Принципы использования микропроцессоров в информационно-измерительных системах icon

Принципы использования микропроцессоров в информационно-измерительных системах


Смотрите также:
Принципы построения и методы оценки эффективности и погрешностей измерений характеристик...
Методические указания по использованию сборника...
Учебная программа Дисциплины 02 «Полупроводниковые лазеры в оптической связи и измерительных...
Комплекс технических и про­граммных средств...
Программа государственного экзамена по специальности 200101 «Приборостроение»...
Разработчики программы повышения квалификации: Солдаткин В. М., проф., д т. н....
Рабочая программа по курсу "Технология микросхем и микропроцессоров" Красноярск 2000...
Краткое содержание цикла лекций №1 «Проектирование и производство цифровых сбис нанометрового...
1 Цели, предметы и объекты изучения дисциплины...
Учебная программа дисциплины обработка речевых данных в информационно-телекоммуникационных...
С. М. Абрамов
Программа курса лекций Исторический обзор микропроцессоров. Классификация микропроцессоров...



Загрузка...
скачать

Г

лава 7. Принципы использования микропроцессоров в ИИС.

Глава 7

Принципы использования микропроцессоров
в информационно-измерительных системах.



Микропроцессор используется в технике для построения вычислительных систем, предназначенных для обработки и преобразования информации. Информация в микропроцессорной системе представлена в различных видах: данные, адреса, команды. Микропроцессорная система – цифровая система, поэтому вся информация кодируется в виде чисел в двоичной системе счисления. Для более удобного написания чисел используется шестнадцатеричная система счисления.

    1. ^

      Функции, выполняемые микропроцессорами в современных контрольно-измерительных средствах и системах


Микропроцессорные системы стали неотъемлемой частью электронных измерительных приборов, применяемых для измерения параметров электрических сигналов, а также характеристик неэлектрических физических величин.

Проникновение микропроцессоров в измерительную технику во много раз повысило точность приборов, значительно расширило их функциональные возможности, упростило управление работой, повысило надежность, быстродействие, открыло пути решения задач, которые ранее вообще не решались. Трудно переоценить значение микропроцессоров для создания измерительно-вычислительных комплексов – автоматизированных средств измерений, предназначенных для исследования, контроля и испытаний сложных объектов. Малые габариты, масса, невысокая стоимость позволили встраивать микропроцессоры непосредственно в приборы и использовать для автоматизации процесса измерений.

В настоящее время можно выделить два направления применения вычислительных средств в приборостроении:

  • использование микропроцессоров и микроЭВМ для создания автоматизированных переносных приборов;

  • использование микропроцессорных контроллеров для создания автоматизированных и полностью автоматических измерительных систем и установок.

Применение в измерительных средствах микропроцессоров и микроЭВМ позволяет успешно решать следующие задачи:

  • Расширение функциональных возможностей измерительных приборов и систем. Это достигается простым переключением режимов и алгоритмов измерений с помощью микропроцессорной системы по программам, записанным в памяти системы.

  • Сокращение времени на настройку и калибровку приборов. Настройка и калибровка выполняется автоматически перед началом работы. Возможна автоматическая реализация режима «самообучения» по серии образцов и выбор оптимального алгоритма измерения и режима работы прибора.

  • Повышение достоверности измерений благодаря самодиагностике и исключению ошибок оператора при настройке и калибровке прибора.

  • Повышение точности измерений благодаря использованию сложных алгоритмов обработки информации, трудно реализуемых в обычных приборах.

  • Повышение производительности измерений. Отдельные отсчеты выполняются прибором автоматически, запоминаются и обрабатываются. Оператор получает результаты измерений в обобщенном виде (например, в виде среднего значения за некоторый промежуток времени) или индицируются параметры, выходящие за допустимые пределы. Это позволяет освободить оператора от рутинных операций по регистрации и анализу результатов.

  • Возможность работы с прибором персонала с невысокой квалификацией, поскольку управление работой прибора и анализ результатов автоматизированы.

  • Сокращение затрат на разработку новых приборов. Электрические схемы приборов разного назначения унифицируются, а различие в алгоритмах функционирования обеспечивается программными средствами.

Функции, выполняемые вычислительными средствами в измерительных приборах и системах весьма разнообразны. Их можно условно разделить на две группы:

  • функции обработки информации от первичных преобразователей;

  • функции управления.

К первой группе относятся такие функции как реализация основных алгоритмов (решение систем уравнений, дифференцирование и интегрирование, фильтрация, свертка, обработка изображений и т.д.), статистическая обработка данных (вычисление средних значений, построение гистограмм).

Во вторую группу входят функции:

  • -управление режимом работы прибора (установка чувствительности, перестройка полосы пропускания фильтров и т.д.);

  • -управление калибровкой (установка нуля, проверка градуировки по электрическим сигналам или образцам);

  • -самодиагностика (проверка работоспособности прибора, определение неисправности);

  • -управление внешними устройствами (индикаторами, системами сканирования).

Не все эти функции могут быть реализованы на микропроцессорах и микроЭВМ. Часть из них иногда более целесообразно реализовать аппаратно (то есть, используя электронные схемы на дискретных компонентах и микросхемах).
    1. ^

      Проектирование микропроцессорных автоматизированных измерительных систем


Автоматизированные измерительные системы представляют собой сложный объект проектирования. Для проектирования таких систем общепринят блочно-иерархический подход, при котором представле­ния об объекте разбиваются на уровни, начиная с наименее детализированных и кончая наиболее детализированными. Процесс проектирования носит итеративный характер и заключается в движении от решения более общих допросов к решению частных с возможными возвратами на более общие уровни для коррекции принятых решений.

