Построение микропроцессорных систем на основе однокристальных микроконтроллеров. Тенденции развития однокристальных микроконтроллеров

Тенденции развития однокристальных микроконтроллеров

Однокристальные МК имеют чрезвычайно большую область применения, поэтому их разнообразие весьма широко. В отличие от универсальных микропроцессоров, где с появлением новых возможностей микропроцессоры предыдущих поколений достаточно быстро сходят со сцены, на рынке однокристальных МК до настоящего времени присутствуют как 4-разрядные БИС с частотой работы в единицы мегагерц, так и 32разрядные схемы, работающие на частоте до 150 МГц. Ведутся разработки и в области 64-разрядных МП. Общее количество ежегодно выпускаемых в мире БИС микроконтроллеров составляет более 10 млрд штук, и оно постоянно увеличивается.

Основную часть всех выпускаемых в настоящее время изделий данного класса составляют микроконтроллеры разрядностью 8 и 16 бит. 4разрядные микроконтроллеры стабильно занимают около 10 % рынка, но за последнее время их доля начинает медленно уменьшаться. В то же время наиболее интенсивно развиваются высокопроизводительные 32разрядные микроконтроллеры с богатыми периферийными возможностями.

Хотя около 70 % всех выпускаемых микроконтроллеров имеют архитектуру MCS-51, но и она не остается полностью неизменной, а постоян но модифицируется.

Разные фирмы вносят в базовую архитектуру свои дополнения и усовершенствования. Рассмотрим их на примере микроконтроллеров AVR фирмы Atmel.

Прежде всего отметим, что эта фирма явилась родоначальником использования Flash-памяти на кристалле микроконтроллера. Это начинание оказалось очень удачным. Объем выпуска МК с однократно программируемой памятью программ постоянно сокращается из-за быстрого развития и удешевления Flash-технологии и замещается Flash-версиями. В настоящее время три четверти всех выпускаемых в мире микроконтроллеров имеют Flash-память программ на кристалле.

Отметим особенности архитектуры и микроархитектуры микроконтроллеров AVR:

• наличие трех видов запоминающих устройств на кристалле:
• системной программируемой Flash-памяти программ с возможностью программирования (загрузки) по последовательному интерфейсу;
• программируемой энергонезависимой памяти данных EEPROM и ОЗУ данных;
• программируемые биты защиты от чтения и записи программной памяти и EEPROM ; защита кода от несанкционированного доступа для выделенного во Flash-памяти блока;
• 32 восьмиразрядных регистра общего назначения, которые представляются единым регистровым файлом и не разбиваются на банки регистров;
• RISC -подобное процессорное ядро, использующее многоуровневый конвейер; все 32 регистра непосредственно связаны с арифметико-логическим устройством, которое позволяет выполнять одну команду для двух разных регистров за один такт системного генератора;
• более развитая система прерываний, в том числе 4 уровня приоритетов внешних запросов;
• встроенные в кристалл развитые интерфейсные возможности;
• специальные средства для управления встроенной системой отладки, поддерживающие протокол JTAG ;
• FUSE -биты для задания настроек ряда внутренних блоков микроконтроллера путем установки энергонезависимых "перемычек" на этапе программирования МК, что обеспечивает микроконтроллерам существенный запас гибкости при настройке на конкретное приложение.

Система команд МК AVR расширена по отношению к МК-51 и включает около 130 команд. Она имеет больше команд работы с регистровым файлом и внешними устройствами и использует 5 режимов адресации, среди которых - косвенная автоинкрементная и косвенная автодекрементная. Система команд полностью ортогональная.

Главная концепция фирмы Atmel состоит в том, что современные микроконтроллеры должны не только обладать высокой производительностью и высокой интеграцией встроенных устройств, но и иметь низкие стоимость и энергопотребление, небольшие размеры и широкую поддержку средствами разработки.

Для уменьшения энергопотребления в микроконтроллерах AVR используется технология picoPower, которая устанавливает 6 возможных режимов энергосбережения, в том числе за счет широкого диапазона источников питания (от 1,6 до 3,6 вольт). Контроллеры этого семейства способны длительное время работать от батарейного источника питания в таких приложениях, как приборы с ЖКИ, управление освещением, системы безопасности, автоматизация бытовых приборов и устройств.

Наибольшую известность фирма Atmel получила на рынке 8-разрядных микроконтроллеров. Но известна она также и в области производства 32-разрядных высокопроизводительных микроконтроллеров. Одной из последних моделей в этом направлении являются микроконтроллеры семейства AT32UC3. Их основные характеристики и особенности приведены ниже:

• тактовая частота до 66 МГц;
• энергопотребление в активном режиме 0,48 мВт/МГц;
• Flash-память объемом до 256 Кбайт;
• память SRAM до 128 Кбайт;
• шесть 16-разрядных таймеров/счетчиков;
• сторожевой таймер ( watchdog ) с расширенными возможностями, обеспечивающими дополнительную защищенность системы от потери данных при "зависаниях" какого-либо из блоков в системе. Обработка "зависания" производится с возможностью сохранения критических данных перед генерацией сигнала сброса.

Максимальная длительность задержки перед формированием прерывания либо сигнала сброса увеличена до 8 секунд;

• до 4 интерфейсов USART, интерфейс SPI, 2 интерфейса I2C ; контроллер прямого доступа к памяти;
• выход сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на каждой линии ввода/вывода; ШИМ обеспечивает выдачу периодического сигнала программируемой длительности и скважности на исполнительные устройства системы управления;
• скоростной 12-разрядный 9-канальный АЦП с частотой дискретизации до 1,5 млн отсчетов в секунду;
• часы реального времени;
• аппаратная поддержка языка Java;
• поддержка виртуальной памяти;
• аппаратная поддержка команд, характерных для цифровой обработки сигналов, например, умножение с накоплением (MAC).

Краткие итоги. В лекции рассмотрены принципы обмена информацией в микропроцессорной системе: программно управляемый обмен, обмен по готовности, обмен по прерыванию. Приведены примеры систем, в которых реализованы эти принципы обмена, и программы их работы. Рассмотрены тенденции развития рынка однокристальных микроконтроллеров и развитие архитектуры MSC-51 на примере микроконт роллеров AVR фирмы Atmel.