Учебное пособие: Мікроконтролери CISC архітектури
Учебное пособие: Мікроконтролери CISC архітектури
Полтавський Військовий Інститут Зв’язку
Кафедра схемотехніки радіоелектронних систем
ОБЧИСЛЮВАЛЬНА ТЕХНІКА ТА МІКРОПРОЦЕСОРИ
напрям підготовки 0924 «Телекомунікації»
Мікропроцесорні системи.
Контролери в телекомунікаціях.
Мікроконтролери CISC архітектури.
Полтава – 2006
Навчальна література:
1. Мікропроцесорна техніка: Підручник/ Ю.І. Якименко та інш. – К.: ІВЦ Політехніка; Кондор, 2004. с. 323-352.
2. Схемотехніка електронних систем: У з кн. Кн. 3. Мікропроцесори та мікро контролери: Підручник/ В.І. Бойко, А.М. Гуржій, В.Я. Жуйков та ін. – 2-е вид. – К: Вища шк., 2004. – 399 с.
ВСТУП
У дійсний час діапазон застосування мікропроцесорної техніки постійно поширюється, до МПС різноманітного призначення типів пред'являються самі різн вимоги. Тому сформувалося кілька типів МПС, що розрізняються потужністю, універсальністю, швидкодією і структурними відмінностями. Основні типи МПС наступні:
- МК – найбільш простий тип МПС, у яких всі або більшість вузлів системи (процесор, пам’ять даних і програм, програмован нтерфейси) виконані у вигляді однієї великої інтегральної мікросхеми (ВІС). Системна шина МК «схована» від користувача усередині мікросхеми. Можливост підключення зовнішніх пристроїв до МК обмежені. МК – це пристрої, що практично завжди використовуються не самі по собі, а в складі більш складних пристроїв (наприклад, контролерів). Пристрої на МК звичайно призначені для рішення одн конкретної задачі або обмеженого кола задач – як правило, керування регулювання;
- контролери – керуючі МПС, звичайно будуються на основ МК; створюються для рішення якоїсь окремої задачі або групи близьких задач. Структура контролера проста й оптимизована для досягнення максимально швидкодії. Конструктивно контролери випускаються в одноплатному (модульному) виконанні.
- мікрокомп'ютери – більш потужні МПС з розвитими засобами сполучення з зовнішніми пристроями. Вони відрізняються від контролерів більш відкритою структурою, допускають підключення до системної шини декількох додаткових пристроїв. Мікрокомп'ютери можуть маті засоби збереження інформац на магнітних носіях і засоби зв'язку з користувачем (монітор, клавіатура). Мікрокомп'ютер розрахований на вирішення широкого кола задач, але до ново задачі його треба «пристосовувати» заново;
- комп'ютери – найбільш універсальні МПС. Вони обов'язково передбачають можливість модернізації, а також широкі можливост підключення нових пристроїв. Їхня системна шина звичайно доступна користувачеві. Крім того, зовнішні пристрої можуть підключатися до комп'ютера через кілька вбудованих портів зв'язку. Комп'ютер завжди має розвинуті засоби: зв'язку з користувачем, збереження інформації великого обсягу, зв'язку з іншими комп'ютерами.
Будь-яку задачу в принципі можна виконати за допомогою кожного з перерахованих типів МПС. Але при виборі типу МПС необхідно, з одного боку, уникнути надмірності, з другого – забезпечити необхідну для даної задач гнучкість системи.
В дійсний час при розробці нових МПС найчастіше вибирають шлях використання МК (приблизно в 80% випадків). Однокристальні МК (ОМК) зручним інструментом для створення сучасних вбудованих пристроїв керування різним обладнанням, наприклад, автомобільною електронікою, побутовою технікою, мобільними телефонами тощо.
Класичні МПС на базі мікросхем мікропроцесорних комплектів випускаються зараз досить рідко, через складність розробки і налагодження цих систем. Даний тип МПС вибирають в основному тоді, коли МК не можуть забезпечити необхідних характеристик.
