АРХИТЕКТУРА И АЛГОРИТМЫ РАБОТЫ 8-РАЗРЯДНЫХ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ
1.1. СТРУКТУРА СОВРЕМЕННЫХ 8-РАЗРЯДНЫХ МК
1.1.1. НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 8-РАЗРЯДНЫХ МК
Ничто не может остановиться в своем развитии. Закон непрерывной эволюции справедлив не только для живых организмов, он в полной мере применим к техническим средствам, окружающим человека. Средства вычислительной техники, используемые для целей автоматизации управления, развиваются по двум взаимодополняющим направлениям:
1. Совершенствование архитектуры (внутренней организации), позволяющее на каждом новом витке сложности алгоритмов управления обеспечить адекватную производительность вычислительных средств.
2. Снижение уровня энергопотребления и повышение уровня надежности, которые делают функционально совершенные средства управления не только технически реализуемыми, но и целесообразными с потребительской и экономической точки зрения.
Приведем два примера. Постоянно возрастающие требования к качеству регулирования в электроприводе заставили разработчиков обратить внимание на уже использовавшиеся в других областях высокопроизводительные процессоры цифровой обработки сигналов. Но их массовое внедрение в регулируемый электропривод началось лишь тогда, когда появились специализированные однокристальные микроконтроллеры с процессором цифровой обработки сигналов в качестве вычислительного ядра. А для переносных пультов управления бытовой аппаратуры было достаточно быстродействия даже самых первых микропроцессоров. Однако пульты появились, когда энергия потребления микропроцессоров уменьшилась настолько, что стало возможным их питание от батареек.
Анализируя пути совершенствования микропроцессорных средств управления, будь то микропроцессорная элементная база для встраиваемых систем (сначала микропроцессорные комплекты ИС, а затем однокристальные микроконтроллеры) или средства промышленной автоматизации — программируемые логические контроллеры (ПЛК/PLC) и универсальные микропроцессорные комплексы, — можно заметить, что развитие их архитектуры подобно спирали с двумя ярко выраженными полюсами на каждом витке:
· На первой стадии (один полюс) производительность процессорного ядра не только достаточна, но даже превышает требования алгоритмов управления, для которых она предназначена. Поэтому многие задачи могут быть решены чисто программными средствами. Структура периферийных устройств на этом этапе еще далека от оптимальной.
· На следующем этапе (второй полюс) сохранившаяся производительность процессорного ядра становится минимально достаточной. Совершенствование структуры периферийных модулей позволяет разгрузить процессорное ядро от несвойственных ему операций.
· Когда все возможности по оптимизации структуры периферии исчерпываются, начинается новый виток развития, отмеченный скачкообразным увеличением производительности процессорного ядра.
Так было при переходе от 8-разрядных микроконтроллеров к 16- и 32-разрядным: увеличение разрядности обрабатываемого слова даже при неизменной частоте тактирования существенно увеличивает производительность. Затем появились процессоры цифровой обработки сигналов (DSP). И каждый раз новый уровень производительности процессорного ядра сопровождался совершенствованием I структуры периферийных устройств.
Однако увеличение производительности центрального процессора не обязательно связано с увеличением разрядности обрабатываемого слова. Это в полной мере справедливо для алгоритмов с большим объемом вычислительных операций. А для алгоритмов с преобладанием логических операций увеличение разрядности обрабатываемого слова практически не сказывается на производительности. Это обстоятельство является главной причиной жизнеспособности 8-разрядных микропроцессоров.
Элементная база 8-разрядных микропроцессоров (МП) не стоит I на месте. Она уже совершила два витка в своем развитии. Первый из I них приходится на МП комплекты ИС и первые однокристальные микроконтроллеры (МК). Второй, отмеченный повышением практически на порядок производительности 8-разрядного процессорного I ядра и превращением в автономные модули периферийных устройств, завершается в настоящее время. И уже появились первые I ласточки следующего витка спирали. Это RISC МК Scenix с частотой I тактирования до 50 МГц. Пока эти МК не имеют встроенных периферийных модулей, все функции периферии эмулируются программными средствами. Надолго ли достигнутое быстродействие будет достаточно большим, чтобы обходиться без аппаратных средств?
Каковы отличительные признаки современной элементной базы 8-разрядных микропроцессоров?