Другой особенностью создания систем является раздвоенность процесса проектирования на программную и аппаратную части.

Упрощенная схема процесса проектирования автоматизированной системы измерений и краткая расшифровка содержания этапов проектирования приведена в табл.7.1. В этой схеме допущены два основных упрощения. Во-первых, на каждом этапе проектирования зафиксирован только его основной результат, за которым скрыт свой внутренний цикл проектирования и в котором могут быть этапы анализа, проверки условий работоспособности или оценка качества, поиск оптимальных параметров, уточнение технического решение и возвращение к анализу. Такой цикл может повторяться неоднократно. Во-вторых, в схеме на рис.7.1, ориенти­рованной на проектирование не слишком сложных систем, этап анализа и корректировки приведен только для уровня разработки функциональной схемы и программы. Для более сложных систем анализ и корректировка могут производиться и на 3-м, 4-м и на 7-м уровнях, да и само число уровней может быть увеличено. Так, для развитой цифровой аппаратуры с жесткими связями возможно выделение логического, регистрового подуровней и подуровней макроблоков различного масштаба.

Таблица 7.1



п/п

Этап

Сущность процесса проектирования


1

Задача

Строгая формулировка задачи. Определение входных и выходных требований для системы

2

Метод

Выбор математического метода обработки информации. Обоснование метода путем сравнения вариантов обра­ботки. Расчет и оптимизация неизвестных параметров

3

Алгоритм

Разработка схем алгоритма. Определение состава и количества операций, операндов и констант, допусти­мого времени вычислений, характера обмена данными

4

Структура

Разделение задачи на аппаратную и программную части

Аппаратная часть

Программная часть

Разработка структурной схемы средств сопряже­ния. Определение состава устройств

Выбор микропроцессора и анализ его структуры с точки зрения выполнения требуемых программных операций

5

Детализа­ция

Разработка функциональ­ной схемы с возмо­жными натурными или имитацион­ными экспе­риментами

Разработка рабочей прог­раммы на языке ассембле­ра. Моделирование и от­ладка программы на ЭВМ

6

Анализ и корректи­ровка

Определение аппаратурных затрат. Анализ технических характеристик. Принятие решения о корректировке предыдущих этапов

Определение вычисли­тельных затрат. Принятие решения о кор­ректировке предыдущих этапов

7

Реализация

Разработка принципи­аль­ной схемы, конструк­ции и технической доку­мента­ции средств сопря­жения

Трансляция рабочей про­граммы с языка ассемб­лера в коды МП

8

Воплощение

Изготовление разработан­ных средств сопряжения

Занесение программы в ПЗУ

Испытания и окончательная отладка в процессе совместной работы аппаратной и программной частей


^ Первый и второй этапы проектирования существенно связаны с предварительно проведенными научно-исследовательскими работами (НИР) и эскизным проектированием, в которых должны быть определены физические принципы измерений и системное взаимодействие разрабатываемой системы с окружающей средой.

В ходе выполнения этих этапов строится математическая модель измерения и ставится математическая задача компенсации искажений, вносимых измерительным прибором. Выбирается метод решения этой задачи.

Отличительная особенность третьего этапа проектирования состоит .в разработке и анализе алгоритмов на уровне арифметических и логических операций, а не на уровне аппаратных операций, которые выделялись бы по реализующим их цифровым узлам. Уже на алгоритмическом этапе первоначально намечается разделение решаемой задачи на аппаратную и программную части: к аппаратной тяготеют участки алгоритма, содержащие циклы, в которых многократно повторяются одни и те же операции и которые «съедают» существенную часть общего времени вычислений.

^ Четвертый этапвыбор структуры – наиболее критичный этап проектирования. Здесь происходит раздвоение процесса проектирова­ния, здесь обе ветви еще связаны самым тесным образом, здесь разработчику приходится решать наибольшее число творческих вопросов и, наконец, здесь удача или промах разработчика сильнее, чем на всех оставшихся этапах, влияет на качество разработанной системы. Требования приема и предварительной обработки физической информации аппаратной части создаются и уточняются одновременно с требованиями к используемому микропроцессорному комплекту, струк­тура которого определяет характер обмена данными, устройства ввода/вывода, а также возможность аппаратной реализации некоторых функций с помощью входящих в комплект вспомогательных микросхем.

В начале структурного этапа следует разделить решаемую задачу на программную и аппаратную части.

До возникновения микропроцессорной техники и ее при­менений в измерительных системах подобные вопросы ставились и решались только при построении гибридных вычислительных систем, соединяющих ЭВМ с аналоговой техникой. Однако несмотря на многолетний опыт развития гибридных вычислительных средств в решении вопросов раз­деления задачи на цифровую (программную) и аналоговую (аппаратную) части, не было выработано формализованных методик, позволяющих пользователю или разработчику специализи­рованной системы, не задумываясь, разделить задачу. Напротив, разделение не слишком простой задачи было и всегда будет проблемой, ко­торую приходится решать каждый раз вновь в условиях недостаточных априорных данных.

Замена микропроцессорами или микро-ЭВМ схем с жесткими связями может дать следующие преимущества:

  • Достижение большей гибкости в изменении программы обработки информации без каких-либо переделок монтажа, печатных плат и т.п. Изменения могут вноситься только в память ЭВМ.

