1. 13 Однокристальные микроконтроллеры. Обзор основных архитектур. 8-ми, 16-ти и 32-х разрядные микроконтроллеры ведущих мировых производителей. Критерии, методы и способы выбора микроконтроллера.

Понятия процессор, микропроцессор и микроконтроллер не идентичны. Процессор может представлять собой многосекционную ВС, представляющую собой набор блоков, плат и т.д., в то время как микропроцессор – подобная система, реализованная на одном кристалле одной микросхемой. Также и контроллер может представлять собой конструктивный модуль, а может быть микро, то есть реализован в виде одной микросхемы.

Типичным примером МК служит следующая система:

Внутреннее управление ПО МК должно быть человеконезависимым – то есть проблемы старта, останова и перезагрузки МК ложатся на сам МК. Все тремя вышеперечисленными положениями управляют отдельно выделенные на рисунке блоки управления питанием, сбросом и синхронизации.

Ядро МК – его процессор, подключенный подсистемой памяти и набором периферийных и системных контроллеров. Как правило, память МК представляет собой энергонезависимое ПЗУ, предназначенное для хранения программ, ОЗУ, предназначенное для хранения данных, а также может иметь места для дополнительных энергонезависимых ПЗУ для хранения данных, в которых могут храниться системные переменные, const итд.

Многие МК имеют возможность расширения памяти, а некоторые МК вообще не имеют встроенной памяти. Такие МК работают только с внешней памятью. Как правило, это мощные 16-, 32- или 64-разрядные системы.

По принципу разрядности внутренних шин разделяют 8, 16 и 32 разрядные МК. Существует также отдельный класс – цифровой сигнальный процессор (DSP).

С точки зрения распределения памяти различают как гарвардскую так и пристонскую архитектуру. Например МК Intel в большинстве – Гарвардская, разделяемая память программ и данных, адресуемых собственными шинами, банки памяти адресуются еще и страницами. Большинство МК Motorola, например 8-разрядный НС05,08 – имеют единое адресное пространство программ и данных(пристон). Хотя физически ПЗУ программ и данных – различные модули на кристалле, они имеют общую шину. Исключение составляют МК Atmel AVR. Разработчкам этой компании удалось совместить на логическом уровне гарвардскую и пристонскую архитектуру. AVR с одной стороны имеют независимые модули флеш-ПЗУ программ, флеш-ПЗУ данных и ОЗУ данных, адресуемых собственными шинами. С другой стороны, в адресном пространстве ПЗУ отобраны все системы и периферийные регистры.

1.14 Основные функциональные узлы микроконтроллера. Режимы и алгоритмы функционирования основных узлов. Оцифровка аналоговых сигналов микроконтроллером. ONChip-интерфейсы последовательной передачи данных. Тактирование и синхронизация микроконтроллеров, таймер–счетчик и сторожевой таймер. Методы и способы защиты памяти микроконтроллера. Специализированные однокристальные микроконтроллеры.

Схема синхронизации МК

Схема синхронизации МК обеспечивает формирование сигналов синхронизации, необходимых для выполнения командных циклов центрального процессора, а также обмена информацией по внутренней магистрали. В зависимости от исполнения центрального процессора командный цикл может включать в себя от одного до нескольких (4 — 6) тактов синхронизации. Схема синхронизации формирует также метки времени, необходимые для работы таймеров МК. В состав схемы синхронизации входят делители частоты, которые формируют необходимые последовательности синхросигналов.

Память программ и данных МК

В МК используется три основных вида памяти. Память программ представляет собой постоянную память (ПЗУ), предназначенную для хранения программного кода (команд) и констант. Ее содержимое в ходе выполнения программы не изменяется. Память данных предназначена для хранения переменных в процессе выполнения программы и представляет собой ОЗУ. Регистры МК — этот вид памяти включает в себя внутренние регистры процессора и регистры, которые служат для управления периферийными устройствами (регистры специальных функций).

Порты ввода/вывода

Каждый МК имеет некоторое количество линий ввода/вывода, которые объединены в многоразрядные (чаще 8-разрядные) параллельные порты ввода/вывода. В памяти МК каждому порту ввода/вывода соответствует свой адрес регистра данных. Обращение к регистру данных порта ввода/вывода производится теми же командами, что и обращение к памяти данных. Кроме того, во многих МК отдельные разряды портов могут быть опрошены или установлены командами битового процессора.

Порты выполняют роль устройств временного согласования функционирования МК и объекта управления, которые в общем случае работают асинхронно. Различают три типа алгоритмов обмена информацией между МК и внешним устройством через параллельные порты ввода/вывода:

►режим простого программного ввода/вывода;

►режим ввода/вывода со стробированием;

►режим ввода/вывода с полным набором сигналов подтверждения обмена.

Таймеры и процессоры событий

Модули таймеров служат для приема информации о времени наступления тех или иных событий от внешних датчиков событий, а также для формирования управляющих воздействий во времени.

М одуль таймера 8-разрядного МК представляет собой 8-ми или 16-разрядный счетчик со схемой управления. Схемотехникой МК обычно предусматривается возможность использования таймера в режиме счетчика внешних событий, поэтому его часто называют таймером/счетчиком.

В памяти МК 16-разрядный счетчик отображается двумя регистрами: TH — старший байт счетчика, TL — младший байт. Регистры доступны для чтения и для записи. Направление счета — только прямое, то есть при поступлении входных импульсов содержимое счетчика инкрементируется. В зависимости от настройки счетчик может использовать один из источников входных сигналов:

►импульсную последовательность с выхода управляемого делителя частоты fBUS;

►сигналы внешних событий, поступающие на вход TOCKI контроллера.

В первом случае счетчик работает в режиме таймера, во втором — в режиме счетчика событий. При переполнении счетчика устанавливается в "единицу" триггер переполнения TF, который генерирует запрос на прерывание, если прерывания от таймера разрешены. Пуск и останов таймера могут осуществляться только под управлением программы. Программным способом можно также установить старший и младший биты счетчика в произвольное состояние или прочитать текущий код счетчика.

Сторожевой таймер

Е сли МК "завис" , то на случай выхода из этого состояния все современные контроллеры имеют встроенный модуль сторожевого таймера.

Основу сторожевого таймера составляет многоразрядный счетчик. При сбросе МК счетчик обнуляется. После перехода МК в активный режим работы значение счетчика начинает увеличиваться независимо от выполняемой программы. При достижении счетчиком максимального кода генерируется сигнал внутреннего сброса, и МК начинает выполнять рабочую программу сначала.

Тактовые генераторы МК

Современные МК содержат встроенные тактовые генераторы, которые требуют минимального числа внешних времязадающих элементов. На практике используются три основных способа определения тактовой частоты генератора: с помощью кварцевого резонатора, керамического резонатора и внешней RC-цепи.