Классификация микроконтроллеров

Сегодня в мире выпускаются тысяч типов МК. Основным признаком для их классификации является разрядность данных, обрабатываемых арифметико-логическим устройством(АЛУ) микропроцессорного ядра. По этому признаку они делятся на:

· 4-разрядные– самые простые и дешевые МК с минимальными функциональными возможностями, предназначенные для низкостоимостных приложений;

· 8-разрядные– наиболее многочисленная группа благодаря оптимальному сочетанию цены и возможностей. Наиболее яркие представители этой группы– МК серииMCS-51 (Intel) и совместимые с ними, а такжеPIC (Microchip), HC68 (Motorola), Z8 (Zilog).

· 16-разрядные– класс более высокопроизводительных, чем8-разрядные МК, устройств, но при этом и более дорогостоящих;

· 32- и 64-разрядные– МК, являющиеся обычно модификациями универсальных микропроцессоров.

В отдельную группу выделяют цифровые сигнальные процессоры(DSP – Digital Signal Processor) – специализированные МК, ориентированные на использование в системах обработки сигналов.

Сегодня наибольшая доля мирового рынка микроконтроллеров принадлежит8-разрядным устройствам(около50% в стоимостном выражении), широко используемым в промышленности, бытовой и компьютерной технике. За ними следуют16-разрядные МК иDSP (каждая из групп занимает примерно по20% рынка).

В то время как8-разрядные МП общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные МК продолжают широко использоваться. В своем развитии они прошли путь от простейших приборов с относительно слаборазвитой периферией до современных многофункциональных МК, обеспечивающих реализацию сложных алгоритмов управления в реальном масштабе времени. Причиной жизнеспособности8-разрядных МК является их использование для управления реальными объектами, где применяются, в основном, алгоритмы с преобладанием логических операций, скорость обработки которых практически не зависит от разрядности процессора. Кроме того, существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость.

Архитектура процессорного ядра МК

Основными характеристиками, определяющими производительность

процессорного ядра МК, являются:

1. система команд процессора и способы адресации операндов;

2. набор регистров для хранения промежуточных данных;

3. организация процессов выборки и исполнения команды.

CISC- иRISC-архитектуры

С точки зрения системы команд и способов адресации операндов процессорное ядро современных8-разрядных МК к одной из двух архитектур:

CISC-архитектура(Complicated Instruction Set Computer), реализующая так называемую полную систему команд;

RISC-архитектура(Reduced Instruction Set Computer), реализующая сокращенную систему команд.

CISC-процессоры выполняют большой набор команд с развитыми возможностями адресации, предоставляя разработчику выбор наиболее подходящей команды для выполнения необходимой операции. Такая система команд, как правило, неортогональна, то есть не все команды могут использовать любой из способов адресации применительно к любому из регистров процессора. Выборка команды и ее выполнение осуществляются в течение нескольких циклов работы МК. К МК сCISC-архитектурой относятся МК фирмы Intel с ядромMCS-51, которые поддерживаются в настоящее время целым рядом производителей, МК семейств НС05, НС08 и НС11 фирмыMotorola и ряд других.

В процессорах сRISC-архитектурой набор исполняемых команд сокращен до минимума. Для реализации более сложных операций приходится комбинировать имеющиеся команды. При этом все команды имеют формат фиксированной длины, выборка команды из памяти и ее исполнение осуществляется за один цикл. Система командRISC-процессора предполагает возможность равноправного использования всех регистров процессора. Это обеспечивает дополнительную гибкость при выполнении ряда операций. К МК сRISC-процессором относятся МКAVR фирмыAtmel, МКPIC фирмы Microchip.

Основная идеяRISC-архитектуры заключается в тщательном подборе таких комбинаций кодов операций, которые можно было бы выполнить за один такт тактового генератора. Выигрыш от такого подхода– резкое упрощение аппаратной реализации ЦП и возможность значительно повысить его производительность. Первоначально реализовать такой подход удавалось, лишь существенно сократив набор команд, отсюда и родилось названиеRISC. Очевидно, что в общем случае одной команде в рамкахCISC-архитектуры должны соответствовать несколько команд в рамкахRISC-архитектуры. Однако обычно выигрыш от повышения быстродействияRISC-архитектуры перекрывает потери от менее эффективной системы команд, что приводит к более высокой эффективностиRISC-систем в целом по отношению кCISC. Также с упрощением ЦП уменьшается число транзисторов, необходимых для его реализации, следовательно, уменьшается площадь кристалла. А с этим связано снижение стоимости МК и потребляемой мощности.