Микропроцессоры и микроконтроллеры

•Микропроцессор (МП) - программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс цифровой обработки информации и управления и построенное на одной большой или сверхбольшой интегральной микросхеме (БИС, СБИС). Выполняет под управлением программы арифметические и логические операции, ввод и вывод информации.

•В связи с широким спектром возможных применений эволюция архитектуры микропроцессоров шла по нескольким различным направлениям, в результате чего появились следующие их классы:

простые однокристальные 4-, 8- и 16-разрядные МП невысокой производительности для применения в небольших системах;

быстродействующие секционные комплексы микропроцессорных БИС для создания вычислительных устройств произвольной разрядности, адаптируемых к алгоритмам обработки данных на микропроцессорном уровне;

мощные однокристальные 32- и 64-разрядные МП;

процессоры цифровой обработки сигналов, подключаемые к стандартным интерфейсам микропроцессоров и микроконтроллеров для обработки алгоритмов, таких, как быстрое преобразование Фурье;

аналоговые процессоры — устройства, включающие АЦП, ЦАП, устройства цифровой обработки и представляющиеся пользователю как системы с аналоговым входом и аналоговым выходом;

специализированные матричные и векторные МП. Предназначены для обработки изображений, матриц и массивов данных, т. е. в них осуществляется манипуляция массивами данных, а непростое исполнение списка инструкций. Характеризуются специальной архитектурой, построенной на группе параллельно работающих процессорных элементов;

Микропроцессоры

многоядерные МП представляют собой вычислительную систему, в которое несколько ядер (каждое из них – мощный 64-разрядный МП) интегрированы в один кристалл СБИС. Ядра связаны между собой быстродействующими каналами передачи данных, каждое ядро работает со своей памятью, но возможен и доступ к чужой области памяти. Реализуют параллельный принцип обработки информации.

•Выпускаемые микропроцессоры делятся на отдельные классы в соответствии с их архитектурой, структурой и функциональным назначением. Основными направлениями развития микропроцессоров является увеличение их производительности и расширение функциональных возможностей, что достигается как повышением уровня микроэлектронной технологии, используемой для производства микропроцессоров, так

иприменением новых архитектурных и структурных вариантов их реализации.

•Архитектура микропроцессоров https://studizba.com/lectures/10-informatika-i-programmirovanie/347-mikroprocessory-i-mps/4677-11-arhitektura- mikroprocessora.html

•Архитектурой микропроцессора называется комплекс его аппаратных и программных средств, предоставляемых пользователю. В это общее понятие входит набор программно-доступных регистров и исполнительных (операционных) устройств, система основных команд и способов адресации, объем и структура адресуемой памяти, виды и способы обработки прерываний.

•Структура микропроцессора – комплекс аппаратных средств (устройств и блоков), и реализуемые механизмы их взаимодействия. Определяется функциональным назначением и областью применения микропроцессора.

•Архитектура и структура микропроцессора тесно взаимосвязаны. Реализация тех или иных архитектурных особенностей требует введения в структуру микропроцессора необходимых аппаратных средств (устройств и блоков) и обеспечения соответствующих механизмов их совместного функционирования.

Микропроцессоры

Упрощенная классическая структура МП представляется следующим образом.

Основу МП составляет арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические, логические операции и операции сдвига над данными, представленными в двоичном коде. В АЛУ имеется два входа для операндов и один выход для результата.

При работе с операндами в АЛУ возникают различные состояния, связанные, например, с нулевым и отрицательным результатами, с переполнением разрядной сетки и т. п..

Микропроцессоры

•Чтобы фиксировать эти события и оперативно влиять на ход обработки данных, в структуре МП используется специальный регистр, в котором значения отдельных бит соответствуют различным событиям: состояние переноса/заема, значение знака, нулевой результат и др. Такой регистр получил название регистра слова состояния процессора (ССП, регистр статуса SR). Биты событий называют флажками (флагами), а регистр также называют регистром флагов (FLAGS).

•При выполнении операции в АЛУ на ее входы поступают операнды, источниками и приемниками которых чаще всего выступают несколько рабочих регистров. Один из этих регистров называется аккумулятором или регистром А. В него помещается один из операндов, участвующих в операции, а также результат операции, формируемый в АЛУ.