  • Системы на основе микропроцессоров имеют меньшую стоимость, , уменьшается количество печатных плат, межсоединений, упрощается настройка, переделка, снижается стоимость проектирования системы.

  • Время разработки на основе микропроцессора может быть значительно меньше времени проектирования схемы с жесткими связями, особенно это влияет на возможность пе­рестройки, переделки, модификации характеристик.

  • Надежность микро-ЭВМ выше надежности схем с жесткими связями благодаря разумному сокращению числа корпусов и межсоединений.

Вместе с тем достоинства схем с жесткими соединениями заключаются в следующем:

  • если структура устройства адекватна структуре требуемого вычислительного процесса и характеру обрабатываемых данных, то это может дать выигрыш: в скорости обработки информации, в помехоустойчивости, надежности, контролепригодности;

  • применение очевидных или простых принципов проектирования устройств с жесткими схемами может предельно упрощать процесс проектирования (т.е. и программирования);

  • специализированные блоки обработки информации могут быть в пределах их принципиальных возможностей сделаны многофункцио­нальными или составлять универсальный функциональный базис, на котором можно собирать также и перестраиваемые структуры различного назначения.

Этого несколько «обуженного» запаса универсальности может быть вполне достаточно для различных проблемно-ориентированных аппаратных средств обработки инфор­мации.

Одним из первых и главных критериев при выборе микропроцессора является его быстродействие. В справочной литературе приведены сравнительные данные о тактовой частоте различных типов микропроцессоров. Однако эта характеристика (как и время выполнения операций сложения) может служить лишь для первоначальной, грубой оценки быстродействия. Наибольшая точность оценки может быть получена при анализе использования микропроцессора для конкретного применения. Самым распростра­ненным методом предварительной оценки быстродействия является использование бенчмарковских программ.

Бенчмарковская программа – программа решения на анализируе­мом микропроцессоре такой задачи, которая по составу операций соответствует классу задач предполагаемого применения. Обычная ее длина 100—200 команд. В ее состав обязательно должны входить операции по вводу и выводу информации.

На пятом этапедетализации – аппаратная и программная ветви развиваются уже независимо. Аппаратная часть заключается в разработке функциональных схем устройств, доведенной до уровня, позволяющего выбрать элементную базу, оценить реальные аппаратные затраты и выполнение требований задания по скорости вычислений и другим показателям. Программная часть этого этапа заключается в со­ставлении рабочей программы на языке ассемблера выбранного микропроцессора. За основу берется установленный в ходе преды­дущего этапа порядок следования арифметических и обменных операций. На этом этапе осуществляется отладка программы, то есть выявление ошибок и редактирование на основе имеющегося программного обеспечения микропроцессора. Составленная на этом этапе рабочая программа позволяет оценить требуемый объем вычислительных затрат по времени вычислений, объемам памяти ОЗУ, ПЗУ и т. п.

^ Шестой этапанализа и корректировки – заключается в выполнении всех необходимых проверок работоспособности устройства и соответствия его требованиям технического задания. Этот этап придает итеративный характер всему процессу проектирования. На этом этапе разработчик получает необходимую информацию для организации поиска новых вариантов технических решений и контроля их прибли­жения к выполнению всех требований задания.

Рассмотрим вкратце, в каких случаях на этапе коррек­тировки приходится возвращаться на тот или иной предыду­щий уровень проектирования.

Корректировка функциональной схемы или (и) рабочей программы выполняется при необходимости незначительного сокращения аппаратурных или вычислительных затрат. В аппаратной части используются, как правило, всегда имеющиеся, хотя и ограниченные возможности сократить оборудование путем минимиза­ции логических схем в укрупненных постановках этой задачи, а также возможности выполнения совмещенных функций на одном и том же оборудовании с меньшим числом микросхем (просмотреть возможность замены дешифраторов или других логических схем на элементах меньшей степени интеграции, например, мультиплексорами или программируемыми логическими матрицами с более высокой степенью интеграции и т. п.). Не исключены и оригинальные инженерные решения. В программной части можно отыскать избыточные операции, операнды или константы, которые могут быть устранены при более полном и рациональном использовании математического обеспечения микропроцессора. При этом может быть достигнута небольшая экономия объема памяти и времени вычислений.

Корректировка структуры позволяет получить более существен­ные отклонения от исходного варианта:

  • при недостаточном быстродействии микропроцессора вынести неко­торые вычислительные операции из программной части в аппаратную;

  • при избытке быстродействия микропроцессора сократить оборудо­вание аппаратной части за счет программной реализации не­которых ее функций;

  • при недопустимых затратах времени на обмен между микропроцессо­ром и внешними устройствами или объема памяти попытать­ся изменить способ обмена, если не удается, то выбрать другой комплект, более подходящий по быстродействию, набору команд, принципу организации обмена данными или выбрать другую элементную базу для аппаратной части, из­менить ее структуру или принципы построения отдельных узлов.

Если корректировка на структурном этапе не приводит к желаемому результату, приходится возвращаться к более ранним этапам.

Корректировка алгоритма производится, если обнаружи­вается, что на его основе нельзя удовлетворить техническим требованиям из-за наличия принципиальных просчетов или его нереализуемости на современной элементной базе. В по­следнем случае анализируются все возможности упрощения алгоритма с сохранением его качества: изменение парамет­ров, уменьшение разрядности некоторых чисел, отбрасывание некоторых операций, изменение состава внешних устройств или аппаратной части и принципов их взаимодействия с микропроцессором.

