Лекция 7

1. Лекция 7 Обзор универсальных микроконтроллеров Лектор: Люличева И.А.

2. Содержание • Обзор основных производителейМК • Х51-совместимые МК • МК фирмы Motorola • МК фирмы Atmel

3. Классификация МК и их производители • Номенклатура предлагаемых на сегодняшнем мировом рынке микроконтроллеров (МК) чрезвычайно обширна и в своем составе содержит множество семейств, выпускаемых различными производителями. Семейства между собой различаются: •     по архитектуре процессорного ядра; •     набору интегрируемых на кристалл МК модулей памяти и периферийных устройств; • разрядности обрабатываемых данных ( 8, 16, 32, 64 бит) •   быстродействию; •   энергопотреблению и ряду других характеристик.

4. Классификация МК и их производители • В пределах семейства, как правило, микроконтроллеры подразделяются на подгруппы или серии. Серии же между собой различаются, в основном, составом и параметрами встроенных периферийных устройств, определяющих специфику применения МК. В число периферийных устройств обычно входят • параллельные порты ввода/вывода, • каналы последовательного интерфейса, • таймеры и таймеры/счетчики, • контроллер прерываний и т.п.

5. Классификация МК и их производители Кроме этого, многие микроконтроллеры содержат • дополнительные запоминающие устройства • многофункциональные таймерные модули, • многоканальные АЦП и ЦАП, • широтно-импульсные модуляторы, • цифровые компараторы, • устройства для подключения жидкокристаллических и электролюминесцентных индикаторов • и другие устройства.

6. Классификация МК и их производители • Наиболее крупными и известными на мировом рынке производителями микроконтроллеров являются такие фирмы какIntel, Motorola, Microchip, Atmel, • Zilog, AMD, Philips, NEC, DallasSemiconductor, TexasInstruments, • Hitachi, Mitsubishi, Fujitsu, Toshiba, и ряд других японских фирм

7. Классификация МК и их производители • Holtek, Ubicom (Scenix), Infineon (Siemens), Temic, STMicroelectronics, Samsung, Triscend и ряд других американских, европейских, южно-азиатских фирм. • Отечественная промышленность выпускала весьма ограниченный спектр микроконтроллеров, большая часть которых относилась к Intel-совместимым (серии К1816, К1830, К1835).

8. Наиболее распространенные МК • Из рассмотренных семейств МК на сегодняшний день у разработчиков СНГ наиболее популярными являются • семейства, совместимые с микропроцессорным ядром х51, • PIC-контроллеры фирмы Microchip, • RISC-контроллеры семейства AVR фирмы Atmel • и достаточно активно продвигаемые на наш рынок семейства МК фирмы Motorola.

9. MCS-совместимые микроконтроллеры • Рассмотрение MCS-совместимых микроконтроллеров начнем с МК фирмы Cygnal, которые оснащены усовершенствованным микроконтроллерным ядром CIP-51, полностью совместимым по набору инструкций со стандартным MCS-51 ядром. • Кроме того, зависимости от типа семейства, ядро может содержать 3, 4 или 5 таймеров-счетчиков, • два последовательных порта UART, • как минимум 256 байт встроенной оперативной памяти, • 128-байтный регистр специальных функций SFR (Special Function Register).

10. MCS-совместимые микроконтроллеры • Микроконтроллеры различных семейств могут иметь от 1 до 8 портов (т. е. от 8 до 64 линий ввода/вывода). • Таким образом, ядро CIP-51 с одной стороны обеспечивает полную совместимость со стандартным х51-совместимым ядром, с другой имеет более широкие аппаратные возможности за счет пополнения встроенной цифровой и аналоговой периферии.

11. MCS-совместимые микроконтроллеры (СР) • Как уже говорилось МК фирмы Cygnal различных семейств могут иметь от трех до пяти таймеров. • Первые два шестнадцатибитных таймера/счетчика совместимы с таймерами х51. • Дополнительные таймеры имеют специальное назначение. Таймер 2 имеет дополнительные возможности, которых нет у таймеров 0 и 1. Он может измерять временной интервал или генерировать периодический запрос прерываний или работать в качестве генератора скорости UART1. • Четвертый шестнадцатибитный таймер используется совместно с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), интерфейсом SMBus, либо может использоваться для общих применений.