1. Загальні відомості про МК
1.1. Класифікація і загальн архітектурні риси МК
Основні вимоги, що споживачі пред'являють до ОМК можна сформулювати в такий спосіб:
- низька вартість,
- висока надійність,
- високий ступінь мініатюризації,
- мале енергоспоживання,
- працездатність у жорстких умовах експлуатації;
- достатня продуктивність для виконання всіх необхідних функцій.
Виконання всіх цих суперечливих умов одночасно важко, тому розвиток і удосконалення ОМК пішло шляхом спеціалізації, і в даний час кількість моделей ОМК надзвичайно велика. Однак можна виділити деякі архітектурн риси, які є загальними практично для всіх сучасних МК:
- система команд ОМК зорієнтована на виконання задач керування регулювання;
- алгоритми, що реалізуються на ОМК, мають багато розгалужень залежно від зовнішніх сигналів (подій);
- дані, з якими оперують ОМК, мають невелику розрядність;
- універсальність і можливість розширення функцій керування значно нижчі, ніж у системах з МП;
- нтеграція в одному корпусі мікросхеми (на одному кристалі) практично всіх блоків МПС – ПЗП, ОЗП, пристроїв введення-виведення, тактового генератора, контролера переривань і т.д. Тому в вітчизняної літературі МК часто називають однокристальними ЕОМ.
- побудова більшості МК на основі гарвардської архітектури (використання роздільних областей пам’яті та шин для збереження і передавання даних та команд).
Взагалі, сучасні МК, як і інші МПС, будуються на основ однієї з двох базових архітектур: фон-нейманівської або гарвардської.
В архітектурі фон-Неймана використання єдиної області пам'ят дозволяє оперативно перерозподіляти ресурси між областями програм і даних, що стотно підвищує гнучкість МПС із точки зору розроблювача програмного забезпечення. Розміщення стека в загальній пам'яті полегшує доступ до його вмісту. Невипадково тому фон-нейманівська архітектура стала основною архітектурою універсальних комп'ютерів.
Гарвардська архітектура майже не використовувалася до кінця 70-х років, поки виробники МК не зрозуміли, що вона дає суттєві переваги розроблювачам систем керування.
Справа в тому, що для реалізації більшості алгоритмів керування такі переваги фон-нейманівської архітектури як гнучкість універсальність не мають великого значення. Аналіз реальних програм керування показав, що необхідний обсяг пам'ят даних МК, використовуваний для збереження проміжних результатів, як правило, на порядок менше необхідного обсягу пам'яті програм. У цих умовах використання єдиного адресного простору приводить до збільшення формату команд за рахунок збільшення числа розрядів для адресації операндів. Застосування окремої, невеликої за обсягом пам'яті даних сприяло скороченню довжини команд прискоренню пошуку інформації в пам'яті даних.
Гарвардська архітектура забезпечує потенційно більш високу швидкість виконання програми в порівнянні з фон-нейманівською за рахунок паралельно реалізації деяких операцій. Наприклад, вибірка наступної команди може відбуватися одночасно з вибіркою операндів для виконанням попередньої, і нема необхідності «зупиняти» АЛП процесора на час вибірки команди. Це нада можливость забезпечувати виконання різних команд за однакове число тактів.
Однак, гарвардська архітектура є недостатньо гнучкою для реалізації деяких програмних процедур. Тому порівняння МК, виконаних на основі різних архітектур, варто проводити стосовно до конкретних задач.
МК звичайно класифікують по розрядності оброблюваних чисел:
- чотирирозрядні – найпростіші і найдешевші;
- восьмирозрядні – найбільш чисельна група, що забезпечує оптимальне співвідношення вартості і можливостей; до цієї групи відносяться МК серії MCS-51 (Intel) сумісні з ними, PIC (MicroChip), HC68 (Motorola), Z8 (Zilog) та н.;
- шістнадцатирозрядні – MCS-96 (Іntel) та ін. – більш високопродуктивні;
- тридцатидворозрядні – звичайно є модифікаціями універсальних мікропроцесорів, використовуються для вирішення найбільш складних задач (наприклад, адаптивного керування).
