Тема 1 Микроконтроллеры
1.1 Виды микроконтроллеров
В настоящее время выпускается огромное количество самых разнообразных микроконтроллеров. Все они могут быть разделены на следующие основные типы:
- встраиваемые 8-разрядные микроконтроллеры;
- 16- и 32-разрядные микроконтроллеры;
- цифровые сигнальные процессоры (DSP).
Промышленностью выпускается очень широкая номенклатура встраиваемых (embeded) микроконтроллеров. В этих микроконтроллерах все необходимые ресурсы (память, устройства ввода-вывода и т. д.) располагаются на одном кристалле с процессорным ядром. Для работы таких микроконтроллеров необходимы только питание и тактовые сигналы. Встраиваемые микроконтроллеры могут базироваться на уже существующем микропроцессорном ядре или на процессоре, разработанном специально для данного микроконтроллера.
Основное назначение встраиваемых микроконтроллеров — обеспечить с помощью недорогих средств гибкое (программируемое) управление объектами и связь с внешними устройствами. Эти микроконтроллеры не предназначены для реализации комплекса сложных функций, но они способны обеспечить эффективное управление во многих областях применения. Стоимость встраиваемых микроконтроллеров составляет от 1,0 до 20,0 долларов за штуку (цена зависит от технических характеристик, количества выводов корпуса, объема закупок).
Встраиваемые микроконтроллеры содержат значительное число вспомогательных устройств, благодаря чему обеспечивается их включение в реализуемую систему с использованием минимального количества дополнительных компонентов. В состав этих микроконтроллеров обычно входят:
- схема начального запуска процессора (Reset);
- генератор тактовых импульсов;
- центральный процессор;
- память программ (E(E)P)ROM и программный интерфейс;
- память данных RAM;
- средства ввода-вывода данных;
- таймеры, фиксирующие число командных циклов.
Общая структура микроконтроллера показана на рисунке 1.1.
Более сложные встраиваемые микроконтроллеры могут дополнительно реализовать следующие возможности:
- встроенный монитор/отладчик программ;
- внутренние средства программирования памяти программ (ROM);
- обработка прерываний от различных источников;
- аналоговый ввод-вывод;
- последовательный ввод-вывод (синхронный и асинхронный);
- параллельный ввод-вывод (включая интерфейс с компьютером);
- подключение внешней памяти (микропроцессорный режим).
Все эти возможности значительно увеличивают гибкость применения микроконтроллеров и делают более простым процесс разработки систем на их основе. Следует заметить, что для реализации этих возможностей в большинстве случаев требуется расширение функций внешних выводов.
Раньше микроконтроллеры изготавливались по биполярной или NMOS технологии. Все современные микроконтроллеры производятся с помощью CMOS технологии, которая позволяет значительно уменьшить размер кристалла и рассеиваемую мощность.
Типичные значения максимальной частоты тактовых сигналов составляют для различных микроконтроллеров 10–20 МГц. Главным фактором, ограничивающим их скорость, является время доступа к памяти, применяемой в микроконтроллерах. Однако для большинства применений это ограничение не является существенным.
16- и 32-разрядные микроконтроллеры в основном используют внешнюю память (Микроконтроллеры с внешней памятью). Внешняя память включает в себя как память программ (ROM), так и некоторый объем памяти данных (RAM), требуемый для данного применения. Классическим примером такого микроконтроллера является Intel 80188. По существу он представляет собой микропроцессор 8088, который использовался в компьютерах IBM PC, интегрированный на общем кристалле с дополнительными схемами, реализующими ряд стандартных функций, таких как прерывания и прямой доступ к памяти (DMA). Структура микроконтроллера с внешней памятью показана на рисунке 1.2.
Микроконтроллеры с внешней памятью предназначены для других применений, нежели встраиваемые микроконтроллеры.
Эти применения обычно требуют большого объема памяти (RAM) и небольшого количества устройств (портов) ввода-вывода. Типичным примером применения для микроконтроллера с внешней памятью является контроллер жесткого диска с буферной кэш-памятью, который обеспечивает промежуточное хранение и распределение больших объемов данных (обычно измеряемых в мегабайтах). Внешняя память дает возможность такому микроконтроллеру работать с более высокой скоростью, чем встраиваемый микроконтроллер.
Цифровые сигнальные процессоры (DSP) — относительно новая категория процессоров. Назначение DSP состоит в том, чтобы получать текущие данные от аналоговой системы и формировать соответствующий отклик. DSP и их ALU (Arithmetic Logic Unit — арифметико-логическое устройство, которое является аппаратным средством для выполнения вычислений) работают с очень высокой скоростью, что позволяет осуществлять обработку данных в реальном масштабе времени. DSP часто используются в активных шумо-подавляющих микрофонах, которые устанавливаются в самолетах (второй микрофон обеспечивает сигнал окружающего шума, который вычитается из сигнала первого микрофона, позволяя таким образом подавить шум и оставить только голос) или для подавления раздвоения изображения в телевизионных сигналах.
Разработка DSP алгоритмов — это специальный раздел теории управления.
В разнообразных DSP можно найти особенности, присущие как встраиваемым микроконтроллерам, так и микроконтроллерам с внешней памятью. DSP не предназначены для автономного применения. Обычно они входят в состав систем, используясь в качестве устройств управления внешним оборудованием, а также для обработки входных сигналов и формирования соответствующего отклика.