45.Структурная организация однокристальных микроконтроллеров (на примере 8- разрядных микроконтроллеров): модульный принцип построения, типы процессорных ядер.
Микроконтроллеры являются специализированными микропроцессорами, которые ориентированы на реализацию устройств управления, встраиваемых в разнообразную аппаратуру.
Характерной особенностью структуры микроконтроллеров является размещение на одном кристалле с центральным процессором внутренней памяти и большого набора периферийных устройств. В состав периферийных устройств обычно входят несколько параллельных портов ввода/вывода данных (от 1 до 8), один или два последовательных порта, таймерный блок, аналого- цифровой преобразователь. Кроме того, различные типы микроконтроллеров содержат дополнительные специализированные устройства, такие как блок формирования сигналов с широтно-импульсной модуляцией, контроллер жидкокристаллического дисплея и ряд других. Благодаря использованию внутренней памяти и периферийных устройств реализуемые набазе микроконтроллеров системы управления содержат минимальное количество дополнительных компонентов.
Для удовлетворения запросов потребителей выпускается большая номенклатура микроконтроллеров, которые принято подразделять на 8-, 16- и 32-разрядные.
8-разрядные микроконтроллеры представляют наиболее многочисленную группу этого класса микропроцессоров, которые имеют относительно низкую производительность, которая, однако, вполне достаточна для решения широкого круга задач управления различными объектами. Это простые и дешевые микроконтроллеры, ориентированные на использование в относительно несложных устройствах массового выпуска. Основными об¬ластями их применения являются бытовая и измерительная техника, промышленная автоматика, автомобильная электроника, теле-, видео- и аудиоаппаратура, средства связи.
Структурную организацию однокристальных микроконтроллеров рассмотрим на примере 8-разрядных МК. Модульный принцип построения
Микроконтроллеры представляют собой законченную микропроцессорную систему обработки информации, которая реализована в виде одной интегральной микросхемы. МК объединяет в пределах одного полупроводникового кристалла основные функциональные блоки микропроцессорной управляющей системы: центральный процессор, ПЗУ, ОЗУ, периферийные устройства для ввода и вывода информации.
Особенностью структурной организации однокристальных МК является модульный принцип построения. Модульный принцип построения обеспечивает широкое разнообразие моделей МК, а также возможность разработки и производствановых моделей МК в короткие сроки. При модульном принципепостроения все МК одного семейства содержат в себе базовый функциональный блок, который одинаков для всех МК семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК разных моделей в пределах одного семейства (рис. 71).
Рисунок
71 – Модульная структура микроконтроллера
Базовый функциональный блок включает:
центральный процессор;
внутренние магистрали адреса, данных и управления;
схему формирования многофазной импульсной последовательности для тактирования центрального процессора и межмодульных магистралей;
устройство управления режимами работы МК (такими как активный режим, в котором МК выполняет прикладную программу, режимы пониженного энергопотребления, водин из которых МК переходит, если по условиям работы выполнение программы может быть приостановлено, состояния начального запуска/сброса и прерывания).
Базовый функциональный блок принято называть процессорным ядром МК. Процессорное ядро обозначают именем семейства МК, основой которого оно является. Например, ядро НС11 – процессорное ядро семейства Motorola МС68НС11, ядро MCS-51 – ядро семейства МК Intel 8хС51, ядро PIC16 – процессорное ядро Microchip PIC16.
Изменяемый функциональный блок включает модули памяти различных типов, модули периферийных устройств, модули генераторов синхронизации и некоторые дополнительные модули специальных режимов работы МК. Представленный науровне схемы электрической принципиальной, каждый модуль имеет выводы для подключения его к магистралям процессорного ядра. Это позволяет науровне функционального проектирования новой модели МК подсоединятьте или иные модули к магистралям процессорного ядра, создавая, таким образом, разнообразные по структуре МК в пределах одного семейства. На уровне топологического проектирования ИС МК, объединенные в составе МК, модули размещают на одном полупроводниковом кристалле. Отсюда появилось выражение «интегрированные на кристалл» периферийные модули. Совокупность модулей, которые разработаны для определенного процессорного ядра, принято называть библиотекой периферийных модулей. Библиотека каждого современного семейства МК включает модули пяти функциональных групп:
модули памяти;модули периферийных устройств;
модули встроенных генераторов синхронизации;
модули контроля за напряжением питания и ходом выполнения программы;
модули внутрисхемной отладки и программирования.
