Структура и характеристики микроконтроллера. Интерфейсы микроконтроллера.

Классификация и структура микроконтроллеров

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

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

Наиболее распространенным представителем семейства МК являются 8-разрядные приборы, широко используемые 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, рядом отличительных признаков. Перечислим основные из них:

• модульная организация, при которой на базе одного процессорного ядра (центрального процессора) проектируется ряд (линейка) МК, различающихся объемом и типом памяти программ, объемом памяти данных, набором периферийных модулей, частотой синхронизации;
• использование закрытой архитектуры МК, которая характеризуется отсутствием линий магистралей адреса и данных на выводах корпуса МК. Таким образом, МК 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, аналого-цифровые преобразователи и др.), имеющих незначительные отличия в алгоритмах работы в МК различных производителей;
• расширение числа 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 разных моделей. Структура модульного МК приведена на рисунке:

     

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.

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 представляет собой 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.

 

Периферийные модули. Микроконтроллеры PIC и AVR.

Микроконтроллеры PIC

Контроллер периферийного интерфейса (PIC) – это серия микроконтроллеров, разработанная компанией Microchip. Микроконтроллер PIC быстрее и проще реализует программы, если сравнивать с другими микроконтроллерами, такими как 8051. Простота программирования и простота взаимодействия с другими периферийными устройствами делает PIC более успешным микроконтроллером.

                                                  

                                                       

 

PIC – это микроконтроллер, который также состоит из центрального процессора, ОЗУ, ПЗУ, таймеров, счетчиков, АЦП (аналого-цифровых преобразователей), ЦАП (цифроаналоговых преобразователей). Микроконтроллер PIC также поддерживает протоколы, такие как CAN, SPI, UART для взаимодействия с дополнительными периферийными устройствами. PIC в основном использует модифицированную гарвардскую архитектуру, а также поддерживает RISC (сокращенный набор команд). Благодаря этому PIC быстрее, чем контроллеры на основе ядра 8051, которые основаны на фон-неймановской архитектуре.

 

Микроконтроллеры AVR

Первые микроконтроллеры AVR были разработаны в 1996 году компанией Atmel (теперь часть Microchip). Проект AVR был разработан Альф-Эгилем Богеном и Вегаром Волланом, поэтому AVR аббревиатура получила две первые буквы от имен разработчиков: Alf-Egil Bogen Vegard Wollan RISC, после эта аббревиатура стала расшифровываться более официально как Advanced Virtual RISC. AT90S8515 был первым микроконтроллером в линейке AVR, хотя первым микроконтроллером, который попал на коммерческий рынок, был AT90S1200 (в 1997 году).

 

                                              

                                       

 

Микроконтроллеры AVR доступны в трех основных подсемействах:

TinyAVR: меньше памяти, небольшой размер, подходит только для более простых приложений.

MegaAVR: это популярные микроконтроллеры, в основном имеющие относительно большое количество памяти (до 256 КБ), большее количество встроенных периферийных устройств и подходят для довольно сложных приложений.

XmegaAVR: используются в коммерческих приложениях для решения сложных задач, которым требуется большая память программ и высокая скорость.

 

 

Микроконтроллер по сути является микросхемой, который состоит из:

· Центрального процессора. В него входят блок управления, регистры, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).

· Периферии, которая включает порты ввода-вывода, контроллеры прерываний, таймеры, генераторы различных импульсов, аналоговые преобразователи и подобные элементы.

Зачастую микроконтроллер называют микропроцессором. Но это не совсем так. Последний осуществляет только определенные математические и логические операции. А в состав микроконтроллера входит и микропроцессор с другими элементами, являясь лишь частью МК.

 

PIC (Microchip). МК Гарвардской архитектуры. В его основе лежит архитектура с сокращенным набором команд, встроенная память команд и данных, низкое энергопотребление. В это семейство входят более 500 различных МК (8-ми, 16-ти, 32-битные) с различными наборами периферии, памяти и прочими характеристиками.

 

AVR (Atmel). Высокоскоростные контроллеры разработаны на собственной архитектуре. Основой контроллера является Гарвардский RISC-процессор с самостоятельным доступом к памяти программ и баз данных (Flash ПЗУ). Каждый из 32 регистров общего назначения может работать как регистр-аккумулятор и совокупность 16-битных команд. Высокая производительность в 1 MIPS на каждый МГц тактовой частоты обеспечивается за счет порядка выполнения команд, который предусматривает выполнение одной команды и одновременную подготовку к следующей. Для поддержания своей продукции компания Atmel выпускает бесплатную и качественную среду разработки Atmel.