Однокристальные микропроцессорные устройства. Архитектура и виды микроЭВМ и микроконтроллеров

СОДЕРЖАНИЕ: Целесообразность применения МП-устройства. Архитектура микропроцессорной системы. Структурная организация БИС ВТ с изолированными шинами. Содержание и возможная направленность микроконтроллера. Обобщенная структура простого встраиваемого микроконтроллера.

ВВЕДЕНИЕ

Тема реферата «Однокристальные микропроцессорные устройства. Архитектура и виды микроЭВМ и микроконтроллеров» по дисциплине «Однокристальные микроЭВМ и микроконтроллеры».

Создание микропроцессора (МП) как универсального компонента, который стал связывающим звеном БИС и СБИС различного назначения, позволило обеспечить функциональную полноту изделий электронной промышленности большой степени интеграции. МП придал свойство универсальности всей совокупности современного поколения изделий электронной техники сверхбольшой степени интеграции, что обеспечивает низкую стоимость систем управления. Он стал проводником электроники во все сферы народного хозяйства, науки и быта.

Основной причиной качественно нового этапа в развитии автономных средств вычислительной техники (СВТ) послужили успехи электронной промышленности в увеличении разрешающей способности формирования элементов на полупроводниковом кристалле. Разрешающая способность в несколько сотен нанометров и менее позволила расположить функциональные узлы ЭВМ на кристалле БИС или СБИС, что привело к созданию однокристальных микроЭВМ (ОмЭВМ) и однокристальных микроконтроллеров (ОмК).

Следствием универсальности МП-систем является их высокая гибкость – возможность быстрой перенастройки при необходимости даже значительных изменений алгоритмов управления. Перенастройка осуществляется программным путём без существенных производственных затрат.

МП позволяют легко реализовать принципы открытых систем, функциональные возможности которых могут наращиваться по мере необходимости или при появлении новых технических средств. Области применения ОмЭВМ и ОмК классифицируют по составу функций, выполняемых ими при управлении технологическими процессами, оборудованием, устройствами и их параметрами и данными.

Задачи автоматизации процессов различного рода сопряжены с проблемой автоматического ввода информации в ЭВМ, для решения которой разработана аналоговая и аналого-цифровая база. Фактически, это процессоры аналогового сигнала, комплексно выполняющие автоматические операции сбора, измерений, предварительной обработки, подготовки и ввода в ЭВМ кодированной измерительной информации. Такие процессоры могут быть объединены с интегральными первичными измерительными преобразователями (датчиками).

Целесообразность применения МП-устройства определяется эффективностью при его включении в проект. Универсальных рекомендаций здесь нет, и решение принимает сам разработчик. Но в целом использование МП-устройства оправдано в следующих случаях [1]:

а) число корпусов интегральных схем (ИС) малой и средней степени интеграции, требуемое для решения задачи, превышает 30–50 шт.;

б) проектируемое устройство должно быть многофункциональным;

в) проектируемый модуль должен взаимодействовать с большим числом входных и выходных устройств;

д) требуется запомнить большой объём данных или большое число логических состояний;

е) при выполнении алгоритмов, связанных с вычислениями;

ж) при необходимости выполнения дополнительных обеспечивающих функций (самокалибровка, самодиагностика и т.п.);

и) необходимо выполнять статистическую обработку данных в процессе работы;

к) промежуточные результаты работы устройства должны определяться по ходу работы и индицироваться;

л) необходимость выполнять различные функциональные преобразования;

м) велик объём обрабатываемых данных и требуется большая производительность при их обработке.

В современной технике используются как ОмЭВМ, так и ОмК.

ОмЭВМ – виды вычислительных устройств, представляющих собой комплекс технических средств и программного обеспечения (ПО), способный реализовать алгоритм, оформленный в виде программы, хранимой в памяти, и ориентированный на реализацию процессов переработки информации во взаимодействии с человеком-пользователем [2]. Как универсальная БИС они начали изготавливаться в 70-е годы прошлого столетия, и на кристалле располагались процессор, память (ОЗУ и ПЗУ), схемы сопряжения с устройствами ввода-вывода (контроллеры) и тактовый генератор.

ОмЭВМ позволили заменить схемы жёсткой логики на программируемые схемы. Эти изделия имеют низкую стоимость при наличии на кристалле функционально полного набора устройств. ОмЭВМ объединяет на одном полупроводниковом кристалле как сам МП, так и ряд дополнительных устройств, обеспечивающих его функционирование в системе управления: оперативную и программную память, генератор синхроимпульсов, разнообразные устройства ввода и вывода информации и др. Такие БИС относят к области «система на кристалле» (System-on-a-Chip, SoC).

Системы на кристалле потребляют меньше энергии, стоят дешевле и работают надёжнее, чем наборы микросхем с той же функциональностью. Меньшее количество корпусов упрощает монтаж. Тем не менее, создание одной слишком большой и сложной системы на кристалле может оказаться более дорогим процессом, чем серии из маленьких, из-за сложности разработки и отладки а также снижения процента годных изделий.

ОмК– устройство переработки информации, ориентированное на работу с некоторой искусственной системой [2]. Большое число портов – особенность контроллеров: так, БИС 580ВМ80А имеет 256 портов ввода-вывода. В памяти контроллера может храниться большое число программ, но их количество всегда ограничено и сами программы известны заранее. Они вводятся в контроллер в процессе проектирования или БИС, или устройства на его основе. Хранящийся в памяти комплект программ обновляется в исключительных случаях: используются ПЗУ для постоянных программ и ППЗУ для изменяющегося ПО [3].

Также у контроллеров нет операционной системы, нет внутреннего системного ПО (или оно представлено очень слабо). Все режимы работы контроллера известны заранее и поэтому потребность в системном ПО отсутствует. ОмК обычно работают в реальном масштабе времени, что достигается применением БИС быстродействующих серий и отсутствием системного ПО (например, БИС серии 1804 имеют длительность цикла 150 нс).

