Основы микропроцессорной техники

Раздел 4. Организация микроконтроллеров

4.3. Память программ и данных МК

В МК используется три основных типа памяти. Память программ представляет собой постоянную память (ПЗУ), предназначенную для хранения программного кода (команд) и констант. Ее содержание в ходе выполнения программы не меняется. Память данных предназначена для хранения переменных в процессе выполнения программы и представляет собой ОЗУ. Регистры МК - этот вид памяти включает в себя внутренние регистры процессора и регистры, которые служат для управления периферийными устройствами (регистры специальных функций).

4.3.1. Память программ

Основным свойством памяти программ является ее энергонезависимость, то есть возможность сохранения программы при отсутствии питания. С точки зрения пользователей МК следует различать следующие типы энергонезависимой памяти программ:

• ПЗУ масочный типа - mask-ROM. Содержимое ячеек ПЗУ этого типа заносится при ее изготовлении с помощью масок и не может быть со временем заменен или допрограмованим. Поэтому МК с таким типом памяти программ следует использовать только после достаточно длительной опытной эксплуатации. Основным недостатком данной памяти является необходимость значительных расходов на создание нового комплекта фотошаблонов и их внедрение в производство. Обычно такой процесс занимает 2-3 месяца и является экономически выгодным только при выпуске десятков тысяч приборов. ПЗУ масочный типа обеспечивают высокую надежность хранения информации по причине программирования в заводских условиях с последующим контролем результата.
• ПЗУ, программируемые пользователем, с ультрафиолетовым стиранием - EPROM (Erasable Programmable ROM). ПЗУ данного типа программируются электрическими сигналами и стираются с помощью ультрафиолетового облучения. Ячейка памяти EPROM представляет собой МОП-транзистор с "плавающим" затвором, заряд на который переносится с управляющего затвора при подаче соответствующих электрических сигналов. Для удаления содержимого ячейки она облучается ультрафиолетовым светом, предоставляющее зарядов на затворе транзистора энергию, которая достаточна для преодоления потенциального барьера и стекания на подложку. Этот процесс может занимать от нескольких секунд до нескольких минут. МК с EPROM допускают многократное программирование и выпускаются в керамическом корпусе с кварцевым окошком для доступа ультрафиолетового света. Такой корпус стоит довольно дорого, что значительно увеличивает стоимость МК. Для уменьшения стоимости МК с EPROM его заключают в корпус без окошка (версия EPROM с однократным программированием).
• ПЗУ, однократно программируемые пользователем, - OTPROM (One-Time Programmable ROM). Представляют собой версию EPROM, выполненную в корпусе без окошка для уменьшения стоимости МК на его основе. Сокращение стоимости при использовании таких корпусов настолько значительно, что в последнее время эти версии EPROM часто используют вместо масочный ПЗУ.
• ПЗУ, программируемые пользователем, с электрическим стиранием - EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM). ПЗУ данного типа можно считать новым поколением EPROM, в которых стирание ячеек памяти происходит также электрическими сигналами за счет использования туннельных механизмов. Применение EEPROM позволяет стирать и программировать МК, не снимая его с платы. Таким образом можно проводить настройку и модернизацию программного обеспечения. Это дает огромный выигрыш на начальных стадиях разработки микроконтроллерных систем или в процессе их изучения, когда много времени уходит на поиск причин неработоспособности системы и выполнение циклов стирания-программирования памяти программ. По цене EEPROM занимают среднее место между OTPROM и EPROM. Технология программирования памяти EEPROM допускает побайтове стирание и программирование ячеек. Несмотря на очевидные преимущества EEPROM, только в редких моделях МК такая память используется для хранения программ. Это связано с тем, что, во-первых, EEPROM имеют ограниченный объем памяти. Во-вторых, почти одновременно с EEPROM появились Flash-ПЗУ, что при подобных потребительских характеристиках имеют меньшую стоимость;
• ПЗУ с электрическим стиранием типа Flash - Flash-ROM. Функционально Flash-память мало отличается от EEPROM. Основное отличие заключается в способе стирания записанной информации. В памяти EEPROM стирание происходит отдельно для каждого ячейки, а во Flash-памяти стирать можно только целыми блоками. Если необходимо изменить содержимое одной ячейки Flash-памяти, потребуется перепрограммировать весь блок. Упрощение декодирующим схем по сравнению с EEPROM привело к тому, что МК с Flash-памятью становятся конкурентоспособными по отношению не только к МК с однократно программируемыми ПЗУ, но и с масочный ПЗУ также.

