И 32-разрядные микроконтроллеры

По мере усложнения функций, выполняемых встраиваемым контроллером, и соответствующего роста требований, предъявляемых к производительности МК, а также в связи с увеличением разрядности АЦП и объемов передаваемых данных, перед многими разработчиками остро встал вопрос о переходе на МК с более высокой разрядностью, поскольку дальнейшее развитие архитектуры и повышение тактовой частоты 8-разрядных МК имеет очевидный предел и часто не дает требуемого эффекта.

Первой и основной причиной, привлекающей пользователей к 16- и 32-разрядным МК, является их высокая производительность. Помимо увеличенной разрядности, автоматически повышающей объем вычислений и передаваемых данных в единицу времени, производительность определяется тактовой частотой и дополнительной производительностью, обеспечиваемой встроенными сопроцессорами.

Дополнительное повышение производительности осуществляется за счет введения в структуру МК сопроцессоров разной функциональной ориентации: обмен данными; вычисления математических операций, ввода/вывода, цифровой обработки сигналов и др. Эти интеллектуальные, содержащие собственное микроядро, встроенные подсистемы позволяют разгрузить центральный процессор, берут на себя выполнение специфических функций и определяют ориентацию МК на конкретную область использования. Так, например, наличие коммуникационного сопроцессора обеспечивает эффективное использование МК в в системах передачи данных, а наличие таймерного сопроцессора позволяет переложить на него обработку быстротекущих процессов в промышленных контроллерах.

Простота построения системы достигается за счет наличия специального модуля системной интеграции, позволяющего напрямую подключать к МК все типы внешней памяти и разнообразные внешние устройства, снижая количество дополнительных компонентов, площадь платы и стоимость системы. Возможность динамического изменения разрядности шины данных позволяет использовать дешевые 8-разрядные внешние устройства и память там, где это несущественно влияет на производительность.

Простота отладки системы обеспечивается наличием встроенного в МК отладчика, который без дополнительных аппаратных средств позволяет связаться с компьютером, просматривать и изменять содержимое регистров и памяти, осуществлять запуск и останов программы и т.п.

Повышенная надежность функционирования системы на базе МК достигается защитой информации от несанкционированного доступа путем организации работы МК в одном из двух режимов: пользователя и супервизора. В режиме пользователя программе доступны только регистры программной модели пользователя (регистры общего назначения, программный счетчик и т.п.), а в режиме супервизора разрешается обращение к регистрам управления МК и могут выполняются системные команды, влияющие на безопасность функционирования. Кроме того, реализована аппаратная защита от ошибок на магистрали, а надежность программного обеспечения дополнительно обеспечивается сторожевым таймером. Возможность отключения процессорного ядра в структуре МК позволяет создавать многопроцессорные системы, в которых проявляется возможность обеспечивать заданные уровни надежности за счет перестройки системы при возникновении отказов.

Интерес к МК, а в дальнейшем и потребность в них определяется, прежде всего, тем, что МК как однокристальное устройство объединяет процессор, память и периферийные устройства, которые реализуют максимальный для данной задачи набор функций. В развитие этой идеологии Motorola строит свои МК на базе стандартных модулей, из набора которых быстро и с минимальными затратами создается новый МК.

Семейства 16- и 32-разрядных МК Motorola используют стандартную внутримодульную шину (IMB), основное преимущество которой заключается в том, что в МК с различным процессорным ядром могут использовать одни и те же периферийные модули. Это не только обеспечивает лучшее использование модулей, которые известны производителям и протестированы в тысячах приложений, но и позволяет, например, программы, написанные на С для 16-разрядного МК и затрагивающие периферийные устройства, просто перекомпилировать и выполнять без изменений на 32-разрядном МК.

Упрощенная модель МК, показывающая набор основных модулей, приведена на рис. 56.

