Основные серии однокристальных

Микроконтроллеров

 

    Несмотря на непрерывное развитие и появление новых  16- и 32-разрядных микроконтроллеров и микропроцессоров, наибольшая доля мирового микропроцессорного рынка и по сей день остается за 8-разрядными устройствами. В настоящее время  семейство MCS-51 является несомненным чемпионом среди других семейств 8-разрядных микроконтроллеров по числу разновидностей и числу компаний, выпускающих его модификации. Оно получило свое название от первого представителя этого семейства – микроконтроллера 8051, изготовленного в 1980 году на базе технологии HMOS. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке.

Такая высокая популярность микроконтроллеров семейства МСS-51 была достигнута благодаря открытой политике фирмы Intel, родоначальницы архитектуры 8051. Политика фирмы направлена на широкое распространение лицензий на ядро 8051 среди большого количества ведущих полупроводниковых компаний мира.

В результате   ее проведения в настоящее время существует более 200 модификаций микроконтроллеров семейства МСS-51, выпускаемых почти 20 компаниями. Эти модификации включают кристаллы с широчайшим спектром периферии: от простых 20-выводных устройств с одним таймером и 1 Кбайт программной памяти до сложнейших 100-выводных кристаллов с 10-разрядными АЦП, массивами таймеров/счетчиков, аппаратными 16-разрядными умножителями и 64 Кбайт программной памяти на кристалле. Каждый год появляются все новые варианты представителей этого семейства.

Основными направлениями совершенствования ОМК являются увеличение быстродействия (повышение тактовой частоты и переработка архитектуры), снижение напряжения питания и потребления, увеличение объема ОЗУ и флэш-памяти на кристалле с возможностью внутрисхемного программирования, введение в состав периферии микроконтроллера сложных устройств типа системы управления приводами, CAN- и USB-интерфейсов и т.п. Все микроконтроллеры  семейства MCS-51 имеют общую систему команд. Наличие дополнительного оборудования влияет только на число регистров специального назначения.

Микроконтроллер семейства 8051 имеет следующие аппаратные особенности [5]:

· внутреннее ОЗУ объемом 256 байт;

· четыре двунаправленных побитно настраиваемых 8-разрядных порта ввода/вывода;

· два 16-разрядных таймера/счетчика;

· встроенный тактовый генератор;

· адресация 64 Кбайт  памяти программ и 64 Кбайт памяти данных;

· две линии запросов на прерывание от внешних устройств;

· интерфейс для последовательного обмена информацией с другими микроконтроллерами или персональными компьютерами.

Функциональная схема микроконтроллера семейства 8051 представлена на рис. 4.4. Микроконтроллер имеет выводы:

· PSEN – разрешение внешней памяти программ; выдается только при обращении к внешнему ПЗУ;

· ALE – строб адреса внешней памяти;

· ЕА – отключение внутренней программной памяти; уровень 0 на этом входе заставляет микроконтроллер выполнять программу только внешнего ПЗУ, игнорируя внутреннее(если последнее имеется);

· P1 – 8-битный квазидвунаправпенный порт ввода/вывода: каждый разряд порта может быть запрограммирован на ввод и  вывод информации независимо от состояния других разрядов;

· P2 – 8- битный квазидвунаправленный порт, аналогичный Р1, кроме того, выводы этого порта используются для выдачи адресной информации при обращении к внешней памяти программ или к памяти данных (если используется 16-битовая адресация последней);

· РЗ – 8-битный квазидвунаправленный порт, аналогичный Р1, кроме того, выводы этого порта могут выполнять ряд альтернативных функций, которые используются при работе таймеров, порта последовательного ввода/вывода, контроллера прерываний, и внешней памяти программ и данных;

· P0 – 8-битный двунаправленный порт ввода/вывода информации: при работе с внешними ОЗУ и ПЗУ по линиям порта в режиме временного мультиплексирования выдается адрес внешней памяти, после чего осуществляется передача или прием данных.

 

 

  Рис. 4.4. Функциональная схема микроконтроллера семейства 8051

 

    На базе микроконтроллеров семейства MCS-51 фирмы Intel разработаны отечественные однокристальные микроконтроллеры семействаМК51.Они выполнены по высококачественной n-МОП-технологии (серия 1816) и КМОП-технологии (серия 1830).