4.3.2. Память данных

Память данных МК выполняется, как правило, на основе статического ОЗУ. Термин "статическая" означает, что содержимое ячеек ОЗУ сохраняется при снижении тактовой частоты МК до сколь угодно малых значений (с целью снижения энергопотребления. Большинство МК имеют такой параметр, как "напряжение хранения информации" - U _STANDBY. При снижении напряжения питания ниже минимально допустимого уровня U _DDMIN, но выше уровня U _STANDBY работа программы МК выполняться не будет, но информация в ОЗУ сохраняется. При восстановлении напряжения питания можно будет проинициализировать МК и продолжить выполнение программы без потери данных. Уровень напряжения сохранения составляет обычно около 1 В, что позволяет в случае необходимости перевести МК на питание от автономного источника (батареи) и сохранить в этом режиме данные ОЗУ.

Объем памяти данных МК, как правило, невелик и составляет преимущественно десятки и сотни байт. Это обстоятельство необходимо учитывать при разработке программ для МК. Так, при программировании МК константы, если возможно, не сохраняются как переменные, а заносятся в ПЗУ программ. Максимально используются аппаратные возможности МК, в частности, таймеры. Прикладные программы должны ориентироваться на работу без использования больших массивов данных.

4.3.3. Регистры МК

Как и все МПС, МК имеют набор регистров, которые используются для управления его ресурсами. В число этих регистров входят обычно регистры процессора (аккумулятор, регистры состояния, индексные регистры), регистры управления (регистры управления прерываниями, таймером), регистры, обеспечивающие ввод / вывод данных (регистры данных портов, регистры управления параллельным, последовательным или аналоговым вводом / выводом. Обращение к этим регистрам может происходить по-разному.

В МК с RISC-процессором все регистры (часто и аккумулятор) располагаются по адресам, явно задаются. Это обеспечивает более высокую гибкость при работе процессора.

Одним из важных вопросов является размещение регистров в адресном пространстве МК. В некоторых МК все регистры и память данных располагаются в одном адресном пространстве. Это означает, что память данных совмещена с регистрами. Такой подход называется "отображением ресурсов МК на память".

В других МК адресное пространство устройств ввода / вывода отделен от общего пространства памяти. Отдельное пространство ввода / вывода дает некоторое преимущество процессорам с гарвардским архитектурой, обеспечивая возможность считывать команды во время обращения к регистру ввода / вывода.

4.3.4. Стек МК

В микроконтроллерах ОЗУ данных используется также для организации вызова подпрограмм и обработки прерываний. При этих операциях содержимое программного счетчика и основных регистров (аккумулятор, регистр состояния и др.) сохраняется и затем восстанавливается при возврате к основной программе.

В фон-нейманивський архитектуре используется единая область памяти, в том числе, и для реализации стека. При этом снижается производительность устройства, так как одновременный доступ к различным видам памяти невозможен. В частности, при выполнении команды вызова подпрограммы следующая команда выбирается после того, как в стек будет помещен содержимое программного счетчика.

В Гарвардской архитектуре стековые операции происходят в специально выделенной для этой цели памяти. Это означает, что при выполнении программы вызова подпрограмм процессор с гарвардским архитектурой проводит несколько действий одновременно.

Необходимо помнить, что МК обеих архитектур имеют ограниченную емкость памяти для хранения данных. Если в процессоре существует отдельный стек и объем записанных в него данных превышает его емкость, то происходит циклическая изменение содержимого указателя стека, и он начинает ссылаться на ранее заполненную ячейку стека. Это означает, что после слишком большого количества вызовов подпрограмм в стеке окажется неправильный адрес возврата. Если МК использует общую область памяти для размещения данных и стека, то существует опасность, что при переполнении стека произойдет запись в область данных или будет предпринята попытка записи данных, загружаемых в стек, в область ПЗУ.

4.3.5. Внешняя память

Несмотря на существующую тенденцию по переходу к закрытой архитектуры МК, в некоторых случаях возникает необходимость подключения дополнительной внешней памяти (как памяти программ, так и данных).

Если МК содержит специальные аппаратные средства для подключения внешней памяти, то эта операция происходит штатным способом (как для МП).

Второй, более универсальный, способ заключается в том, чтобы использовать порты ввода / вывода для подключения внешней памяти и реализовать обращение к памяти программными средствами. Такой способ позволяет задействовать простые устройства ввода / вывода без реализации сложных шинных интерфейсов, однако приводит к снижению быстродействия системы при обращении к внешней памяти.