Область применения микроконтроллеров

 

 

В настоящее время наиболее яркими представителями микроконтроллеров SISC и RISC, имеющих соответственно фон-неймановскую и гарвардскую архитектуры являются микроконтроллеры i8051 и AVR – микроконтроллеры фирмы Atmel, которые по ряду характеристик превзошли очень известные PIC – микроконтроллеры. Поэтому рассмотрим организацию и устройство вышеперечисленных представителей.

1.3 Арифметико-логическое устройство

8-битное арифметико-логическое  устройство (ALU) может выполнять арифметические  операции сложения, вычитания, умножения  и деления; логические операции  И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, а также  операции циклического сдвига, сброса, инвертирования и т.п. К входам  подключены программно-недоступные  регистры T1 и T2, предназначенные для  временного хранения операндов, схема десятичной коррекции (DCU) и  схема формирования признаков  результата операции (PSW).

Простейшая операция сложения используется в ALU для инкрементирования содержимого регистров, продвижения регистра-указателя данных (RAR) и автоматического вычисления следующего адреса резидентной памяти программ. Простейшая операция вычитания используется в ALU для декрементирования регистров и сравнения переменных.

Простейшие операции автоматически образуют “тандемы” для выполнения таких операций, как, например, инкрементирование 16-битных регистровых пар. В ALU реализуется механизм каскадного выполнения простейших операций для реализации сложных команд. Так, например, при выполнении одной из команд условной передачи управления по результату сравнения в ALU трижды инкрементируется счётчик команд (PC), дважды производится чтение из RDM, выполняется арифметическое сравнение двух переменных, формируется 16-битный адрес перехода и принимается решение о том, делать или не делать переход по программе. Все перечисленные операции выполняются всего лишь за 2 мкс.

Важной особенностью ALU является его способность оперировать не только байтами, но и битами. Отдельные программно-доступные биты могут быть установлены, сброшены, инвертированы, переданы, проверены и использованы в логических операциях. Эта способность достаточно важна, поскольку для управления объектами часто применяются алгоритмы, содержащие операции над входными и выходными булевыми переменными, реализация которых средствами обычных микропроцессоров сопряжена с определенными трудностями.

Таким образом, ALU может оперировать четырьмя типами информационных объектов: булевыми (1 бит), цифровыми (4 бита), байтными (8 бит) и адресными (16 бит). В ALU выполняется 51 различная операция пересылки или преобразования этих данных. Так как используется 11 режимов адресации (7 для данных и 4 для адресов), то путем комбинирования операции и режима адресации базовое число команд 111 расширяется до 255 из 256 возможных при однобайтном коде операции.

1.4 Структурная организацияAVR -  микроконтроллера

 

 

AVR функционируют в широком  диапазоне питающих напряжений  от 1,8 до 6,0 Вольт. Энергопотребление  в активном режиме зависит  от величины напряжения питания, от частоты, на которой работает AVR и от конкретного типа микроконтроллера. Подробные спецификации обычно  приводятся в оригинальной технической  документации Atmel Corp. Температурные  диапазоны работы микроконтроллеров AVR - коммерческий (0С...70С) и индустриальный (-40С...+85С). К сожалению, корпорация Atmel не выпускает и не планирует  выпускать AVR для работы в автомобильном (-40С...+125С) и военном (-55С...+125С) температурных  диапазонах.

С точки зрения программиста AVR представляет собой 8-разрядный RISC микроконтроллер, имеющий быстрый Гарвардский процессор, память программ, память данных, порты ввода/вывода и различные интерфейсные схемы. Гарвардская архитектура AVR реализует полное логическое и физическое разделение не только адресных пространств, но и информационных шин для обращения к памяти программ и к памяти данных, причем способы адресации и доступа к этим массивам памяти также различны. Подобное построение уже ближе к структуре цифровых сигнальных процессоров и обеспечивает существенное повышение производительности. Центральный процессор работает одновременно как с памятью программ, так и с памятью данных; разрядность шины памяти программ расширена до 16 бит.