1. Завершился переход от МП-системы, выполненной на основе нескольких больших интегральных схем, к однокристальным МК, которые объединили в одном кристалле все основные элементы МП-системы управления: центральный процессор, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), порты ввода/вывода, таймеры.
2. Произошел переход к закрытой архитектуре МК, которая характеризуется отсутствием линий магистралей адреса и данных на выводах корпуса МК. МК представляет собой законченную систему обработки данных, наращивание памяти или периферийных устройств с использованием параллельных магистралей адреса и данных не предполагается.
3. Новые семейства 8-разрядных МК строятся на основе принципа модульной организации, при которой на базе одного процессорного ядра (центрального процессора) проектируется ряд МК, различающихся объемом и типом памяти программ, объемом памяти данных, набором периферийных модулей, частотой синхронизации. В результате переход от одной модификации МК к другой не сопровождается большими материальными затратами на освоение новой элементной базы как на уровне производителя, так и на уровне разработчика систем. Все отдельные модули МК (процессор, ПЗУ, ОЗУ, периферийные модули) на уровне топологии выполняются геометрически независимыми с подсоединением к внутренним магистралям адреса и данных. Это позволяет значительно ускорить проектирование топологии МК путем объединения в одном кристалле уже отработанных топологических блоков.
4. Произошло выделение типовых функциональных периферийных модулей МК. Среди таких модулей следует назвать таймеры, процессоры событий, контроллеры последовательных интерфейсов, аналого-цифровые преобразователи. Существенно расширилось число режимов работы модулей, которые задаются в процессе инициализации регистров специальных функций периферийных модулей.
Алгоритмы работы одноименных модулей в МК разных производителей имеют незначительные отличия. Конкуренция идет на уровне детализации режимов работы и параметров этих модулей.
Обилие предложений на рынке 8-разрядных МК является мощным стимулом к их постоянному совершенствованию. Повышение производительности при осознанной необходимости оставаться в рамках 8-разрядного ядра ведется в двух направлениях:
1. Совершенствование архитектуры центрального процессора.
2. Повышение частоты тактирования.
Однако высокая производительность не является определяющим фактором широкого распространения 8-разрядных МК. С точки зрения массового использования в настоящее время более важными являются следующие направления развития:
return false">ссылка скрыта• Разнообразие структурной организации. Позволяет разработчику для каждой задачи найти МК практически без избыточных ресурсов архитектуры, что обуславливает низкую стоимость конечного изделия. Модульный принцип построения МК — путь к решению этой задачи.
• Совершенствование технических характеристик периферийных модулей. Позволяет свести к минимуму число периферийных ИС на плате МП-контроллера: один из путей миниатюризации встраиваемой МП-системы.
• Сопряжение с периферийными ИС по высокоскоростному последовательному интерфейсу. Обеспечивает минимизацию площади проводников на печатной плате. Еще один путь к миниатюризации встраиваемой МП-системы.
• Минимизация энергии потребления. Позволяет уменьшить размеры корпуса МК и габаритные размеры источника питания. Третий путь микроминиатюризации.
• Расширение диапазона напряжения питания. Одновременно с минимизацией энергии потребления позволяет перевести системы с МК на долговременное питание от автономных источников (батареек и аккумуляторов), что делает их встраиваемыми в переносные изделия.
• Переход к новым технологиям памяти программ. Мелкосерийное производство вынуждает отказаться от МК с масочным ПЗУ. Сохранение низкой стоимости элементной базы МК диктует необходимость перехода на новые технологии создания резидентной памяти программ.
• Повышение надежности. Способность восстановления нормального функционирования программного обеспечения при его нарушениях по причине электромагнитных помех и при кратковременных провалах напряжения питания открывает для МК новые области применения.
• Снижение стоимости процесса отладки. Способствует расширению круга разработчиков простейших МП-систем. Оказывает существенное влияние на стоимость конечного изделия.
• Повышение технологичности занесения программы в память МК. Повышает надежность сохранения программы в памяти МК. Переход к технологии программирования в устройстве позволяет отказаться от размещения МК в специальных контактных панельках. Последние занимают дополнительную площадь на плате и к тому же имеют немалую стоимость,
В следующих параграфах данной главы рассматриваются общие для 8-разрядных МК пути решения перечисленных проблем.
