Використання жорсткої і програмованої логіки

 

Існує два принципово різних підходи до проектування цифрових пристроїв: використання принципу схемної (жорсткої) логіки або використання принципу програмованої логіки.

У першому випадку в процесі проектування підбирається деякий набір цифрових мікросхем (звичайно малого і середнього ступеня інтеграції) та визначається така схема з'єднання їх виводів, яка забезпечує необхідне функціонування (тобто функціонування пристрою визначається тим, які вибрані мікросхеми і за якою схемою виконано з'єднання їх виводів). Пристрої, побудовані на такому принципі схемної логіки, здатні забезпечувати найвищу швидкодію при заданому типі технології елементів. Недолік цього принципу побудови МКП полягає в неможливості "перебудови" структури пристроїв і систем при необхідності зміни або розширення їх функціональних можливостей.

Ці обставини примушують звернутися до іншого підходу в проектуванні цифрових пристроїв, заснованого на використанні принципу програмованої логіки. Цей підхід передбачає побудову з використанням однієї або декількох ВІС деякого універсального пристрою, в якому необхідне функціонування (тобто його спеціалізація) забезпечується занесенням в пам'ять пристрою певної програми (або мікропрограми). У залежності від введеної програми такий універсальний керуючий пристрій здатний забезпечувати необхідне керування операційним пристроєм при рішенні найрізноманітніших задач. У цьому випадку кількість типів ВІС, необхідних для побудови керуючого пристрою, невелика, а потреба в ВІС кожного типу висока. Це забезпечує доцільність їх випуску промисловістю.

Потрібно мати на увазі, що найвища швидкодія досягається в процесорах, в яких керуючий пристрій будується з використанням схемної логіки, а операційний пристрій виконується у вигляді пристрою, спеціалізованого для рішення конкретної задачі.

Якщо в пристрої, побудованому на принципі схемної логіки, будь-яка зміна або розширення функцій, що виконуються, спричиняє за собою демонтаж пристрою і його монтаж за новою схемою, то у випадку МКП, завдяки використанню принципу програмованої логіки, така зміна досягається заміною програми, що зберігається в пам'яті, новою програмою, яка відповідає новим функціям, що виконуються пристроєм. Така гнучкість застосувань разом з іншими пов'язаними із використанням ВІС перевагами (низькою вартістю, малими габаритами), а також висока точність і завадозахищеність, характерні для цифрових методів, обумовили бурхливе впровадження МКП в різні сфери виробництва, наукові дослідження та побутову техніку.

Мікроконтролерні пристрої в свою чергу забезпечили широке використання цифрових методів в різних технічних застосуваннях, і розмах впровадження цих нових методів розглядається як революція в техніці.

 

1.4. Дуалізм "програмні засоби–апаратура"

 

Проектування МКС проводиться на базі певних ОМК. Розробникам апаратури на основі ОМК недоступний рівень окремих транзисторів, зв'язків між ними. Мікроконтролер сприймається як щось суцільне, що має різні властивості, закладені в його архітектурі.

Архітектура мікроконтролера – це його логічна організація, яка визначається можливостями МК по апаратурній або програмній реалізації функцій, які покладаються на МКП, що проектуються. Архітектура відображає структуру МК, способи представлення і формати даних, набір операцій, формати керуючих слів, способи звертання до всіх доступних для користувача елементів структури, реакцію МК на зовнішні сигнали.

При розробці МКС необхідно визначити, яка частина функцій при створенні конкретних МКС повинна бути реалізована програмним способом, а яка – за допомогою додаткових апаратних засобів. Тому при проектуванні МКС необхідно:

1) дати опис концептуальної моделі функціональної поведінки МКС і рекомендації по організації обчислювального процесу в мікроконтролерній апаратурі;

2) визначити структуру і особливості побудови програмних засобів;

3) описати характеристики внутрішньої організації потоків даних і керуючої інформації;

4) провести аналіз функціональної структури та особливостей фізичної реалізації пристроїв МКС з позицій збалансованості програмних і апаратних засобів.