 

Рис. 56 – Упрощенная модель микроконтроллера

 

Базовым модулем МК является процессорное ядро, которое и отличает одно семейство МК от другого. Для семейств 16-разрядных МК НС12 и НС16 используются ядра CPU12 и CPU16, для семейства МК М68300 используются ядра 68000, 68ЕС000, CPU32, CPU32+, CPU030. Данные два семейства основаны на CISC-архитектуре. Новые семейства встроенных и интегрированных процессоров и МК МРС500 и МРС800 основаны на 32-разрядном ядре PowerPC с RISC-архитектурой. Новое семейство интегрированных 32-разрядных RISC-процессоров ColdFire, имеющих переменную длину инструкций и многие черты семейства М68К, призваны обеспечить новый уровень соотношения производительность/цена для массовых рынков.

Семейство 16-разрядных МК НС12. Целевыми рынками МК данного семейства являются разнообразные портативные устройства, особенно средства беспроводной связи, автомобильная электроника, устройства промышленного управления. Процессорное ядро семейства НС12 (CPU12), основанное на популярной архитектуре НС11, обеспечивает полную поддержку операций нечеткой логики, что дает возможность экономии кода программы, упрощения алгоритмизации задачи и другие преимущества. Система команд CPU12 позволяет работать с нечетным байтом и имеет расширенную систему адресации внешней памяти (до 5 Мбайт). Ассемблер CPU12 воспринимает исходные тексты для НС11 без изменений, что дает пользователям НС11 возможность перейти на новый уровень производительности с минимальными затратами. Наличие встроенного отладчика и поддержка отладочными средствами облегчают разработчику переход на новую архитектуру.

МС68НС812А4 содержит CPU12 с внутренней тактовой частотой 8 МГц; 4К ПЗУ EEPROM с побайтовым стиранием; 1К ОЗУ; 8-разрядный 8-канальный АЦП; 8-канальный 16-разрядный универсальный таймер; два асинхронных и один синхронный последовательный интерфейс; прерывания реального времени и сторожевой таймер; 7 программируемых выборок с поддержкой расширенной адресации (до 4М памяти программ и 1М памяти данных).

МС68НС912В32, разработанный для автомобильных и индустриальных приложений, 32К ПЗУ Flash EEPROM; 768 байт ОЗУ 8-разрядный 8-канальный АЦП; 8-канальный 16-разрядный универсальный таймер; 8-разрядный 4-канальный ШИМ, оптимизированный для управления двигателями; асинхронный и синхронный последовательный интерфейс, а также автомобильный контроллер обмена BDLC (J1850); прерывания реального времени и сторожевой таймер.

Семейство 16-разрядных МК НС16. МК семейства НС16 используются в различных системах управления автомобилями, телекоммуникационном оборудовании (сотовых телефонах, телефонных коммутаторах), бытовой электронике (видеокамерах, телевизорах, цифровых аудио системах), офисной технике (факсах, модемах, копировальной технике), медицинском оборудовании, робототехнике. Эффективному использованию МК НС16 в этих приложениях способствуют поддержка функций DSP, высокая производительность истинно 16-битного CPU16 с частотой о 25 МГц и мощная периферия, простота построения системы на базе МК НС16, обеспечиваемая модулем системной интеграции, а также простота отладки программы благодаря встроенному отладчику.

CPU16 является процессорным ядром для микроконтроллеров семейства М68НС16. Это полностью 16-разрядное процессорное устройство, совместимое с процессорным ядром МК НС11 и обладающее дополнительными возможностями. CPU16 обеспечивает адресацию памяти до 1 Мбайта для данных и 1 Мбайта для программ, а также развитую приоритетную систему обработки прерываний. Кроме того, CPU16 имеет функциональные возможности цифрового сигнального процессора DSP с полной архитектурой умножителя-сумматора с накоплением (MAC), позволяющие умножать 16-разрядные числа и сохранять результат в 36-разрядном накапливающем аккумуляторе за одну команду. Все это в совокупности с эффективными методами адресации и удобным набором команд дает пользователю мощный инструмент для реализации сложных и интенсивных вычислений.