Если же все эти попытки приводят к недопустимому сни­жению качества алгоритма или не дают требуемых аппара­турных выигрышей, то это означает, что возможности кор­ректировки алгоритма исчерпаны и остается пересматривать методическую основу и постановку задачи создания измерительной системы.
    1. ^

      Современный арсенал средств разработчика автоматизированных средств и систем измерений


Применение в измерительной аппаратуре интегральных микро­схем для аналоговой и цифровой обработки сигналов существенно улучшили эксплуатационные характери­стики (надежность, габариты, масса, энергопотребление и др.), а также открыли новые богатые возможности услож­нения алгоритмов обработки физической информации. До появления микропроцессорной техники компетенция инженера, как правило, ограничивалась задачами создания схем с жесткими связями. Если же строились специализированные ЭВМ для обработки результатов физиче­ских экспериментов, то разработка структуры ЭВМ, ее архи­тектуры и значительной части ее программного обеспечения относилась к компетенции специалистов вычислительной техники. С появлением микропроцессоров и микро-ЭВМ начинается их органическое слияние с измерительной аппаратурой и установками, и у инженера возникает потребность более глубокого освоения арсенала программных и аппаратных средств вычислительной техники, необходимого для проектирования автоматизированных систем измерений.

Системы измерения сами по себе нельзя считать идеально под­готовленным полем для внедрения микропроцессоров. Вспомним хотя бы один из принципов Неймана, заложенных в ос­нову ЭВМ – информация обрабатываемая и информация командная представляются словами одинаковой формы. У наших систем командная информация резко отличается от исходной обрабатываемой информации. Последняя, как пра­вило, носит непрерывный характер и возникает как резуль­тат преобразования интересующей нас физической величины в более удобный электрический сигнал. Формы представления ин­формации от датчиков могут быть различными: напряжение, ток, сопротивление, параметры импульсов (амплитуда, часто­та, фаза, длительность импульсов или временной интервал между ними).

Естественно, что измерительная система в общем случае включает в себя также и схемы с жесткими связями для обработки сигналов аналоговыми устройствами, дискретизации, аналого-цифрового преобразования и (или) возможные цифровые функциональные преобразования с целью укрупнения ин­формации перед вводом ее в процессор. Человек общается с системой через внешние устройства – дисплей (на экра­не которого можно получить «мягкие» копии результатов обработки измерения) и устройства печати и графопостроите­ли (выдающие «жесткие» копии результатов).

С точки зрения системотехники, применяемые новые эле­менты –микропроцессоры, ОЗУ, ПЗУ, УВВ – являются стандартными микросхемами повышенной степени интеграции, параметры которых, так же, как и у счетчиков, регистров, дешифрато­ров можно найти в справочниках. Однако для проек­тирования систем с микропроцессорами необходимо владеть программиро­ванием и обладать новым уровнем знания основ органи­зации вычислительных процессов в системах состоящих из вычислительных средств и дополнительных электронных схем. Поэтому разработчик автоматизированных измерительных систем должен владеть вопросами цифровой и аналоговой схемотехники, программирования и современной элементной базы микропроцессоров и микроконтроллеров.

Несмотря на непрерывное развитие и появление все новых и новых 16- и 32-разрядных микроконтроллеров и микропроцессоров, наи­большая доля мирового микропроцессорного рынка остается за 8-разрядными устройствами. По всем прогнозам аналитических компаний на ближайшие 5 лет лидирующее положение 8-разрядных микрокон­троллеров на мировом рынке сохранится.

Среди всех 8-разрядных микроконтроллеров - семейство 8051 является несомненным чемпионом по количеству разновидностей и количеству компаний, выпускающих его модификации. Важную роль в достижении такой высокой популярности семейства 8051 сыграла открытая политика фирмы Intel, родоначальницы архитектуры, направленная на широкое распространение лицензий на ядро 8051 среди большого количества ведущих полупроводниковых компаний мира.

В результате на сегодняшний день существует более 200 модифи­каций микроконтроллеров семейства 8051, выпускаемых почти 20-ю компаниями. Эти модификации включают в себя кристаллы с широчай­шим спектром периферии: от простых 20-выводных устройств с одним таймером и 1К программной памяти до сложнейших 100-выводных кристаллов с 10-разрядными АЦП, массивами таймеров-счетчиков, аппаратными 16-разрядными умножителями и 64К программной памяти на кристалле. Каждый год появляются все новые варианты представите­лей этого семейства. Основными направлениями развития являются: увеличение быстродействия (повышение тактовой частоты и переработ­ка архитектуры), снижение напряжения питания и потребления, увеличение объема ОЗУ и FLASH памяти на кристалле с возможностью внутрисхемного программирования, введение в состав периферии микроконтроллера сложных устройств типа системы управления приводами, CAN и USB интерфейсов и т.п.

Основными производителями клонов 51-го семейства в мире являются фирмы Philips, Siemens, Intel, Atmel, Dallas, Temic, Oki, AMD, MHS, Gold Star, Winbond, Silicon Systems и ряд других. В рамках СССР производство микроконтроллера 8051 осуществлялось в Киеве, Воронеже (1816ВЕ31/51, 1830ВЕ31/51), Минске(1834ВЕ31) и Новоси­бир­ске (1850ВЕ31).