При розробці архітектури МКП визначають формати даних, обгрунтовують вимоги до інтерфейсів. Правильний вибір архітектури дає можливість оптимізувати обчислювальний процес реалізації алгоритмів функціонування МКП на вибраних апаратурних засобах. У МКП процес оптимізації починається з рішення компромісу "програмні засоби – апаратура", який полягає в тому, що в МКП будь-яке функціональне перетворення може бути здійснено як програмним шляхом, так і на апаратних засобах. При цьому для реалізації будь-яких програмних засобів необхідна апаратурна підтримка і, навпаки, жоден з апаратних засобів МКП не може функціонувати без програмного забезпечення.

 

1.5. Основні характеристики і класифікація

однокристальних мікроконтролерів

 

Мікроконтролер (МК) є складним програмно-керованим цифровим пристроєм в мікроелектронному виконанні, виконаним у вигляді великої інтегральної мікросхеми (ВІС) або над великої інтегральної мікросхеми (НВІС). Тому він описується множиною параметрів, властивих як електронним приладам (швидкодія, споживана потужність, габарити і маса, кількість рівнів живлення, надійність, вартість, тип корпусу, температурний діапазон тощо), так і обчислювальним засобам (архітектура процесорного ядра, розрядність команд і даних, цикл виконання команд, число внутрішніх регістрів, тип пам'яті, склад резидентного і програмного забезпечення і т. д.). Мікроконтролери класифікують за найбільш істотними із перерахованих характеристик з метою вибору ефективної сфери застосування.

Однокристальні мікроконтролери одержуються при реалізації всіх апаратних засобів контролера у вигляді однієї ВІС або НВІС. Всі операції, що виконуються ним, визначаються набором команд МК. До складу однокристального МК входить: арифметичнологічний пристрій (АЛП) або центральний процесор (ЦП), постійний запам’ятовуючий пристрій (ПЗП) або перепрограмовуємий ПЗП (ППЗП), оперативний запам’ятовуючий пристрій (ОЗП), блок регістрів загального призначення (РЗП), спеціальні регістри, схеми керування, магістралі даних (МД), адрес (МА) і керування (МК), порти вводу-виводу, таймери-лічильники та інші функціональні вузли і периферійні пристрої.

На сьогоднішній день найбільше поширення отримали однокристальні мікроконтролери, наведені в табл. 1.2.

В цій таблиці по суті наведена загальна класифікація МК за такими основними критеріями, як: архітектура процесорного ядра, розрядність команд, максимальна тактова частота.

З цієї таблиці видно, що більшість ОМК має традиційну (фон-нейманівську або Прінстонську) CISC архітектуру, в якій команди і дані передаються по одній шині. Особливий клас представляють собою мікроконтролери, архітектура яких заснована на концепції роздільних шин і областей пам'яті для даних і команд (Гарвардська архітектура). Дані мікроконтролери мають RISC архітектуру, що забезпечує просту, але потужну систему команд, які виконуються за один цикл. До таких мікроконтролерів відносяться, зокрема, ОМК фірми Microchip сімейства PIC (12CXX, 16CXX, 17CXX, 18CXX) [1 – 3, 7, 9, 10, 12, 15 – 17].

У структуру ОМК сімейства PIC закладено багато різних функціональних особливостей, що роблять їх на сьогоднішній день одними із найбільш високопродуктивних, мікроспоживаючих, завадозахищених програмованих користувачем 8-бітних мікроконтролерів. Завдяки цим особливостям ОМК сімейства PIC можуть обробляти апаратно-програмним способом як дискретні, так і аналогові сигнали, формувати різного роду керуючі сигнали, а також здійснювати зв'язок між собою і з ЕОМ, що знаходиться на більш високому ієрархічному рівні в системі.

