Реферат: Однокристальные микропроцессорные устройства. Архитектура и виды микроЭВМ и микроконтроллеров

PIC-контроллер имеет также RISK-процессор, только архитектура процессора другая и кодовое слово не 8 бит, а 11–15 бит.

Основное отличие RISK-процессора от 51-й серии ф. Intel, например, то, что команда в нём исполняется за один такт, и число команд ограничено – обычно около 60–70 штук. Поэтому в ходе изучения нужно рассматривать оба типа микроконтроллеров. Как обычный ОмК нужно рассмотреть контроллер 51-й серии (и как самый используемый тип контроллеров). А в качестве RISK-контроллера необходимо рассмотреть PIC-контроллеры и контроллер AVR ф. Аtmel, так как для него много всевозможного бесплатного обеспечения, используемого для программирования и демонстрации.

Впрочем, нет принципиальной разницы, на каком оборудовании изучаются ОмК, так как сейчас все они часто программируется на языке С. Но ресурсы в разных процессорах разные и, в зависимости от модели, что-то может присутствовать, а что-то может быть упущено. После контроллера 51-й серии целесообразно рассматривать AVR-контроллеры, а затем идут atmega и arm как дальнейшее развитие. Достаточно рассмотреть и изучить один процессор – и полученные знания легко распространяются на все остальное. Новые ресурсы и возможности появляются, а принципы остаются всё те же (кроме PIC-контроллеров).

Семейство MCS-51, по сути дела, стало прародителем семейств так называемых PIC и AVR микроконтроллеров, выполненных по Гарвардской архитектуре процессора.

В случае высоких требований к быстродействию МК, при условии их низкой стоимости и энергопотребления, разработки на основе МК MCS-51 применяются реже, уступая место разработкам на PIC и AVR микроконтроллерах.

В целом, многообразие современных ОмК чрезвычайно велико. Зачастую их делят на виды [5]:

– встраиваемые 8-разрядные;

– 16- и 32-разрядные МК;

– цифровые сигнальные процессоры (DSP).

Встраиваемые (embedded) микроконтроллеры имеют все ресурсы (память, устройства ввода-вывода, и т. д.) на одном кристалле с процессорным ядром. На такой контроллер подаются питание и тактовые сигналы. В них процессорное ядро может быть общего плана или разработано специально для данного МК. Основное назначение встраиваемых МК – обеспечить гибкое программируемое управление объектами и связь с внешними устройствами. Они не приспособлены для выполнения комплекса сложных функций.

Такие МК содержат большое число вспомогательных устройств, за счёт чего реализуется их включение в конкретную систему с использованием минимального числа дополнительных компонентов. Обобщённая структура такого контроллера приведена на рисунке 8.

Рис. 8 - Обобщённая структура простого встраиваемого микроконтроллера

микропроцессор микроконтроллер шина

В состав таких МК обычно входят схема начального запуска (Reset); генератор тактовых импульсов; центральный процессор; память программ (ПЗУ или ППЗУ, ЭППЗУ); память данных (ОЗУ); средства ввода-вывода данных; таймеры, фиксирующие число командных циклов.

Сложные встраиваемые МК реализуют дополнительные возможности: встроенный монитор-отладчик программ; внутренние средства программирования памяти программ; обработка прерываний от различных источников; аналоговый ввод-вывод; последовательный ввод-вывод (синхронный и асинхронный); параллельный ввод-вывод (включая интерфейс с компьютером); подключение внешней памяти (микропроцессорный режим).

Типичные значения частоты тактовых сигналов различных МК составляют 10–20 МГц. Главным фактором, ограничивающим их скорость, является время доступа к памяти.

Микроконтроллеры с внешней памятью (особенно 16- и 32-разрядные) используют только внешнюю память, которая включает в себя как память программ ПЗУ (ROM), так и некоторый объём памяти данных ОЗУ (RAM), требуемый для конкретного применения. Структура МК с внешней памятью приведена на рисунке 9.

Примером такого МК служит БИС ф. Intel 80188. Это микропроцессор 8088 (используемый в компьютерах IBM PC), интегрированный на общем кристалле с дополнительными схемами, реализующими ряд стандартных функций (прерывания и прямой доступ к памяти DMA). Здесь в одном корпусе объединены устройства, необходимые для реализации систем, в которых могут использоваться функциональные возможности и ПО микропроцессора 8088.

