Использование жесткой и программируемой логики

 

Существует два принципиально разных подхода к проектированию цифровых устройств: использование принципа схемной логики или использование принципа программируемой логики.

В первом случае в процессе проектирования подбирается некоторый набор цифровых микросхем (обычно малой и средней степени интеграции) и определяется такая схема соединения их выводов, которая обеспечивает требуемое функционирование (т.е. функционирование устройства определяется тем, какие выбраны микросхемы и по какой схеме выполнено соединение их выводов). Устройства, построенные на таком принципе системной логики, способны обеспечивать наивысшее быстродействие при заданном типе технологии элементов. Недостаток этого принципа построения МКУ состоит в невозможности "перестройки" структуры устройств и систем при необходимости изменения или расширения их функциональных возможностей.

Эти обстоятельства заставляют обратиться к другому подходу в проектировании цифровых устройств, основанному на использовании принципа программируемой логики. Этот подход предполагает построение с использованием одной или нескольких БИС некоторого универсального устройства, в котором требуемое функционирование (т.е. их специализация) обеспечивается занесением в память устройства определенной программы (или микропрограммы). В зависимости от введенной программы такое универсальное управляющее устройство способно обеспечивать требуемое управление операционным устройством при решении самых различных задач. В этом случае число типов БИС, необходимых для построения управляющего устройства, небольшое, а потребность в БИС каждого типа высока. Это обеспечивает целесообразность их выпуска промышленностью.

Следует иметь ввиду, что наивысшее быстродействие достигается в процессорах, в которых управляющее устройство строится с использованием системной логики, а операционное устройство выполняется в виде устройства, специализированного для решения конкретной задачи.

Если в устройстве, построенном на принципе системной логики, всякое изменение или расширение выполняемых функций влечет за собой демонтаж устройства и монтаж устройства по новой схеме, то в случае МКУ благодаря использованию принципа программируемой логики такое изменение достигается заменой хранящегося в памяти программы новой программой, соответсвующей новым выполняемым устройством функциям. Такая гибкость применений вместе с другими связанными с использованием БИС достоинствами (низкой стоимостью, малыми габаритами), а также высокая точность помехозащищенность, характерные для цифровых методов, обусловили бурное внедрение МКУ в различные сферы производства, научные исследования и бытовую технику.

Микроконтроллерные и микропроцессорные устройства в свою очередь обеспечили широкое использование цифровых методов в различных технических применениях, и размах внедрения этих новых методов рассматривается как революция в технике.

 

1.4. Дуализм "программные средства - аппаратура"

 

Проектирование МКС производится на базе определенных ОМК. Разработчикам аппаратуры на основе ОМК недоступен уровень отдель-ных транзисторов, связей между ними. Микроконтроллер воспринимается как нечто цельное, имеющее различные свойства, заложенные в его архитектуре.

Архитектура микроконтроллера - это его логическая организация, определяемая возможностями МК по аппаратурной или программной реализации функций, возлагаемых на проектируемые МКУ. Архитектура отражает структуру МК, способы представления и форматы данных, набор операций, форматы управляющих слов, способы обращения ко всем доступным для пользователя элементам структуры, реакцию МК на внешние сигналы.

При разработке МКС необходимо определить, какая часть функций при создании конкретных МКС должна быть реализована программным способом, а какая - с помощью дополнительных аппаратных средств. Поэтому при проектировании МКС необходимо:

1) дать описание концептуальной модели функционального поведения МКС и рекомендации по организации вычислительного процесса в микроконтроллерной аппаратуре;

2) определить структуру и особенности построения программных средств;

3) описать характеристики внутренней организации потоков данных и управляющей информации;

4) провести анализ функциональной структуры и особенности физической реализации устройств МКС с позиций сбалансированности программных и аппаратных средств.

При разработке архитектуры МКУ определяют форматы данных, обосновывают требования к интерфейсам. Правильный выбор архитек-туры дает возможность оптимизировать вычислительный процесс реа-лизации алгоритмов функционирования МКУ на выбранных аппаратурных средствах. В МКУ процесс оптимизации начинается с решения компро-миса "программные средства - аппаратура", который заключается в том, что в МКУ любое функциональное преобразование может быть осуществлено как программным путём, так и на аппаратных средствах. При этом для реализации любых программных средств необходима аппаратурная поддержка и, наоборот, ни одно из аппаратных средств МКУ не может функционировать без программного обеспечения.

 

1.5. Основные характеристики и классификация однокристальных микроконтроллеров

 

Микроконтроллер является сложным программно-управляемым цифровым устройством в микроэлектронном исполнении, выполненным в виде интегральной микросхемы большой степени интеграции. Поэтому он описывается множеством параметров, присущих как электронным приборам (быстродействие, потребляемая мощность, габариты и масса, количество уровней питания, надежность, стоимость, тип корпуса, температурный диапазон и др.), так и вычислительным средствам (разрядность, цикл выполнения команд, число внутренних регистров, тип стековой памяти, состав резидентного и программного обеспечения и т.д.). Микроконтроллеры классифицируют по наиболее существенным из перечисленных характеристик с целью выбора эффективной сферы применения.

