Журнал Радио 2 номер 2000 год. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА

Журнал Радио 2 номер 2000 год. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ, И НЕ ТОЛЬКО... Ю.ЗОБНИН, Ш. КОБАХИДЗЕ, г. Москва  Об однокристальных микро-ЭВМ или микроконтроллерах в нашем журнале писалось не раз. Это — и цикл статей об однокристальных микро-ЭВМ 8048, 8051, 8052, и отдельные обзорные статьи о микроконтроллерах новых семейств МСS-96, МСS-151, МСS-152, РIС16СХХ, 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-тладчиком, который предполагается разместить на сайте журнала "Радио" в Интернете, и т. д. Цикл статей, который мы начинаем публиковать с этого номера журнала, адресован в первую очередь читателям, ранее не имевшим дела с микроконтроллерами, но, несомненно, будет полезен и тем, кто уже применял их в своих конструкциях. Итак,

 

ПЕРВОЕ ЗНАКОМСТВО

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 возьмем ближайшего родственника МК — персональный компьютер — и сравним интенсивности их применения. По данным аналитической компании Loewenbaum Со. Inс. (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 объема выпуска МК. По данным аналитической компании IC Insights Inс. (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, надежность 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 соntrol — управлять) более распространен, 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 +125oС 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 "жесткой логики".

Все это привело к тому, что сегодня все труднее найти область человеческой деятельности, где бы МК не нашли применения, И процесс их распространения имеет лавинобразный характер.

Надеемся, что приведенные 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 в предлагаемом цикле статей.

ЗАКОН МУРА И ПЕРВЫЙ МК

Еще в 1965 г. Гордон Мур (Gоrdоn Мооrе), 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 емкость при этом возрастала каждый раз примерно вдвое. Если такая тенденция продолжится, предположил Г. Мур, то мощность вычислительных устройств экспоненциально возрастет на протяжении относительно короткого промежутка времени.

Предвидение Г. Мура впоследствии блестяще подтвердилось, а обнаруженная им закономерность наблюдается и в наши дни, причем 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 Сорреттюе.

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., живет 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: СISС и RISС. Термин СISС означает сложную систему команд и является аббревиатурой английского определения Соmрlех Instruction Set Соmрutеr. Аналогично термин RISС означает сокращенную систему команд и происходит от английского Reduсеd Instruction Set Соmрutеr. Систему команд МК 8051 можно отнести к типу С15С.

Однако несмотря на широкую распространенность этих понятий, необходимо признать, что сами названия не отражают главного различия между системами команд СISС и RISС. Основная идея RISС-архитектуры — это 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 RISС. Например, система команд МК семейства Мiсrосhiр РIC включает в себя всего 35 инструкций и может быть отнесена к типу RISС. Очевидно, что в общем случае одной команде CISС-архитектуры должны соответствовать несколько команд RISС-архитектуры. Однако обычно выигрыш от повышения быстродействия в рамках RISС-архитектуры перекрывает потери от менее эффективной системы команд, что приводит к более высокой эффективности RISС-систем в целом по сравнению с СISС. 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 четырехкратное увеличение производительности.

Попутно RISC-архитектура позволяет решить еще 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 АVR фирмы Аtmеl 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 RС-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 ее 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 ОТР-памятью — от англ. Оnе Тimе Рrogrammablе). Используют их в мелкосерийном производстве (до 1000 шт.). когда применение масочных МК экономически не оправдано.

Многократно программируемые микросхемы подразделяются на МК, оснащенные 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 — Рlash-память. Ее главное достоинство в том. что она построена на принципе электрической перепрограммируемости. т. е. 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 счет 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 ТО, Т1 — шестнадцатиразрядные программируемые таймеры/счетчики, которые могут быть запрограммированы на выполнение целого ряда функций. Их можно использовать для точного формирования временных интервалов, подсчета импульсов на выводах МК, формирования последовательности импульсов, тактирования приемопередатчика последовательного канала связи. Таймеры/счетчики 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/счетчики 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 приемопередатчик (UARТ), поддерживающий протокол стандарта RS-232С, что обеспечивает возможность организации связи этого МК с персональным компьютером. Кроме RS-232С, популярными протоколами в мире встраиваемых систем являются RS-485. I2С (двухпроводная двунаправленная шина). SРI (последовательный периферийный трехпроводный интерфейс). Вitbus (последовательная магистраль управления), САN(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 Р0 и Р2 могут использоваться либо как обычные ста гические регистры ввода/вывода, либо в качестве шины адреса и данных для подключений внешних устройств, таких как дополнительная память программ, память данных, устройства ввода/вывода. Это придает МК архитектурную гибкость. Порт РЗ 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.