Рис. 9 - Обобщённая структура микроконтроллера с внешней памятью

Микроконтроллеры с внешней памятью предназначены для применений, требующих большого объёма памяти данных ОЗУ и небольшого количества устройств (портов) ввода-вывода. Для них наиболее подходят приложения, в которых критическим ресурсом является память, а не число логических входов–выходов общего назначения, тогда как для встраиваемых МК характерна обратная ситуация.

Типичный пример МК с внешней памятью – контроллер жёсткого диска (HDD) с буферной кэш-памятью, который обеспечивает промежуточное хранение и распределение больших объёмов данных (обычно, мегабайты). Внешняя память даёт возможность такому МК работать с более высокой скоростью, чем встраиваемый МК.

Цифровые сигнальные процессоры (DSP) предназначены для получения текущих данных от аналоговой системы и формирования соответствующего отклика. В них АЛУ работает с очень высокой скоростью, что позволяет осуществлять обработку данных в реальном масштабе времени (в темпе поступления входных данных). Пример – активный шумоподавляющий микрофон, когда второй микрофон обеспечивает сигнал окружающего шума, который вычитается из сигнала первого микрофона. Так подавляется шум и остаётся только голос.

Цифровым сигнальным процессорам присущи особенности встраиваемых МК и контроллеров с внешней памятью. Они не предназначены для автономного применения, а входят в состав систем и предназначены для управления внешним оборудованием. Например, наличие аналогового ввода–вывода и встроенного устройства цифровой обработки в БИС КМ1813ВЕ1 позволяет использовать её для построения фильтров (в том числе перестраиваемых), в синтезаторах и анализаторах речи, в анализаторах спектра, для генераторов сигналов различной формы и т. п.

Примером отечественных ОмЭВМ может служить таблица А.1 [6, 7] приложения А. Наиболее доведённой до практического применения являлась серия 1850. Ряд серий ОмЭВМ имеют БИС отладочного кристалла без встроенного ПЗУ и позволяют отрабатывать различные применения БИС данных серий за счёт замены или перепрограммирования внешнего ПЗУ (например, КМ1814ВЕ3, КР1816ВЕ35, КР1816ВЕ39 или КР1820ВЕ1). Наличие аналогового ввода-вывода и встроенного устройства цифровой обработки в БИС КМ1813ВЕ1 позволяет использовать её для построения фильтров (в том числе перестраиваемых), в синтезаторах и анализаторах речи, в анализаторах спектра, для генераторов сигналов различной формы и т. п.

Характеристики отечественных микроконтроллеров приведены в таблице Б.1 приложения Б, а характеристики зарубежных ОмК приведены в таблице Б.2. Описание контроллера серии AVR (микроконтроллер AT90S2313) приведено в [8].

ВЫВОДЫ

Основной причиной качественно нового этапа в развитии автономных средств вычислительной техники послужили успехи электронной промышленности в увеличении разрешающей способности формирования элементов на полупроводниковом кристалле. Целесообразность применения однокристальных МП-устройств определяется эффективностью при их включении в проект. Преимущество RISC-процессоров проявляется в том, что их более простые команды требуют для выполнения значительно меньшее число машинных циклов. За счёт этого достигается существенное увеличение производительности.

ОмЭВМ объединяет на одном полупроводниковом кристалле как сам МП, так и ряд дополнительных устройств, обеспечивающих его функционирование в системе управления: оперативную и программную память, генератор синхроимпульсов, разнообразные устройства ввода и вывода информации и др. ОмК – это устройства переработки информации, ориентированные на работу с некоторой искусственной системой. Большое число портов – их особенность. Микроконтроллер является управляющим ядром аппаратных комплексов различного назначения. С его помощью гораздо легче, в отличие от традиционных решений, реализуются различные схемы.

Основное преимущество Принстонской архитектуры в том, что она упрощает устройство микропроцессора, так как реализует обращение только к одной общей памяти при необходимости воспользоваться ЗУ данных, программ или стеком. Это представляет большую гибкость для разработчика ПО прежде всего в области операционных систем реального времени. Гарвардская архитектура выполняет команды за меньшее число тактов, чем предыдущая – здесь больше возможностей для реализации параллельных операций.