Однокристальные микроконтроллеры получаются при реализации всех аппаратных средств контроллера в виде одной БИС или СБИС. Все выполняемые им операции определяются набором команд МК. В состав однокристального МК входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ), ПЗУ (ППЗУ), ОЗУ, блок регистров общего назначения (БРОН), специальные регистры, схемы управления, магистрали данных (МД), адресов (МА) и управления (МУ), порты ввода-вывода, таймеры-счетчики и другие функциональные узлы.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили однокристальные микроконтроллеры, приведенные в табл. 1.2.

 

Таблица 1.2.

Типы однокристальных МК

 

Тип МК	Фирма производитель	Частота синхронизации
ST 62 MC68 HC05…HC11 8031...8051 (K1816 BE31...51) Z86CXX COP800 80196/296 KC PIC 16/17 AT 89 AVR 90 SX 18/28AC HT 4811/49100	SGT-Thomson Motorola Intel   Zilog National Intel Microchip Atmel Atmel Scenix Holtek	8 Мгц 4,2 Мгц 6/12 Мгц   12 Мгц 20 Мгц 12 Мгц 20 Мгц 12Мгц 16 Мгц 50 гц 4Мгц

 

Основные сравнительные характеристики ОМК серии 1816, ставших по сути промышленным стандартом, и микроконтроллеров PIC 16/17 приведены в табл. 1.3.

Микроконтроллеры серии 1816 имеют традиционную Принстонскую архитектуру, в которой команды и данные передаются по одной и той же шине, требуют одного источника электропитания напряжением +5В, рассеивают мощность около 1,5 Вт и работают в диапазоне температур от 0 до 70С. По входам и выходам МК серии 1816 электрически совместимы с интегральными микросхемами ТТЛ. Микроконтроллер МК48 может работать в диапазоне частот синхронизации от 1 до 6 Мгц, а минимальное время выполнения команды составляет 2,5 мкс. Микроконтроллер МК51 может работать в диапазоне частот от 1,2 до 12Мгц, при этом минимальный цикл выполнения команды составляет 1мкс, а быстродействие равно одному миллиону коротких операций в секунду. Основные характеристики МК 1816 приведены в табл. 1.3.

 

Таблица 1.3.

Сравнительные характеристики ОМК семейств К1816 и PIC 16/17

 

№ п.п.	Основные характеристики	Тип микроконтроллера
K1816BE31/51	PIC16/17
	Технология	n-МОП	КМОП
	Резидентная память программ	Тип	ПЗУ/ППЗУ
Объём	1К...4К	512...4К/8К
	Объём резидентной памяти данных, байт	64/128	25...192/454
	Частота синхронизации, МГц	6/12	20/25
	Длительность цикла, мкс	2,5/1	0,2
	Напряжение питания, В	+5	+(2...6)
	Энергопотребление	300 мА (5В,6МГц) < 300 мА (в режиме SLEEP)	< 2 мА(5В, 4 МГц) 15 мкА(3В,32 кГц) < 1 мкА (3В, в режиме SLEEP)
	Разрядность	команд, бит		12/14/16
данных, бит

 

Анализ основных характеристик МК серии 1816 показывает, что МК48 и МК51 целесообразно использовать на этапе опытно-конструкторской разработки и отладки систем, а также в малосерийных изделиях. Микроконтроллер МК49 имеет масочное ПЗУ программ, и по-этому его следует применять в крупносерийных изделиях. Микроконт-роллеры, в которых нет резидентной памяти программ, используют, как правило, не в конечных изделиях, а в автономных отладочных устройствах и многофункциональных программируемых контроллерах, где в качестве памяти программ и данных используются внешние БИС и имеются средства загрузки программ.

Микроконтроллеры серии PIC 16/17 по сравнению с другими типами ОМК обеспечивают исключительную производительность. Архитектура RISC микроконтроллеров PIC устанавливает новый промышленный стандарт 5 MISP (миллионов операций в секунду). PIC имеют самое высокое быстродействие по сравнению с большинством наиболее распространенных 8-битовых микроконтроллеров аналогичного класса. Семейства микроконтроллеров PIC 16/17 обеспечивают более чем в 5-10 раз лучшую производительность по сравнению с микроконтроллерами серий ST62 фирмы SGS-Thomson, MC68HC05 фирмы Motorola, 8048/8049/8051 фирмы Intel, Z86CXX фирмы Zilog и COP800 фирмы National.

Такая производительность позволяет реализовать различные устройства, работающие в реальном масштабе времени, например: дисковые накопители, всевозможные терминалы, сканеры, высокоско-ростные системы управления автомобильными и электрическими двига-телями, связные процессоры и всевозможные устройства ввода-вывода (рис.1.4).