Следующим шагом на пути увеличения быстродействия AVR является использование технологии конвейеризации, вследствие чего цикл "выборка - исполнение" команды заметно сокращен. Например, у микроконтроллеров семейства MCS51 короткая команда выполняется за 12 тактов генератора (1 машинный цикл), в течение которого процессор последовательно считывает код операции и исполняет ее. В PIC-контроллерах фирмы Microchip, где уже реализован конвейер, короткая команда выполняется в течение 8 периодов тактовой частоты (2 машинных цикла). За это время последовательно дешифрируется и считывается код операции, исполняется команда, фиксируется результат и одновременно считывается код следующей операции (одноуровневый конвейер). Поэтому в общем потоке команд одна короткая команда реализуется за 4 периода тактовой частоты или за один машинный цикл. В микроконтроллерах AVR тоже используется одноуровневый конвейер при обращении к памяти программ и короткая команда в общем потоке выполняется, как и в PIC-контроллерах, за один машинный цикл. Главное же отличие состоит в том, что этот цикл у AVR составляет всего один период тактовой частоты. Для сравнения, на рис. 3 приведены временные диаграммы при выполнении типовой команды для различных микроконтроллерных платформ.

Следующая отличительная черта архитектуры микроконтроллеров AVR - регистровый файл быстрого доступа, структурная схема которого показана на рис. 4. Каждый из 32-х регистров общего назначения длиной 1 байт непосредственно связан с арифметико-логическим устройством (ALU) процессора. Другими словами, в AVR существует 32 регистра - аккумулятора. Это обстоятельство позволяет в сочетании с конвейерной обработкой выполнять одну операцию в ALU за один машинный цикл. Так, два операнда извлекаются из регистрового файла, выполняется команда и результат записывается обратно в регистровый файл в течение только одного машинного цикла.

Рис.6. Регистровый файл AVR.

Рис.7. Временные диаграммы микропроцессорных платформ.

Шесть из 32-х регистров файла могут использоваться как три 16-разрядных указателя адреса при косвенной адресации данных. Один из этих указателей (Z Pointer) применяется также для доступа к данным, записанным в памяти программ микроконтроллера. Использование трех 16-битных указателей (X, Y и Z Pointers) существенно повышает скорость пересылки данных при работе прикладной программы.

Регистровый файл занимает младшие 32 байта в общем адресном пространстве SRAM AVR. Такое архитектурное решение позволяет получать доступ к быстрой "регистровой" оперативной памяти микроконтроллера двумя путями - непосредственной адресацией в коде команды к любой ячейке и другими способами адресации ячеек SRAM. В технической документации фирмы Atmel это полезное свойство носит название "быстрое контекстное переключение" и является еще одной отличительной особенностью архитектуры AVR, повышающей эффективность работы микроконтроллера и его производительность. Особенно заметно данное преимущество при реализации процедур целочисленной 16-битной арифметики, когда исключаются многократные пересылки между различными ячейками памяти данных при обработке арифметических операндов в ALU.

Система команд AVR весьма развита и насчитывает до 133 различных инструкций. Конкретное количество команд для каждого микроконтроллера того или иного семейства AVR приведено в таблицах 1 - 2. Почти все команды имеют фиксированную длину в одно слово (16 бит), что позволяет в большинстве случаев объединять в одной команде и код операции, и операнд(ы). Лишь немногие команды имеют размер в 2 слова (32 бит) и относятся к группе команд вызова процедуры CALL, длинных переходов в пределах всего адресного пространства JMP, возврата из подпрограмм RET и команд работы с памятью программ LPM. Различают пять групп команд AVR: условного ветвления, безусловного ветвления, арифметические и логические операции, команды пересылки данных, команды работы с битами. В последних версиях кристаллов AVR семейства "mega" реализована функция аппаратного умножения, что придает новым микроконтроллерам еще больше привлекательности с точки зрения разработчика.

По разнообразию и количеству реализованных инструкций AVR больше похожи на CISC, чем на RISC процессоры. Например, у PIC-контроллеров система команд насчитывает до 75 различных инструкций, а у MCS51 она составляет 111. В целом, прогрессивная RISC архитектура AVR в сочетании с наличием регистрового файла и расширенной системы команд позволяет в короткие сроки создавать работоспособные программы с эффективным кодом как по компактности реализации, так и по скорости выполнения.