    Микроконтроллеры INTEL семейства MCS-96 имеют 16-разрядные, быстродействующие ИС высокой степени интеграции, ориентированные на решение задач управления процессами в реальном масштабе времени. Типичные области применения этих микроконтроллеров – управление двигателями, модемы, тормозные системы автомобилей, контроллеры жестких дисков, медицинское оборудование.

История  микроконтроллеров MCS-96 насчитывает более 15 лет. За это время специалисты фирмы Intel увеличили адресное пространство с

64 Кбайт до 6 Мбайт, повысили тактовую частоту с 10 до 50 МГц, улучшили быстродействие в 16 раз и добились понижения цены на базовый кристалл примерно в 4 раза. По сравнению с 8-разрядными однокристальными микроконтроллерами данное микроконтроллерное семейство позволяет существенно расширить область применения встраиваемых микроконтроллеров в первую очередь за счет более высокой скорости и точности вычислений, а также использования расположенных на кристалле новых периферийных устройств, обеспечивающих более высокую скорость обработки сигналов в управляющей системе и более высокую надежность функционирования системы.

    Микроконтроллеры 80C196 фактически стали индустриальным стандартом для 16-разрядных встроенных систем управления, обеспечив сочетание высоких технических показателей и экономической эффективности. Так, благодаря именно этим микроконтроллерам, установленным в системе управления зажиганием, специалистам концерна Ford удалось существенно снизить потребление топлива, уменьшить выбросы вредных веществ и одновременно повысить скоростные характеристики своих машин.

    Микроконтроллеры фирмы Motorola применяются обычно в испытательном оборудовании (например, 8-разрядный микроконтроллер MC68HC11E9, изготовленный по КМОП-технологии с высокоплотной структурой). Полностью статическая конструкция позволяет ему работать на очень низких частотах, тем самым уменьшая потребление энергии (хотя номинальная частота шины 2 МГц). Он имеет 12 Кбайт ПЗУ; 512 байт ППЗУ; 512 байт ОЗУ; расширенный 16-разрядный таймер; 8-разрядный счетчик внешних импульсов; последовательный интерфейс связи расширенного формата NRZ; последовательный периферийный интерфейс; 8-канальный 8-разрядный АЦП; прерывания реального времени; систему слежения за правильностью работы ОМК; 52-выводной квадратный пластиковый корпус. Система команд ОМК имеет дробное и целочисленное 16x16 деление; операции над битами данных; режимы малого потребления энергии WAIT и STOP.

   PIC– контроллеры [7] характеризуется следующими особенностями: RISC-архитектурой, малым числом команд, гарвардской архитектурой ядра, конвейерной обработкой команд, файловой структурой данных.

В микроконтроллерах с гарвардской архитектурой ядра выборка команды происходит за один цикл (все команды 14-разрядные). При обращении к памяти программ можно выполнить запись или чтение данных, так как память данных подключена к ядру микроконтроллера по отдельной шине. Раздельные шины доступа к памяти программ и к памяти данных позволяют исполнять текущую команду и производить выборку следующей команды, организуя конвейерную обработку команд. Поскольку команды симметричны (ортогональны), требуется меньшее их число для решения всех необходимых задач и появляется возможность выполнить любую операцию с любым регистром памяти данных прямой или косвенной адресацией.

Ведущий производитель микроконтроллеров данного типа Microchip Technology. обеспечивает большую номенклатуру изделий, предоставляя пользователям сравнительно простые и достаточно сложные PIC-контроллеры. Наиболее популярны микроконтроллеры PIC18F в корпусе TQFP с 64 и 80 выводами и недорогой флеш-памятью программ – 32 Кбайта.

AVR-контроллеры [6] cамое молодое семейство ОМК общего назначения, появившееся в начале 90-х годов прошлого века. Аббревиатура AVR не содержит слов "advanced" и "RISK", это всего лишь начальные буквы фамилий разработчиков. AVR-контроллер имеет 8-разрядный быстрый RISС-процессор с гарвардский архитектурой ядра, 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 памяти данных, причем способы адресации и доступа к этим массивам памяти также различны. Подобное построение ближе к структуре цифровых сигнальных процессоров и обеспечивает существенное повышение производительности. Центральный процессор работает одновременно с памятью программ 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. Так, у микроконтроллеров семейства MCS51 короткая команда выполняется за 12 тактов генератора (один 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 восьми периодов тактовой частоты (два 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 четыре 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 микроконтроллеров AVR составляет один период тактовой частоты.

