Основы микропроцессорной техники

Раздел 4. Организация микроконтроллеров

Основной особенностью современного этапа развития микропроцессорных систем (МПС) является завершение перехода от систем, выполненных на основе нескольких крупных ИС, в однокристальных микроконтроллеров (МК), которые объединяют в одном кристалле все основные элементы МПС: центральный процессор (ЦП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), порты ввода / вывода, таймеры.

4.1. Классификация и структура микроконтроллеров

В настоящее время промышленностью выпускается целый ряд типов МК. Все эти приборы можно условно разделить на три основных класса:

• 8-разрядные МК для встраиваемых задач;
• 16 - и 32-разрядные МК;
• цифровые сигнальные процессоры (DSP).

Самым распространенным представителем семейства МК являются 8-разрядные приборы, которые широко применяются в промышленности, бытовой и компьютерной технике. Они прошли в своем развитии путь от простейших приборов с относительно слаборазвитой периферией до современных многофункциональных контроллеров, обеспечивающих реализацию сложных алгоритмов управления в реальном масштабе времени. Причиной жизнеспособности 8-разрядных МК является использование их для управления реальными объектами, где применяются, в основном, алгоритмы с преобладанием логических операций, скорость обработки которых практически не зависит от разрядности процессора.

Росту популярности 8-разрядных МК способствует постоянное расширение номенклатуры изделий, выпускаемых такими известными фирмами, как Motorola, Microchip, Intel, Zilog, Atmel и многими другими. Современные 8-разрядные МК обладают, как правило, несколькими отличительными признаками. Основными являются:

• модульная организация, при которой на базе одного процессорного ядра (центрального процессора) проектируется ряд (линейка) МК, отличающихся объемом и типом памяти программ, объемом памяти данных, набором периферийных модулей, частоты синхронизации;
• использование закрытой архитектуры МК, которая характеризуется отсутствием линий магистралей адреса и данных на выводах корпуса МК. Таким образом, МК - это законченная система об работки данных, наращивание возможностей которой с использованием параллельных магистралей адреса и данных не предусматривается;
• использование типовых функциональных периферийных модулей (таймеры, процессоры событий, контроллеры последовательных интерфейсов, аналого-цифровые преобразователи и др.), которые имеют незначительные отличия в алгоритмах работы в МК различных производителей;
• расширение количества режимов работы периферийных модулей, которые задаются в процессе инициализации регистров специальных функций МК.

При модульном принципе построения все МК одного семейства содержат процессорное ядро, одинаковое для всех МК данного семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК различных моделей. Структура модульного МК приведена на Рис. 4.1.

Процессорное ядро включает в себя:

• центральный процессор;
• внутреннюю контроллерных магистраль (ВКМ) в составе шин адреса, данных и управления;
• схему синхронизации МК;
• схему управления режимами работы МК, включая поддержку режимов пониженного энергопотребления, начального запуска (инициализации) и т.д.

Изменяемый функциональный блок включает в себя модули памяти различного типа и объема, порты ввода / вывода, модули тактовых генераторов (Г), таймеры. В относительно простых МК модуль обработки прерываний входит в состав процессорного ядра. В более сложных МК он производится как отдельный модуль с развитыми возможностями. В состав изменяемого функционального блока могут входить и такие дополнительные модули как компараторы напряжения, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и другие. Каждый модуль проектируется для работы в составе МК с учетом протокола ВКМ. Данный подход позволяет создавать разнообразные по структуре МК в пределах одного семейства.

Рис. 4.1. Модульная организация МК.