 

 

start="2"

           Обзор семейства микроконтроллеров Arduino

Arduino Mega 2560

 

Arduino Mega 2560 R3 - вид  спереди	Arduino Mega2560 R3 - вид  сзади
Arduino Mega 2560 - вид  спереди	Arduino Mega 2560 - вид  сзади

 

Общие сведения

Arduino Mega 2560 - это устройство  на основе микроконтроллера ATmega2560 (datasheet). В его состав входит все необходимое для удобной работы с микроконтроллером: 54 цифровых входа/выхода (из которых 15 могут использоваться в качестве ШИМ-выходов), 16 аналоговых входов, 4 UART (аппаратных приемопередатчика для реализации последовательных интерфейсов), кварцевый резонатор на 16 МГц, разъем USB, разъем питания, разъем ICSP для внутрисхемного программирования и кнопка сброса. Для начала работы с устройством достаточно просто подать питание от AC/DC-адаптера или батарейки, либо подключить его к компьютеру посредством USB-кабеля. Arduino Mega совместим с большинством плат расширения, разработанных для Arduino Duemilanove и Diecimila.

Mega 2560 - это обновленная  версия Arduino Mega.

Ардуино Mega 2560 отличается от всех предыдущих плат тем, что в нем для преобразования интерфейсов USB-UART вместо микросхемы FTDI используется микроконтроллер ATmega16U2 (ATmega8U2 в версиях платы R1 и R2). 

На плате Mega 2560 версии R2 добавлен резистор, подтягивающий к земле линию HWB микроконтроллера 8U2. Подобная мера позволяет упростить процесс обновления прошивки и переход устройства в режим DFU.

Изменения на плате версии R3 перечислены ниже:

• Распиновка 1.0: добавлены выводы SDA и SCL (возле вывода AREF), а также два новых вывода, расположенных возле вывода RESET. Первый - IOREF - позволяет платам расширения подстраиваться под рабочее напряжение Ардуино. Данный вывод предусмотрен для совместимости плат расширения как с 5В-Ардуино на базе микроконтроллеров AVR, так и с 3.3В-платами Arduino Due. Второй вывод ни к чему не подсоединен и зарезервирован для будущих целей.

• Улучшена помехоустойчивость цепи сброса.

• Микроконтроллер ATmega16U2 заменен на 8U2.

Схема, исходный проект и расположение выводов

Файлы EAGLE: arduino-mega2560_R3-reference-design.zip

Схема: arduino-mega2560_R3-schematic.pdf

Расположение выводов: PinMap2560

Характеристики

Микроконтроллер	ATmega2560
Рабочее напряжение	5В
Напряжение питания (рекомендуемое)	7-12В
Напряжение питания (предельное)	6-20В
Цифровые входы/выходы	54 (из которых 15 могут использоваться  в качестве ШИМ-выходов)
Аналоговые входы	16
Максимальный ток одного вывода	40 мА
Максимальный выходной ток вывода 3.3V	50 мА
Flash-память	256 КБ из которых 8 КБ  используются загрузчиком
SRAM	8 КБ
EEPROM	4 КБ
Тактовая частота	16 МГц

 

Питание

Arduino Mega может быть запитан  от USB либо от внешнего источника  питания - тип источника выбирается  автоматически.

В качестве внешнего источника питания (не USB) может использоваться сетевой AC/DC-адаптер или аккумулятор/батарея. Штекер адаптера (диаметр - 2.1мм, центральный контакт - положительный) необходимо вставить в соответствующий разъем питания на плате. В случае питания от аккумулятора/батареи, ее провода необходимо подсоединить к выводам Gnd и Vin разъема POWER.

Напряжение внешнего источника питания может быть в пределах от 6 до 20 В. Однако, уменьшение напряжения питания ниже 7В приводит к уменьшению напряжения на выводе 5V, что может стать причиной нестабильной работы устройства. Использование напряжения больше 12В может приводить к перегреву стабилизатора напряжения и выходу платы из строя. С учетом этого, рекомендуется использовать источник питания с напряжением в диапазоне от 7 до 12В.

Выводы питания, расположенные на плате, перечислены ниже:

• VIN. Напряжение, поступающее в Arduino непосредственно от внешнего источника питания (не связано с 5В от USB или другим стабилизированным напряжением). Через этот вывод можно как подавать внешнее питание, так и потреблять ток, когда устройство запитано от внешнего адаптера.

• 5V. На этот вывод поступает напряжение 5В от стабилизатора напряжения на плате, вне независимости от того, как запитано устройство: от адаптера (7 - 12В), от USB (5В) или через вывод VIN (7 - 12В). Запитывать устройство через выводы 5V или 3V3 не рекомендуется, поскольку в этом случае не используется стабилизатор напряжения, что может привести к выходу платы из строя.