•Остальные рабочие регистры используются в операциях по усмотрению программиста и называются регистрами общего назначения (РОН). Один из операндов часто хранится в одном из РОН, другой же – в аккумуляторе.

•Для указания МП необходимых действий при выполнении программы используются команды, поступающие из внешней памяти по шине данных. Для приема и хранения текущей команды используется регистр команд (РК). Для идентификации команды используется дешифратор команд (ДК), в функции которого входит определение типа текущей команды и запуск такой последовательности действий МП, которая ее выполнит.

•Процесс управления всеми элементами МП выполняет устройство управления (УУ), которое принимает внешние сигналы и формирует ответные, управляющие и синхронизирующие сигналы, необходимые для работы внешних устройств. Для формирования синхронизирующих сигналов в МП имеется генератор тактовых импульсов (ГТИ).

•Совокупность входных и выходных внешних управляющих сигналов часто называют шиной управления (ШУ).

•Адрес текущей команды формируется счетчиком команд (СК, программным счетчиком PC). Содержимое СК загружается в регистр адреса (РА) перед чтением очередной команды или данных.

Микропроцессоры

•Для обеспечения прерываний основной программы предназначен стек – набор внутренних или внешних ячеек памяти, используемых для временного хранения обрабатываемых данных и состояния МП. При этом загрузка и выгрузка стека происходит в последовательные ячейки. Для адресации текущей ячейки (вершина стека) используется специальный регистр – указатель стека (SP).

•По однонаправленной адресной шине (ША) МП посылает адреса, определяя объект, с которым будет производиться обмен; по шине данных (двунаправленной ШД) обменивается данными с модулями (блоками) системы; по шине управления (ШУ) идет обмен управляющей информацией.

•Различные модели микропроцессоров содержат ряд других специализированных регистров.

•В современных микропроцессорах реализуются следующие варианты архитектур.

•Микропроцессоры CISC (Complex Instruction Set Computer) классической архитектуры с полным набором (более 200) команд форматом от 1 до 20 байт, обеспечтвающие более 10 способов адресации, используемые в большинстве современных персональных компьютеров типа IBM PC. Такое многообразие выполняемых команд, способов адресации и наличие 8 или 16 регистров общего назначения (РОН) позволяет разработчику реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач. Однако при этом существенно усложняется структура МП, особенно его устройство управления, что приводит к увеличению размеров и стоимости кристалла, снижению производительности.

•Микропроцессоры RISC (Reduced Instruction Set Computer) с неполным набором (около 100) команд с фиксированным форматом длиной 4 байта и числом РОН от 32 до нескольких сотен, в результате чего МП c RISC-архитектурой на 20…30% реже обращается к оперативной памяти. Такие МП содержат набор только простых, чаще всего встречающихся в программах, команд, а при необходимости выполнения более сложных команд в RISC-процессоре производится их автоматическая сборка из простых команд.

Микропроцессоры

•Размеры МП с RISC-архитектурой меньше, как и цикл разработки RISC-процессора, а их быстродействие выше по сравнению с процессорами с CISC-архитектурой. Во многих современных CISC-процессорах используется RISC-ядро, выполняющее обработку данных.

•Микропроцессоры VLIW (Very Large Instruction Word), использующие очень длинные команды (128 бит и более), отдельные поля которых содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций. Специальный компилятор планирования перед выполнением прикладной программы проводит её анализ, и по множеству ветвей последовательности операций определяет группу команд, которые могут выполняться параллельно. Каждая такая группа образует одну сверхдлинную команду. Это позволило выполнять в течение одного такта группу коротких команд и упростить структуру VLIW-процессора.

•Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, в состав которых входит микропроцессор. МПС предназначена для выполнения определенного набора функций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление. Вычислительные, контрольно-измерительные или управляющие системы, обрабатывающим элементом которых служит МП, относятся к МПС.

•Структура МПС, как правило, является магистрально-модульной. В такой структуре имеется группа магистралей (шин), к которым подключаются различные модули (блоки), обменивающиеся между собой информацией поочередно, в режиме разделения времени. Термин "шины" относится к совокупности цепей (линий), число которых определяет разрядность шины.

•Типичная структура МПС – трехшинная, с шинами адресов ША (АВ - Аdress Виs), данных ШД (DВ - Data Вus) и управления ШУ (СВ - Сопtrol Вus). Любая МПС содержит МП, память и интерфейс ввода/вывода. Достоинством шинной структуры является возможность подключения к МПС новых модулей, например нескольких блоков ОЗУ и ПЗУ, для получения требуемого объёма памяти.

