Область применения микроконтроллеров

Введение

 

Область применения микроконтроллеров – это различные контроллеры устройств автоматики, пластиковые карты, контроллеры периферийных устройств и др..

Развитие микроэлектроники и её широкое применений изделий в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно-технического прогресса.

Микроконтроллеры представляют собой эффективное средство автоматизации разнообразных объектов и процессов.

Arduino — это электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств для новичков и профессионалов.

Устройство программируется через USB без использования программаторов.

Аппаратные средства с возможностью расширения и открытыми принципиальными схемами – микроконтроллеры ATMEGA8 и ATMEGA168 являются основой Arduino.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общие сведения о микроконтроллерах

 

            В процессе миниатюризации функциональные блоки, которые в обычных компьютерных  системах размещались в отдельных интегральных схемах (процессор, память, порты ввода \ вывода, таймеры, контроллеры прерываний и пр.) стали объединять на одном кристалле. Так появились микроконтроллеры или, как их принято называть в отечественной литературе, однокристальные ЭВМ. Такой подход позволил значительно сократить не только размеры встроенных систем, но также сложность и сроки их разработки, а следовательно и стоимость. Сокращение числа компонентов повлекло за собой повышение надежности готовых устройств. В некоторых случаях для построения полноценной встроенной системы достаточно одной микросхемы – микроконтроллера.

 

  Основные требования, которые потребители предъявляют к управляющим блокам приборов (микроконтроллерам) можно сформулировать следующим образом:

• низкая стоимость,

• высокая надежность,

• высокая степень миниатюризации,

• малое энергопотребление,

• работоспособность в жестких условиях эксплуатации;

• достаточная производительность для выполнения всех требуемых функций.

В отличие от универсальных компьютеров к управляющим контроллерам, как правило, не предъявляются высокие требования к производительности и программной совместимости.

Выполнение всех этих довольно противоречивых условий одновременно затруднительно, поэтому развитие и совершенствование техники пошло по пути специализации и в настоящее время количество различных моделей управляющих микроконтроллеров чрезвычайно велико.

 

 

1.1 Классификация и структура микроконтроллеров

В настоящее время выпускается целый ряд типов МК. Все 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. Они прошли в своем развитии путь от простейших приборов с относительно слаборазвитой периферией до современных многофункциональных контроллеров, обеспечивающих реализацию сложных алгоритмов управления в реальном масштабе времени. Причиной жизнеспособности 8-разрядных МК является использование их для управления реальными объектами, где применяются, в основном, алгоритмы с преобладанием логических операций, скорость обработки которых практически не зависит от разрядности процессора.

Росту популярности 8-разрядных МК способствует постоянное расширение номенклатуры изделий, выпускаемых такими известными фирмами, как Motorola, Microchip, Intel, Zilog, Atmel и многими другими. Современные 8-разрядные МК обладают, как правило, рядом отличительных признаков. Перечислим основные из них:

• 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, которая характеризуется отсутствием линий магистралей адреса и данных на выводах корпуса МК. Таким образом, 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 рис.1.

Рис.1. Модульная организация микроконтроллера.

 

 

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.

Изменяемый функциональный блок включает в себя модули памяти различного типа и объема, порты ввода/вывода, модули тактовых генераторов (Г), таймеры. В относительно простыхМК модуль обработки прерываний входит в состав процессорного ядра. В более сложных МК он представляет собой отдельный модуль с развитыми возможностями. В состав изменяемого функционального блока могут входить и такие дополнительные модули как компараторы напряжения, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и другие. Каждый модуль проектируется для работы в составе МК с учетом протокола ВКМ. Данный подход позволяет создавать разнообразные по структуре МК в пределах одного семейства.

RISC и CISC архитектуры.Сравнение  принципов,ограничения.Способы повышения  быстродействия.   Под архитектурой системы команд (ISA – Instruction Set Architecture) понимают состав и возможности системы команд, общий взгляд на систему команд (СК) и связанную с ней микроархитектуру процессора с точки зрения программиста. Во многом именно архитектура СК определяет трактовку   архитектуры компьютера вообще как «…абстрактного представления о вычислительной машине с точки зрения программиста». Исторически первые микропроцессоры, появившиеся в 70-х годах XX века, имели относительно простую систему команд, что объяснялось небольшими возможностями интегральной схемотехники. По мере увеличения степени интеграции ИМС разработчики МП старались расширять систему команд и делать команды более функциональными, «семантически нагруженными». Это объяснялось, в частности, двумя моментами – во-первых, требованиями экономить память для размещения программ, оставлять больше памяти под данные и т.д., а во-вторых – возможностью реализовать внутри кристалла процессора сложные инструкции быстрее, чем при их программной реализации. В результате появились процессоры с большими наборами команд, причем команды эти также зачастую являлись достаточно сложными. В последствии эти МП назвали CISC – от Complete Instruction Set Computer – компьютер с полным набором команд или Complex ISС – со сложным набором команд. Типичным примером CISC-процессоров являются процессоры семейства x86 корпорации Intel и ее конкурентов (а также Motorola 68K и другие). Наряду с отмеченными преимуществами процессоры CISC обладали и рядом недостатков, в частности – команды оказывались сильно неравнозначными по времени выполнения (разное количество тактов), плохо конвейеризовывались, требовали сложного (и длительного) декодирования и выполнения. Для повышения производительности стали использовать жесткую логику управления, что отразилось на регулярности и сложности кристаллов (нерегулярные кристаллы менее технологичны при изготовлении). На кристалле оставалось мало места для РОН и КЭШ. Кроме того, исследования показали, что производители компиляторов и просто программисты не используют многие сложные инструкции, предпочитая использовать последовательность коротких. Разработчики подошли к концепции более простого и технологичного процессора с некоторым откатом назад – к простым и коротким инструкциям. С конца 70-х до середины 80-х годов появляются проекты таких процессоров Стэндфордского университета и университета Беркли (Калифорния) – MIPS и RISC. В основу архитектуры RISC (от Reduced Instruction Set Computer – компьютер с сокращенным набором команд) положены, в частности, принципы отказа от сложных и многофункциональных команд, уменьшения их количества, а также концентрация на обработку всей информации преимущественно на кристалле процессора с минимальными обращениями к памяти.   Основные особенности архитектуры RISC:   1. Уменьшение числа команд (до 30-40).   2. Упрощение и унификация форматов команд.   3. В системе команд преобладают короткие инструкции (например,   часто в СК отсутствуют умножения).   4. Отказ от команд типа память-память (например, MOVSB в x86).   5. Работа с памятью сводится к загрузке и сохранению регистров   (поэтому другое название RISC - Load-Store Architecture - архитектура типа   «загрузка-сохранение»).   6. Преимущественно реализуются 3-х адресные команды, например: add r1,r2,r3–сл r2 с r3 и рез-т в r1.   7. Большой регистровый файл - до 32-64 РОН.   8. Предпочтение отдается жесткой логике управления.   Преимущества архитектуры RISC:   1. Облегчается конвейерная, суперскалярная и другие виды параллельной обработки, планирование загрузки, предвыборка, переупорядочивание и т.д.   2. Более эффективно используется площадь кристалла (больше памяти – РОН, кэш).   3. Быстрее выполняется декодирование и исполнение команд – соответственно, выше тактовая частота. Примерами семейств процессоров с RISC-архитектурой могут служить   DEC Alpha , SGI MIPS, Sun SPARC и другие. Большинство современных суперскалярных и VLIW-процессоров (в т.ч. и Intel) либо имеют архитектуру RISC, либо реализуют похожие на RISC принципы, либо – поддерживают CISC-инструкции, но внутри транслируют их в RISC- подобные команды для облегчения загрузки конвейеров и решения других задач.

