Глава 4.

ОРГАНИЗАЦИЯ ОДНОКРИСТАЛЬНЫХ

МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ

4 .1. Вводные замечания

Отдельный класс МС представляют однокристальные микроЭВМ. Интеграция всех составных частей МС (ЦП, памяти, подсистемы ВВ, средств поддержки режима реального времени) привела к ряду ограничений на принципы ее организации, потребовала развития архитектуры в направлении, не свойственном для многокристальных компоновок.

Организация однокристальных микроЭВМ ориентирована на применение встраиваемых в изделие недорогих управляющих МС реального времени, рабочая программа которых расположена в ПЗУ системы. По этой причине находящаяся на кристалле физическая память микроЭВМ делится на постоянную для записи программ и оперативную для хранения различных переменных, а сами приборы называются однокристальными микроконтроллерами. Такому делению физической памяти способствовали и технологические ограничения, свойственные системам на одном кристалле.

Развитие интегральной технологии и расширение области применения однокристальных МК привели к дальнейшему совершенствованию архитектурных и структурных принципов их организации. Современные однокристальные МС обладают такими вычислительными ресурсами и возможностями управления в режиме реального времени, для получения которых раньше необходимы были более дорогие многокристальные компоновки. Применение МК на одном кристалле особенно эффективно в системах, где наряду с небольшой памятью требуются интенсивно используемые средства ВВ в реальном масштабе времени.

Периодом становления архитектуры 8-разрядных однокристальных МК считают 1977—1979 гг., когда появились первые приборы этого класса: 8048 фирмы Intel, 3870 фирмы Mostek и 9940 фирмы Texas Instruments Inc. Приборы 3870, 9940 были программно совместимы с многокристальными системами и во многом дублировали их архитектурные признаки, МК 8048 имели оригинальную организацию.

В течение четырех лет, начиная с 1976 г., фирмой Intel было разработано семейство 8-разрядных однокристальных МК iMCS-48 [41], получившее широкое распространение, в основе которого лежит МК 8048 (табл. 4.1). В составе семейства 12 микроЭВМ с единой базовой архитектурой, но различными функциональными возможностями, реализованными непосредственно на кристалле. Семейство включает также ряд расширителей, согласованных с базовой архитектурой микроЭВМ и содержащих те части памяти программ и данных, а также средств ВВ, которые не включены в состав основного кристалла.

Таблица 4.1. Состав однокристальных микроконтроллеров фирмы Intel

Тип прибо-ра	Память программ, байт		Память данных, байт		Число линий ВВ		ИРПС	Число и разряд-ность тай-меров
	внутренняя	внешняя	Внут-рен-няя	внеш-няя	внут-ренних	внеш-них
iMCS-48
8048 8748 8035 8049 8749 8039 8050 8040 8021 8022^* 8041 8741 8355 8755 8155 8156 8243	1К (ПЗУ) 1К (УСППЗУ) — 2К (ПЗУ) 2К (УСППЗУ) — 4К (ПЗУ) — 1К (ПЗУ) 2К (ПЗУ) 1К (ПЗУ) 1К (УСППЗУ) — — — — —	4K 4K 4K 4K 4K 4K — 4K — — — — 2K (ПЗУ) 2К (УСППЗУ) — — —	64 64 64 128 128 128 256 256 64 64 64 64 — — — — —	256 256 256 256 256 256 256 256 — — — — — — 256 256 —	27 27 27 27 27 27 27 27 21 26 18 + CA 18 + CA — — — — —	16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 22 22 16	— — — — — — — — — — — — — — — — —	18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 — — 18 18 —
iMCS-51
8051 8751 8031 8052 8032 8044 8744 8344	4К (ПЗУ) 4К (УСППЗУ) — 8К (ПЗУ) — 4К (ПЗУ) 4К (УСППЗУ) —	64К 64К 64К 64К 64К 64К 64К 64К	128 128 128 256 256 256 256 256	64К 64К 64К 64К 64К 64К 64К 64К	32 32 32 32 32 32 32 32	— — — — — — — —	1 1 1 1 1 1 1 1	216 216 216 216 216 216 216 216
iMCS-96
8394, 8396 8094, 8096 8395^*, 8397^* 8095^*, 8097^*	8К (ПЗУ) — 8К (ПЗУ) —	64К 64К 64К 64К	232 232 232 232	64К 64К 64К 64К	40 + СВВ 40 + СВВ 40 + СВВ 40 + СВВ	— — — —	1 1 1 1	216 216 216 216
* Содержит АЦП