ОмЭВМ и ОмК имеют большое число сходных черт, но микроконтроллер – это устройство переработки информации (способное реализовать алгоритм), ориентированное на совместную работу с некоторой искусственной системой (машиной, прибором, и т.п.). В повседневной практике термин «микроконтроллер» вытеснил термин «однокристальная микроЭВМ».

ОДНОКРИСТАЛЬНЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА. АРХИТЕКТУРА И ВИДЫ МИКРОЭВМ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ

Архитектура процессоров

Под архитектурой микропроцессорной системой понимают структуру, построение и принципы организации аппаратных и программных средств, рассматриваемые не изнутри – с точки зрения разработчика БИС, а снаружи – с точки зрения пользователя. Отличия в архитектуре могут существенно сказаться на производительность и БИС при выполнении различных задач.

В первую очередь архитектура оценивается по системе команд, на которую она ориентирована. Процессоры RISC (ReducedInstructionSetComputer) – это устройства с сокращённой системой команд. Здесь набор выполняемых команд сокращён до минимума. Разработчик должен комбинировать команды, чтобы реализовать более сложные операции.

Процессоры CISC (ComplexInstructionSetComputers) – это устройства с полной (сложной) системой команд. Выполняют большой набор команд с развитыми возможностями адресации (непосредственная, индексная, и т.д.). Это даёт возможность выбрать наиболее подходящую команду для выполнения необходимой операции.

Возможность равноправного использования всех регистров процессора называется симметричностью процессора («ортогональностью»). Это обеспечивает дополнительную гибкость при выполнении ряда операций (например, условных переходов). В СISC-процессорах условный переход обычно реализуется в соответствии с определённым значением бита (флага) в регистре состояния. В RISC-процессоре условный переход может происходить при определённом значении бита, который находится в любом месте памяти, что значительно упрощает операции с флагами.

Преимущество RISC-процессоров проявляется в том, что их более простые команды требуют для выполнения значительно меньшее число машинных циклов. За счёт этого достигается существенное увеличение производительности.

Также архитектура процессоров оценивается по принципу организации памяти – архитектуры Гарвардского и Принстонского университетов США. Принстонская архитектура (её также называют архитектурой Фон-Неймана) имеет общую память для хранения программ и данных. Она представлена на рисунке 1.

Рис. 1 - Архитектура вычислительной системы с Принстонской архитектурой

В этой архитектуре блок интерфейса с памятью выполняет арбитраж запросов к памяти, обеспечивая выборку команд, чтение и запись данных, размещение в память или внутренних регистрах. Этот блок решает задачу выбора из памяти и данных, и очередной команды. Решение осуществляется путём выборки следующей команды во время выполнения предыдущей (операция предварительной выборки).

Основное преимущество этой архитектуры – она упрощает устройство микропроцессора, так как реализует обращение только к одной общей памяти при необходимости воспользоваться ЗУ данных, программ или стеком. Это представляет большую гибкость для разработчика ПО прежде всего в области операционных систем реального времени.

Но при такой архитектуре команды и данные запрашиваются по одной и той же шине. Чтобы выполнить выборку команды, необходимо сделать несколько запросов. Например, если необходимо считать байт и поместить его в аккумулятор, то в первом цикле из памяти выбирается команда, во втором цикле данные считываются из памяти и размещаются в аккумуляторе.

В Гарвардской архитектуре разделена память программ и память данных. Обращение к памяти происходит по отдельным шинам адреса и данных, что значительно повышает производительность процессора по сравнению с предыдущей архитектурой (рисунок 2).

Рис. 2 - Архитектура вычислительной системы с Гарвардской архитектурой

Данная архитектура выполняет команды за меньшее число тактов, чем предыдущая. Это обусловлено тем, что здесь больше возможностей для реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей команды, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды. Тот же пример, – при считывании байта и помещении его в аккумулятор, – команда также выполняется за два цикла: но выборка очередной команды производится одновременно с выполнением предыдущей команды. В итоге команда выполняется всего за один цикл (во время чтения следующей команды). Такой метод (называется «параллелизм») позволяет командам выполняться за одинаковое число тактов, что позволяет просто определять время выполнения циклов и критических участков программы. Это важно для устройств, где нужно обеспечить время выполнения. Но Гарвардская архитектура не является достаточно гибкой.

Но сравнение архитектур нельзя проводить абстрактно. Оно должно увязываться с конкретным приложением. Зачастую специфика архитектуры позволяет наилучшим образом реализовать конкретное приложение. С целью уменьшения выводов БИС ОмЭВМ и ОмК при их построении применяют следующую структурную организацию. С раздельными шинами (рисунок 3: раздельными – для памяти и для контроллеров ВУ): за счёт использования двунаправленных шин, по одной шине, в зависимости от дополнительного управляющего сигнала (напр., READ/WRITE) данные передаются из памяти в процессор или обратно.

Рис. 3 - Структурная организация БИС ВТ с раздельными шинами

Для внешних устройств ввод-вывод информации может сопровождаться сигналом INPUT/OUTPUT, что ведёт к дальнейшему сокращению выводов БИС.

Структурная организация БИС с изолированными шинами приведена на рисунке 4. За счёт использования одних и тех же шин для связи процессора с памятью, и с внешними устройствами сокращается число выводов БИС, а передача данных управляется наличием на шине управления сигнала R/W (обмен с памятью) или сигнала I/O (обмен с ВУ).

Рис. 4 - Структурная организация БИС ВТ с изолированными шинами

Активно применяется структурная организация с мультиплексируемой шиной (рисунок 5). По ней за счёт объединения адресной шины и шины данных в одни моменты времени передаются адреса, а в другие моменты – данные.

Рис. 5 - Структурная организация БИС ВТ с мультиплексируемой шиной

Развитием последнего варианта является структура с общими шинами – в ней исключены команды ввода-вывода из системы команд ЭВМ. Часть адресного пространства в памяти отводят для адресов регистров контроллеров внешних устройств. Для ввода-вывода используют команды ЭВМ, которые осуществляют запись данных в эту область памяти. Процессор как бы заставляют выполнять операцию с регистром данных контроллера ВУ, в то время как он работает так, как если бы имел дело с ячейкой памяти ЭВМ (рисунок.6).