 

 

 

 

1.2  Процессорное ядро микроконтроллера

Структура процессорного ядра МК

Основными характеристиками, определяющими производительность процессорного ядра   МК, являются:

• 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 так называемую 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, давая разработчику возможность выбрать наиболее подходящую команду для выполнения необходимой операции. В применении к 8-разрядным МК процессор с CISC-архитектурой может иметь однобайтовый, двухбайтовый и трехбайтовый (редко четырехбайтовый) формат команд. 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 целым рядом производителей, МК семейств НС05, НС08 и НС11 фирмы Motorola и ряд других.

В процессорах с RISC-архитектурой набор исполняемых команд сокращен до минимума. Для реализации более сложных операций приходится комбинировать команды. При этом всекоманды имеют формат фиксированной длины (например, 12, 14 или 16 бит), выборка команды из памяти и ее исполнение осуществляется за один цикл (такт) синхронизации. Система командRISC-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.

На первый взгляд, МК с RISC-процессором должны иметь более высокую производительность по сравнению с CISC МК при одной и той же тактовой частоте внутренней магистрали. Однако на практике вопрос о производительности более сложен и неоднозначен.

С точки зрения организации процессов выборки и исполнения команды в современных 8-разрядных МК применяется одна из двух уже упоминавшихся архитектур МПС: фон-неймановская (принстонская) или гарвардская.

Основной особенностью фон-неймановской архитектуры является использование общей памяти для хранения программ и данных, как показано на рис.2.

 
Рис. 2.  Структура МПС с фон-неймановской архитектурой.

 

 

Основное преимущество архитектуры Фон-Неймана – упрощение устройства МПС, так как реализуется обращение только к одной общей памяти. Кроме того, использование единой области памяти позволяло оперативно перераспределять ресурсы между областями программ и данных, что существенно повышало гибкость МПС с точки зрения разработчика программного обеспечения. Размещение стека в общей памяти облегчало доступ к его содержимому. Неслучайно поэтому фон-неймановская архитектура стала основной архитектурой универсальных компьютеров, включая персональные компьютеры.

Основной особенностью гарвардской архитектуры является использование раздельных адресных пространств для хранения команд и данных, как показано на рис.3.

 
Рис.3. Структура МПС с гарвардской архитектурой.

 

 

Гарвардская архитектура почти не использовалась до конца 70-х годов, пока производители МК не поняли, что она дает определенные преимущества разработчикам автономных систем управления.

Дело в том, что, судя по опыту использования МПС для управления различными объектами, для реализации большинства алгоритмов управления такие преимущества фон-неймановской архитектуры как гибкость и универсальность не имеют большого значения. Анализ реальных программ управления показал, что необходимый объем памяти данных   МК, используемый для хранения промежуточных результатов, как правило, на порядок меньше требуемого объема памяти программ. В этих условиях использование единого адресного пространства приводило к увеличению формата команд за счет увеличения числа разрядов для адресации операндов. Применение отдельной небольшой по объему памяти данных способствовало сокращению длиныкоманд и ускорению поиска информации в памяти данных.

Кроме того, гарвардская архитектура обеспечивает потенциально более высокую скорость выполнения программы по сравнению с фон-неймановской за счет возможности реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей, и нет необходимости останавливать процессор на время выборкикоманды. Этот метод реализации операций позволяет обеспечивать выполнение различных команд за одинаковое число тактов, что дает возможность более просто определить время выполнения циклов и критичных участков программы.

Большинство производителей современных 8-разрядных МК используют гарвардскую архитектуру. Однако гарвардская архитектура является недостаточно гибкой для реализации некоторых программных процедур. Поэтому сравнение МК, выполненных по разным архитектурам, следует проводить применительно к конретному приложению.