Базовая вычислительная среда iMCS-48 включает до 4К байт программного ПЗУ, формируемого как внутренними, так и внешними по отношению к микроЭВМ средствами, 64/128/256 байт внутренней и 256 байт внешней памяти данных, до 27 внутренних и 16 внешних линий ВВ, 8-разрядный таймер/счетчик, а также одноуровневую систему прерываний с двумя источниками запросов. Микроконтроллер 8021 является младшей моделью семейства, в которой отсутствуют средства подключения внешней памяти и система прерываний. На его основе создан простой прибор 8022 [31], в котором предусмотрен 8-разрядныи аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с двумя коммутируемыми аналоговыми входами. В отличие от остальных БИС 8041 [62] имеет встроенный системный адаптер (СА) для его подключения к шине более мощных систем в качестве программно-управляемого контроллера. Становление архитектуры МК было завершено к 1980 г., когда весь набор однокристальных МК и расширителей к ним был полностью освоен промышленностью. Сегодня элементы семейства iMCS-48 рассматриваются как стандартные компоненты для проектирования микропроцессорных средств и систем.

В 1980 г. фирмой Intel было разработано новое семейство однокристальных МК iMCS-51 [32, 57], базовым представителем которого является прибор 8051 (см. табл 4.1). Новое семейство обеспечивает совместимость с архитектурой iMCS-48, но обладает более обширными адресными пространствами памяти программ и данных, усовершенствованными средствами ВВ и поддержки режима реального времени. В архитектуре предусмотрено до 64К байт ПЗУ, часть которого реализуется на кристалле, 128/256 байт внутреннего ОЗУ, до 64К байт внешнего ОЗУ, 32 линии физического ВВ, программируемый последовательный интерфейс, два или три 16-разрядных таймера/счетчика и двухуровневая система прерываний с пятью или шестью источниками запросов. Дальнейшее развитие получила система команд и способы доступа к отдельным элементам данных. В состав системы введены команды умножения и деления, реализован булев подпроцессор. Сейчас в семействе iMCS-51 более восьми однокристальных микроЭВМ с различными физическими возможностями. Развитие семейства продолжается.

В 1983 г., когда появилась возможность интеграции на одном кристалле кремния более чем 100 тыс. транзисторов, фирмой Intel было предложено семейство 16-разрядных однокристальных МК iMCS-96 [57]. В основе семейства лежит БИС 8096 (см. табл. 4.1), содержащая 120 тыс. транзисторов на одном кристалле, что позволило разместить на нем 16-разрядный ЦП, 8К байт программной памяти, 232 байт памяти данных, а также подсистему аналогового и цифрового ВВ с развитыми средствами поддержки режима реального времени, вкчючая скоростной ВВ (СВВ). Практическое освоение перспективных 16-разрядных МК семейства iMCS-96, ориентированных на применение в 90-х гг., находится в начальной стадии. Областью их использования будут сложные управляющие устройства с повышенными арифметическими возможностями.

Микроконтроллерные БИС (рис. 4.1) отличаются друг от друга, но общим для них является 8- или 16-разрядный ЦП, ПЗУ емкостью (1—8) К байт, ОЗУ емкостью 64—256 байт, значительное число линий цифрового ВВ (18—32). Все системы имеют достаточно эффективные наборы команд, содержащие до 70 и более различных кодов, в том числе мощные средства организации вычислений в режиме реального времени.

Рис. 4.1. Обобщенная схема однокристального микроконтроллера

Имеется два типа памяти программ МК, обеспечивающих гибкость при переходе от проекта к промышленному изделию. Микроконтроллеры с ультрафиолетом стираемыми программируемыми ПЗУ (УСППЗУ) очень экономичны при разработке и отладке исходной системы. Их память команд может быть запрограммирована с помощью обычных программирующих систем [15]. При необходимости память можно полностью очистить засветкой ультрафиолетом через прозрачное окошко на верхней крышке корпуса БИС и ввести в нее новую программу.