Рис. 6 - Структурная организация БИС ВТ с общими шинами

Виды микроэвм и микроконтроллеров

Микроконтроллеры – управляющие устройства в микроисполнении – широко применяются в различных областях технической деятельности человека: в ПЭВМ, стиральных машинах, музыкальных центрах, автомобилях, средствах измерений, и т.д. Микроконтроллер является управляющим ядром аппаратных комплексов различного назначения. С его помощью гораздо легче, в отличие от традиционных решений, реализуются различные схемы. Опираясь на [4], можно представить внутреннее содержание микроконтроллера и его направленность на некоторые возможные объекты управления так, как это сделано на рисунке 7.

Индикаторы (светодиодные, 7-сегментные, матричные)

Рис. 7 - Содержание и возможная направленность микроконтроллера

Достоинство микроконтроллера (МК) – это наличие на кристалле большого числа периферийных схем, что позволяет ему общаться с разнообразными внешними устройствам при минимуме дополнительных узлов. Это также уменьшает размеры конструкции и позволяет снизить потребление энергии от источника питания.

Из рисунка 7 видно, что МК содержит типовые функциональные узлы. К ним относятся следующие.

1. Центральное процессорное устройство – оно принимает из памяти программ коды команд, декодирует их и исполняет. В него входят арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры и цепи управления.

2. Память программ – она хранит коды команд, последовательность которых формирует программу микроконтроллера.

3. Оперативная память данных (ОЗУ) – здесь хранятся переменные программ. У многих МК здесь также расположен стек.

4. Тактовый генератор – инициирует работу контроллера, и от него зависит скорость работы МК.

5. Цепь сброса – приводит МК в исходное состояние, чем определяет правильный запуск его работы.

6. Последовательный порт – позволяет обмениваться данными с внешними устройствами при малом числе проводов.

7. Цифровой порт ввода-вывода – с помощью его линий можно управлять одновременно несколькими внешними устройствами, адресуя их.

8. Таймер – задаёт временные интервалы.

9. Сторожевой таймер – специальный таймер, предназначенный для предотвращения системных сбоев программы: после запуска он начинает отсчёт заданного временного интервала. Если программа не перезапустит его до истечения этого интервала времени, сторожевой таймер перезапустит МК. То есть программа должна сигнализировать таймеру, что с ней всё в порядке. Если такого сигнала нет, то в работе программы по какой-то причине произошёл сбой.

Наиболее распространён ОмК ф. Intel 51-й серии и его клоны от разных производителей. Кроме этого, появились интегральные схемы, использующие сокращённый набор команд процессора (RISK – ReducedInstructionSetComputers). Среди них популярны контроллеры ф. Microchip семейства PIC (Peripheral Interface Controller). Также лидирующее место занимают RISK ОмК из серии AVR (например, ф. Аtmel). PIC-контроллеры выпускают многие фирмы, кому не лень их делать.

PIC-контроллер имеет также RISK-процессор, только архитектура процессора другая и кодовое слово не 8 бит, а 11–15 бит.

Основное отличие RISK-процессора от 51-й серии ф. Intel, например, то, что команда в нём исполняется за один такт, и число команд ограничено – обычно около 60–70 штук. Поэтому в ходе изучения нужно рассматривать оба типа микроконтроллеров. Как обычный ОмК нужно рассмотреть контроллер 51-й серии (и как самый используемый тип контроллеров). А в качестве RISK-контроллера необходимо рассмотреть PIC-контроллеры и контроллер AVR ф. Аtmel, так как для него много всевозможного бесплатного обеспечения, используемого для программирования и демонстрации.

Впрочем, нет принципиальной разницы, на каком оборудовании изучаются ОмК, так как сейчас все они часто программируется на языке С . Но ресурсы в разных процессорах разные и, в зависимости от модели, что-то может присутствовать, а что-то может быть упущено. После контроллера 51-й серии целесообразно рассматривать AVR-контроллеры, а затем идут atmega и arm как дальнейшее развитие. Достаточно рассмотреть и изучить один процессор – и полученные знания легко распространяются на все остальное. Новые ресурсы и возможности появляются, а принципы остаются всё те же (кроме PIC-контроллеров).

Семейство MCS-51, по сути дела, стало прародителем семейств так называемых PIC и AVR микроконтроллеров, выполненных по Гарвардской архитектуре процессора.

В случае высоких требований к быстродействию МК, при условии их низкой стоимости и энергопотребления, разработки на основе МК MCS-51 применяются реже, уступая место разработкам на PIC и AVR микроконтроллерах.

В целом, многообразие современных ОмК чрезвычайно велико. Зачастую их делят на виды [5]:

– встраиваемые 8-разрядные;

– 16- и 32-разрядные МК;

– цифровые сигнальные процессоры (DSP).

Встраиваемые (embedded) микроконтроллеры имеют все ресурсы (память, устройства ввода-вывода, и т. д.) на одном кристалле с процессорным ядром. На такой контроллер подаются питание и тактовые сигналы. В них процессорное ядро может быть общего плана или разработано специально для данного МК. Основное назначение встраиваемых МК – обеспечить гибкое программируемое управление объектами и связь с внешними устройствами. Они не приспособлены для выполнения комплекса сложных функций.

Такие МК содержат большое число вспомогательных устройств, за счёт чего реализуется их включение в конкретную систему с использованием минимального числа дополнительных компонентов. Обобщённая структура такого контроллера приведена на рисунке 8.

Рис. 8 - Обобщённая структура простого встраиваемого микроконтроллера

микропроцессор микроконтроллер шина

В состав таких МК обычно входят схема начального запуска (Reset); генератор тактовых импульсов; центральный процессор; память программ (ПЗУ или ППЗУ, ЭППЗУ); память данных (ОЗУ); средства ввода-вывода данных; таймеры, фиксирующие число командных циклов.

Сложные встраиваемые МК реализуют дополнительные возможности: встроенный монитор-отладчик программ; внутренние средства программирования памяти программ; обработка прерываний от различных источников; аналоговый ввод-вывод; последовательный ввод-вывод (синхронный и асинхронный); параллельный ввод-вывод (включая интерфейс с компьютером); подключение внешней памяти (микропроцессорный режим).

