Классификация и структура микроконтроллеров

Министерство образования и науки республики Казахстан Рудненский индустриальный институт Кафедра «электроэнергетики и теплоэнергетики» лекционный КОМПЛЕКС по дисциплине «Цифровая техника и микропроцессорное управление» для студентов специальности 050718 «Электроэнергетика» Составил В.Ю. Киселёв, преподаватель Утвержден на заседании кафедры ЭЭ и ТЭ Протокол №___от_________2019 г. Заведующий кафедрой З.К. Хабдуллина Рудный 2019 Модуль 3 Микроконтроллеры. Тема лекции 11 Классификация и структура микроконтроллеров План лекции 1.Определение и основные блоки микроконтроллера 2.Классификация микроконтроллеров 3.Структура микроконтроллеров 1. Определение и основные блоки микроконтроллера Микроконтроллер представляет собой вычислительную машину, реализованную в виде одной интегральной схемы, и включает следующие основные блоки: ядро, память программ и память данных, периферийные устройства. Ядро микроконтроллера реализует процесс управления, задаваемой программой. Память программ предназначена для хранения управляющих прогарам. Необходимые для процесса управления данные располагаются в памяти данных. Каждый периферийный узел МК обладает возможностью настройки посредством записи управляющих кодов в программно-доступные регистры узла, называемые регистрами специальных функций. 2. Классификация микроконтроллеров В настоящее время выпускается целый ряд типов МК. Все эти приборы можно условно разделить на три основных класса: • 8-разрядные МК для встраиваемых приложений; • 16- и 32-разрядные МК; • цифровые сигнальные процессоры (DSP). Наиболее распространенным представителем семейства МК являются 8-разрядные приборы, широко используемые в промышленности, бытовой и компьютерной технике. Они прошли в своем развитии путь от простейших приборов с относительно слаборазвитой периферией до современных многофункциональных контроллеров, обеспечивающих реализацию сложных алгоритмов управления в реальном масштабе времени. Причиной жизнеспособности 8-разрядных МК является использование их для управления реальными объектами, где применяются, в основном, алгоритмы с преобладанием логических операций, скорость обработки которых практически не зависит от разрядности процессора. 3. Структура микропроцессорного контроллера Важнейшим звеном структур микропроцессорных систем является микроконтроллер, который является сложным техническим устройством, предназначенным для обработки цифровой информации. Обычно МК строится на базе выбранного типа микропроцессора, лучшим образом обеспечивающего требуемые функции микропроцессорной системы в целом. Типовая структура МК изображена на рис. 1 Контроллер состоит из двух основных частей: ядра и модуля ввода-вывода. Ядро МК составляют микропроцессор, системный контроллер (СК) и устройства памяти. В структуре МК микропроцессор играет главную роль: осуществляет арифметическую и логическую обработку данных, поступающих от внешних устройств (ВУ) системы, и совместно с системным контроллером управляет потоками информации между всеми устройствами МС. Связь микропроцессора с объектом управления осуществляется через УСО и шины системы: шину данных (ШД), шину адреса (ША) и шину управления (ШУ). Подключение УСО к шине данных системы осуществляется через порты ввода-вывода системы, которые обычно входят в состав интерфейса системы. Интерфейс — совокупность программных и аппаратных средств, обеспечивающих обмен информацией между МП и ВУ. Рис. 1 - Структура микроконтроллера Информация о состоянии объекта управления передается к МП через УСО и шину данных. По этому же направлению передаются управляющие сигналы от МП к объекту управления. Поэтому шина данных МК двунаправленная. Ее разрядность обычно соответствует разрядности арифметико-логического устройства (АЛУ) микропроцессора и определяет диапазон представляемых двоичных цифровых чисел. Для хранения программ и данных ядро МК содержит ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), ПЗУ (постоянное ЗУ) и РПЗУ (репрограммируемое ЗУ). ПЗУ используется только для хранения программ управления. Эти программы, разработанные и отлаженные на специальных средствах отладки, заносятся в ПЗУ в заводских условиях, и пользователь изменять их не может. РПЗУ отличается тем, что пользователь может изменять его содержание, т.