательного обмена представлены универсальным асинхронным интерфейсом (SCI08), универсальным синхронным интерфейсом (SPI08),специализированными последовательными интерфейсами, применяемыми в автомобильных системах и системах промышленного управления.
Модуль системной интеграции (SIM08) - его основные функции:
формирование внутренней тактовой частоты процессора и встроенных подсистем,
обеспечение режимов пониженного энергопотребления и программное управление частотой,
управление прерываниями и сбросом - сигнал сброса при обнаружении неправильных кодов команд и адресов, работа сторожевого таймера, обработка и арбитраж программных и аппаратных прерываний.
Встроенная память может состоять из масочного или программируемого ПЗУ, ЭСППЗУ (EEPROM и Flash EEPROM), ОЗУ.
Модуль управления ЖКИ дисплеем (LCD08) позволяет подключать до 1280 сегментов (32 группы по 40 сегментов) и содержит внутреннее буферное ОЗУ 160 байт, формирователь напряжений для драйверов, регулировка контрастности.
АЦП (ADC08),
12-разрядный 6 канальный контроллер ШИМ (PWM08),
таймер периодических прерываний (PIT08).
модуль расширения адресации внешней памяти до 16 Мбайт (ADX08).
Примером структуры МК семейства РС08 может служить МК МС68НС708XL36, который изображен на рис.1.5.
Его составляющие:
высокопроизводительный модуль CPU08 с тактовой частотой 8 МГц,
36 Кбайт ППЗУ,
1К статического ОЗУ,
16-разрядный 4-канальный таймер,
последовательные интерфейсы CI и SPI,
3-канальный контроллер ПДП,
сторожевой таймер,
систему обнаружения пониженного напряжения, неправильного кода и адресов,
40 двунаправленных линий ввода-вывода.
Рис.1.5. Структурная схема МК МС68НС708XL36
1.1.3. Семейство НС11
Семейство НС11 в отличие от МК "заказных" семейств, содержит около 40 универсальных МК, ориентированных как массовое производство, так и на мелкое и среднее производство.
Все МК содержат одинаковое 8-разрядное ЦПУ "второго поколения" (МС6809), которое отличается повышенной производительностью, эффективной системой команд и методами адресации. МК семейства НС11 содержат встроенную память различных типов и конфигураций. Периферийные устройства представлены подсистемами, наиболее часто требующимися во встроенных системах: таймеры, АЦП, ШИМ, ЦАП, последовательный интерфейс и встроенный сопроцессор.
ЦПУ семейства удобно для программирования. Его особенности (рис.1.6):
2 8-битных или 1 16-битный аккумулятор,
2 16-битных индексных регистра,
2 программно управляемых режима пониженного энергопотребления,
операции умножения 8х8 и деления 16/16,
внутренняя тактовая частота до 4 МГц.
Рис. 1.6. Структурная схема ЦПЭ семейства НС11
Система команд состоит из следующих групп:
команды пересылки данных через аккумуляторы,
команды пересылки для стека и индексных регистров,
команды переходов и работы с подпрограммами,
арифметические команды,
команды работы с битами,
специальные команды.
Встроенная память МК имеет в своем составе все типы памяти, которые доступны для НС05. Все МК адресуют внешнюю память, есть версии с немультиплексированными шинами данных и адреса, а также с расширенным до 256 К...1Мбайт адресным пространством.
МК функционируют в одном из трех режимов, которые задаются с помощью специальных входов при сбросе:
однокристальный режим - программа находится во внутреннем ППЗУ, при этом порты доступны для ввода-вывода,
расширенный режим - возможно подключение памяти программ или данных
режим загрузки - управление после сброса передается в масочное ПЗУ, в котором находится программа загрузки кода с ПЭВМ по последовательному каналу в любую часть памяти (даже в ППЗУ и EEPROM).
МК этого семейства позволяют программно переназначать начало областей ОЗУ, ППЗУ и регистров в любую область с кратностью 4 К.
Примером МК семейства НС11 может служить МК MC68HC11F1, предназначенный Рис. 1.7. Структурная схема МК MC68HC11F1
для работы в средствах связи, промышленного упрапвления. У него нет встроенного ППЗУ.
Основные характеристики МК:
немультиплексированная шина адреса-данных, частота 4 МГц,
4 программируемой выборки для внешней памяти или внешних устройств,
512 байт EEPROM, 1024 байт ОЗУ,
16-разрядный таймер: 3-4 канала входной фиксации, 4-5 выходных каналов со сравнением,
АЦП 8-р 8 каналов,
2 последовательных интерфейсов: асинхронный и синхронный.
Другим примером применения МК, где требуется большой объем встроенной памяти, служит использование МК МС68НС711К4. Он имеет:
немультиплексированная шина адреса-данных, частота 4 МГц,
768 байт ОЗУ, 640 байт EEPROM,
24 Кбайт ППЗУ,
16-разрядный таймер,
4-канальный 8-разрядный ШИМ,
последовательные интерфейсы SCI+SPI,
возможность адресации внешней памяти объемом до 1 Мбайт.
Рис. 1.8. Структурная схема МК МС68НС711К4
|