Типичные значения частоты тактовых сигналов различных МК составляют 10–20 МГц. Главным фактором, ограничивающим их скорость, является время доступа к памяти.

Микроконтроллеры с внешней памятью (особенно 16- и 32-разрядные) используют только внешнюю память, которая включает в себя как память программ ПЗУ (ROM), так и некоторый объём памяти данных ОЗУ (RAM), требуемый для конкретного применения. Структура МК с внешней памятью приведена на рисунке 9.

Примером такого МК служит БИС ф. Intel 80188. Это микропроцессор 8088 (используемый в компьютерах IBMPC), интегрированный на общем кристалле с дополнительными схемами, реализующими ряд стандартных функций (прерывания и прямой доступ к памяти DMA). Здесь в одном корпусе объединены устройства, необходимые для реализации систем, в которых могут использоваться функциональные возможности и ПО микропроцессора 8088.

Рис. 9 - Обобщённая структура микроконтроллера с внешней памятью

Микроконтроллеры с внешней памятью предназначены для применений, требующих большого объёма памяти данных ОЗУ и небольшого количества устройств (портов) ввода-вывода. Для них наиболее подходят приложения, в которых критическим ресурсом является память, а не число логических входов–выходов общего назначения, тогда как для встраиваемых МК характерна обратная ситуация.

Типичный пример МК с внешней памятью – контроллер жёсткого диска (HDD) с буферной кэш-памятью, который обеспечивает промежуточное хранение и распределение больших объёмов данных (обычно, мегабайты). Внешняя память даёт возможность такому МК работать с более высокой скоростью, чем встраиваемый МК.

Цифровые сигнальные процессоры (DSP) предназначены для получения текущих данных от аналоговой системы и формирования соответствующего отклика. В них АЛУ работает с очень высокой скоростью, что позволяет осуществлять обработку данных в реальном масштабе времени (в темпе поступления входных данных). Пример – активный шумоподавляющий микрофон, когда второй микрофон обеспечивает сигнал окружающего шума, который вычитается из сигнала первого микрофона. Так подавляется шум и остаётся только голос.

Цифровым сигнальным процессорам присущи особенности встраиваемых МК и контроллеров с внешней памятью. Они не предназначены для автономного применения, а входят в состав систем и предназначены для управления внешним оборудованием. Например, наличие аналогового ввода–вывода и встроенного устройства цифровой обработки в БИС КМ1813ВЕ1 позволяет использовать её для построения фильтров (в том числе перестраиваемых), в синтезаторах и анализаторах речи, в анализаторах спектра, для генераторов сигналов различной формы и т. п.

Примером отечественных ОмЭВМ может служить таблица А.1 [6, 7] приложения А. Наиболее доведённой до практического применения являлась серия 1850. Ряд серий ОмЭВМ имеют БИС отладочного кристалла без встроенного ПЗУ и позволяют отрабатывать различные применения БИС данных серий за счёт замены или перепрограммирования внешнего ПЗУ (например, КМ1814ВЕ3, КР1816ВЕ35, КР1816ВЕ39 или КР1820ВЕ1). Наличие аналогового ввода-вывода и встроенного устройства цифровой обработки в БИС КМ1813ВЕ1 позволяет использовать её для построения фильтров (в том числе перестраиваемых), в синтезаторах и анализаторах речи, в анализаторах спектра, для генераторов сигналов различной формы и т. п.

Характеристики отечественных микроконтроллеров приведены в таблице Б.1 приложения Б, а характеристики зарубежных ОмК приведены в таблице Б.2. Описание контроллера серии AVR (микроконтроллер AT90S2313) приведено в [8].

ВЫВОДЫ

Основной причиной качественно нового этапа в развитии автономных средств вычислительной техники послужили успехи электронной промышленности в увеличении разрешающей способности формирования элементов на полупроводниковом кристалле. Целесообразность применения однокристальных МП-устройств определяется эффективностью при их включении в проект. Преимущество RISC-процессоров проявляется в том, что их более простые команды требуют для выполнения значительно меньшее число машинных циклов. За счёт этого достигается существенное увеличение производительности.

ОмЭВМ объединяет на одном полупроводниковом кристалле как сам МП, так и ряд дополнительных устройств, обеспечивающих его функционирование в системе управления: оперативную и программную память, генератор синхроимпульсов, разнообразные устройства ввода и вывода информации и др. ОмК– это устройства переработки информации, ориентированные на работу с некоторой искусственной системой. Большое число портов – их особенность. Микроконтроллер является управляющим ядром аппаратных комплексов различного назначения. С его помощью гораздо легче, в отличие от традиционных решений, реализуются различные схемы.

Основное преимущество Принстонской архитектуры в том, что она упрощает устройство микропроцессора, так как реализует обращение только к одной общей памяти при необходимости воспользоваться ЗУ данных, программ или стеком. Это представляет большую гибкость для разработчика ПО прежде всего в области операционных систем реального времени. Гарвардская архитектура выполняет команды за меньшее число тактов, чем предыдущая – здесь больше возможностей для реализации параллельных операций.

С целью уменьшения выводов БИС ОмЭВМ и ОмК при их построении применяют различные структурные организации. Многообразие современных ОмК чрезвычайно велико, и часто их делят на виды: встраиваемые 8-разрядные; 16- и 32-разрядные; цифровые сигнальные процессоры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах / Г.Я. Мирский. – М.: Радио и связь, 1984. – 160 с.

2. Шилейко А.В. Микропроцессоры / А.В. Шилейко, Т.И. Шилейко. – М.: Радио и связь, 1986. – 112 с.

3. Сташин В.В. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах / В.В. Сташин, А.В. Урусов, О.Ф. Мологонцева. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 224 с.

4. Голубцов М.С. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному / М.С. Голубцов, А.В. Кириченкова. – М.: СОЛОН–Пресс, 2006. – 304 с.

5. Предко М. Руководство по микроконтроллерам. Т. 1 / М. Предко. – М.: Постмаркет, 2001. – 416 с.

