Однокристальные микроЭВМ

При рассмотрении процессов эволюции современных процессоров и ЭВМ, прежде всего, обращают внимание на увеличение производительности системы (быстродействие процессора). Некоторые из путей повышения быстродействия были обсуждены в предыдущих разделах, другие, реализующие параллелизм на уровне процессов (мультипроцессоры, векторные, массивно-параллельные, компьютерные сети [11, 12], нейроматричные процессоры, и др.), выходят за рамки настоящей книги.

Однако всегда существовали и существуют задачи, для решения которых вовсе не требуется высокое быстродействие процессора и мощная система команд. На первый план здесь выступают другие характеристики: стоимость, надежность, малые габариты, способность работать в экстремальных климатических условиях, при значительных перепадах питающего напряжения и на фоне высокого уровня электромагнитных помех, с автономным питанием.

Для получения таких характеристик растущие возможности интегральной технологии можно использовать не для увеличения разрядности и вычислительной мощности процессора, а размещая на кристалле, наряду с простым (на первых порах — восьмиразрядным) процессором, все другие устройства, входящие в состав ЭВМ: регистры, различные типы памяти (на первых порах — небольшого объема), тактовый генератор, порты параллельного и последовательного обмена, различные внешние устройства (таймеры, АЦП и др.).

При этом получается полностью "самодостаточный" кристалл БИС (СБИС) однокристальной микроЭВМ (некоторые авторы используют термин микроконтроллер, учитывая, что основная сфера применения подобных изделий — управляющие системы, работающие в реальном времени).

В настоящее время многие фирмы (Motorola, Intel, Microchip, Zilog и др.) выпускают широкую номенклатуру подобных однокристальных микроЭВМ (ОМЭВМ), отличающихся разрядностью, системой команд, типами и объемом памяти, составом и характеристиками внешних устройств. Большинство ОМЭВМ выпускается с 8-разрядным процессором, но на рынке присутствуют и 16- и даже 32-разрядные ОМЭВМ.

Базовые принципы архитектуры ОМЭВМ можно проиллюстрировать на примере 8-разрядных ОМЭВМ. Далее кратко отметим некоторые особенности этих контроллеров. Подробнее архитектура ряда ОМЭВМ и примеры их применения описаны в [4].

(Страница227)

Контроллеры разных фирм, несмотря на кажущиеся различия, имеют много общих черт, определяющих тенденции развития современных ОМЭВМ малой и средней производительности. Попробуем отметить некоторые из них.

□ Все без исключения контроллеры имеют встроенные тактовые генераторы; для запуска большинства из них используют одну из четырех возможных внешних цепей: источник внешних тактовых импульсов, кварцевый резонатор, LC-цепь, RC-цепь. Последние две можно использовать лишь в системах, где точностью временных привязок можно пренебречь. Большинство контроллеров имеют в своем составе динамические элементы памяти, что ограничивает допустимую тактовую частоту не только сверху, но и снизу (обычно — до 1 МГц). ОМЭВМ Motorola используют на кристалле только статические элементы памяти, что позволяет работать на произвольно низких системных тактовых частотах. Снижение тактовой частоты контроллера целесообразно при управлении инерционными объектами, если необходимо отслеживать достаточно длительные временные задержки (от долей секунды до десятков секунд).

□ Процессоры большинства ОМЭВМ реализуют классическую ("интелловскую") систему команд, включающую одно- и двухадресные команды с операциями над ячейками памяти и регистрами, с использованием разнообразных способов адресации (прямая, регистровая, косвенно-регистровая, индексная, непосредственная). Предусмотрен широкий выбор команд передачи управления, в т. ч. вызовы подпрограмм. Во многих контроллерах реализовано умножение и деление. Процессоры семейств MCS-51 и МС68НС11 имеют развитую систему операций с битами.

□ Память большинства ОМЭВМ организована по гарвардской архитектуре, предполагающей различные адресные пространства для памяти программ и памяти данных (исключение составляют лишь контроллеры фирмы Motorola, традиционно поддерживающие единое адресное пространство). Такое решение снижает риск потери управления при выполнении программы, но ограничивает возможности по распределению ресурсов памяти системы.

□ На кристалле могут располагаться различные типы памяти: масочное или однократно программируемое ПЗУ, ППЗУ со стиранием ультрафиолетовым излучением, электрически стираемое ППЗУ (флэш-память), ОЗУ (регистры).

□ Многие параллельные порты контроллеров допускают двунаправленный обмен, часто возможно независимое программирование линий порта на ввод или вывод. Допускается выбор типа выхода — обычный ТТЛ-вывод или вывод с открытым коллектором (стоком). Большинство линий портов имеют одну или несколько альтернативных функций, выбор которых осуществляется программно.

□ Важным элементом ОМЭВМ являются системы контроля времени, представленные различными счетчиками с управляемыми коэффициентами пересчета и возможностью выбора источника счетных импульсов: тактовый генератор — в режиме таймера и внешний вывод — в режиме счетчика внешних событий. Более мощные контроллеры имеют в своем составе таймерные системы, включающие несколько модулей сравнения, автозахвата, ШИМ (широтно-импульсная модуляция) и др.

□ Последовательные каналы включаются обычно в старшие модели семейств. Предусматриваются либо универсальные синхронно-асинхронные приемопередатчики, программируемые на работу в определенном режиме, либо отдельные блоки SCI (UART) — асинхронный приемопередатчик и SPI — синхронный периферийный интерфейс, работающие независимо друг от друга.