С целью уменьшения выводов БИС ОмЭВМ и ОмК при их построении применяют различные структурные организации. Многообразие современных ОмК чрезвычайно велико, и часто их делят на виды: встраиваемые 8-разрядные; 16- и 32-разрядные; цифровые сигнальные процессоры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах / Г.Я. Мирский. – М.: Радио и связь, 1984. – 160 с.

2. Шилейко А.В. Микропроцессоры / А.В. Шилейко, Т.И. Шилейко. – М.: Радио и связь, 1986. – 112 с.

3. Сташин В.В. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах / В.В. Сташин, А.В. Урусов, О.Ф. Мологонцева. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 224 с.

4. Голубцов М.С. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному / М.С. Голубцов, А.В. Кириченкова. – М.: СОЛОН–Пресс, 2006. – 304 с.

5. Предко М. Руководство по микроконтроллерам. Т. 1 / М. Предко. – М.: Постмаркет, 2001. – 416 с.

6. Басманов А.С. Микропроцессоры и однокристалные микроЭВМ: Номенклатура и функциональные возможности / А.С. Басманов, Ю.Ф. Широков под ред. В.Г. Домрачёва. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 128 с.

7. Варламов И.В. Микропроцессоры в бытовой технике / И.В. Варламов, И.Л. Касаткин. – М.: Радио и связь, 1990. – 104 с.

8. Никонов А.В. Однокристальные микроЭВМ и микроконтроллеры: учеб. пособие / А.В. Никонов. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009. – 56 с.

9. Токхейм Р. Основы цифровой электроники. – М.: Мир, 1998. – 392 с.

10. Денисов К.М. Микропроцессорная техника. Конспект лекций [Электронный ресурс] . – URL: http://ets.ifmo.ru/denisov/lec/oglavlen.htm .

11. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL / А.В. Евстифеев. – М.: Издательский дом «Додэка–XXI», 2004. – 560 с.

12. Электроника НТБ // Для специалистов, занятых разработкой, производством и применением изделий электронной техники, а также ученым, преподавателям и студентам технических вузов.

13. Computer // IEEE Computer Society.

14. Бродин В.Б. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики / В.Б. Бродин, А.В. Калинин. – М.: ЭКОМ, 2002. – 400 c.

15. Цифровая обработка информации на основе быстродействующих БИС / С.А. Гамкрелидзе [и др.]; под ред. В.Г. Домрачева. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 136 с.

16. Однокристальные микроЭВМ / А.В. Боборыкин [и др.]. – М.: Бином, МИКАП, 1994. – 398 с.

Приложение А

Характеристики отечественных однокристальных микроЭВМ

Примером последовательного развития отечественных ОмЭВМ может служить таблица А1 [6, 7]. Наиболее доведённой до практического применения являлась серия 1850. Расположение названий типов ОмЭВМ по строкам отражает развитие этого направления во времени. Заметен рост вычислительных ресурсов за счёт увеличения ёмкости ПЗУ программ, в том числе и в появлении внешнего ПЗУ программ. Улучшалась технология изготовления ПЗУ, ведущая к программированию с помощью простых аппаратных средств, расширялась система команд. Возрастала разрядность шины данных и увеличивалось значение тактовой частоты. При этом снижалась мощность, потребляемая от источника питания.

Появились встроенные таймеры, обеспечивалась обработка запроса на прерывание работы основной программы. Также появились внутренние АЦП, ЦАП и входное УВХ.