6. Басманов А.С. Микропроцессоры и однокристалные микроЭВМ: Номенклатура и функциональные возможности / А.С. Басманов, Ю.Ф. Широков под ред. В.Г. Домрачёва. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 128 с.

7. Варламов И.В. Микропроцессоры в бытовой технике / И.В. Варламов, И.Л. Касаткин. – М.: Радио и связь, 1990. – 104 с.

8. Никонов А.В. Однокристальные микроЭВМ и микроконтроллеры: учеб. пособие / А.В. Никонов. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009. – 56 с.

9. Токхейм Р. Основы цифровой электроники. – М.: Мир, 1998. – 392 с.

10. Денисов К.М. Микропроцессорная техника. Конспект лекций [Электронный ресурс] . – URL: http://ets.ifmo.ru/denisov/lec/oglavlen.htm .

11. Евстифеев А.В.Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL / А.В. Евстифеев. – М.: Издательский дом «Додэка–XXI», 2004. – 560 с.

12. Электроника НТБ // Для специалистов, занятых разработкой, производством и применением изделий электронной техники, а также ученым, преподавателям и студентам технических вузов.

13. Computer // IEEEComputerSociety.

14. Бродин В.Б. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики / В.Б. Бродин, А.В. Калинин. – М.: ЭКОМ, 2002. – 400 c.

15. Цифровая обработка информации на основе быстродействующих БИС / С.А. Гамкрелидзе [и др.]; под ред. В.Г. Домрачева. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 136 с.

16. Однокристальные микроЭВМ / А.В. Боборыкин [и др.]. – М.: Бином, МИКАП, 1994. – 398 с.

Приложение А

Характеристики отечественных однокристальных микроЭВМ

Примером последовательного развития отечественных ОмЭВМ может служить таблица А1 [6, 7]. Наиболее доведённой до практического применения являлась серия 1850. Расположение названий типов ОмЭВМ по строкам отражает развитие этого направления во времени. Заметен рост вычислительных ресурсов за счёт увеличения ёмкости ПЗУ программ, в том числе и в появлении внешнего ПЗУ программ. Улучшалась технология изготовления ПЗУ, ведущая к программированию с помощью простых аппаратных средств, расширялась система команд. Возрастала разрядность шины данных и увеличивалось значение тактовой частоты. При этом снижалась мощность, потребляемая от источника питания.

Появились встроенные таймеры, обеспечивалась обработка запроса на прерывание работы основной программы. Также появились внутренние АЦП, ЦАП и входное УВХ.