Система прерываний — одна из важнейших частей МК. Особенность систем реального времени заключается в том, что для них чрезвычайно важным параметром является время реакции на внешние события. Поясним на простом примере. Когда вы производите математический расчет на компьютере, то обычно запускаете программу, предназначенную для выполнения этих расчетов, и после того, как она загрузится в память компьютера, вводите условие задачи и ждете результата. Время ожидания в таком случае не имеет принципиального значения (в пределах разумного, конечно) — медленная работа компьютера может раздражать, но на результате это не скажется. Система реального времени предполагает совершенно конкретную, рассчитываемую на этапе разработки скорость реакции системы управления на внешние события. Задержки сверх расчетных здесь просто недопустимы — они могут приводить к катастрофическим последствиям.

Проблемы быстрой реакции на события решаются организацией системы прерываний. Она подразумевает, что для каждого такого события разрабатывается отдельный "кусок" кода, который формирует реакцию МК на него. Этот "кусок" кода называют подпрограммой обработки запроса на прерывание (для краткости часто используют термин подпрограмма прерывания) и размещают в памяти программ по известному адресу. В момент возникновения заданного события сигнал об этом поступает на вход контроллера прерываний. Последний представляет собой устройство, устанавливающее однозначное соответствие между входным сигналом о происшедшем событии и адресом программной памяти, по которому размещена точка входа в подпрограмму обработки запроса прерывания от данного события. Контроллер прерывает выполнение ЦП текущей программы и инициирует его переход на выполнение подпрограммы обработки прерывания. Время, прошедшее с момента возникновения события до начала выполнения первой инструкции подпрограммы прерывания, называют временем реакции МК на событие. После окончания обработки ЦП автоматически возвращается к выполнению прерванной программы.

Другая функция контроллера прерываний — установка приоритетов событий. Понятие приоритет означает, что выполняемая подпрограмма прерывания может быть прервана другим событием только при условии, что оно имеет более высокий приоритет, чем текущее. В противном случае ЦП перейдет к обработке нового события после окончания обработки предыдущего. Контроллер прерываний, входящий в состав МК 8051. имеет пять входов событий: два от внешних устройств, два от таймеров и один от последовательного канала.

Обычно, когда говорят о каком-либо МК, то всегда упоминают семейство, к которому он принадлежит. К одному семейству относят изделия, имеющие одинаковое ядро, под которым понимают совокупность таких понятий, как система команд, циклограмма работы ЦП, организация памяти программ и памяти данных, система прерываний и базовый набор периферийных устройств. Фактически на рис. 1 представлено ядро, ставшее основой для создания сотен других модификаций семейства 8051.

Отличия между его различными представителями заключаются, в основном, в составе периферийных устройств и объеме памяти программ или данных. Поскольку диапазон задач, решаемых МК. чрезвычайно широк, их производители стараются выпустить столько модификаций, чтобы удовлетворить самые разнообразные запросы потребителей. Во многих семействах число модификаций приближается к сотне или даже превышает это значение.

Наиболее важная особенность семейства — программная совместимость на уровне двоичного кода всех входящих него МК. Это позволяет разработчикам систем заменять одни МК семейства другими без потери наработок своего программного обеспечения. Естественно, чем большее число разновидностей входит в семейство, тем больше шансов выбрать оптимальный вариант, тем привлекательнее это семейство для разработчика. Вопрос правильного выбора семейства МК для новой разработки является стратегическим, так как проблема переноса программного обеспечения между изделиями разных семейств чрезвычайно сложна и даже использование языков высокого уровня не всегда позволяет решить ее без больших потерь. К вопросу о критериях выбора мы вернемся в следующих статьях цикла.

(Продолжение следует)
Модульная реклама
Условия см. в "Радио", 2000, ╧ 1, с. 13

Радиодетали свыше 5000 типов, книги, компьютеры, ПО.
Ваш конверт. 198013, С.-Петербург, а/я 93.
Радиодетали — почтой. Большой иллюстрированный каталог — 80 руб. 125040. Москва, а/я 36.
ПРЕДЛАГАЕМ
Аккумуляторы для радиостанций, радиотелефонов, часов, слуховых аппаратов, радиоэлектронной и медицинской аппаратуры. Источники питания от 3-30 А/12V. Кабели Low Loss.
Доставка по России.
Москва т/ф (095) 962-91-98. 962-94-10;
С.-Петербург т/ф (812) 535-38-75.
Электронная почта: ms_timе@hot-mail.соm
ПРЕДЛАГАЕМ
Ремонт любых аккумуляторных сборок: для ноутбуков, радиостанций, радиотелефонов и т.д. Доставка по России.
Москва т/ф (095) 962-91-98. 962-94-10;
С.-Петербург т/ф (812) 535-38-75.
Электронная почта: ms_timе@hot-mail.соm

Вернуться к содержанию журнала "Радио" 2 номер 2000 год







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.