е. запрограммировать. ОЗУ используется для хранения данных, необходимых для выполнения основной программы управления. Обращение к ячейкам памяти адресное. Рис. 1 - Модульная организация МК Изменяемый функциональный блок включает в себя модули памяти различного типа и объема, порты ввода/вывода, модули тактовых генераторов (Г), таймеры. В относительно простых МК модуль обработки прерываний входит в состав процессорного ядра. В более сложных МК он представляет собой отдельный модуль с развитыми возможностями. В состав изменяемого функционального блока могут входить и такие дополнительные модули как компараторы напряжения, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и другие. Каждый модуль проектируется для работы в составе МК с учетом протокола ВКМ. Данный подход позволяет создавать разнообразные по структуре МК в пределах одного семейства. Лекция 12 Память программ микроконтроллер План лекции 1.Основные виды памяти 2.Память программ 1. Основные виды памяти В МК используется три основных вида памяти. Память программ представляет собой постоянную память (ПЗУ), предназначенную для хранения программного кода (команд) и констант. Ее содержимое в ходе выполнения программы не изменяется. Память данных предназначена для хранения переменных в процессе выполнения программы и представляет собой ОЗУ. Регистры МК - этот вид памяти включает в себя внутренние регистры процессора и регистры, которые служат для управления периферийными устройствами (регистры специальных функций). 2. Память программ Основным свойством памяти программ является ее энергонезависимость, то есть возможность хранения программы при отсутствии питания. С точки зрения пользователей МК следует различать следующие типы энергонезависимой памяти программ: 1. ПЗУ масочного типа - mask-ROM. Содержимое ячеек ПЗУ этого типа заносится при ее изготовлении с помощью масок и не может быть впоследствии заменено или допрограммировано. Поэтому МК с таким типом памяти программ следует использовать только после достаточно длительной опытной эксплуатации. Основным недостатком данной памяти является необходимость значительных затрат на создание нового комплекта фотошаблонов и их внедрение в производство. 2. ПЗУ, программируемые пользователем, с ультрафиолетовым стиранием - EPROM (Erasable Programmable ROM). ПЗУ данного типа программируются электрическими сигналами и стираются с помощью ультрафиолетового облучения. Ячейка памяти EPROM представляет собой МОП-транзистор с "плавающим" затвором, заряд на который переносится с управляющего затвора при подаче соответствующих электрических сигналов. Для стирания содержимого ячейки она облучается ультрафиолетовым светом, который сообщает заряду на плавающем затворе энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера и стекания на подложку. 3. ПЗУ, однократно программируемые пользователем, - OTPROM (One-Time Programmable ROM). Представляют собой версию EPROM, выполненную в корпусе без окошка для уменьшения стоимости МК на его основе. Сокращение стоимости при использовании таких корпусов настолько значительно, что в последнее время эти версии EPROM часто используют вместо масочных ПЗУ. 4. ПЗУ, программируемые пользователем, с электрическим стиранием - EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM). ПЗУ данного типа можно считать новым поколением EPROM, в которых стирание ячеек памяти производится также электрическими сигналами за счет использования туннельных механизмов. Применение EEPROM позволяет стирать и программировать МК, не снимая его с платы. Таким способом можно производить отладку и модернизацию программного обеспечения. 5. ПЗУ с электрическим стиранием типа Flash - Flash-ROM. Функционально Flash-память мало отличается от EEPROM. Основное различие состоит в способе стирания записанной информации. В памяти EEPROM стирание производится отдельно для каждой ячейки, а во Flash-памяти стирать можно только целыми блоками. Лекция 13 Память данных микроконтроллера План лекции 1.Особенности выполнения. Виды памяти 2.Регистры МК 3.