Таблица А1 - Характеристики БИС отечественных ОмЭВМ

Тип (аналог)	Значения параметров
КБ1013ВК1-2	Разрядность шины данных: 4. Р_ПИТ : 200 мкВт. Внутреннее ПЗУ программ: 29 страниц 638 бит.
КБ1013ВК4-2	Р_ПИТ : 200 мкВт. Внутреннее ПЗУ программ: 44 страницы 63х8 бит.
К1813ВЕ1 (i2920)	f_T : 6,67 МГц. Внутреннее ПЗУ программ: 4608 бит (192х24). Тип внутреннего ПЗУ: УФ ППЗУ. Внутреннее регистровое ОЗУ: 1 Кбит (40х25). Примечание: 21 команда; внутренние АЦП, ЦАП; входное УВХ.
КР1814ВЕ2 (TMS1000NLL)	Разрядность шины данных: 4. Внутреннее ПЗУ программ: 1 К бит (16х64 байт). Тип внутреннего ПЗУ: масочное. Внутреннее регистровое ОЗУ: 64х4 бит. Примечание: 43 команды.
К1814ВЕ3 (TMS1099)	Разрядность шины данных: 4. f_T : 0,35 МГц. Внутреннее регистровое ОЗУ: 64х4 бит. Примечание: 43 команды.
КР1814ВЕ4 (TMS1200)	Разрядность шины данных: 4. Внутреннее ПЗУ программ: 1 Кбит. Тип внутреннего ПЗУ: масочное. Внутреннее регистровое ОЗУ: 64х4 бит. Примечание: 43 команды.
КР1816ВЕ31 (i8031АН)	Разрядность шины данных: 8. f_T : до 12 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 4х8. U_ПИТ : 5 В; I_ПИТ : 150 мА. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит. Внешняя память программ: 64 Кх8. Внешняя память данных: 64 Кх8. Кол-во таймеров/разрядность: 2/16. Число источников прерываний; внешних выводов/приоритет: 5; 2/2.
КР1816ВЕ35 (i8035)	Разрядность шины данных: 8. f_T : 6 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 3х8. U_ПИТ : 5 В; I_ПИТ : 135 мА. Внутреннее регистровое ОЗУ: 64х8 бит. Внешняя память программ: 4 Кх8. Внешняя память данных: 384х8. Кол-во таймеров/разрядность: 1/8.
КР1816ВЕ39 (i8039)	Разрядность шины данных: 8. f_T : 11 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 3х8. U_ПИТ : 5 В; I_ПИТ : 110 мА. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит. Внешняя память программ: 4 Кх8. Внешняя память данных: 384х8. Кол-во таймеров/разрядность: 1/8.
КР1816ВЕ48 (i8048)	Разрядность шины данных: 8. f_T : 6 МГц. Внутреннее ПЗУ программ: 1 Кх8 бит. Тип внутреннего ПЗУ: УФ ППЗУ. Внутреннее регистровое ОЗУ: 64х8 бит. Три 8-разрядных порта ввода-вывода.
КР1816ВЕ49 (i8049)	Разрядность шины данных: 8. f_T : 11 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 3х8. Внутреннее ПЗУ программ: 2 Кх8 бит. Тип внутреннего ПЗУ: масочное (или УФ ППЗУ, без ПЗУ). Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит. Внешняя память программ: 4 Кх8. Внешняя память данных: 256х8. Кол-во таймеров/разрядность: 1/8. Примечание: 111 команд.
КР1816ВЕ51 (i8051АН)	Разрядность шины данных: 8. f_T : 12 МГц. Внутреннее ПЗУ программ: 4 Кх8 бит. Тип внутреннего ПЗУ: масочное. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит.
КР1816ВЕ751 (i8749Н)	Разрядность шины данных: 8. f_T : до 12 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 4х8. U_ПИТ : 5 В; I_ПИТ : 220 мА. Внутреннее ПЗУ программ: 4 Кбит. Тип внутреннего ПЗУ: УФ ППЗУ. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит. Внешняя память программ: 64 Кх8. Внешняя память данных: 64 Кх8. Кол-во таймеров/разрядность: 2/16. Число источников прерываний; внешних выводов/приоритет: 5; 2/2.
КР1820ВЕ1 (СОР402)	Разрядность шины данных: 4. f_T : 4 МГц. U_ПИТ : 5 В; I_ПИТ : 35 мА. Внутреннее регистровое ОЗУ: 64х4 бит. Число источников прерываний; внешних выводов/приоритет: 1;. Примечание: 49 команд.
К1820ВЕ2 (СОР420)	Разрядность шины данных: 4. f_T : 4 МГц. U_ПИТ : 5 В; I_ПИТ : 35 мА. Внутреннее ПЗУ программ: 1024х8 бит. Тип внутреннего ПЗУ: масочное. Внутреннее регистровое ОЗУ: 64х4 бит. Число источников прерываний; внешних выводов/приоритет: 1;. Примечание: 49 команд.
КР1830ВЕ31 (i80С31ВН)	Разрядность шины данных: 8. f_T : до 12 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 4х8. U_ПИТ : 5 В; I_ПИТ : 18 мА. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит. Внешняя память программ: 64 Кх8. Внешняя память данных: 64 Кх8. Кол-во таймеров/разрядность: 2/16. Число источников прерываний; внешних выводов/приоритет: 5; 2/2.
КР1830ВЕ35 (i80С35)	Разрядность шины данных: 8. f_T : до 6 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 3х8. U_ПИТ : 5 В; I_ПИТ : 8 мА. Внутреннее регистровое ОЗУ: 64х8 бит. Внешняя память программ: 4 Кх8. Внешняя память данных: 384х8. Кол-во таймеров/разрядность: 1/8.
КР1830ВЕ48 (i80С48)	Внутреннее ПЗУ программ: 1 Кх8. Тип внутреннего ПЗУ: масочное.
КР1830ВЕ51 (i80С51ВН)	Внутреннее ПЗУ программ: 4 Кбит. Тип внутреннего ПЗУ: масочное.
КР1830ВЕ753 (i87С51)	Разрядность шины данных: 8. Порты ввода-вывода: (кол-во) х (разрядн.): 4х8. U_ПИТ : 5 В. Внутреннее ПЗУ программ: 4 Кбит. Тип внутреннего ПЗУ: УФ ППЗУ. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит. Внешняя память программ: 64 Кх8. Внешняя память данных: 64 Кх8. Кол-во таймеров/разрядность: 2/16. Число источников прерываний; внешних выводов/приоритет: 5; 2/2.
КР1835ВЕ31 (i80C31ВН)	Разрядность шины данных: 8. f_T : до 12 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 4х8. U_ПИТ : 5 В; I_ПИТ : 13 мА. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит. Внешняя память программ: 64 Кх8. Внешняя память данных: 64 Кх8. Кол-во таймеров/разрядность: 2/16.
КР1835ВЕ39 (i8039)	Разрядность шины данных: 8. Порты ввода-вывода: (кол-во) х (разрядн.): 3х8. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит. Внешняя память программ: 4 Кх8. Внешняя память данных: 256х8. Кол-во таймеров/разрядность: 1/8.
КР1835ВЕ49 (i8049)	Внутреннее ПЗУ программ: 2 Кх8. Тип внутреннего ПЗУ: масочное.
КР1835ВЕ51 (i80C51ВН)	Внутреннее ПЗУ программ: 4 Кбит. Тип внутреннего ПЗУ: масочное.
1835ВГ14 (вместо 1816ВЕ35, ВЕ49)	Разрядность шины данных: 8. f_T : 8 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во) х (разрядн.): 27 линий. U_ПИТ : 5 В; I_ПИТ : 1 мА. Внутреннее ПЗУ программ: 2 Кбайт. Внутреннее регистровое ОЗУ: 256 байт. Кол-во таймеров/разрядность: 1/8.
КР1850ВЕ31 (i8031)	f_T : 3,5–12 МГц. U_ПИТ : 5 В; I_ПИТ : 120 мА. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит.
КР1850ВЕ631	f_T : 3,5–12 МГц. U_ПИТ : 5 В; I_ПИТ : 120 мА. Внутреннее регистровое ОЗУ: 128х8 бит.
КР1850ВЕ651	Внутреннее ПЗУ программ: 32 Кбит.
КР1850ВЕ35 (i8035)	. f_T : 8 МГц.
КР1850ВЕ48 (i8048)	Разрядность шины данных: 8. f_T : 1–6 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 3х8. U_ПИТ : 5 В. Внутреннее ПЗУ программ: 1 Кбайт. Тип внутреннего ПЗУ: масочное. Внутреннее регистровое ОЗУ: 64 байт. Внешняя память программ: 2 Кх8. Внешняя память данных: 256х8. Кол-во таймеров/разрядность: 1/8. Число источников прерываний; внешних выводов/приоритет: –; 2/1.
КР1850ВЕ50 (i8050)	Разрядность шины данных: 8. f_T : 1–6 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 3х8. Внутреннее ПЗУ программ: 4 Кбайт. Тип внутреннего ПЗУ: масочное. Внутреннее регистровое ОЗУ: 256 байт. Число источников прерываний; внешних выводов/приоритет: 2/1.
КР1850ВЕС48	f_T : до 11 МГц. Порты ввода-вывода: (кол-во)х(разрядн.): 3х8. Р_ПИТ : 5 мВт (при частоте 1 МГц). Внешняя память программ: 2 Кх8. Внешняя память данных: 256х8. Кол-во таймеров/разрядность: 1/8.