Общие характеристики CPU 16 (рис. 57):

1) 16-битное АЛУ и внутренняя шина данных;

2) 20-битная внешняя шина адреса;

3) два 16-разрядных аккумулятора;

4) три 16-разрядных индексных регистра;

5) раздельные пространства программ и данных по 1 Мбайт;

6) многоуровневая обработка прерываний;

7) программная совместимость снизу вверх с процессорным ядром МК 68НС11;

8) быстрые команды умножения, деления и сдвига;

9) усовершенствованная обработка исключительных ситуаций;

10) расширенные режимы адресации (9 режимов);

11) полный набор 16-разрядных команд;

12) поддержка функций DSP с помощью 16-разрядного умножителя с 36-разрядным сумматором;

13) инструкция LPSTOP – останов с малым энергопотреблением;

14) аппаратный BREAKPOINT, режим фоновой отладки;

15) тактовая частота до 16 МГц;

16) полностью статическая технология.

 

 

Рис. 57 – Программная модель микроконтроллера семейства HC16

 

Аналогично ядру М68НС11, CPU16 имеет классическую аккумуляторную архитектуру. Все арифметико-логические операции выполняются над аккумуляторами и операндами памяти, для доступа к которым существует набор индексных регистров, обеспечивающих эффективный механизм адресации к ним. В наборе команд CPU16 имеются также 32-разрядные команды, предназначенные для использования с 32-разрядными регистрами, заложенными в некоторых модулях.

Совершенно новой функцией ядра являются возможности умножителя с накоплением. В CPU16 введен ряд новых регистров, предназначенных для умножения двух 16-разрядных чисел, содержащихся в регистрах Н и I, и результат добавляется к содержимому 36-разрядного регистра, называемого М-регистром, за одну МАС-инструкцию (multiply and accumulate). Эта инструкция может выполняться в режиме многократного умножения с накоплением (RMAC). 16-разрядные числа для умножения последовательно извлекаются по адресам, определяемым индексными регистрами X и Y, и загружаются в регистры H и I, с авто инкрементом/декрементом обеих индексных регистров X и Y на величину до 15. Эта функция, необходимая для цифровой фильтрации, выполняется за 720нс (12 циклов тактовой частоты).

Семейство 32-разрядных МК 68300. Основными особенностями МК семейства 68300 являются: высокопроизводительное 32-разрядное процессорное ядро, основанное на промышленном стандарте 68000; широкая номенклатура периферийных модулей, в том числе специализированных для определенных приложений; исключительная гибкость и простота построения и отладки системы; распространенность и доступность.

В семействе МК 68300 можно выделить три основные группы МК, принципиально отличающиеся по функциональному назначению:

1) коммуникационные МК. В эту группу можно отнести все МК, содержащие коммуникационный сопроцессор;

2) МК для промышленного управления. МК этой группы содержат таймерный сопроцессор и применяются в индустриальных системах управления, автомобильных контроллерах и т.д.;

3) МК общего назначения. Эти МК, иногда называемые интегрированными процессорами (ИП), содержат, помимо центрального процессора, только наиболее распространенную универсальную периферию: модуль системной интеграции, контроллер ПДП, последовательный интерфейс, часы реального времени, и т.д.

Отличительной особенностью коммуникационных МК (КМК) является наличие в их составе специализированного скоростного коммуникационного сопроцессора с RISC-ядром, управляющего обменом данными по нескольким независимым каналам, поддерживающего практически все распространенные протоколы обмена и позволяющего гибко и эффективно распределять и обрабатывать последовательные потоки данных с временным разделением каналов (например, ИКМ и ISDN PR1). Среди многочисленных применений КМК можно выделить цифровые телефонные станции, абонентское и групповое оборудование ISDN, базовые станции сотовой связи, модемы, терминалы, мосты, маршрутизаторы, а также распределенные промышленные контроллеры и многие другие устройства.

Все КМК имеют похожую структуру, включающую центральный процессор (CPU), осуществляющий общее управление; коммуникационный процессор (СРМ), обрабатывающий последовательные данные; и модуль системной интеграции (SIM), упрощающий подключение памяти и внешних устройств. Обмен данными требует минимального участия CPU, функции которого сводятся, как правило, к обработке флагов окончания передачи и переустановке указателей – все остальные задачи по обработке протокола и управлению обменом автоматически выполняет интеллектуальный коммуникационный сопроцессор.