Стек МК 4. Внешняя память 1. Особенности выполнения. Виды памяти Память данных МК выполняется, как правило, на основе статического ОЗУ. Термин "статическое" означает, что содержимое ячеек ОЗУ сохраняется при снижении тактовой частоты МК до сколь угодно малых значений (с целью снижения энергопотребления). Большинство МК имеют такой параметр, как "напряжение хранения информации" - USTANDBY- При снижении напряжения питания ниже минимально допустимого уровня UDDMIN, но выше уровня USTANDBY работа программы МК выполняться не будет, но информация в ОЗУ сохраняется. При восстановлении напряжения питания можно будет сбросить МК и продолжить выполнение программы без потери данных. Уровень напряжения хранения составляет обычно около 1 В, что позволяет в случае необходимости перевести МК на питание от автономного источника (батареи) и сохранить в этом режиме данные ОЗУ. Объем памяти данных МК, как правило, невелик и составляет обычно десятки и сотни байт. Это обстоятельство необходимо учитывать при разработке программ для МК. Так, при программировании МК константы, если возможно, не хранятся как переменные, а заносятся в ПЗУ программ. Максимально используются аппаратные возможности МК, в частности, таймеры. 2. Регистры МК Как и все МПС, МК имеют набор регистров, которые используются для управления его ресурсами. В число этих регистров входят обычно регистры процессора (аккумулятор, регистры состояния, индексные регистры), регистры управления (регистры управления прерываниями, таймером), регистры, обеспечивающие ввод/вывод данных (регистры данных портов, регистры управления параллельным, последовательным или аналоговым вводом/выводом). Обращение к этим регистрам может производиться по-разному. Одним из важных вопросов является размещение регистров в адресном пространстве МК. В некоторых МК все регистры и память данных располагаются в одном адресном пространстве. Это означает, что память данных совмещена с регистрами. Такой подход называется "отображением ресурсов МК на память". 3. Стек МК В микроконтроллерах ОЗУ данных используется также для организации вызова подпрограмм и обработки прерываний. При этих операциях содержимое программного счетчика и основных регистров (аккумулятор, регистр состояния и другие) сохраняется и затем восстанавливается при возврате к основной программе. В фон-неймановской архитектуре единая область памяти используется, в том числе, и для реализации стека. В частности, при выполнении команды вызова подпрограммы следующая команда выбирается после того, как в стек будет помещено содержимое программного счетчика. В гарвардской архитектуре стековые операции производятся в специально выделенной для этой цели памяти. Это означает, что при выполнении программы вызова подпрограмм процессор с гарвардской архитектурой производит несколько действий одновременно. Если в процессоре имеется отдельный стек и объем записанных в него данных превышает его емкость, то происходит циклическое изменение содержимого указателя стека, и он начинает ссылаться на ранее заполненную ячейку стека. Это означает, что после слишком большого количества вызовов подпрограмм в стеке окажется неправильный адрес возврата. Если МК использует общую область 4. Внешняя память Несмотря на существующую тенденцию по переходу к закрытой архитектуре МК, в некоторых случаях возникает необходимость подключения дополнительной внешней памяти (как памяти программ, так и данных). Если МК содержит специальные аппаратные средства для подключения внешней памяти, то эта операция производится штатным способом (как для МП). Второй, более универсальный, способ заключается в том, чтобы использовать порты ввода/вывода для подключения внешней памяти и реализовать обращение к памяти программными средствами. Такой способ позволяет задействовать простые устройства ввода/вывода без реализации сложных шинных интерфейсов, однако приводит к снижению быстродействия системы при обращении к внешней памяти. Лекция 14 Архитектура однокристальных микроконтроллеров План лекции 1.Сравнительная характеристика ОМК 1. Сравнительная характеристика ОМК Рассмотренные способы организации МК на базе однокристального микропроцессора К580ВМ80А дают возможность проектирования одноплатных микроконтроллеров, в состав которых входит порядка десяти БИС обрамления, обеспечивающих взаимодействие МП с внешними устройствами. Применение одноплатных МК, обладающих высокой производительностью, большой разрядностью обрабатываемых данных и значительным объемом прямоадресуемой памяти, во многих практических случаях нецелесообразно. Для сравнительно несложной с точки зрения управления бытовой техники предпочтительны компактные малогабаритные микроконтроллеры с системой команд, ориентированной на задачи управления техническими объектами. Современный уровень развития микроэлектроники позволил создать БИС, на кристалле которого размещены не только АЛУ, УУ и РОН, как в однокристальных МП, но и ОЗУ, ПЗУ, порты ввода-вывода и даже таймер. По общей архитектуре такие БИС больше напоминают законченную ЭВМ. Однако незначительная емкость памяти, расположенная на кристалле, упрощенная и ориентированная на выдачу управления система команд предопределяет использование их как контроллеров для автоматизации различного технологического оборудования. Поэтому будем называть их однокристальными микропроцессорными контроллерами (ОМК) в отличие от МК, реализованных на однокристальных МП. Применение ОМК позволяет существенно уменьшить число БИС, используемых в технологических контроллерах, повысить надежность, снизить их стоимость и энергопотребление. Эти качества ОМК позволяют проектировать малогабаритные ОМК, легко встраиваемые объекты бытовой техники, имеющие небольшие размеры (холодильники, утюги, магнитофоны, телевизоры и др.). Отличительной характеристикой приведенных ОМК является тип постоянной памяти. Имеющееся на кристалле масочное ПЗУ целесообразно использовать в крупносерийных изделиях, где нет необходимости изменения управляющих программ. К этой категории относятся ОМК серий: КР1814ВЕ4, КР1816ВЕ49, КР1820ВЕ4. В опытно-конструкторских разработках удобнее использовать ОМК, имеющие на кристалле ПЗУ. Их обычно используют в отладочных устройствах, где в качестве ПЗУ используются внешние микросхемы памяти. ОМК серии 1816 изготовлены по n-МОП-технологии и имеют похожую архитектуру. Они отличаются быстродействием, объемом ОЗУ, а также наличием или отсутствием на кристалле ПЗУ, ее типом и объемом. Наличие на кристалле портов ввода-вывода, тактового генератора, системы прерываний и таймера при высокой тактовой частоте и восьмиразрядном АЛУ обеспечивает универсальность их использования для создания микропроцессорных систем различного назначения. ОМК 35 и ОМК 48 имеют одинаковую тактовую частоту 6 МГц и объем ОЗУ 64 Кб, но ОМК 35 не имеет встроенного ПЗУ, а ОМК 48 содержит встроенное репрограммируемое ПЗУ объемом 1 Кбайт, стирание информации в котором осуществляется ультрафиолетовым излучением. ОМК 39 и ОМК 49 тактируются частотой 11 МГц и имеют больший объем ОЗУ 128 байт, а также отличаются наличием (ОМК 49) или отсутствием (ОМК 39) встроенной ПЗУ. Наиболее производительным является ОМК КМ1816ВЕ51, имеющий на кристалле значительную постоянную память объемом 4 Кб и возможностью расширения до 64 Кб. Его максимальная тактовая частота равна 12 МГц, а быстродействие составляет 1 млн. коротких операций в секунду. Существуют три модификации ОМК: ОМК 51 с масочным ПЗУ объемом 4 Кб рассчитан на крупносерийное оборудование; ОМК с ультрафиолетовым РПЗУ объемом 4 Кб ориентирован на системы, требующие периодической перенастройки; ОМК без встроенного ПЗУ имеет возможность подключения меньшего ПЗУ. ОМК 51 является развитием ОМК 48, но отличается системой команд. Однако на уровне программ на языке Ассемблера оба ОМК программно совместимы "снизу вверх". Новые зарубежные разработки ОМК по своим функциональным возможностям и быстродействию ушли далеко вперед. Современные ОМК корпораций Intel, Microchip и др. - это размещенная на одном кристалле сложная цифровая система. В состав которой входят 8-, 16- или 32-разрядный процессор, внутренняя память программ (до нескольких десятков килобайт) с возможностью расширения, перепрограммируемая электрическая энергонезависимая память (FLASH-память), широкий набор интерфейсных и периферийных устройств, порты ввода-вывода (параллельные и последовательные), таймеры, многоканальные аналого-цифровые преобразователи, модули ШИМ и др. Обладая малым количеством коротких команд, выполняемых за один цикл, и используя конвейерный способ их обработки, ОМК обеспечивают производительность в несколько миллионов операций в секунду. Из краткой сравнительной характеристики следует, что наибольшей универсальностью обладают ОМК серии К1816, К145 , К1813, а также зарубежные ОМК серий PIC, MCS и др., некоторые из которых будут далее рассмотрены более подробно. Лекция 