^ Микроконтроллеры семейства MCS-51 Фирма Intel является родоначальницей архитектуры MCS-51, которая получила свое название от первого представителя этого семейства - микроконтроллера 8051, выпущенного в 1980 году на базе технологии HMOS. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микро­кон­троллер 8051 являлся для своего времени очень сложным изделием - в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза пре­вышало количество транзисторов в микропроцессоре 8086.

Основными элементами базовой архитектуры являются:

  • 8-разрядное АЛУ на основе аккумуляторной архитектуры;

  • 4 банка регистров, по 8 в каждом;

  • встроенная память программ 4Кбайт;

  • внутреннее ОЗУ 128 байт;

  • булевый процессор;

  • 2 шестнадцатиразрядных таймера;

  • контроллер последовательного канала (UART);

  • контроллер обработки прерываний с двумя уровнями приоритетов;

  • четыре 8-разрядных порта ввода/вывода, два из которых используются в качестве шины адреса/данных для доступа к внешней памяти программ и данных;

  • встроенный тактовый генератор.

Затем был выпущен микроконтроллер 80С52, который отличался увеличенным объемом памяти программ и данных на кристалле, был введен третий таймер с функциями выборки и сравнения и соответственно расширен контроллер прерывания.

Следующим принципиальным шагом в развитии MCS-51 стал перевод технологии изготовления на CHMOS. Это позволило реализовать режимы Idle и Power Down, позволившие резко снизить энергопотребление кристалла и открывшие дорогу к применению микроконтроллера в энергозависимых приложениях, например, в автономных приборах с батарейным питанием.

И последним принципиальным этапом развития этого направления фирмой Intel в рамках 8-битной архитектуры стал выпуск микрокон­троллеров 8xC51FA/FB/FC, которые для краткости часто обозначаются как 8xC51FX. Главной отличительной особенностью этой группы кристаллов является наличие у них массива программируемых счетчиков (PCA).

В состав PCA входят:

  • 16-разрядный таймер-счетчик;

  • 5 шестнадцатиразрядных модуля выборки и сравнения, каждый из которых связан со своей линией порта ввода-вывода микроконтроллера.

Таймер-счетчик обслуживает все пять модулей выборки и сравнения, которые могут быть запрограммированы на выполнение одной из следующих функций:

  • 16-битная выборка значения таймера по положительному фронту внешнего сигнала;

  • 16-битная выборка значения таймера по отрицательному фронту внешнего сигнала;

  • 16-битная выборка значения таймера по любому фронту внешнего сигнала;

  • 16-битный программный таймер;

  • 16-битное устройство скоростного вывода (HSO);

  • 8-битный ШИМ

Выполнение всех перечисленных функций происходит в PCA на аппаратном уровне и не загружает центральный процессор, что позволяет повысить общую пропускную способность системы, повысить точность измерений и отработки сигналов и снизить время реакции микроконтроллера на внешние события, что особенно важно для систем реального времени. Реализованный в 8xC51FX PCA оказался настолько удачным, что архитектура микроконтроллеров FX стала промышленным стандартом де-факто, а сам PCA многократно воспроизводился в различных модификациях микроконтроллеров разных фирм.

^ Микроконтроллеры семейства MCS-251 Изначально наиболее «узкими» местами архитектуры MCS-51 были 8-разрядное АЛУ на базе аккумулятора и относительно медленное выполнение инструкций (для выполнения самых быстрых инструкций требуется 12 периодов тактовой частоты). Это ограничивало применение микроконтроллеров семейства в приложениях, требующих повышенного быстродействия и сложных вычислений (16- и 32- битовых). Насущным стал вопрос принципиальной модернизации старой архитектуры. Для решения этой задачи была создана совместная группа из специалистов компаний Intel и Philips, но позднее пути этих двух фирм разошлись. В результате в 1995 г. появилось 2 существенно отличающихся семейства: MCS-251/151 у Intel и 51XA у Philips.

Основные характеристики архитектуры MSC-251:

  • 24-разрядное линейное адресное пространство, обеспечивающее адресацию до 16M памяти;

  • регистровая архитектура , допускающая обращение к регистрам как к байтам, словам и двойным словам;

  • страничный режим адресации для ускорения выборки инструкций из внешней программной памяти;

  • очередь инструкций;

  • расширенный набор команд, включающий 16-битовые арифметические и логические инструкции;

  • расширенное адресное пространство стека до 64К;

  • выполнение самой быстрой инструкции за 2 такта;

  • совместимость на уровне кода с программами для MCS-51.


^ Таблица 7.2.

Микроконтроллеры семейства 8051 фирмы.


Обозна­чение

Частота,
МГц

ROM/
EPROM
байт

RAM,
байт

Таймеры/
счетчики

Линии
ввода/
вывода

Послед. каналы

АЦП,
входы/
разр.

