Микроконтроллеры для начинающих. И не только

Микроконтроллеры для начинающих. И не только

5

Курсовая работа

"Микроконтроллеры для начинающих. И не только"

Микроконтромллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Большая часть выпускаемых в современном мире процессоров - микроконтроллеры.

Об однокристальных микро-ЭВМ или микроконтроллерах в журнале «Радио» писалось не раз. Это - и цикл статей об однокристальных микро-ЭВМ 8048, 8051, 8052, и отдельные обзорные статьи о микроконтроллерах новых семейств MCS-96, MCS-151, MCS-152, PIC16CХХ, Z8 и т.д., и описания программно-аппаратных средств отладки микроконтроллерных устройств. Видимо, пришла пора систематизировать сведения об этих интереснейших и всемогущих изделиях электронных фирм, познакомить читателей с микроконтроллерами, выпускаемыми в мире сегодня, рассказать о том, что они могут и как это реализуется на практике, о современных средствах программирования и отладки устройств на основе микроконтроллеров, в частности, о том, что можно сделать, не имея средств отладки или пользуясь программным симулятором-отладчиком, который предполагается разместить на сайте журнала «Радио» в Интернете, и т.д. Данный цикл статей адресован в первую очередь читателям, ранее не имевшим дела с микроконтроллерами, но, несомненно, будет полезен и тем, кто уже применял их в своих конструкциях.

Вначале несколько слов для тех, кому тема цикла, если судить по его названию, кажется априорно неинтересной или «чужой». Возможно, Вы в своих конструкциях до сих пор не применяли микроконтроллеры (далее для краткости МК) и считаете, что и в обозримом будущем сможете обходиться без них. Возможно также, Вы предполагаете, что создание микроконтроллерной системы для решения Вашей задачи будет слишком обременительным и экономически нецелесообразным. Не спешите: специально для Вас мы хотим привести несколько фактов и немного статистики.

Для примера возьмём ближайшего родственника МК - персональный компьютер - и сравним интенсивности их применения. По данным аналитической компании Loewenbaum & Co. Inc. (США), число персональных компьютеров, выпущенных в мире в 1997 г., достигло примерно 20 млн. шт. Согласитесь, это очень много. А теперь представьте, что это гигантское число составляет всего лишь 0,2% от мирового объёма выпуска МК. По данным аналитической компании IC Insights Inc. (США) мировой рынок в 1998 г. поглотил их более 13,5 млрд. шт.!

Вывод напрашивается сам. Если уже сегодня трудно найти область деятельности человека, где бы эффективно не использовался компьютер, то что же тогда говорить о МК? Почему они стали такими популярными и буквально незаменимыми? Ответ кроется в самой структуре микроконтроллера. В качестве первого приближения к определению этого понятия можно считать, что МК - это компьютер, разместившийся в одной микросхеме. Отсюда и его основные привлекательные качества: малые габариты, потребление, цена; высокие производительность, надёжность и способность быть адаптированным для выполнения самых различных задач.

МК отличается от микропроцессора тем, что помимо центрального процессора (ЦП) содержит память и многочисленные устройства ввода / вывода: аналого-цифровые преобразователи, последовательные и параллельные каналы передачи информации, таймеры реального времени, широтно-импульсные модуляторы (ШИМ), генераторы программируемых импульсов и т.д. По своей структуре и принципу функционирования МК, в сущности, не отличается от персонального компьютера. Поэтому слова микроконтроллер и микро-ЭВМ являются синонимами. Однако первый термин (от английского слова control - управлять) более распространён, поскольку отражает его основное назначение - использование в системах автоматического управления, встроенных в самые разные устройства: кредитные карточки, фотоаппараты, сотовые телефоны, музыкальные центры, телевизоры, видеомагнитофоны и видеокамеры, стиральные машины, микроволновые печи, системы охранной сигнализации, системы зажигания бензиновых двигателей, электроприводы локомотивов, ядерные реакторы и многое, многое другое. Встраиваемые системы управления стали настолько массовым явлением, что фактически сформировалась новая отрасль экономики, получившая название Embedded Systems (встраиваемые системы - англ.).

В настоящее время в мире выпускаются тысячи разновидностей МК. Они поставляются в корпусах с числом выводов от 8 до 356, работают при температуре от -55 до +125 °C на частотах от 32 кГц до 200 МГц, способны функционировать при напряжении питания от 1,2 В, потребляя при этом ток, не превышающий единицы микроампер. Цена изделий также непрерывно снижается. Некоторые восьмиразрядные МК уже сегодня стоят не дороже 50 центов, что сопоставимо со стоимостью одной микросхемы «жёсткой логики». Все это привело к тому, что сегодня всё труднее найти область человеческой деятельности, где бы МК не нашли применения. И процесс их распространения имеет лавинообразный характер.

Надеемся, что приведённые факты уже настроили Вас на почтительное отношение к главному герою нашего повествования. Действительно, МК стал событием мирового масштаба, вторгшимся практически во все виды человеческой деятельности.

Что же обеспечило такой бурный рост популярности этих изделий, появившихся немногим более 25 лет назад? Что это за устройства, и каковы их возможности и перспективы?