Найбільш розповсюджені у дійсний час восьмирозрядні ОМК, широко використовувані в промисловості, побутовій і комп'ютерній техніці. Причиною життєздатності 8-розрядних МК є використання їх для керування реальними об'єктами, де застосовуються, в основному, алгоритми з переважно логічними (побітовими) операціями, швидкість виконання яких практично не залежить від розрядност процесора.
Сучасні 8-розрядні МК мають наступні особливості:
- модульна організація, при якій на баз одного процесорного ядра проектується ряд (лінійка) МК, що розрізняються обсягом і типом пам'яті програм, обсягом пам'яті даних, набором периферійних модулів, частотою синхронізації;
- використання закритої архітектури МК. Тобто МК явля собою закінчену систему обробки даних, нарощування можливостей якої з використанням паралельних магістралей адреси і даних не передбачається;
- використання типових функціональних периферійних модулів (таймери, процесори подій, контролери послідовних інтерфейсів, АЦП й ін.), що мають незначні відмінності в алгоритмах роботи в МК різних виробників;
- декілька режимів функціонування периферійних модулів, що задаються в процесі ініціалізації регістрів спеціальних функцій МК.
1.2. Типова структура модульного МК
При модульному принципі побудови всі МК одного сімейства містять процесорне ядро, однакове для всіх МК даного сімейства, змінюваний функціональний блок, що відрізняє МК різних моделей. Структура модульного МК подана на рис. 1.
|
|
Процесорне ядро містить у собі:
· центральний процесор;
· внутрішню контролерную магістраль (ВКМ) у складі шин адреси, даних і керування;
· схему синхронізації МК;
· схему керування режимами роботи МК.
Змінюваний функціональний блок містить у собі модул пам'яті різного типу й обсягу, порти введення/виведення, модулі тактових генераторів (Г), таймери. У відносно простих МК модуль обробки переривань входить до складу процесорного ядра. У більш складних МК він являє собою окремий модуль з розвиненими можливостями. До складу змінюваного функціонального блоку можуть входити і такі додаткові модулі, як компаратори напруги, АЦП і інші. Кожен модуль проектується для роботи в складі МК з урахуванням протоколу ВКМ. Даний підхід дозволяє створювати різноманітні МК у межах одного сімейства.
Процесорне ядро сучасних 8-розрядних МК може бути побудовано на основі CISC- архітектури (повна система команд -- Complicated Instruction Set Computer), або RISC-архітектури (скорочена система команд -- Reduced Instruction Set Computer).
CISC-процесори виконують великий набір різноманітних команд, даючи розроблювачеві можливість вибрати найбільше підходящу команду для виконання необхідної операції. Вибірка команди на виконання здійснюється побайтно протягом декількох циклів роботи МК. Час виконання команди може складати від 1 до 12 циклів. До МК із CISC-архітектурою відносяться МК фірми Intel з ядром MCS-51, що підтримуються в даний час великою кількістю виробників.
Схема синхронізації МК забезпечу формування сигналів синхронізації, необхідних для виконання командних циклів центрального процесора та мітки часу, які необхідні для роботи таймерів МК. Вона звичайно будується на основі дільників частоти опорної імпульсної послідовності. Сучасн МК містять вбудовані тактові генератори, але практично всі МК допускають роботу від зовнішнього джерела сигналу з метою завдання довільної тактової частоти МК.
У МК використовується три основних види пам'яті:
Пам'ять програм являє собою ПЗП, призначену для збереження програм і констант.
Пам'ять даних призначена для збереження змінних у процесі виконання програми і являє собою, як правило, статичне ОЗП. Термін «статичне» означає, що вміст комірок ОЗП зберігається при зниженні тактової частоти МК до як завгодно малих значень.
