Введение.

Общие сведения о микропроцессорных устройствах

Глава 1

КУРС ЛЕКЦИЙ

“МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА”

 

Многие рассматривают «компьютерную революцию» как создание средств автоматического решения задач, требующих сложных многократных вычис­лений. Такие задачи возникают при расчетах оплаты за различные виды ус­луг, при выполнении сложных научных исследований и разработок, в про­цессе управления оборудованием и технологическими процессами на промышленных предприятиях. Позже понятие «компьютерная революция» было расширено путем включения в него сети Интернет и цифровых телекоммуникационных сис­тем.

Но одновременно происходила вторая революция, оказавшая, возможно, более значительное влияние на жизнь каждого из нас. Это автоматизация практически всей окружающей нас среды с помощью дешевых и мощных микроконтроллеров.

Обойдя свой дом, вы обнаружите большое количество микроконтроллеров. В их число могут входить микроконтроллеры в теле- и стереосистемах (устройство дистанционного управления, передатчики и прием­ники), в теле­фонных аппаратах и т. д.

Большое количество микроконтроллеров используется в автомобилях. Со­временные автомобили содержат более 20 микроконтроллеров, которые не только контролируют состояние мотора и управляют его работой, но и пре­пятствуют угону и взлому с помощью системы сигнализации, обеспечивают функционирование систем безопасности (воздушная подушка и другие уст­ройства), следят за наружным освещением, температурой воздуха в салоне автомобиля, работой радио/стереосистем. Специальные системы контроля состояния дверей и приборов освещения могут работать под управлением автономных микроконтроллеров.

Ваш персональный компьютер содержит, по крайней мере, четыре встро­енных микроконтроллера - два обеспечивают работу клавиатуры и мыши, один управляет жестким диском, один отвечает за энергоснабжение. Воз­можно, гораздо больше микроконтроллеров используется для контроля мо­нитора, модема (или сетевой карты) и принтера.

Те, кто не знаком с микроконтроллерами, могут подумать, что это при­бор с жестко заданными (стандартизированными) функциями. Это абсолют­но не так. Термин «микроконтроллер» - это очень общий термин, содержа­ние которого обычно определяется производителем. «Микроконтроллер — это самостоятель­ная компьютерная система, которая содержит процессор, вспомогательные схемы и устройства ввода-вывода данных, размещенные в общем корпусе» (рис 1.1)

 

Рис. 1.1 - Общая структура микроконтроллера.

 

Это определение вполне подходит для относительно несложных 8-разрядных микроконтроллеров, которые могут од­новременно обрабатывать только 8 бит информации. Однако данное опреде­ление недостаточно полно характеризует более сложные устройства этого класса, реализующие обработку 16- и 32-разрядных данных.

Микроконтроллеры, используемые в различных устройствах, выполняют функции интерпретации данных, поступающих с клавиатуры пользователя или от датчиков, определяющих параметры окружающей среды, обеспечива­ют связь между различными устройствами системы и передают данные дру­гим приборам. Применение микроконтроллеров позволяет значительно сни­зить количество и стоимость используемых материалов и комплектующих изделий, что обеспечит снижение себестоимости конечной продукции. Ис­пользование микроконтроллеров может существенно увеличить привлекатель­ность продукции для потребителя благодаря реализации «дружественного интерфейса» при относительно небольших дополнительных затратах. Обес­печивается также возможность расширения области применения выпускае­мой продукции путем использования одних и тех же аппаратных средств с разнообразным программным обеспечением, специализированным для реа­лизации различных функций.

При разработке систем управления различными процессами и объектами использование микроконтроллеров дает проектировщику значительные пре­имущества.

Микроконтроллеры отличаются не только архитектурой и характеристика­ми, но и особенностями функционирования и реализации. Большинство мик­роконтроллеров представляют собой процессор, интегрированный с памятью и устройствами ввода/вывода данных. Некоторые микроконтроллеры не явля­ются реальными приборами, а имеют вид макромоделей, описанных на языке высокого уровня VHDL, которые созданы для включения в состав специали­зированных заказных микросхем (ASIC — Application Specific Integrated Circuits). Такая реализация позволяет инженеру-проектировщику ввести в разрабатывае­мую микросхему память и устройства ввода/вывода данных, которые соответ­ствуют требованиям технического задания. Практически все микроконтролле­ры входят в состав определенных семейств, члены которых отличаются составом и характеристиками периферийных устройств, реализованных на кристалле.

Огромная номенклатура выпускаемых промышленностью микроконтрол­леров, отличающихся различным сочетанием основных параметров, значи­тельно усложняет процесс выбора прибора, наиболее подходящего для дан­ного применения.

При работе с микроконтроллерами необходимо иметь в виду следующее об­стоятельство. Когда разрабатывается система на основе микроконтроллера, то создаются не только аппаратные средства, которые реализуются соответ­ствующим подключением микроконтроллера к внешним устройствам. Разра­ботчик должен также обеспечить выполнение многих системных функций, которые в традиционных микропроцессорных системах обеспечиваются с по­мощью операционной системы и специальных периферийных микросхем. Это позволяет различными способами оптимизировать проект — как его аппарат­ную, так и программную часть, для конкретного применения.

Микроконтроллеры с большой разряд­ностью (16 и 32 бит) - это сложные устройства, которые выполняют функции целых подсистем, в то время как 8-разрядные микроконтроллеры обеспечивают решение отдельных более простых задач.

Отличия в архитектуре процессоров могут существенно сказаться на их производительности при выполнении различных задач. Дискуссии о сравни­тельных достоинствах различных компьютерных архитектур можно сравнить с окопными битвами времен первой Мировой Войны. Чтобы избежать учас­тия в этих дискуссиях, ограничимся кратким обзором наиболее важных осо­бенностей различных архитектур и указаниями, для каких приложений наи­лучшим образом подходит та или иная архитектура.