Направление развития элементной базы 8-разрядных
Микроконтроллеров
Средства вычислительной техники, используемые для целей автоматизации управления, развиваются по двум взаимодополняющим направлениям [3, 6, 8]:
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 комплексы 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 возможные по оптимизации структуры периферии исчерпываются, начинается новый виток развития, отмеченный скачкообразным увеличением производительности процессорного ядра.
Так было при переходе от 8-разрядных МК 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 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.
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 (некоторых МК) 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 алгоритмы работы одноименных модулей в МК разных производителей, которые имеют незначительные отличия. Конкуренция идет на уровне детализации режимов работы и параметров этих модулей.
Обилие предложений на рынке 8-разрядных МК является мощным импульсом к их постоянному совершенствованию. Повышение производительности при осознанной необходимости оставаться в рамках разрядного ядра ведется в двух направлениях [3, 6]:
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:
- 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 в процессе 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.
- Модульный принцип построения МК. МК представляют собой законченную систему обработки информации, которая реализована в виде одной большой интегральной микросхемы. МК объединяет в пределах одного полупроводникового кристалла основные функциональные блоки управляющей системы (рис. 1.4): 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.
Базовый функциональный блок включает (рис. 1.5):
Процессорное ядро МК [2, 3]. Процессорное ядро обозначают именем семейства МК, основой которого оно является. Например, ядро НС05 - процессорное ядро семейства Motorola МС68НС05, ядро МСS-51 - ядро семейства МК Intel 8xC51, ядро PIC16 - процессорное ядро Mirochip.
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:
-Модули памяти.
-Модули встроенных генераторов синхронизации.
-Модули периферийных устройств.
-Модули контроля за напряжением питания и ходом выполнения программы.
-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.
Микроконтроллеры являются наиболее массовым представителем микропроцессорной техники. Интегрируя на одном кристалле высокопроизводительный процессор, память и набор периферийных устройств, микроконтроллеры позволяют с минимальными затратами реализовать большую номенклатуру систем управления различными объектами и процессами. Благодаря этому микроконтроллеры находят широкое применение в промышленной автоматике, контрольно-измерительной технике, аппаратуре связи, бытовой технике и многих других применениях. Лидерами в производстве микроконтроллеров являются фирмы Atmel и Motorola (около 25% общемирового выпуска), в числе ведущих производителей этих изделий находятся также фирмы NEC, Mitsubishi, Hitachi, Intel, Texas Instruments, Philips [2, 3]. Поэтому из большого многообразия МК, выпускаемых различными фирмами, необходимо выбрать наиболее подходящий для решения конкретной задачи с учетом заданных ограничений.
Пожалуй, именно выбор микроконтроллера является одним из самых важных решений, от которых зависит успех или провал задуманного проекта. При выборе микроконтроллера необходимо учесть и оценить большое количество факторов. За основу последовательности продуманных действий, приводящих к окончательному решению, может быть принят рассматриваемый в данном разделе план. Объединив свои собственные знания и требования с информацией, представленной в данном разделе, читатель должен оценить все в целом, чтобы принять правильное решение.
Основная цель - выбрать наименее дорогой микроконтроллер (чтобы снизить общую стоимость системы), но в то же время удовлетворяющий спецификации системы, т.е. требованиям по производительности, надежности, условиям применения и т.д. Общая стоимость системы включает все: инженерные исследования и разработку, производство (комплектующие и труд), гарантийный ремонт, дальнейшее усовершенствование, обслуживание, совместимость, простоту в обращении и т.д.
Процесс выбора МК. Приступая к выбору, разработчик должен вначале задаться вопросом: «Что должен делать микроконтроллер в системе?» Ответ на этот вопрос определяет требуемые для разрабатываемой системы характеристики микроконтроллера и, таким образом, является определяющим фактором в процессе выбора. Второй шаг - проведение поиска микроконтроллеров, которые удовлетворяют всем системным требованиям. Он обычно включает подбор литературы, технических описаний и технических журналов, а также консультации. В настоящее время стала вполне доступной информация о предлагаемых как традиционных, являющихся промышленным стандартом микроконтроллерах, так и новейших микроконтроллерах. Хорошо, если системным требованиям будет удовлетворять хорошо знакомый микроконтроллер, в противном случае должен быть проведен вторичный поиск, чтобы найти микроконтроллер, который наиболее полно удовлетворяет предъявляемые требования, имеет минимум внешних навесных компонентов и подходит по стоимости и габаритам. Ясно, что однокристальный микроконтроллер предпочтительней из-за цены и надежности. Последняя стадия выбора состоит из нескольких этапов, цель которых сузить список приемлемых микроконтроллеров до одного. Эти этапы включают в себя анализ цены, доступности, средств разработки, поддержки производителя, стабильности производства конкретных микроконтроллеров и наличия других производителей или поставщиков. Чтобы прийти к разумному решению, возможно, весь процесс придется повторить несколько раз.
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте современные пути развития микроконтроллеров.
2. С какой целью разработчики производят минимизацию энергопотребления и расширение диапазона напряжения питания МК?
3. Объясните модульный принцип построения МК. В чем преимущества модульного принципа?
4. Перечислите системные требования к МК.
5. Приведите пример использования МК и сформулируйте критерий его выбора.
6. Что означают системные требования к МК? Перечислите их.
7. Перечислите отличительные особенности МК. Чем отличается МП от МК?
8. Чем объясняется коммерческий успех 8-рязрядных МК?
9. Приведите примеры использования МК.
10. В чем отличие микроконтроллеров фирм Atmel, Motorola, Microchip и др.?
11. Приведите классификацию МК по различным признакам.
12. Назначение и области применения коммуникационных и сигнальных МК и их отличительные особенности.
13. В чем принципиальное отличие МК Гарвардская архитектуры и архитектуры Фон-Неймана?