Для 8-разрядных МК характерна, как правило, закрытая архитектура, при которой линии внутренних магистралей адреса и данных отсутствуют на выводах корпуса МК. Как следствие, не предоставляется возможность использования внешних по отношению к МК ИС запоминающих устройств.
Группа модулей периферийных устройств включает следующие основные типы:
параллельные порты ввода/вывода;
таймеры/счетчики событий, таймеры периодических прерываний, процессоры событий;
контроллеры последовательного интерфейса связи нескольких типов (UART, SCI, SPI, I2C, USB);
аналого-цифровые преобразователи (АЦП);
цифроаналоговые преобразователи (ЦАП);
контроллеры ЖК и светодиодных индикаторов.
Возможны также некоторые другие типы модулей, например, модуль прямого доступа к памяти, модуль управления ключами силовых инверторов напряжения, модуль генератора DTMF для тонального набора номера в телефонии и т.п.
Система синхронизации 8-разрядных МК функционально разделяется на собственно генератор синхронизации, который выделяется в отдельный модуль, и схему формирования многофазной последовательности импульсов для тактирования центрального процессора и межмодульных магистралей, которая является неотъемлемой частью процессорного ядра. Имеется возможность выбора внешнего времязадающего элемента: кварцевый или керамический резонатор, RC-цепь. Повышение производительности процессорного ядра МК связано с повышением частоты тактирования центрального процессора и межмодульных магистралей. Однако применение высокочастотных кварцевых резонаторов в качестве времязадающего элемента повышает уровень электромагнитного излучения, т.е. возрастает интенсивность генерации помех. Поэтому часто генераторы синхронизации имеют в своем составе умножитель частоты с программно настраиваемым коэффициентом умножения.
Умножитель частоты выполняется по схеме синтезатора с контуром фазовой автоподстройки (PLL – Phase Loop Lock). Цепи синтезатора частоты и регистры специальных функций для управления режимами его работы включаются в один из модулей генератора синхронизации.
Модули контроля за напряжением питания и ходом выполнения программы осуществляют диагностику некоторых подсистем МК и позволяют восстановить работоспособность устройства на основе МК при нарушениях программного характера, сбоях в
системе синхронизации, снижении напряжения питания.
Модули внутрисхемной отладки и программирования являются аппаратной основой режимов отладки и программирования, которые позволяют отлаживать прикладную программу и заносить коды программы в энергонезависимую память МК прямо на плате конечного изделия, без использования дополнительных аппаратных средств отладки и программирования.
Типы процессорных ядер
Процессорное ядро представляет собой неразрывное единство трех составляющих его технических решений:
архитектуры центрального процессора с присущими ей набором регистров для хранения промежуточных данных, организацией памяти и способами адресации операндов в пространстве памяти, системой команд, определяющей набор возможных действий над операндами, организацией процесса выборки и исполнения команд;
схемотехники воплощения архитектуры, которая определяет последовательность перемещения данных по внутренним магистралям МК между регистрами, арифметическо-логическим устройством и ячейками памяти в процессе выполнения каждой команды;
технологии производства полупроводниковой ИС МК, которая позволяет разместить схему той или иной сложности на полупроводниковом кристалле, определяет допустимую частоту переключений в схеме и энергию потребления.
Эти три составляющие неразрывно связаны друг с другом и, в конечном счете, определяют важнейший параметр процессорного ядра МК – его производительность