8xC51BH
(80C31BH)

24

4K

128

2

32

UART

-

8xC52(80C32)

24

8K

256

3

32

UART

-

8xC54

33

16K

256

3

32

UART

-

8xC58

33

32K

256

3

32

UART

-

8xC5x-L

24

8..32K

256

3

32

UART

-

8xC51FA

24

8K

256

3+PCA

32

UART

-

8xC51FB

24

16K

256

3+PCA

32

UART

-

8xC51FC

24

32K

256

3+PCA

32

UART

-

8xL51Fx

16

8..32K

256

3+PCA

32

UART

-

8xC51RA

24

8K

512

3+PCA+
WDT

32

UART

-

8xC51RB

24

16K

512

3+PCA+
WDT

32

UART

-

8xC51RC

24

32K

512

3+PCA+
WDT

32

UART

-

8xC51GB

16

8K

256

3+PCAx2+ WDT

48

UART

8x8

8xC152JA/JC

16,5

8K

256

2

40

UART, GSC

-

80C152JB/JD

16,5

-

256

2

56

UART, GSC

-

Система команд MCS-251 построена на базе двух наборов инструкций - первый набор является копией системы команд MCS-51, а второй набор состоит из расширенных инструкций, реализующих преи­мущества архитектуры MSC-251. Перед использованием микроконтрол­лера его необходимо сконфигурировать, т.е. с помощью программатора «прожечь» конфигурационные байты, определяющие, какой из наборов инструкций станет активным после включения питания. Если установить набор инструкций MCS-51, то в этом случае MSC-251 будет совместим с MCS-51 на уровне двоичного кода. Такой режим называется Binary Mode. Однако расширенные инструкции в этом режиме также доступны через «форточку» – зарезервированный код инструкции 0A5h. Естественно, длина каждой расширенной инструкции увеличивается в таком случае на 1 байт. Если же изначально установить набор расширенных инструкций, то в этом случае программы, написанные для MCS-51, потребуют перекомпиляции на кросс-средствах для MCS-51, т.к. теперь уже стандартные инструкции будут доступны через ту же «форточку» 0A5h и длина их также увеличится на 1 байт. Такой режим называется Source Mode. Он позволяет с максимальной эффективностью использовать расширенные инструкции и достигнуть наибольшего быстродействия, но требует переработки программного обеспечения.

^ Таблица 7.3.

Микроконтроллеры семейства MCS-251


Обозна­чение

Макс. частота
МГц

ROM/
EPROM,
байт

RAM,
байт

Таймеры/
счетчики

Линии ввода/ вывода

Послед каналы

АЦП, входы/
разр.

8xC251SA

16

8K

1K

^ 3+PCA+ WDT

32

UART

-

8xC251SB

16

16K

1K

^ 3+PCA+ WDT

32

UART

-

8xC251SP

16

8K

512

^ 3+PCA+ WDT

32

UART

-

8xC251SQ

16

16K

512

^ 3+PCA+ WDT

32

UART

-

TSC8xC251G1

16

16K

1K

3+ WDT

32

UART, I2C, SPI

-

TSC8xC251A1

16

24K

1K

2+ WDT

32

UART

4x8 bit

8Xc151SA

16

8K

256

^ 3+PCA+ WDT

32

UART

-

8xC151SB

16

16K

256

^ 3+PCA+ WDT

32

UART

-

Для пользователей, ориентированных на применение микроконтроллеров MCS-251 в качестве механической замены MCS-51 фирма Intel выпускает микроконтроллеры MCS-251 с уже запрограм­мированными битами конфигурации в состоянии Binary Mode. Такие микроконтроллеры получили индекс MCS-151.

В настоящее время Intel, устремленная на рынок Pentium-процес­соров, сворачивает производство кристаллов MCS-51.

Микроконтроллеры фирмы PHILIPS. Фирму Philips назвать чемпионом по количеству выпускаемых ею модификаций семейства 8051 - их более 100. В состав семейства 8051 от Philips входят микроко­нтрол­леры в корпусах от 24 до 80 выводов, тактовыми частотами до 40МГц и напряжением питания от 1,8 В. Во всех микроконтроллерах Philips используется стандартное ядро MCS-51, поэтому все временные и функциональные характеристики полностью соответствуют характе­ристикам микроконтроллеров фирмы Intel. Фирма Philips значительные усилия направила на интегрирование широкого спектра периферийных устройств на базе ядра 8051.

Основные элементы периферии Philips:

  • АЦП с точностью преобразования 10 разрядов;

  • широтно-импульсные модуляторы;

  • массивы программируемых счетчиков-таймеров;

  • интерфейсы I2C, CAN;

  • интерфейсы с процессорными шинами;

  • EEPROM и FLASH на кристалле;

  • специализированная периферия для телевизионной, видео и аудио техники.

Новыми возможностями кристаллов фирмы являются:

  • максимальная тактовая частота кристаллов увеличена до 33 МГц;

  • расширен диапазон напряжения питания от 2,7 до 5,5 В.;

  • количество аппаратных уровней прерываний увеличено до 4-х;

  • во все кристаллы введена функция программируемого clock-out;

  • UART заменен на улучшенный;

  • добавлена функция снижения электромагнитных помех;

  • добавлен второй DPTR;

  • потребление энергии для питания микроконтроллера снижено на 50%. В сочетании с 3-х вольтовым питанием это может дать экономию до 75% по сравнению с предыдущими образцами;

  • снижена цена на 30%.

