13.1 Общая характеристика микроконтроллеров

В настоящее время выпускается целый ряд однокристальных микроконтроллеров (ОМК). Их можно условно классифицировать:

• по разрядности: на 4, 8, 16, 32-разрядные;

• по типу архитектуры: на фон-неймановскую и гарвардскую архитектуры;

• по назначению: на управляющие, сигнальные (в системах связи для реализации протоколов физического и канального уровня, осуществляют цифровую обработку сигналов (ЦОС) – фильтрацию, свёртку, корреляцию, автокорреляцию, быстрое преобразование Фурье БПФ), коммуникационные (в системах связи для реализации протоколов сетевого и транспортного уровня) и медийные (аппаратная реализация операций с новыми типами данных, характерными для видео и звуковой информации).

Росту популярности ОМК способствует постоянное расширение номенклатуры изделий, выпускаемых такими известными фирмами, как Intel (MCS), Atmel (AVR), Microchip (PIC), Motorola, Zilog и многими другими. Современные микроконтроллеры обладают, как правило, рядом отличительных признаков. Перечислим основные из них:

• модульная организация, при которой на базе одного процессорного ядра (центрального процессора) проектируется ряд (линейка) ОМК, различающихся объемом и типом памяти программ, объемом памяти данных, набором периферийных модулей, частотой синхронизации;

• использование закрытой архитектуры МК, которая характеризуется отсутствием магистралей адреса и данных на выводах корпуса ОМК. Таким образом, ОМК представляет собой законченную систему обработки данных, наращивание возможностей которой с использованием параллельных магистралей адреса и данных не предполагается;

• использование типовых функциональных периферийных модулей (таймеры, процессоры событий, контроллеры последовательных интерфейсов, АЦП и др.), имеющих незначительные отличия в алгоритмах работы в ОМК различных производителей;

• система команд ориентирована на выполнение задач управления и регулирования;

• данные малой разрядности;

• малая стоимость.

Микроконтроллеры являются ядром всех встраиваемых систем управления разнообразных устройств, приборов и механизмов. Самой главной особенностью ОМК с точки зрения конструктора-проектировщика является то, что с их помощью легче и зачастую гораздо дешевле реализовать различные схемы управления. На рис. 13.1 изображены периферийные устройства, подключаемые к модулям ОМК.

При модульном принципе построения все МК одного семейства содержат процессорное ядро, одинаковое для всех МК данного семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК разных моделей. Структура модульного МК приведена на рис.13.2. Процессорное ядро включает в себя:

• центральный процессор;

• внутреннюю контроллерную магистраль (ВКМ) в составе шин адреса, данных и управления;

• схему синхронизации МК;

• схему управления режимами работы МК, включая поддержку режимов пониженного энергопотребления, начального запуска (сброса) и т.д.

Однокристальный микроконтроллер (ОМК) представляет собой устройство, выполненное конструктивно в одном корпусе БИС, содержащем все компоненты микропроцессорной системы: процессор, память данных, память программ, программируемые интерфейсы. Однокристальным микроконтроллерам присущи следующие особенности:

• система команд ориентирована на выполнение задач управления и регулирования;

• алгоритмы, которые реализуются на ОМК, могут иметь много разветвлений в зависимости от внешних сигналов;

• данные, с которыми оперируют ОМК, не должны иметь большую разрядность;

• схемная реализация систем управления на базе ОМК является несложной и имеет невысокую стоимость;

• универсальность и возможность расширения функций управления значительно ниже, чем в системах с однокристальными микропроцессорами (МП).

Однокристальные микроконтроллеры представляют собой удобный инструмент для создания современных встроенных устройств управления разнообразным оборудованием, автомобильной электроникой, бытовой техникой, мобильными телефонами и т.п.

CISC-контроллеры характеризуются довольно развитой системой команд, например, микроконтроллеры серии intel 80x51 имеют 111 команд. Анализ программ показал, что всего лишь 20% команд используются в 80% случаев. Выполненный на кристалле дешифратор команд, таким образом, используется не в полной мере, а занимает более 70% площади кристалла. Поэтому разработчики ОМК сократили количество команд, придали им единый формат и уменьшили площадь кристалла, т. е. реализовали RISC архитектуру.

Особенностью контроллеров, выполненных по RISC-архитектуре, является то, что все команды выполняются за один-три такта, тогда как в CISC-контроллерах – за один-три машинных цикла, каждый из которых состоит из нескольких тактов (например, для i 80x51  из 12 тактов). Поэтому RISC-контроллеры имеют значительно большее быстродействие. Но более полная система команд CISC-контроллеров в некоторых случаях приводит к экономии времени выполнения отдельных фрагментов программы и к экономии памяти программ.