Если Вы до сих пор в своей деятельности не использовали МК или системы на их основе, то, может быть, настало время подумать об этом? А если Вы решились применить МК, то какова должна быть последовательность Ваших действий? Какие трудности могут Вас поджидать, что может Вам помочь на этом пути?

На эти вопросы мы и попытаемся ответить.

Ещё в 1965 г. Гордон Мур (Gordon Moore), один из будущих основателей могущественной корпорации Intel, обратил внимание на интереснейший факт. Представив в виде графика рост производительности запоминающих микросхем, он обнаружил любопытную закономерность: новые модели микросхем появлялись каждые 18-24 месяца, а их ёмкость при этом возрастала каждый раз примерно вдвое. Если такая тенденция продолжится, предположил Г. Мур, то мощность вычислительных устройств экспоненциально возрастёт на протяжении относительно короткого промежутка времени.

Предвидение Г. Мура впоследствии блестяще подтвердилось, а обнаруженная им закономерность наблюдается и в наши дни, причём с поразительной точностью, являясь основой для многочисленных прогнозов роста производительности. За 28 лет, истекшие с момента появления микропроцессора 4004 (1971 г.), число транзисторов на кристалле выросло более чем в 12 000 раз: с 2 300 до 28 000 000 в микросхеме Coppermine.

Ну а в 1976 г. экспоненциальное развитие полупроводниковой технологии привело к созданию фирмой Intel первого МК - 8048. Помимо ЦП, в его состав входила память программ, память данных, восьмибитный таймер и 27 линий ввода / вывода. Сегодня 8048 является уже достоянием истории, а вот следующее изделие, выпущенное Intel в 1980 г., живёт и здравствует поныне. Это - МК 8051.

Архитектура МК 8051

Этот МК можно считать классическим образцом, по образу и подобию которого позднее было создано множество других изделий. Его структурная схема представлена на рис. 1. ЦП - главный узел МК. С ним связано такое важнейшее понятие, как система команд.

Система команд - это уникальный, характерный для данного ЦП набор двоичных кодов, определяющих перечень всех его возможных операций. Каждый такой код определяет одну операцию и называется кодом операции или командой. Чем больше кодов используется в системе команд, тем больше операций способен выполнить ЦП. МК 8051 - восьмиразрядный, поэтому коды операций у него имеют размер 8 бит. Теоретически может быть всего 256 восьмибитных кодов операций. В 8051 используются 255.

В зависимости от числа использованных кодов операций, системы команд подразделяют на две группы: CISC и RISC. Термин CISC означает сложную систему команд и является аббревиатурой английского определения Complex Instruction Set Computer. Аналогично термин RISC означает сокращённую систему команд и происходит от английского Reduced Instruction Set Computer. Систему команд МК 8051 можно отнести к типу CISC.

Однако, несмотря на широкую распространённость этих понятий, необходимо признать, что сами названия не отражают главного различия между системами команд CISC и RISC. Основная идея RISC-архитектуры - эго тщательный подбор таких комбинаций кодов операций, которые можно было бы выполнить за один такт тактового генератора. Основной выигрыш от такого подхода - резкое упрощение аппаратной реализации ЦП и возможность значительно повысить его производительность.

Первоначально реализовывать такой подход удавалось, лишь существенно сократив набор команд, отсюда и родилось название RISC. Например, система команд МК семейства Microchip PIC16 включает в себя всего 35 инструкций и может быть отнесена к типу RISC. Очевидно, что в общем случае одной команде CISC-архитектуры должны соответствовать несколько команд RISC-архитектуры. Однако обычно выигрыш от повышения быстродействия в рамках RISC-архитектуры перекрывает потери от менее эффективной системы команд, что приводит к более высокой эффективности RISC-систем в целом по сравнению с CISC. Так, самая быстрая команда МК 8051 выполняется за 12 тактов. Даже если для каждой инструкции потребуется выполнить три инструкции RISC-контроллера, то в итоге RISC-архитектура обеспечит четырёхкратное увеличение производительности.

Попутно RISC-архитектура позволяет решить ещё ряд задач. Ведь с упрощением ЦП уменьшается число транзисторов, необходимых для его реализации, следовательно, уменьшается площадь кристалла. А с этим связано снижение стоимости и потребляемой мощности.

В этом месте можно было бы воскликнуть: будущее - за RISC-архитектурой! Однако в настоящее время грань между этими двумя понятиями стремительно стирается. Например, МК семейства AVR фирмы Atmel имеют систему команд из 120 инструкций, что соответствует типу CISC. Однако большинство из них выполняется за один такт, что является признаком RISC-архитектуры. Сегодня принято считать, что основным признаком RISC-архитектуры является выполнение команд за один такт тактового генератора. Число команд само по себе значения уже не имеет.

Тактовый генератор вырабатывает импульсы для синхронизации работы всех узлов устройства. Частоту их следования могут задавать кварцевый резонатор или RC-цепь, подключаемые к выводам МК. В некоторых МК предусмотрен режим работы тактового генератора без применения внешних элементов. В этом случае частота тактовых импульсов зависит от параметров кристалла, определяемых в процессе его производства.