Приложение Б

Характеристики отечественных и зарубежных однокристальных микроконтроллеров

В таблице Б.1 показано последовательное развитие отечественных ОмК [6, 7]. Исходные опытные серии, выпущенные ещё в СССР, не были продолжены в связи с экономической ситуацией в стране в конце 80-х – начала 90-х гг. прошлого столетия. Но первые строки таблицы показывают, что данное направление в нашей стране развивалось в русле мировых воззрений и тенденций.

Таблица Б.1 - Характеристики отечественных БИС ОмК

Тип	Адресуемая память, Кбайт	Разрядность, бит	Память	Тактовая частота, МГц	Число команд (обрабатываемых прерываний)	Таймер, бит	Ввод-вывод	Примеч.
НТ8020	64	8 данные, 16 адреса	эл. стираемое ППЗУ 256 байт; ПЗУ 4 Кбайт; ОЗУ 256 байт	310⁶ оп/с	RISC (8)	16 (3 шт.)	3 двунапр-х и 2 однонапр-х 8-разряд-х порта; 1 двунапр-й 7-разряд-й порт	ЛНТ, Р.Беларусь U_П = 5 В, I_П = 1 мА
MZ9001-12	8	12	внутр-е 8-разр-е АЦП и ЦАП; ШИМ	разряд-ть каналов датчиков и исполнит-х устр-в 16	«Мезон». U_П = 5 В, U_{П АН} = = 4,5–– 13,5 В
К145ИК5 (К145ИК502)	ОЗУ 72х4 бит; ПЗУ 128х19 бит;	U_П = минус 27 В
К145ИК13 (К145ИК1301)	ОЗУ 126х4 бит; ПЗУ 256х23 бит;
К145ИК18 (К145ИК1802)	ОЗУ 72х4 бит; ПЗУ 128х19 бит	U_П = минус 27 В
К145ИК19 (К145ИК1907, К145ИК1908)	ОЗУ 32х4 бит; ПЗУ 128х20 бит	U_П = минус 27 В
К145ИК1801	U_П = минус 27 В
К145ИК1808	U_П = 27 В
К145ИК1809, К145ИК1810	U_П = 27 В
К145ИК1901, К145ИК1902	U_П = 27 В
К145ИК1916	U_П = 9 В
К1011ВГ101	4 Кх8 бит	ПЗУ 1024х10 бит	U_П = 9 В

Таблица Б.2 иллюстрирует возможности ОмК основных зарубежных фирм – разработчиков данных изделий. Параметры, приведённые в таблице, отражают как характеристики основных функциональных модулей БИС ОмК, так и проявление в архитектуре изделий оригинальных структурных решений отдельных производителей.

Таблица Б.2 - Характеристики зарубежных БИС ОмК

Тип

Разрядность ШД

f_T ,

МГц

Кол-во линий ввода-вывода

U_П В,

I_П мА

Внутреннее ПЗУ программ, Кбайт

Внутреннее регистровое ОЗУ, байт

Адрес. пространство внешней памяти

Кол-во таймеров/ разрядность

Прер-я: вектра/ приоритеты/ внеш. выводов

АЦП: кол-во каналов разрядность

ф. Intel

8хС151SA (SB)

до 16

4х8

8–16

232

64 К

3/16

5/2/2

нет

8хС251SA (SB, SP, SQ)

до 16

4х8

8–16

488–1 К

128–256 К

3/16

нет

8хС198

232

64 К

2/16

8хС196КВ

6х8

232

64 К

2/16

16/16/3

8х10

8хС196КС

6х8

488

64 К

2/16

16/16/3

8х10

8хС196КD

6х8

1000

64 К

2/16

16/16/3

8х10

8хС196КR (KQ, JR, JQ, KT, KS, JT, JS, JV)

16, 20

41–56

16–48

488–1,5 К

64 К

2/16

(6–8)

х10

8хС196МС (MD, MH)

50–64

16–32

488–744

64 К

2/16

(8–14)

х10

8хС196СА (СВ)

44–56

32–56

1000–1,5 К

64 К – 1 М

2/16

(6–8)

х10

8хС196NT (NR, NU)

25, 50

32–56

4–32

1000–512

1 М

2/16

(0–4)

х10

8хС296SA

512–2 К

6 М

2/16

нет

8748Н

; 100 (11 МГц)

128

1/8

Синхр/

Асинхр. последов. порт

ф. Motorola

M68HC05

(2–4) х8

до 32

до 768

64 К

(1–8) х8

M68HC08

до 36

1024

64 К

нет

M68HC11

до 32

1278

1 М

1/16

(8–12) х(8–10)

M68HC16

до 48

до 4 К

1 М

1/16

M68300

3,3–5

flash до 64

0,5–10 К

4 Г

ф. MicroChip

PIC16C5x

до 20

12–20

2,5–6,2; 2 (4 МГц)

0,5–2

25–73

внешней нет

1/8

PIC16C6x

до 20

13–22

3–6; 2 (4 МГц)

1–4

36–192

внешней нет

1–3/?

3–12//

PIC17Cхx

до 25

3–5,5; 2 (4 МГц)

2–8

232–454

внешней нет

4х?

11//

PIC17C44

; 38 (33 МГц); 1 мкА спящ. режим

454

3/16

Синхр./Асинхр. последов. порт.

ШИМ

ф. Texas Instruments (серия MSP430)

TSS400

2,6–5,5; 0,5

512

2/16

есть

MSP430

2,5–5,5; 0,3

512

2/16

есть

ф. Philips

8хС552

12–30

5х8

5; 68

256

(1–2)/16

15/2/

есть

8хС562

12–30

5х8

5; 68

256

(1–2)/16

15/2/

есть

ф. Zilog (семейство Z86)

Z86Exx

8–12

14–32

3–5,5; 12

0,5–4

60–236

2/8

6//2

нет

ф. Dallas Semiconductor (семейство MCS-51)

DS5000FP, DS5001FP, DS5002FP

20; 25; 33

256

64–128 К

6/?/?