Фактически такие новые возможности дают второе рождение старым кристаллам. Проблема для разработчика, однако, состоит в том, что маркировка микроконтроллеров после модернизации не изменилась, из-за чего возможна путаница между старыми и новыми модификациями. Кроме того фирма Philips выпустила группу микроконтроллеров, названную RX+. По сути это дальнейшее развитие группы FX, в которой расширен объем внутреннего ОЗУ (512 байт, 1Кбайт) и программной памяти (до 64К). Группа RX+ обладает также всеми возможностями, предоставляемыми технологией

В 1997 годы фирма Philips взяла курс на развитие FLASH технологии в производстве микроконтроллеров. Отчасти это вызвано высокими технологическими возможностями Philips, отчасти успехами конкурентов, в первую очередь Atmel. Несмотря на то, что FLASH память дороже в производстве, чем EPROM, в конечном итоге для фирмы дешевле будет поддерживать единый технологический процесс.

^ Микроконтроллеры фирмы Atmel. Основанная в 1984 году, фирма Atmel Corp., США – прогрессивная компания, выпускающая сложные изделия современной микроэлектроники; один из признанных мировых лидеров в производстве широкого спектра устройств энергонезависимой памяти высокого быстродействия и минимального удельного энергопотребления, микроконтроллеров общего назначения и микросхем программируемой логики от простейших устройств PAL и GAL до микросхем СБИС CPLD и FPGA. Практически все базовые кристаллы промышленного стандарта MCS51 фирмы Intel успешно заменены прямыми аналогами семейства AT89 фирмы Atmel. Эти скоростные, полностью статические 8-разрядные КМОП микрокон­троллеры с многократно модифицируемой Flash-памятью программ, низким энергопотреблением и широким диапазоном допустимых напряжений питания, аппаратно и программно совместимы с соответствующими микроконтроллерами Intel и пользуются популяр­ностью у разработчиков и производителей электронной аппаратуры.

Однако заслугой фирмы является создание нового семейства высокопроизводительных 8-разрядных RISC (Reduced Instruction Set Computers) микроконтроллеров общего назначения, объединенных общей маркой AVR.

Замысел создания AVR родился в исследовательском центре Atmel в Норвегии. Группа разработчиков (инициалы некоторых из них сформировали марку "AVR": Alf Bogen/Vergard Wollan/Risc architecture) предложила ряд идей, которые легли в основу концепции AVR-микроконтроллеров:

  1. Использовать новейшую, наиболее скоростную и экономичную КМОП технологию фирмы Atmel в сочетании с RISC архитектурой для разработки и производства быстрых 8-разрядных микроконтроллеров, сравнимых с 16-разрядными микропроцессорами и микроконтроллерами по производительности и превосходящих микросхемы стандартной КМОП логики по скорости. Ожидаемая производительность - до 20 MIPS на частоте 20 МГц, что всего на 30% меньше, чем у Intel KU80386EXTC-25 при операциях типа "регистр-регистр". Время выполнения короткой команды на такой частоте составляет 50 нс;

  2. Разрабатывать архитектуру и систему команд AVR в теснейшем согласии с принципами языка Си так, чтобы аппаратная часть нового микроконтроллера и его система команд были неотъемлемыми частями одного целого и использовались с максимальным к.п.д. В 1990-е годы языки программирования высокого уровня стали стандартным инструментом при создании программного обеспечения для встраиваемых микроконтроллеров. Существенно сокращается время разработки проектов и, соответственно, снижается их стоимость, а также облегчается создание универсальных средств поддержки разработок. Система команд AVR разрабатывалась при непосредственном участии экспертов по языку Си и учитывает все основные особенности стандарта ANSI C.

  3. Функционально расширить микроконтроллер возможностью программирования в системе (ISP) путем объединения Flash-технологии фирмы Atmel со стандартным скоростным последовательным интерфейсом (SPI). Это позволяет многократно модифицировать программу не только с помощью обычного программатора, но и непосредственно в системе, в конечном устройстве пользователя. При этом не требуется вводить никаких дополнительных аппаратных узлов и вспомогательных источников питания.

Результатом явилось появление нового, очень дешевого, скоростного, легкого в освоении и использовании семейства AT90S 8-разрядных микроконтроллеров марки AVR. Они представляют собой мощный инструмент, базу для создания современных высокопроизво­дительных и экономичных контроллеров многоцелевого назначения. Так, например, AVR используются в изделиях класса Smart Card для персональных компьютеров, в спутниковых навигационных системах для определения местоположения автомобилей на трассе, в миниатюрных автомобильных пультах дистанционного управления, в сетевых картах и на материнских платах компьютеров, в сотовых телефонах нового поколения и т. д. В табл.7.4. представлены сущест­вующие кристаллы AVR микроконтроллеров.

Все AVR имеют Flash-память программ ROM объемом 1K ... 8К, которая может быть загружена как с помощью обычного программатора, так и посредством SPI интерфейса, и внутреннюю оперативную память SRAM (кроме AT90S1200) объемом 128 ... 512 байт. Число циклов перезаписи ROM - не менее 1000. Два программируемых бита секрет­ности позволяют защитить память программ от несанкционированного считывания. Все AVR имеют также блок энергонезависимой электри­чески стираемой памяти данных EEPROM объемом 64 ... 512 байт. Этот тип памяти, доступный программе микроконтроллера непосредственно в ходе ее выполнения, удобен для хранения промежуточных данных, констант, таблиц перекодировок, калибровочных коэффициентов и т. п. EEPROM может быть загружена извне как через SPI интерфейс, так и с помощью обычного программатора.

^ Таблица 7.4.