Таблица А1 - Характеристики БИС отечественных ОмЭВМ

Тип (аналог)	Значения параметров
КБ1013ВК1-2	Разрядность шины данных: 4. РПИТ: 200 мкВт. Внутреннее ПЗУ программ: 29 страниц 63×8 бит.
КБ1013ВК4-2	РПИТ: 200 мкВт. Внутреннее ПЗУ программ: 44 страницы 63х8 бит.
К1813ВЕ1 (i2920)	fT: 6,67 МГц. Внутреннее ПЗУ программ: 4608 бит (192х24). Тип внутреннего ПЗУ: УФ ППЗУ. Внутреннее регистровое ОЗУ: 1 Кбит (40х25). Примечание: 21 команда; внутренние АЦП, ЦАП; входное УВХ.
КР1814ВЕ2 (TMS1000NLL)	Разрядность шины данных: 4. Внутреннее ПЗУ программ: 1 К бит (16х64 байт). Тип внутреннего ПЗУ: масочное. Внутреннее регистровое ОЗУ: 64х4 бит. Примечание: 43 команды.
К1814ВЕ3 (TMS1099)	Разрядность шины данных: 4. fT: 0,35 МГц. Внутреннее регистровое ОЗУ: 64х4 бит. Примечание: 43 команды.
КР1814ВЕ4 (TMS1200)	Разрядность шины данных: 4. Внутреннее ПЗУ программ: 1 Кбит. Тип внутреннего ПЗУ: масочное. Внутреннее регистровое ОЗУ: 64х4 бит. Примечание: 43 команды.
КР1816ВЕ31 (i8031АН)	Разрядность шины данных: 8. fT: до 12 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 4х8. UПИТ: 5 В; IПИТ: 150 мА. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит. Внешняя память программ: 64 Кх8. Внешняя память данных: 64 Кх8. Кол-во таймеров/разрядность: 2/16. Число источников прерываний; внешних выводов/приоритет: 5; 2/2.
КР1816ВЕ35 (i8035)	Разрядность шины данных: 8. fT: 6 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 3х8. UПИТ: 5 В; IПИТ: 135 мА. Внутреннее регистровое ОЗУ: 64х8 бит. Внешняя память программ: 4 Кх8. Внешняя память данных: 384х8. Кол-во таймеров/разрядность: 1/8.
КР1816ВЕ39 (i8039)	Разрядность шины данных: 8. fT: 11 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 3х8. UПИТ: 5 В; IПИТ: 110 мА. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит. Внешняя память программ: 4 Кх8. Внешняя память данных: 384х8. Кол-во таймеров/разрядность: 1/8.
КР1816ВЕ48 (i8048)	Разрядность шины данных: 8. fT: 6 МГц. Внутреннее ПЗУ программ: 1 Кх8 бит. Тип внутреннего ПЗУ: УФ ППЗУ. Внутреннее регистровое ОЗУ: 64х8 бит. Три 8-разрядных порта ввода-вывода.
КР1816ВЕ49 (i8049)	Разрядность шины данных: 8. fT: 11 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 3х8. Внутреннее ПЗУ программ: 2 Кх8 бит. Тип внутреннего ПЗУ: масочное (или УФ ППЗУ, без ПЗУ). Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит. Внешняя память программ: 4 Кх8. Внешняя память данных: 256х8. Кол-во таймеров/разрядность: 1/8. Примечание: 111 команд.
КР1816ВЕ51 (i8051АН)	Разрядность шины данных: 8. fT: 12 МГц. Внутреннее ПЗУ программ: 4 Кх8 бит. Тип внутреннего ПЗУ: масочное. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит.
КР1816ВЕ751 (i8749Н)	Разрядность шины данных: 8. fT: до 12 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 4х8. UПИТ: 5 В; IПИТ: 220 мА. Внутреннее ПЗУ программ: 4 Кбит. Тип внутреннего ПЗУ: УФ ППЗУ. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит. Внешняя память программ: 64 Кх8. Внешняя память данных: 64 Кх8. Кол-во таймеров/разрядность: 2/16. Число источников прерываний; внешних выводов/приоритет: 5; 2/2.
КР1820ВЕ1 (СОР402)	Разрядность шины данных: 4. fT: 4 МГц. UПИТ: 5 В; IПИТ: 35 мА. Внутреннее регистровое ОЗУ: 64х4 бит. Число источников прерываний; внешних выводов/приоритет: 1;. Примечание: 49 команд.
К1820ВЕ2 (СОР420)	Разрядность шины данных: 4. fT: 4 МГц. UПИТ: 5 В; IПИТ: 35 мА. Внутреннее ПЗУ программ: 1024х8 бит. Тип внутреннего ПЗУ: масочное. Внутреннее регистровое ОЗУ: 64х4 бит. Число источников прерываний; внешних выводов/приоритет: 1;. Примечание: 49 команд.