нет

DS80С310, DS80С320, DS80С323

20, 25, 33

256

64–128 К

6//

нет

DS87С520, DS87С530

256–1 К

64–128 К

6//

нет

ф. Atmel (семейство MCS–51)

АТ89Схххх

12–24

3–6; 15

flash 1–8 К

64–256

1–3/16

3–9//

нет

Современные микроконтроллеры

DS89C420 (совместимый с 8051 8-разрядными микроконтроллерами): память программ 16 Кбайт Flash; 1 Кбайт SRAM, используемых командами MOVX; 256 байтов сверхоперативной RAM; 2 универсальных асинхронных приёмопередатчика; четыре двунаправленных порта I/O; программируемый сторожевой таймер; имеется сброс по потере питания и прерывание; напряжение питания 4,5–5,5 В; потребление в режимах активном/idle (ждущем) 100/15 мА; программирование непосредственно в условиях применения; внутрисистемное программирование через последовательный порт; выбор объема встроенной памяти программ от 0 до 16 Кбайт; возможность обращения ко всему пространству внешней памяти; один тактовый цикл на каждый машинный цикл; диапазон рабочих частот от 0 до 50 МГц; выполнение одноцикловых команд за 20 нс; программируемый делитель тактовой частоты; автоматический аппаратный и программный выход из режима; тринадцать источников прерываний (из них шесть внешних); пять уровней приоритета.

Фирма Siemens: развитие семейства MCS-51 (микроконтроллеры серии C500) на основе архитектуры МК 8051, дополненной сложной периферией: 10-разрядные АЦП; 6-канальный 10-разрядный ШИМ для управления электродвигателями постоянного тока; 29-канальный ШИМ; 8 DPTR; аппаратный блок умножения 16х16 и деления 32/16; блок загрузчика программной памяти.

Фирма Atmel: в рамках семейства MCS-51 20-выводные микроконтроллеры AT89С2051/1051; микроконтроллеры с каналом SPI, обеспечивающие возможность внутрисхемного программирования FLASH памяти; микроконтроллер с резидентной памятью типа EEPROM, обеспечивающей хранение оперативных данных при отключенном питании микросхемы.

Фирма Dallas Semiconductor: семейство MCS-51 серия DS5000. Их резидентная память программ выполнена в виде NVRAM – оперативной памяти, энергонезависимость которой обеспечивается литиевой батарейкой, встроенной непосредственно в корпус микросхемы (10-летняя гарантия на сохранность информации). Временные характеристики полностью идентичны характеристикам микроконтроллера 8051.

Группа микроконтроллеров DS8xC300/500, в которых типовой цикл выборки и выполнения команд сокращён до 4-х тактов, а холостые выборки исключены: команды стали выполняться за 4 такта тактового генератора, т. е. в 3 раза быстрее. Команды МК 8051, которые не имели холостых выборок, в DS8xC300/500 «ускорены» в 1,5 раза.

Фирма Intel: (родоначальник архитектуры семейства MCS-51) разработала архитектуру MCS-251: 24-разрядное линейное адресное пространство, обеспечивающее адресацию до 16 Мбайт памяти; регистровая архитектура, допускающая обращение к регистрам как к байтам, словам и двойным словам; страничный режим адресации для ускорения выборки команд из внешней программной памяти; очередь инструкций; расширенный набор команд, включающий 16-битовые арифметические и логические операции; расширенное адресное пространство стека (до 64 Кбайт); выполнение самой быстрой команды за 2 такта.

Фирма Philips: MCS-51 от Philips входят микроконтроллеры, работающие при тактовой частоте до 40 МГц и напряжении питания от 1,8 В. Во всех этих микроконтроллерах используется стандартное ядро MCS-51 (архитектура микроконтроллера 8051), дополненное набором периферии: 10-разрядные АЦП; 8-разрядный ЦАП; широтно-импульсные модуляторы; массивы программируемых таймеров/счетчиков; интерфейсы I2C, CAN; интерфейсы с процессорными шинами (Processor Bus Interface); специализированную периферию для телевизионной, видео и аудио техники. Выпущены микроконтроллеры MCS-51, обладающие функцией снижения электромагнитных помех (Lower EMI).

Стандартные микроконтроллеры групп 8xC51, 8xC52/54/58 и 8xC51Fx фирмы Intel переведены на новую технологию: серия MCS-51XA. Её возможности: максимальная тактовая частота до 33 МГц; диапазон напряжения питания от 2,7 до 5,5 В; количество аппаратных уровней прерываний до 4-х; введена функция программируемого clock-out; два DPTR; потребляемая мощность снижена на 50 %.

Кроме того, фирма Philips выпустила семейство микроконтроллеров 51ХА: 16-разрядное АЛУ на базе регистровой архитектуры; 24-разрядное адресное пространство, обеспечивающее адресацию до 16 Мбайт памяти программ или данных; восемь 16-разрядных регистров для выполнения арифметических и логических операций; расширенный набор команд; аппаратная поддержка мультизадачности; выполнение инструкций типа регистр-регистр за 100 нс; напряжение питания от 2,7 В. Архитектура MCS-51ХА обеспечивает увеличение быстродействия до 100 раз по сравнению с традиционной архитектурой MCS-51.

Фирма Atmel:ATmega16L-8 – тактовая частота 0–8 МГц; напряжение питания 2,7–5,5 В; ATmega16-16 – тактовая частота 0–16 МГц; напряжение питания 4,5–5,5 В; потребление тока не более 1,1 мА, в ждущем режиме не более 0,35 мА и в спящем режиме не более 1 мкА. Возможность внешнего программирования внутренней памяти 16 Кбайт Flash; 512 байт памяти EEPROM; внутреннее статическое запоминающее устройство с произвольной выборкой 1 Кбайт; два 8-битовых и один 16-битовый таймер–счётчик с возможностью перепрограммирования коэффициента счёта, сравнения и предустановки; 8-миканальный АЦП; аналоговый компаратор; 32 программируемые линии ввода-вывода.

Примечание. х = 0 – нет ПЗУ; х = 3 – масочное ПЗУ; х = 7 – УФ ППЗУ

Скачать архив с текстом документа