12. Микроконтроллеры фирмы Моtorola (НС11) • Фирма Моtorola выпускает месколько семейств 8-разрядных МК – МС68НС03, МС68НС05, МС68НС11 и множество заказных семейств. • Семейство НС11 является одним из наиболее распространенных и популярных в мире семейств микроконтроллеров (к 2002 году было продано более 100 млн. МК этого семейства). • Семейство НС11 содержит набор из около 40 универсальных и высокопроизводительных микроконтроллеров, ориентированных как на массовые рынки, так и на среднее и мелкое производство.

13. Микроконтроллеры фирмы Моtorola (НС11) • ЦПУ семейства НС11 чрезвычайно удобно для программирования и оптимизировано по энергопотреблению и быстродействию. Наиболее характерные его особенности: • два 8-битных или один 16-битный аккумулятор • два 16-битных индексных регистра • два программно управляемых режима пониженного энергопотребления • операции умножения 8Х8 и деления 16/16 • внутренняя тактовая частота до 4 МГц

14. Структурная схема НС11

15. Память МК семейства МС68НС11 (СР) МК семейства HC11 имеют в своем составе все типы внутренней памяти, характерные для семейства МС68НС05: • ПЗУ (программируемое или масочное), • EEPROM (EEPROM), • ОЗУ объемом до 2К байт. • Все МК семейства НС11 адресуют внешнюю память, причем есть версии с немультиплексированными магистралями данных и адреса (НС11F1), а также версии с расширенным до 256К...1М адресным пространством (HC11Kx).

16. Спец регистры МК фирмы Моторола (СР) • Для обращения к внутренним регистрам микроконтроллера выделено 96 адресов, которые при начальной установке (процедура RESET) располагаются в позициях $1000-$105F . • В число этих регистров, кроме служебных регистров процессора, входять регистры (рисунок 7.1): параллельних портов PORTA, PORTB, PORTC, PORTCL, DDRC, PORTD, DDRD, PORTE, • последовательных портов SPDR, SPCR, SPSR, SCDR, SCCR1, SCCR2, SCSR, BRR, • таймера TCNT, TIC1-3, ТОС1-5, TMSK1, TMSK2, TFLG.1,-TFLG2, TCTL1, TCTL2, OCIM, OCID, CFORC

17. Группы команд микроконтрол-леров фирмы Моtorola Система команд представлена следующими группами: • команды пересылки данных, связанные с аккумуляторами (LDAB (load accum. B),LDD, STAB, TAB (transfer A to В), CLRA (Clear A), PSHA (push A to stack), PULA, ...) • команды пересылки для стека и индекс. регистров (PSHX, TSX (transfer SP to X), ...) • арифметические команды • (ADD, SUB, INC, DEC, MUL, DIV, CMP, ...) • логические команды (AND, OR, EOR, ...)

18. Группы команд микроконтрол-леров фирмы Моtorola • команды работы с битами (установка, сброс, проверка, сравнение, сдвиги, ...) • команды переходов (JMP, JSR (jump to subroutine), RTS (return from subroutine),переходы по условиям и состояниям битов, ...) • специальные команды (STOP, WAI (wait for interrupt), SWI (software interrupt), ...)

19. Виды адресации Н05-Н11 Для выборки операндов используются такие способы адресации: • регистровая- операнды располагаются в регистрах процессора; • непосредственная - 8- або 16-разрядный операнд im8 или iml6 размещается во 2-3 байтах; • прямая - 16- или 20-разрядный адрес операнда а16 или а20 занимает 2 и 3й байты команды (20-разр адрес используется только в командах JMP и JSR); • относительная - адрес команди вычисляется как РС=РС+ сдвиг (м.б не только 8 разрядным!).

