Структура однокристальных контроллеров

 

Выделим некоторые черты архитектуры и системы команд, общие для всех современных ОМК:

·  так называемая гарвардская архитектура, т.е. раздельные области памяти для хранения команд (программы) и данных;

· интеграция в одном корпусе микросхемы (на одном кристалле) практически всех блоков, характерных для полнофункционального компьютера – процессора, ПЗУ, ОЗУ, устройств ввода/вывода, тактового генератора, контроллера прерываний и т.д.; в русскоязычной литературе подобные устройства часто называются однокристальные ЭВМ (ОЭВМ).

Как и большинство современных микросистем, ОМК строятся по магистрально-модульному принципу, когда все модули подключаются к единой внутрисистемной магистрали. ОМК включает центральный процессор (ЦП), постоянное и оперативное запоминающие устройства, цифровое и аналоговое устройства ввода/вывода (ЦВВ, ABB), таймер (Т) и устройство прерываний (УПР). Центральный процессор выполняет две задачи: организует пересылку информации между всеми модулями ОМК и осуществляет преобразование информации на арифметико-логическом устройстве. Запоминающее устройство служит для хранения программ и констант (ПЗУ) и оперативно изменяющихся данных (ОЗУ). В отличие от универсальных ЭВМ  ОЗУ ОМК имеет небольшой объем, не превышающий, как правило, нескольких сот байт. Цифровое устройство ввода/вывода осуществляет связь ОМК с цифровыми блоками объекта управления через последовательные и параллельные интерфейсы. К ним относятся клавишные пульты, устройства отображения и печати, вспомогательные вычислители и микроЭВМ. По линии цифрового ввода/вывода  передаются также сигналы воздействия релейного типа, устанавливающие факт наличия или отсутствия какого-либо события (тумблер/кнопка в положении включено, индикаторный светодиод горит и т.д.). Аналоговые устройства ввода/вывода служат для контроля состояния аналоговых блоков объекта управления (напряжение, ток, температура, давление, перемещение и др.) и выработки сигналов управления непрерывными процессами (скорость вращения двигателя, мощность калорифера, перемещение механической заслонки и др.). Таймер используется для организации управления в реальном масштабе времени. Он фиксирует время возникновения отдельных событий, формирует временные интервалы между событиями, осуществляет счет событий. Таймер является, по существу, внутренними часами микроконтроллера. Устройство прерывания оптимизирует процесс управления с учетом возникновения непредсказуемых событий: изменяет процесс обмена и обработки данных, фиксирует и исправляет сбои, восстанавливает работоспособность ОМК при кратковременном пропадании питания и многое другое.

Построение контроллеров на базе ОМК отличается от построения контроллеров на базе  микропроцессорных комплектов (в комплект входят: микросхемы КР580ВМ80А, КР580ВИ53, КР580ВН59, КР580ВВ55, КР580ВВ51 и другие). На основе микропроцессорных комплектов разработаны одноплатные контроллеры серии МС1200 и МС1212. Для таких контроллеров программы и данные располагаются в едином адресном пространстве памяти (архитектура фон Неймана) и никаких признаков, указывающих на тип информации, не несут. Содержимое ячейки памяти интерпретируется оператором обработки, в качестве которого выступает код операции команды. Таким образом, память программ и память данных для архитектуры фон Неймана являются совмещенными; ячейки памяти адресуются единым кодом адреса, размер которого определяется объемом этой памяти. Как  показывает  практика,  это обстоятельство уменьшает   эффективность  использования  адресной   части команды,  увеличивает   объем  программ  и  уменьшает  скорость их  выполнения.

Поскольку в однокристальных микроконтроллерах используется так называемая гарвардская архитектура, то память программ  и память данных имеют раздельные адресные пространства, при обращении к которым используются различные механизмы адресации. Это позволяет реализовать компактное кодирование набора машинных команд и, следовательно, экономно использовать память данных. В соответствии с требованиями  Гарвардской архитектуры  находящаяся на кристалле физическая память МК делится на постоянную (для записи программ) и оперативную (для хранения изменяющихся данных.