□ Средства работы с аналоговыми сигналами включают в себя компараторы, многоканальные 8-разрядные аналого-цифровые и реже — цифроаналоговые преобразователи.

□ Подсистема прерываний включает несколько внешних радиальных входов и большое число внутренних прерываний, которые генерируются в системе контроля времени, АЦП, последовательных и параллельных каналах.

В современных микроконтроллерах предусматривается широкий набор специальных средств, повышающих надежность и эффективность функционирования систем управления. Прежде всего, это т. н. сторожевой таймер WDT (Watch-Dog Timer), который предотвращает аварийное зацикливание программы. В некоторых контроллерах предусматриваются специальные схемы, следящие за правильной работой тактового генератора. В системах с автономным питанием большое значение имеют средства энергосбережения. Большинство контроллеров программно можно переводить в специальные режимы пониженного энергопотребления (в состоянии ожидания) с остановкой основных подсистем (в т. ч. иногда и тактового генератора), но с сохранением контекста задачи. Выход из таких режимов возможен по разрешенному прерыванию или по сбросу (часто системный сброс реализуется как одно из прерываний). 16- и 32-разрядные ОМЭВМ построены обычно по модульному принципу. На внутрикристальный системный интерфейс могут подключаться процессоры различной вычислительной мощности, различные модули памяти, контроллеры параллельного и последовательного обмена, модули АЦП и ЦАП, таймерные сопроцессоры и сопроцессоры ввода/вывода. В зависимости от требований решаемой задачи пользователь может выбрать подходящую конфигурацию кристалла ОМЭВМ. В качестве примера коротко рассмотрим семейство 32-разрядных микроконтроллеров фирмы Motorola.

Отличительной особенностью ОМЭВМ фирмы Motorola является модульная технология построения многофункциональных устройств на одном кристалле. Определен стандарт внутрикристальной межмодульной шины 1MB и множество наборов системных модулей, из которых собирается ОМЭВМ:

□ процессорные ядра (CPU), включающие 16- и 32-разрядные микропроцессоры различной вычислительной мощности, но относящиеся к одному семейству;

□ системные интеграционные модули (SIM), контролирующие внешнюю шину, запуск, инициализацию и конфигурацию микроконтроллера. Они включают в себя тактовый генератор, блок системной конфигурации и защиты, блок тестирования и интерфейс с внешней шиной. Модули отличаются друг от друга, главным образом, разрядностью шин адреса и данных;

□ модули памяти, отличающиеся типом и объемом запоминающих устройств: ОЗУ, ПЗУ (включая однократно программируемое пользователем), ЭСППЗУ;

□ модули последовательных портов включают различные варианты синхронных и асинхронных программируемых контроллеров последовательного обмена. Предусмотрены модули, содержащие несколько различных интерфейсов;

□ таймерные системы представлены различными вариантами таймерных сопроцессоров (TPU). TPU способен независимо от процессора выполнять как простые, так и сложные таймерные функции, его можно считать отдельным специализированным микропроцессором, который осуществляет две основные операции — проверку на совпадение (от англ. match — сравнение) и сохранение значения счетчика-таймера в момент изменения состояния какого-либо входа (от англ. capture — захват) над одним операндом — временем. Выполнение любой из них называется событием.

Обслуживание событий сопроцессором замещает обработку прерываний центральным процессором. С помощью двух основных операций TPU может реализовать значительный набор функций: счет внешних событий, захват по внешнему входу, сравнение временных интервалов, широтноимпульсную модуляцию, измерение периода входного сигнала, программируемую генерацию импульсов и многие другие, программируемые пользователем. TPU, естественно, имеет собственную систему команд, его программы хранятся на общей памяти системы или в специализированной памяти программ TPU;

□ системы аналогового ввода реализованы на различных вариантах АЦП (ADC), отличающихся разрядностью получаемого кода и способом (а следовательно, и временем) аналого-цифрового преобразования.

На рис. 7.16 приведена структура 32-разрядного микроконтроллера МС68332.

Рис. 7.16. Структура МС68332

Кристалл микроконтроллера содержит следующие модули:

□ CPU32 — 32-разрядный центральный процессор семейства MC68000;

□ RAM — 2 Кбайт ОЗУ с независимым питанием для размещения программ и данных (напомним, что большинство изделий Motorola поддерживают архитектуру фон Неймана с единым адресным пространством программ и данных);

□ QSM — подсистемы последовательного ввода/вывода, включающие универсальный асинхронный приемопередатчик (UART) и дуплексный синхронный последовательный интерфейс (SPI);

□ XPU — шестнадцатиканальный таймерный сопроцессор;

□ SIM — системный интеграционный модуль.

Внешняя память может при необходимости подключаться к контроллеру к шинам адреса A[18: 0], данных D[15: 0], управления шиной.

Линии порта C могут использоваться для выдачи функционального кода, идентифицирующего состояние процессора и адресное пространство текущего цикла шины (FC[2: 0]), старших разрядов адреса (Ah) в режиме расширенного адресного пространства и сигналов выбора кристалла (CS), разрешающих работу периферийных устройств по запрограммированным адресам.

Порт F принимает запросы внешних прерываний, линии порта D могут использоваться для передачи сигналов последовательных интерфейсов.

Группа линий TP [15: 0] — входы/выходы каналов таймерного сопроцессора. На вход Vstb может подаваться независимое питание для сохранения информации в ОЗУ при отключении основного питания.

Дата добавления: 2015-04-25