•Память МПС включает постоянное (ПЗУ) и оперативное (ОЗУ) запоминающие устройства.

•ПЗУ хранит основную программу, подпрограммы, фиксированные данные (константы). Оно энергонезависимо и не теряет информацию при выключении питания.

Микропроцессоры

•ОЗУ используется для хранения оперативных данных (изменяемые программы, промежуточные результаты вычислений, массивы данных, поступающие от датчиков или подготовленные к выдаче внешним устройствам и др.). Оно является энергозависимым и теряет информацию при выключении питания. Для приведения системы в работоспособное состояние после включения питания ОЗУ следует загрузить необходимой информацией.

•Интерфейс (ИФ) используется для сопряжения МП с внешними устройствами (ВУ) по временным и электрическим параметрам и представляет собой набор шин, БИС, специальных сигналов и алгоритмов обмена информацией.

•Для подключения ВУ необходимо привести их сигналы, форматы слов, скорость передачи и т.п. к стандартному виду, воспринимаемому данным МП. Эта операция выполняется специальными блоками, называемыми адаптерами (интерфейсными блоками ввода-вывода).

•Кроме указанных блоков, в состав МПС входят обычно и более сложные, чем адаптеры, блоки управления внешними устройствами — контроллеры. К их числу относятся контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти. Используются также контроллеры клавиатуры, дисплея, дисковой памяти и т.п.

Микроконтроллеры

•Микроконтро́ллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ или ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

•На рисунке - Микроконтроллер ATtiny2313 американской фирмы Atmel

•С появлением однокристальных микро-ЭВМ связывают начало эры массового применения компьютерной автоматизации в области управления. В связи со спадом отечественного производства и возросшим импортом техники, в том числе вычислительной, термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микро-ЭВМ».

•Первый патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам американской Texas Instruments. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только процессор, но и память с устройствами ввода-вывода.

•В 1976 году[1] американская фирма Intel выпускает микроконтроллер i8048. Через 4 года, в 1980 году, Intel выпускает следующий микроконтроллер: i8051. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер i8051 являлся для своего времени очень сложным изделием — в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре i8086.

•На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов.

Микроконтроллеры – общая архитектура

При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д. В отличие от обычных компьютерных микропроцессоров, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.

Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись. Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти.

Неполный список периферии, которая может присутствовать в микроконтроллерах, включает в себя: универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод; различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I²C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet; аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи; компараторы; широтно-импульсные модуляторы; таймеры;

контроллеры бесколлекторных двигателей; контроллеры дисплеев и клавиатур; радиочастотные приемники и передатчики; массивы встроенной флеш-памяти;

встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер.

Во многих моделях микроконтроллеров используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это даёт контроллеру возможность работать на меньших частотах и даже не терять данные при полной остановке тактового генератора. Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения, в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль.

Микроконтроллеры PIC

•PIC — микроконтроллеры Гарвардской архитектуры, производимые американской компанией Microchip Technology Inc. Название PIC является сокращением от Peripheral Interface Controller, что означает «периферийный интерфейсный контроллер». Название объясняется тем, что изначально PIC предназначались для расширения возможностей ввода-вывода 16-битных микропроцессоров CP1600.

•В номенклатуре Microchip Technology Inc. представлен широкий спектр 8-и, 16-и и 32-битных микроконтроллеров и цифровых сигнальных контроллеров под маркой PIC. Отличительной особенностью PIC-контроллеров является хорошая преемственность различных семейств. Это и программная совместимость (единая бесплатная среда разработки MPLAB IDE), и совместимость по выводам, по периферии, по напряжениям питания, по средствам разработки, по библиотекам и стекам наиболее популярных коммуникационных протоколов. Номенклатура насчитывает более 500 различных контроллеров со всевозможными вариациями периферии, памяти, количеством выводов, производительностью, диапазонами питания и температуры и т. д.

•Для программирования микроконтроллеров семейства PIC применяются фирменные программаторы- отладчики ICD-2, ICD-3, REAL ICE, Pickit. Эти программаторы позволяют как программировать, так и отлаживать код: пошаговое выполнение, точки останова, просмотр оперативной и программной памяти, просмотр стека.