Следующая отличительная черта архитектуры микроконтроллеров AVR – регистровый файл быстрого доступа, в котором 32 регистра общего назначения длиной 1 байт непосредственно связаны с арифметико-логическим устройством процессора. Другими словами, в AVR существует 32 регистра-аккумулятора. Это обстоятельство позволяет в сочетании с конвейерной обработкой выполнять одну операцию в AЛУ за один машинный цикл.

Серийное производство микроконтроллеров AVR началось в 1996 году, а в настоящее время в серийном производстве у Atmel находятся три семейства AVR – «tiny», «classic» и «mega». Многие российские специалисты и разработчики уже по достоинству оценили высокую скорость работы и мощную систему команд AVR, наличие двух типов энергонезависимой памяти на одном кристалле и активно развивающуюся периферию. Области применения ОМК AVR многогранны. Для семейства «tiny» – это интеллектуальные автомобильные датчики различного назначения, игрушки, игровые приставки, материнские платы персональных компьютеров, контроллеры защиты доступа в мобильных телефонах, зарядные устройства, детекторы дыма и пламени, бытовая техника, разнообразные инфракрасные пульты дистанционного управления. Для семейства «classic» – это модемы различных типов, современные зарядные устройства, изделия класса Smart Cards и устройства чтения для них, спутниковые навигационные системы для определения местоположения автомобилей на трассе, сложная бытовая техника, пульты дистанционного управления, сетевые карты, материнские платы компьютеров, сотовые телефоны нового поколения а также различные и разнообразные промышленные системы контроля и управления. Для семейства «mega» AVR – это аналоговые NMT, ETACS, AMPS и цифровые GSM, CDMA мобильные телефоны, принтеры и ключевые контроллеры для них, контроллеры аппаратов факсимильной связи и ксероксов, контроллеры современных дисковых накопителей, CD-ROM и т.д.

Все микроконтроллеры AVR имеют флэш-память программ, которая может быть загружена с помощью обычного программатора и с помощью SPI-интерфейса, в том числе непосредственно на целевой плате. Число циклов перезаписи не менее 1000. Последние версии кристаллов семейства «mega» выпуска 2001-2002 года имеют возможность самопрограммирования. Это означает, что микроконтроллер способен самостоятельно, без какого-либо внешнего программатора, изменять содержимое ячеек памяти программ, т. е. новые микроконтроллеры AVR могут менять алгоритмы своего функционирования и программы, заложенные в них, и далее работать уже по измененному алгоритму или новой программе. Так, можно написать и сохранить несколько рабочих версий программы для конкретного приложения во внешней энергонезависимой памяти DataFlash, SEEPROM и т.п., а затем по мере необходимости или по реакции на какие-нибудь внешние или внутренние логические условия перегрузить рабочие программы в тот же самый микроконтроллер AVR, не извлекая его из  печатной платы. Для этого весь массив памяти программ делится на две неравные по объему области: блок загрузчика (программа, управляющая перезаписью флеш-памяти программ) и блок для размещения рабочего программного кода, причем свободная память в области загрузчика может быть использована в качестве дополнительного пространства для рабочего кода.

Программа-загрузчик создается самим разработчиком и должна быть запрограммирована внешним программатором.

Все AVR-контроллеры имеют также блок энергонезависимой электрически стираемой памяти данных EEPROM. Этот тип памяти, доступный программе микроконтроллера непосредственно в процессе ее выполнения, удобен для хранения промежуточных данных, различных констант, таблиц перекодировок, калибровочных коэффициентов и т.п. EEPROM также может быть загружена извне через SPI интерфейс и с помощью обычного программатора. Число циклов перезаписи не менее 100 тыс. Два программируемых бита секретности позволяют защитить память программ и энергонезависимую память данных EEPROM от несанкционированного считывания. Внутренняя оперативная память SRAM имеется у всех AVR-контроллеров семейств «classic» и «mega» и у одного нового кристалла семейства «tiny» – ATtiny26/L. Для некоторых микроконтроллеров возможна организация подключения внешней памяти данных объемом до 64 Кбайта.