Регістри МК – внутрішн регістри процесора (акумулятор, регістри стану, індексні регістри) і регістри, що служать для керування периферійними пристроями (регістри спеціальних функцій).
Обсяг пам'яті даних МК, як правило, невеликий складає звичайно десятки і сотні байт. Цю обставину необхідно враховувати при розробці програм для МК.
Незважаючи на існуючу тенденцію переходу до закрито архітектури МК, у деяких випадках виникає необхідність підключення додаткової зовнішньо пам'яті. Для цього використовуються порти введення-виведення. Такий спосіб дозволя уникнути реалізації складних шинних інтерфейсів, однак приводить до зниження швидкод системи при звертанні до зовнішньої пам'яті.
Кожен МК має декілька паралельних портів введення-виведення, які виконують роль пристроїв часового узгодження функціонування МК і об'єкта керування, що у загальному випадку працюють асинхронно. Звертання до регістра даних порту здійснюється тими ж командами, що і звертання до пам'яті даних. Крім того, у багатьох МК окремі розряди портів можуть бути опитані або встановлені бітовими командами процесора.
Більшість задач керування, що реалізуються за допомогою МК, виконуються у реальному часі. Під цим розуміється здатність системи одержати інформацію про стан керованого об'єкта, виконати необхідн розрахункові процедури і видати керуючі впливи (сигнали) на протязі інтервалу часу, достатнього для бажаної зміни стану об'єкта.
Покладати функції керування в реальному масштабі часу тільки на центральний процесор неефективно, тому що це займає ресурси, необхідні для розрахункових процедур. Тому в більшості сучасних МК використовується апаратна підтримка роботи в реальному часі з використанням таймерів.
Модулі таймерів служать для прийому інформації про час настання тих або інших подій від зовнішніх датчиків подій, а також для формування керуючих впливів у часі. Таймер – це 8-ми або 16-розрядний лічильник зі схемою керування. Схемотехнікою МК передбачається можливість використання таймера в режимі лічильника зовнішніх подій, тому його часто називають таймером/лічильником. Напрямок рахування – тільки прямий, тобто при надходженні вхідних імпульсів вміст лічильника інкрементується (збільшується на одиницю).
Лічильник може використовувати, у якості джерела вхідних сигналів як імпульсну послідовність з виходу керованого дільника частоти fBUS, так і сигнали зовнішніх подій. У першому випадку говорять, що лічильник працює в режимі таймера, у другому – у режимі лічильника подій.
Наступним етапом розвитку модулів підсистеми реального часу МК стали модулі процесорів подій. Вперше модулі процесорів подій були використані компанією Intel у МК сімейства 8x51Fx. Цей модуль одержав назву програмувального лічильного масиву (Programmable Counter Array PCA). Він забезпечує більш широкі можливості роботи в реальному масштабі часу меньше витрачає ресурси центрального процесора, чим таймери/лічильники. Тенденція розвитку підсистеми реального часу сучасних МК – збільшення числа каналів процесорів подій і розширенні їхніх функціональних можливостей.
Обробка переривань у МК відбувається відповідно до загальних принципів обробки переривань у МПС. Модуль переривань приймає запит переривання і організує перехід до виконання програми, що перериває. Запити переривань можуть надходити як від зовнішніх джерел, так і від джерел, розташованих у різних внутрішніх модулях МК (зовнішні та внутрішні переривання). Як входи для прийому запитів зовнішніх переривань найчастіше використовуються виводи паралельних портів.
Адреса, що завантажується в програмний лічильник при переход до обробки переривання, називається «вектор переривання». Питання про пріоритети при одночасному надходженні декількох запитів на переривання вирішується в різних МК по-різному. Є МК з однорівневою системою пріоритетів (усі запити рівноцінні), багаторівневою системою з фіксованими пріоритетами багаторівневою програмованою системою пріоритетів.
Страницы: 1, 2