20. Виды адресации Н05-Н11 • косвенная - 8- или 16-разрядный операнд im8 или iml6 содержится во втором и третьем байтах команды; • Косвенно-регистровая со смещением – адрес операнда создается сложением 20-разрядного содержания индексного регистра X, У или Z с расширением ХК, YK или ZK и 16-разрядного смещения е16 содержащегося в аккумуляторе, которое является числом со знаком; • Косвенно-регистровая с пост-модификацией после выполнения команды к содержанию индексного регистра X с расширением ХК добавляется заданное в команде смещение d8 со знаком;

21. Сравнение 8-разрядных МК по производительности

22. Стандартные семейства AVR: • tinyAVR • Флеш-память 8 Кб, SRAM 512 б, EEPROM 512 б • Число линий В/В 6-18 (общее количество выводов 8-32) • Ограниченный набор периферийных устройств • megaAVR • Флеш-память 256 Кб, SRAM 8 Кб, EEPROM 4 Кб • Число линий В/В 23-86 (общее количество выводов 28-100) • Аппаратный умножитель • Расширенная система команд и периферийных устройств • XMEGA AVR • Флеш-память 384 Кб, SRAM 32 Кб, EEPROM 4 Кб • 4-ех канальный DMA-контроллер • Инновационная система обработки событий

23. Микроконтроллеры фирмы AVR • Все AVR имеют Flash-память программ, которая может буть загружена как с помощью обычного программатора, так и с помощью SPI-интерфейса, в том числе непосредственно на цельной плате. • Количество циклов перезаписи - не меньше 1000.

24. Микроконтроллеры фирмы AVR

25. Микроконтроллеры фирмы AVR • Следующая отличительная черта архитектуры микроконтроллеров AVR - регистровый файл быстрого доступа. Каждый из 32-х регистров общего назначения длиной 1 байт непосредственно связан с арифметико-логическим устройством (ALU) процессора. • Другими словами, в AVR существует 32 регистра - аккумулятора.

26. Микроконтроллеры фирмы AVR • Это обстоятельство позволяет в сочетании с конвеерной оброботкой выполнять одну операцию в ALU за один машинный цикл. • Так, два операнда извлекаются с регистрового файла, выполняется команда и результат записывается опять в регистровый файл в течении одного машинного цикла. • Шесть из 32-х регистров файла могут использоваться как три 16-разрядных показателя адреса при косвенной адресации данных.

27. Микроконтроллеры фирмы AVR • Один из этих указателей (Z Pointer) применяется также для доступа к данным, записанным в памяти программ МК. • Использование трех 16-битных указателей (X, Y и Z Pointers) существенно увеличивает скорость пересылки данных при роботе прикладной программы.

28. Система команд микроконтроллеров AVR • весьма развита и насчитывает в различных моделях от 90 до 133 различных инструкций. Большинство команд занимает 16 бит. Большинство команд выполняется за 1 такт. Всё множество команд микроконтроллеров AVR можно разбить на несколько групп: • команды пересылки данных • команды арифметических операций • команды логических операций и команды сдвига • команды операции с битами • команды передачи управления • команды управления системой

29. Особенности АЛУ • Выполнять арифметико-логические операции и операции сдвига непосредственно над содержимым ячеек памяти нельзя. • Нельзя также записать константу или очистить содержимое ячейки памяти. • Система команд AVR позволяет лишь выполнять операции обмена данными между ячейками SRAM и оперативными регистрами. • Достоинством системы команд можно считать разнообразные режимы адресации ячеек памяти, кроме прямой адресации имеются следующие режимы: • косвенная, косвенная с пост-инкрементом, косвенная с пре-декрементом и косвенная со смещением.

30. команды пересылки данных

31. Вопросы для самоконтроля • Какие фирмы лидируют на рынке МК? • Сравните структурные схемы микроконтроллеров (МК) двух различных фирм. • Поясните особенности Гарвардской архитектуры МК. Детальнее остановитесь на регистрах специальных функций. • Дайте краткую характеристику системы команд х51-совместимых МК. • Какие особ RISC МК вам известны? • Приведите структурную схему типичного устройства на базе МК. Поясните принцип подключения дополнительных БИС.