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство, предназначенное для хранения программ, поэтому часто эту память называют кодовой или памятью программ. До недавнего времени существовало две основных разновидности ПЗУ масочные и программируемые.

В масочные ПЗУ информацию заносят в процессе изготовления МК с помощью технологических шаблонов - масок. Изменить её после окончания производственного цикла невозможно.

Такие ПЗУ используют лишь в случаях, когда качество программы не вызывает сомнений и существует массовая потребность в МК именно с этой программой. Достоинство масочных ПЗУ - самая низкая стоимость при массовом производстве (от нескольких тыс. шт.).

В программируемые ПЗУ информацию записывают с помощью устройства, называемого программатором. МК с такими ПЗУ бывают двух типов: однократно и многократно программируемые (перепрограммируемые). Первые, как говорит само название, допускают только однократное программирование, после чего стереть информацию уже невозможно (МК с OTP-памятью - от англ. One Time Programmable). Используют их в мелкосерийном производстве (до 1000 шт.), когда применение масочных МК экономически не оправдано.

Многократно программируемые микросхемы подразделяются на МК, оснащённые ПЗУ со стиранием ультрафиолетовым облучением (выпускаются в корпусах с «окном»), и МК с электрически перепрограммируемой памятью. Недостаток МК с ПЗУ со стиранием ультрафиолетовым облучением - очень высокая стоимость и относительно небольшое число циклов записи / стирания (зависит от суммарной дозы облучения кристалла и обычно не превышает 15…20).

В настоящее время все более популярной становится новая технология реализации ПЗУ - Flash-память. Её главное достоинство в том, что она построена на принципе электрической перепрограммируемости, то есть допускает многократное стирание и запись информации с помощью программаторов. Минимальное гарантированное число циклов записи / стирания обычно превышает несколько тысяч. Это существенно увеличивает жизненный цикл и повышает гибкость МК-систем, так как позволяет вносить изменения в программу МК как на этапе разработки системы, так и в процессе его работы в реальном устройстве.

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство, используемое для хранения данных, поэтому эту память называют еще памятью данных. Число циклов чтения и записи в ОЗУ не ограничено, но при отключении питающего напряжения вся информация теряется.

Архитектура МК 8051 предполагает раздельное использование памяти программ и данных и носит название гарвардской. Обычно такую архитектуру используют для повышения быстродействия системы за счёт разделения путей доступа к памяти программ и данных, но в 8051 она была применена с целью получения памяти программ и данных, не требующих одинакового размера. Антипод гарвардской - архитектура фон Неймана - предполагает хранение программ и данных в общей памяти и наиболее характерна для микропроцессоров, ориентированных на использование в компьютерах. Примером могут служить микропроцессоры семейства х86.

Таймеры Т0, Т1 - шестнадцатиразрядные программируемые таймеры / счётчики, которые могут быть запрограммированы на выполнения целого ряда функций. Их можно использовать для точного формирования временных интервалов, подсчёта импульсов на выводах МК, формирования последовательности импульсов, тактирования приёмопередатчика последовательного канала связи. Таймеры/счётчики способны вырабатывать запросы прерываний, переключая ЦП на их обслуживание по событиям и освобождая его от необходимости периодического опроса состояния таймеров. Поскольку основное применение МК находят в системах реального времени, таймеры / счётчики являются их обязательным элементом. В некоторых модификациях число таймеров достигает 32.

Последовательный порт - канал информационного обмена МК с внешним миром. Такие каналы связи занимают минимальное число выводов кристалла, обеспечивая связь на значительные расстояния с минимальными аппаратными затратами, В 8051 реализован универсальный асинхронный последовательный приёмопередатчик (UART), поддерживающий протокол стандарта RS-232C, что обеспечивает возможность организации связи этого МК и персональным компьютером. Кроме RS-332C, популярными протоколами в мире встраиваемых систем являются RS-485, I2C (двухпроводная двунаправленная шина), SPI (последовательный периферийный трёхпроводный интерфейс), Bitbus (последовательная магистраль управления), CAN (межконтроллерный сетевой интерфейс), USВ (универсальная последовательная шина) и некоторые другие. Практически для любого типа последовательного канала сегодня можно найти МК, имеющий в своем составе соответствующий последовательный порт.

Параллельные порты ввода / вывода - также обязательная часть любого МК. Обычно их используют для связи с ближайшим окружением - датчиками и исполнительными механизмами.

Важная особенность параллельных портов МК - возможность программирования на выполнение нескольких функций. Например, в 8051 выводы портов P0 и P2 могут использоваться либо как обычные статические регистры ввода / вывода, либо в качестве шины адреса и данных для подключения внешних устройств, таких как дополнительная память программ, память данных, устройства ввода / вывода. Это придаёт МК архитектурную гибкость. Порт P3 может либо использоваться как статический регистр ввода / вывода, либо выполнять специальные функции для работы последовательного канала, таймеров, контроллера прерываний и т.д. Возможность перепрограммирования позволяет с максимальной эффективностью задействовать все выводы МК в проектируемом устройстве.

Страницы: 1, 2, 3, 4