КР1830ВЕ31 (i80С31ВН)	Разрядность шины данных: 8. fT: до 12 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 4х8. UПИТ: 5 В; IПИТ: 18 мА. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит. Внешняя память программ: 64 Кх8. Внешняя память данных: 64 Кх8. Кол-во таймеров/разрядность: 2/16. Число источников прерываний; внешних выводов/приоритет: 5; 2/2.
КР1830ВЕ35 (i80С35)	Разрядность шины данных: 8. fT: до 6 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 3х8. UПИТ: 5 В; IПИТ: 8 мА. Внутреннее регистровое ОЗУ: 64х8 бит. Внешняя память программ: 4 Кх8. Внешняя память данных: 384х8. Кол-во таймеров/разрядность: 1/8.
КР1830ВЕ48 (i80С48)	Внутреннее ПЗУ программ: 1 Кх8. Тип внутреннего ПЗУ: масочное.
КР1830ВЕ51 (i80С51ВН)	Внутреннее ПЗУ программ: 4 Кбит. Тип внутреннего ПЗУ: масочное.
КР1830ВЕ753 (i87С51)	Разрядность шины данных: 8. Порты ввода-вывода: (кол-во) х (разрядн.): 4х8. UПИТ: 5 В. Внутреннее ПЗУ программ: 4 Кбит. Тип внутреннего ПЗУ: УФ ППЗУ. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит. Внешняя память программ: 64 Кх8. Внешняя память данных: 64 Кх8. Кол-во таймеров/разрядность: 2/16. Число источников прерываний; внешних выводов/приоритет: 5; 2/2.
КР1835ВЕ31 (i80C31ВН)	Разрядность шины данных: 8. fT: до 12 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 4х8. UПИТ: 5 В; IПИТ: 13 мА. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит. Внешняя память программ: 64 Кх8. Внешняя память данных: 64 Кх8. Кол-во таймеров/разрядность: 2/16.
КР1835ВЕ39 (i8039)	Разрядность шины данных: 8. Порты ввода-вывода: (кол-во) х (разрядн.): 3х8. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит. Внешняя память программ: 4 Кх8. Внешняя память данных: 256х8. Кол-во таймеров/разрядность: 1/8.
КР1835ВЕ49 (i8049)	Внутреннее ПЗУ программ: 2 Кх8. Тип внутреннего ПЗУ: масочное.
КР1835ВЕ51 (i80C51ВН)	Внутреннее ПЗУ программ: 4 Кбит. Тип внутреннего ПЗУ: масочное.
1835ВГ14 (вместо 1816ВЕ35, ВЕ49)	Разрядность шины данных: 8. fT: 8 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во) х (разрядн.): 27 линий. UПИТ: 5 В; IПИТ: 1 мА. Внутреннее ПЗУ программ: 2 Кбайт. Внутреннее регистровое ОЗУ: 256 байт. Кол-во таймеров/разрядность: 1/8.
КР1850ВЕ31 (i8031)	fT: 3,5–12 МГц. UПИТ: 5 В; IПИТ: 120 мА. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит.
КР1850ВЕ631	fT: 3,5–12 МГц. UПИТ: 5 В; IПИТ: 120 мА. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит.
КР1850ВЕ651	Внутреннее ПЗУ программ: 32 Кбит.
КР1850ВЕ35 (i8035)	. fT: 8 МГц.
КР1850ВЕ48 (i8048)	Разрядность шины данных: 8. fT: 1–6 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 3х8. UПИТ: 5 В. Внутреннее ПЗУ программ: 1 Кбайт. Тип внутреннего ПЗУ: масочное. Внутреннее регистровое ОЗУ: 64 байт. Внешняя память программ: 2 Кх8. Внешняя память данных: 256х8. Кол-во таймеров/разрядность: 1/8. Число источников прерываний; внешних выводов/приоритет: –; 2/1.
КР1850ВЕ50 (i8050)	Разрядность шины данных: 8. fT: 1–6 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 3х8. Внутреннее ПЗУ программ: 4 Кбайт. Тип внутреннего ПЗУ: масочное. Внутреннее регистровое ОЗУ: 256 байт. Число источников прерываний; внешних выводов/приоритет: 2/1.
КР1850ВЕС48	fT: до 11 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 3х8. РПИТ: 5 мВт (при частоте 1 МГц). Внешняя память программ: 2 Кх8. Внешняя память данных: 256х8. Кол-во таймеров/разрядность: 1/8.

Страницы: 1, 2, 3, 4