Фірмою Microchip здійснюється потужна програмна, апаратна та інформаційна підтримка своїх виробів через мережу Internet і широко розгалужену у всьому світі дилерську мережу.

Таблиця 1.2

Типи, класифікація і порівняльні характеристики однокристальних МК

 

Сімейство МК	Фірма - виробник	Архітектура процесорного ядра	Розрядність даних (біт)	Частота синхронізації (МГц)
ST 62 М3820	SGT-Thomson Mitsubishi Electric	CISC CISC
K1816 BE51		CISC
Z86CXX AT 89 COP800 MCS-51	Zilog Atmel National Intel	CISC CISC CISC CISC		12/ 24
MC68 HC05/08/11	Motorola	CISC		4/ 12/ 32
M68HC16 MCS-196/296	Motorola Intel	CISC CISC		16/50
M683xx	Motorola	CISC
HT 4811/49100	Holtek	RISC
KP1878 BE1/2 PIC 12/16/17/18	Ангстрем Microchip	RISC RISC		4/20/33/40
AVR 90 SX 18/28AC/	Atmel Scenix	RISC RISC		50/200
MPC50x MPC8xx	Motorola Motorola	RISC RISC

 

Основні порівняльні характеристики ОМК серії К1816 (MCS-51), що стали по суті промисловим стандартом [4, 5, 8, 14, 19], і мікроконтролерів PIC приведені в табл. 1.3.

Мікроконтролери серії К1816 (MCS-51) мають традиційну Прінстонську архітектуру, в якій команди і дані передаються по одній і тій же шині, вимагають одного джерела електроживлення напругою + 5 В, розсіюють потужність близько 1,5 Вт і працюють в діапазоні температур від 0 до 70 ^оС. По входах і виходах МК серії 1816 електрично сумісні з інтегральними мікросхемами ТТЛ. Мікроконтролер МК48 може працювати в діапазоні частот синхронізації від 1 до 6 Мгц, а мінімальний час виконання команди становить 2,5 мкс. Мікроконтролер МК51 може працювати в діапазоні частот від 1,2 до 12 МГц, при цьому мінімальний цикл виконання команди становить 1 мкс, а швидкодія дорівнює одному мільйону коротких операцій за секунду.

Таблиця 1.3

Порівняльні характеристики ОМК сімейств К1816 (MCS-51) і PIC

 

№ з/п	Основні характеристики	Тип мікроконтролера
K1816	PIC
	Технологія	n-МОП	КМОП
	Резидентна пам'ять програм	Тип	ПЗП/ППЗП
Об'єм	1К...4К	512...4К/8К
	Ємність резидентної пам'яті даних, байт	64/128	25...192/454
	Частота синхронізації, МГц	6/12	4/20/33/40
	Тривалість циклу, мкс	2,5/1	0,2
	Напруга живлення, В	+ 5	+ (2...6)
	Енергоспоживання	300 мА (5 В, 6 МГц) < 300 мА (в режимі SLEEP)	< 2 мА (5 В, 4 МГц) 15 мкА (3 В, 32 кГц) < 1 мкА (3В, в режимі SLEEP)
	Розрядність	команд, біт		12/14/16
даних, біт

 

Мікроконтролери серії PIC забезпечують більш ніж в 5 – 10 разів кращу продуктивність у порівнянні з більшістю найбільш поширених 8-бітових мікроконтролерів аналогічного класу, таких, наприклад, як ST62 фірми

SGS-Thomson, MC68HC05…HC11 фірми Motorola, MCS-51 фірми Intel, К1816 фірми Ангстрем, Z86CXX фірми Zilog і COP800 фірми National [4].

Така продуктивність дозволяє реалізувати різні пристрої, працюючі в реальному масштабі часу, наприклад: дискові накопичувачі, різноманітні термінали, сканери, високошвидкісні системи керування автомобільними і електричними двигунами, зв'язні процесори і різноманітні пристрої вводу-виводу (рис. 1.4).