AVR-микроконтроллеры фирмы ATMEL


AT90S

1200

2313

4414

8515

2323

4433

Диапазон напр. пит., В

2,7 - 6,0

Тактовая частота, МГц *)

0 - 16

0 - 20

0 - 16

0 - 20

Кол. линий ввода/вывода

15

32

5

18

Количество инструкций

89

120

Объем Flash ROM, байт

1K

2K

4K

8K

2K

4K

Объем EEPROM, байт

64

128

256

512

128

256

Объем внутр. SRAM, байт

-

128

256

512

128

128

Объем внешн. SRAM, байт

-

-

64K

64K

-

-

Объем регистрового файла, байт

32

Кол. таймеров/счетчиков

1

2

2

2

1

2

ШИМ: каналов/разрядн.

-

1/8-10

2/8-10

2/8-10

-

2/8-10

Количество модулей захвата/сравнения

-

1

2

2

-

2

Аналоговый компаратор

+

+

+

+

-

+

SPI (загрузка ROM и EEPROM)

+

+

+

+

+

+

SPI интерфейс (Master/Slave port)

-

-

+

+

-

+

Сторожевой таймер

+

+

+

+

+

+

Асинхронный последовательный порт

-

+

+

+

-

+

Аналого - цифровой преобразователь

-

-

-

-

-

+

Количество битов защиты

2

Число режимов энергосбережения

2

Число источников преры­вания: внутр./внешн.

2/1

8/2

10/2

10/2

2/1

11/2

^ Микроконтроллеры фирмы Microchip. Наиболее «узкими» местами архитектуры MCS-51 являются медленное АЛУ на базе аккумулятора и долгое время выполнения инструкций (12 машинных тактов). Кроме этого стандартный 51 микроконтроллер позволял себе даже такую роскошь как холостые командные циклы. Были изобретены различные способы повышения производительности но за ускорение приходилось платить повышенными энергопотреблением и стоимостью, что совершенно лишало семейство MCS-51 всех преимуществ в низко стоимостных и критичных к потреблению применениях.

Еще в 1975 году фирма GI разработала периферийный контроллер (Peripheral Interface Controller или PIC), предназначенный для поддержки ввода-вывода 16-разрядного процессора. В нем не требовалась сложная обработка, поэтому набор его команд был сильно ограничен, но почти все команды выполнялись в нем за один машинный цикл. Этот контроллер с RISC архитектурой и стал прообразом современной архитектуры микроконтроллеров PIC выпускаемых с конца 80-х годов дочерней GI компанией Arizona Microchip Technology Ltd.,.

Первые промышленные микроконтроллеры семейства PIC16C5X , были до простыми, но быстрыми. Основной представитель семейства PIC16C54A-20 выпускался в 18-выводном корпусе, имел память программ объемом 512 байт и память данных 25 байт, всего 33 команды со временем исполнения инструкции 200 нс. и одноуровневым конвейером команд (тактовая частота 20 Мгц), причем потреблял он при этом всего 10 ма. На частоте 1 Мгц напряжение питание можно понизить до 2 В с током потребления ниже 1 ма. Вкупе с низкой стоимостью ,в среднем, меньше 1 $ в США , все эти качества сделали PIC16C54A и его вариации весьма популярными. В итоге новое семейство PIC контроллеров несколько потеснило со своих позиций микроконтроллеры MC68C05 компании MOTOROLA и ряда других производителей обосновавшихся в нише низко стоимостных применений.

Результатом дальнейших усилий в области миниатюризации и удешевления стало появление таких необычных контроллеров как 12С508 и 12С509 имевших всего по 512 байт и 1 Кбайт памяти программ соответственно и всего по восемь выводов, шесть из которых являются портами ввода-вывода. Не так давно был анонсирован очередной такой “малыш”, но уже со встроенным АЦП .

В настоящее время MICROCHIP выпускает три основных серии PIC контроллеров:

  • PIC16C5X - базовое семейство с 12-разрядными командами.

  • PIC16C6X/7X/8X –расширенное семейство средней производи­тельности с 14-разрядными командами.

  • PIC17CXX – высокопроизводительные микроконтроллеры с 16-разрядными командами.

Большинство PIC контроллеров сделано по OTP технологии (однократно программируемые микросхемы) – тяжелое наследие 80-х годов. Для целей отладки предлагается использование микросхем с ультрафиолетовым стиранием и довольно высокой стоимостью. Все PIC контроллеры оборудованы внутренними схемами сброса по питанию и сторожевыми таймерами, многие модели имеют возможность внутрисхемного программирования .

Все последовательно произведенные серии PIC контроллеров являются логическими продолжениями единого базового ядра и, как заявляют представители компании MICROCHIP, перекрывают весь диапазон применений 8-разрядных микроконтроллеров. Делая упор на низкую стоимость своих изделий, MICROCHIP пришлось отказаться от универсальных микроконтроллеров с разнообразной и развитой периферии (одно из исключений PIC14000 , правда он является полу заказной микросхемой) и распределить периферийные устройства по всем выпускаемым семействам. Иными словами если разработчику в контроллере требуются компараторы, то как раз для этого выпускается серия PIC16CX , если необходимо АЦП, используется серия PIC16C7X и так далее. Но то, что является благом для инженера в Америке, оборачивается проблемой для российского разработчика. К сожалению, наши поставщики микросхем не в состоянии держать на складе всю номенклатуру PIC контроллеров ( это более двухсот наименований) и ограничиваются самыми распространенными изделиями.








Скачать 359,61 Kb.
оставить комментарий
Дата02.10.2011
Размер359,61 Kb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

отлично
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх