Общая характеристика микроконтроллеров и специальных процессоров.

Черноморское Высшее Военно-Морское училище имени П.С. Нахимова ДИСЦИПЛИНА «ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ» ЛЕКЦИЯ № 21 ТЕМА: ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ И СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОРОВ. 1 ТЕМА: ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ И СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОРОВ. Цель : получить знания по особенностям построения, архитектуре и принципам работы микроконтроллеров и специальных процессоров. Вопросы 1.Общие сведения о микроконтроллерах и специальных процессорах. 2.Классификация и принципы работы микроконтроллеров. 3.Архитектура и функционирование типового микроконтроллера. Литература. 1.Микропроцессорные системы: Уч. пос. / В.Я.Хартов - 2 изд - М.:ИЦ Академия,2014 - 368с. 2.Байздренко А.А. Курс лекций по дисциплине Информационно-управляющие технологии, Севастополь, ЧВВМУ, 2016. (эл. вар). 2 1.Общие сведения о микроконтроллерах и сигнальных процессорах. ВАРИАНТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ Информационные потоки в микропроцессорной системе 3 Принципы построения ЭВМ и их структура по Фон Нейману 1. Вычислительная машина конструктивно делится на ряд устройств: процессор, запоминающее устройство (для хранения программ и данных), устройство ввода–вывода и т.д.; 2. Наличие хранимой в памяти программы; 3. Одинаковое представление чисел и команд в виде двоичных кодов; 4. Принцип микропрограммного управления процессом вычислений; 5. Естественный порядок выборки команд (команды выполняются последовательно, так как они хранятся в памяти; изменение порядка выполнения команд, при необходимости, осуществляется специальными командами перехода). 4 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭВМ ( ПО ФОН НЕЙМАНУ ) 5 ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ О МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ Микроконтроллер это процессор со всеми его атрибутами, а также со встроенной памятью, специальными устройствами обмена с внешним миром. Микроконтроллер, по сути своей, есть тот же самый компьютер, только очень простой с универсальным набором многофункциональных модулей (блоков), и управление которыми осуществляется программным способом. Основное назначение микроконтроллеров ( control – управление) управления малогабаритными и простыми электронными устройствами (бытовая техника, измерительная техника, устройства мобильной связи и т.д.). Второй сферой применения микроконтроллеров является их использование как локальных управляющих устройств в сложных технических системах, где они работают под управлением центральной ЭВМ, получая от нее управляющие команды и выполняя их. Ранее микроконтроллеры назывались однокристальными микро-ЭВМ. В микроконтроллерах максимальное внимание уделяется малым габаритам, низкой стоимости и малой потребляемой энергии, а не универсальности и высокой вычислительной производительности, как в больших ЭВМ. 6 Архитектура Фон-Неймана Основной особенностью фон-неймановской архитектуры является использование общей памяти для хранения программ и данных. Основные преимущества архитектуры ФонНеймана: – упрощение устройства МПС, так как реализуется обращение только к одной общей памяти; - использование единой области памяти позволяло оперативно перераспределять ресурсы между областями программ и данных, что существенно повышало гибкость МПС ; - размещение стека в общей памяти облегчало доступ к его содержимому. - Фон-неймановская архитектура стала Структура МПС с фон-неймановской основной архитектурой универсальных архитектурой. компьютеров, включая персональные 7 компьютеры. Гарвардская архитектура Основной особенностью гарвардской архитектуры является использование раздельных адресных пространств для хранения команд и данных Гарвардская архитектура обеспечивает потенциально более высокую скорость выполнения программы по сравнению с фоннеймановской за счет возможности реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды. Этот метод реализации операций позволяет обеспечивать выполнение различных команд за одинаковое число тактов, что дает возможность более просто определить время выполнения циклов и критичных участков программы. Структура МПС с гарвардской архитектурой. 8 Архитектура с общей шиной Архитектура с общей шиной (широко распространена, применяется, например, в персональных компьютерах и в сложных микрокомпьютерах. Архитектура с общей шиной (принстонская, фон- неймановская) проще, она не требует от процессора одновременного обслуживания двух шин, контроля обмена по двум шинам сразу. Наличие единой памяти данных и команд позволяет гибко распределять ее объем между кодами данных и команд. Перераспределение памяти не вызывает никаких проблем, главное — чтобы программа и данные вместе помещались в памяти системы. Как правило, в системах с такой архитектурой память бывает довольно большого объема (от десятков и сотен мегабайт до гигабайт). Архитектура с общей шиной данных и команд 9 Архитектура с раздельными шинами данных и команд Архитектура с раздельными шинами данных и команд Архитектура с раздельными шинами данных и команд сложнее, она заставляет процессор работать одновременно с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно. Программа может размещаться только в памяти команд, данные — только в памяти данных. Такая узкая специализация ограничивает круг задач, решаемых системой, так как не дает возможности гибкого перераспределения памяти. Память данных и память команд в этом случае имеют не слишком большой объем, поэтому применение систем с данной архитектурой ограничивается обычно не слишком сложными задачами. 10 МОДУЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ 11 3.АРХИТЕКТУРА ТИПОВОГО МИКРОКОНТРОЛЛЕРА AREF AVCC TWI ПЗУ (FLASH) + - СОЗУ (SRAM) VCC Интерфейс компаратора Цифровой интерфейс PORTB Цифровой интерфейс PORTD Драйверы PORTB Драйверы PORTD PB0-PB7 Регситр команд PD0-PD7 Указатель стека Логика программирования SPI Дешифратор команд Шина управления ЦПУ USART PC0-PC7 Счетчик команд Генератор Драйверы PORTC Таймеры/ Счетчики Интерфейс АЦП Цифровой интерфейс PORTA Драйверы PORTA PA0-PA7 MUX & ADC Цифровой интерфейс PORTC AGND Регситры общего назначения X Y Z АЛУ Регситр состояния GND Базовые системы МК Внутренний RC генератор Генератор Сторожевой таймер XTAL2 Синхронизация и управление Блок прерываний ЭСППЗУ (EEPROM) XTAL1 RESET Внутренний RC генератор