1.1.2. МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ
МК представляют собой законченную МП-систему обработки информации, которая реализована в виде одной большой интегральной микросхемы. МК объединяет в пределах одного полупроводникового кристалла основные функциональные блоки МП управляющей системы: центральный процессор, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), периферийные устройства для ввода и вывода информации.
Широкое разнообразие моделей МК, возможность разработки и производства новых моделей в короткие сроки обеспечивает модульный принцип построения МК, который взят на вооружение всеми ведущими компаниями. При модульном принципе построения все МК одного семейства содержат в себе базовый функциональный блок, который одинаков для всех МК семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК разных моделей в пределах одного семейства (Рис. 1.1).
Рис. 1.1. Модульная организация МК
Базовый функциональный блок включает:
1. Центральный процессор.
2. Внутренние магистрали адреса, данных и управления.
3. Схему формирования многофазной импульсной последовательности для тактирования центрального процессора и межмодульных магистралей.
4. Устройство управления режимами работы МК, такими, как активный режим, в котором МК выполняет прикладную программу, режимы пониженного энергопотребления, в один из которых МК переходит, если по условиям работы выполнение программы может быть приостановлено, состояния начального запуска (сброса) и прерывания.
Базовый функциональный блок принято называть процессорным ядром МК. Процессорное ядро обозначают именем семейства МК, основой которого оно является. Например, ядро НС05 — процессорное ядро семейства Motorola MC68HC05, ядро MCS-51 — ядро семейства МК Intel 8xC51, ядро PIC16 — процессорное ядро Microchip PIC16.
Изменяемый функциональный блок включает модули различных типов памяти, модули периферийных устройств, модули генераторов синхронизации и некоторые дополнительные модули специальных режимов работы МК. Каждый модуль имеет выводы для подключения его к внутренним магистралям МК. Это позволяет на уровне топологического проектирования "подсоединять" те или иные модули к магистралям процессорного ядра, создавая таким образом разнообразные по структуре МК в пределах одного семейства. Совокупность модулей, которые разработаны для определенного процессорного ядра, принято называть библиотекой периферийных модулей. Термин "библиотека периферийных модулей" недостаточно точно отражает современные тенденции структурной организации МК. Если ранее под произвольно объединяемыми в состав МК модулями подразумевались только модули периферийных устройств, то теперь выбирать предстоит в каждой из пяти функциональных групп:
1. Модули памяти.
2. Модули встроенных генераторов синхронизации.
3. Модули периферийных устройств.
4. Модули контроля за напряжением питания и ходом выполнения программы.
5. Модули внутрисхемной отладки и программирования. Термин "модуль памяти" в применении к МК стал использоваться на этапе перехода к новым технологиям создания резидентной памяти программ и данных. Энергонезависимая память типа FLASH и EEPROM имеет не только режимы хранения и чтения информации, которая была в нее записана до начала эксплуатации изделия на этапе программирования, но и режимы стирания и программирования под управлением прикладной программы. Вследствие этого энергонезависимая память типа FLASH и EEPROM требует управления режимами работы, для чего снабжена дополнительными блоками управления и регистрами специальных функций. Массив ячеек памяти, доступных для чтения, стирания и записи информации, дополнительные аналоговые и цифровые схемы управления, а также регистры специальных функций объединены в функциональный блок, который и носит название модуля памяти.
Существенное изменение претерпели также генераторы синхронизации МК. Во-первых, произошло функциональное разделение собственно генератора синхронизации, который выделился в отдельный модуль, и схемы формирования многофазной последовательности импульсов для тактирования центрального процессора и межмодульных магистралей, которая является неотъемлемой частью процессорного ядра. Во-вторых, появилась возможность выбора внешнего времязадающего элемента: кварцевый или керамический резонатор, RC-цепь. Схемотехника выполнения усилителей с положительной обратной связью определяется типом времязадающего элемента, соответственно появились разные модификации модулей встроенного генератора синхронизации. В-третьих, повышение производительности процессорного ядра МК связано с повышением частоты тактированияаживать прикладную программу и заносить коды программы в энергонезависимую память МК прямо на плате конечного изделия, без использования дополнительных аппаратных средств отладки и программирования.