15 Дополнительные модули микроконтроллеров. План лекции 1. Модули последовательного ввода\ вывода 2. Модули аналогового ввода\ вывода 1. Модули последовательного ввода/вывода Описанные выше модули составляют так называемый базовый комплект МК и входят в состав любого современного контроллера. Очевидна необходимость включения в состав МК дополнительных модулей, состав и возможности которых определяются конкретной решаемой задачей. Среди таких дополнительных модулей следует, прежде всего, отметить: • модули последовательного ввода/вывода данных; • модули аналогового ввода/вывода. Наличие в составе 8-разрядного МК модуля контроллера последовательного ввода/вывода стало в последнее время обычным явлением. Задачи, которые решаются средствами модуля контроллера последовательного ввода/вывода, можно разделить на три основные группы: • связь встроенной микроконтроллерной системы с системой управления верхнего уровня, например, с персональным компьютером. Чаще всего для этой цели используются интерфейсы RS-232C и RS-485; • связь с внешними по отношению к МК периферийными ИС, а также с датчиками физических величин с последовательным выходом. Для этих целей используются интерфейсы I2C, SPI, а также нестандартные протоколы обмена; • интерфейс связи с локальной сетью в мультимикроконтроллерных системах. В системах с числом МК до пяти обычно используются сети на основе интерфейсов I2C, RS-232C и RS-485 с собственными сетевыми протоколами высокого уровня. В более сложных системах все более популярным становится протокол CAN. С точки зрения организации обмена информацией упомянутые типы интерфейсов последовательной связи отличаются режимом передачи данных (синхронный или асинхронный), форматом кадра (число бит в посылке при передаче байта полезной информации) и временными диаграммами сигналов на линиях (уровни сигналов и положение фронтов при переключениях). В последнее время появилось большое количество МК со встроенными модулями контроллеров CAN и модулями универсального последовательного интерфейса периферийных устройств USB (Universal Serial Bus). Каждый из этих интерфейсов имеет достаточно сложные протоколы обмена, для ознакомления с которыми следует обращаться к специальной литературе. 2. Модули аналогового ввода/вывода Необходимость приема и формирования аналоговых сигналов требует наличия в МК модулей аналогового ввода/вывода. Простейшим устройством аналогового ввода в МК является встроенный компаратор напряжения. Компаратор сравнивает входное аналоговое напряжение с опорным потенциалом VREF и устанавливает на выходе логическую "1", если входное напряжение больше опорного. Компараторы удобнее всего использовать для контроля определенного значения входного напряжения, например, в термостатах. В комбинации с внешним генератором линейно изменяющегося напряжения встроенный компаратор позволяет реализовать на МК интегрирующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Однако более широкие возможности для работы с аналоговыми сигналами дает АЦП, встроенный в МК. Чаще всего он реализуется в виде модуля многоканального АЦП, предназначенного для ввода в МК аналоговых сигналов с датчиков физических величин и преобразования этих сигналов в двоичный код. Структурная схема типового модуля АЦП представлена на рис. 4.12. Рис. 4.12.  Структура модуля АЦП. Лекция 16 Режимы работы микроконтроллеров и тактовые генераторы. План лекции 1. Активный режим 2. Режим ожидания 3. Режим останова 4. Тактовые генераторы МК 1. Активный режим Малый уровень энергопотребления является зачастую определяющим фактором при выборе способа реализации цифровой управляющей системы. Современные МК предоставляют пользователю большие возможности в плане экономии энергопотребления и имеют, как правило, следующие основные режимы работы: активный режим (Run mode) — основной режим работы МК. В этом режиме МК исполняет рабочую программу, и все его ресурсы доступны. Потребляемая мощность имеет максимальное значение PRUN. режим ожидания (Wait mode, Idle mode или Halt mode). В этом режиме прекращает работу центральный процессор, но продолжают функционировать периферийные модули, которые контролируют состояние объекта управления. В режиме ожидания мощность потребления МК PWAIT снижается по сравнению с активным режимом в 5…10 раз; режим останова (Stop mode, Sleep mode или Power Down mode). В этом режиме прекращает работу как центральный процессор, так и большинство периферийных модулей. Переход МК из состояния останова в рабочий режим возможен, как правило, только по прерываниям от внешних источников или после подачи сигнала сброса. В режиме останова мощность потребления МК PSTOP снижается по сравнению с активным режимом примерно на три порядка и составляет единицы микроватт. Два последних режима называют режимами пониженного энергопотребления. Минимизация энергопотребления системы на МК достигается за счет оптимизации мощности потребления МК в активном режиме, а также использования режимов пониженного энергопотребления. При этом необходимо иметь в виду, что режимы ожидания и останова существенно отличаются временем перехода из режима пониженного энергопотребления в активный режим. Выход из режима ожидания обычно происходит в течение 3…5 периодов синхронизации МК, в то время как задержка выхода из режима останова составляет несколько тысяч периодов синхронизации. Кроме снижения динамики работы системы значительное время перехода в активный режим является причиной дополнительного расхода энергии. Мощность потребления МК в активном режиме является одной из важнейших характеристик контроллера. Она в значительной степени зависит от напряжения питания МК и частоты тактирования. Большинство современных МК выполнено по технологии КМОП, поэтому мощность потребления в активном режиме PRUN практически прямо пропорциональна тактовой частоте. Поэтому, выбирая частоту тактового генератора, не следует стремиться к предельно высокому быстродействию МК в задачах, которые этого не требуют. Современные МК содержат встроенные тактовые генераторы, которые требуют минимального числа внешних времязадающих элементов. На практике используются три основных способа определения тактовой частоты генератора: с помощью кварцевого резонатора, керамического резонатора и внешней RC-цепи. Типовая схема подключения кварцевого или керамического резонатора приведена на рис.1 Рис. 1.  Тактирование с использованием кварцевого или керамического резонаторов (а) и с использованием RC-цепи (б). Кварцевый или керамический резонатор Q подключается к выводам XTAL1 и XTAL2, которые обычно представляют собой вход и выход инвертирующего усилителя. Номиналы конденсаторов C1 и C2 определяются производителем МК для конкретной частоты резонатора. Иногда требуется включить резистор порядка нескольких мегаом между выводами XTAL1 и XTAL2 для стабильной работы генератора. Использование кварцевого резонатора позволяет обеспечить высокую точность и стабильность тактовой частоты (разброс частот кварцевого резонатора обычно составляет менее 0,01%). Такой уровень точности требуется для обеспечения точного хода часов реального времени или организации интерфейса с другими устройствами. При менее жестких требованиях к стабильности тактовой частоты возможно использование более стойких к ударной нагрузке керамических резонаторов. Многие керамические резонаторы имеют встроенные конденсаторы, что позволяет уменьшить количество внешних подключаемых элементов с трех до одного. Керамические резонаторы имеют разброс частот порядка нескольких десятых долей процента (обычно около 0,5 %). Практически все МК допускают работу от внешнего источника тактового сигнала, который подключается ко входу XTAL1 внутреннего усилителя. При помощи внешнего тактового генератора можно задать любую тактовую частоту МК (в пределах рабочего диапазона) и обеспечить синхронную работу нескольких устройств. Некоторые современные МК содержат встроенные RC или кольцевые генераторы, которые позволяют контроллеру работать без внешних цепей синхронизации. Работа внутреннего генератора обычно разрешается путем программирования соответствующего бита регистра конфигурации МК. Вопросы для самоконтроля: СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1 Основная литература 1. Безуглов, Д.А., Калиенко И.В. Цифровые устройства и микропроцессоры.- Ростов н/ Д: Феникс, 2006.-480 с. 2.Васильев, А.Е. Микроконтроллеры.-БХВ- Петербург, 2008- 304 с. 3. Фрунзе, А.В. Микроконтроллеры? Это же просто! – изд.дом «Додэка –ХХI», 2007. – 312 4.Савилов, Г.В. Электротехника и электроника. Курс лекций - издательско-торговая корпорация «Дашко и К», 2008. -324с.