ПОПУЛЯРНЫЕ СЕМЕЙСТВА 8-РАЗРЯДНЫХ МК

Число различных модификаций 8-разрядных МК, представленных на мировом рынке, столь велико, что лишь одно их перечисление может занять несколько десятков страниц. Поэтому кратко охарактеризуем лишь те семейства МК, которые получили широкое распространение в России на протяжении последних десяти лет.

1.5.1 МК с ядром MCS-51

Начало мощному клану с ядром MCS-51 положила фирма Intel, выпустив в 1980 г. МК 8051АН (отечественный аналог - 1816ВЕ51). Для своего времени МК 8051АН, имевший гарвардскую архитектуру и CISC-набор команд, был очень сложным изделием - на кристалле размещалось 128 тыс. транзисторов. Этот микроконтроллер содержал процессорное ядро MCS-51, резидентные ПЗУ объемом 4 Кбайта, ОЗУ в 128 байт, 4 порта ввода/вывода, 2 таймера и асинхронный порт. Быстродействие центрального процессора MCS-51 в МК 8051АН по нынешним меркам было невелико. Частота внутренней шины составляла 1 МГц. Однако само ядро MCS-51 оказалось настолько удачным, что на два десятилетия стало стандартом "де-факто" в области 8-разрядных МК.

Фирма Intel непрерывно совершенствовала МК с архитектурой MCS-51:

- частота внутренней шины в последних моделях возросла до 3 МГц;

- появились модели с объемом памяти программ 8, 16 и 32 Кбайта;

- в составе МК появились новые периферийные модули (АЦП, программируемый счетный массив, сторожевой таймер).

Одновременно ряд других фирм разработали МК, программно совместимые с MCS-51, обладающие современными типами памяти программ и данных (Flash и EEPROM), имеющие расширенный набор периферийных модулей, работающие в расширенном диапазоне напряжения питания. Фирма Intel постепенно свернула производство 8-разрядных МК. В результате основными производителями в мире 51-го семейства оказались фирмы Philips, Infineon, Atmel, Dallas Semiconductor, Temic. В 1999 г. фирма Analog Devices представила совершенно новый МК Adu812 на основе 51-го ядра. Отличия в технических характеристиках встроенных модулей ЦАП и АЦП этого изделия столь велики, что семейство AduSxx было названо семейством интеллектуальных преобразователей или микроконверторами.

1.5.2 МК семейства НС05 фирмы Motorola

Одновременно с первым МК семейства MCS-51 появился первый МК популярного до настоящего времени семейства НС05 фирмы Motorola. В рамках этого семейства фирма Motorola провозгласила и успешно реализует стратегию «заказных» МК.

Процессорное ядро построено на основе CISC-архитектуры. Многие модели этого семейства своим рождением обязаны крупным потребителям, которые заказывали конфигурацию МК под конкретную продукцию. Сейчас семейство НС05 насчитывает около 180 различных МК, начиная с простейшего 68HC05KJ1 в корпусе DIP16 и заканчивая 128-выводным бескорпусным 68HC05L10 со встроенным контроллером управления 960 сегментами ЖКИ.

На протяжении всего своего еще не оконченного периода жизни семейство НС05 является сильным и успешным оппонентом семейству MCS-51. Выполненное на основе принстонской архитектуры в противовес MCS-51 с гарвардской архитектурой, это семейство демонстрирует, во-первых, многообразие возможных технических решений даже для очень несложных задач управления, во-вторых, успех стратегии полного удовлетворения технических требований, пользователя без избыточности в архитектуре и производительности. Долгое пребывание семейства НС05 на столь динамичном рынке МК определяется отнюдь не сверхбыстродействием (частота внутренней шины для большинства моделей равна 2 МГц) или уникальным набором команд. Причина успеха кроется в очень точной ориентации на различные сектора рынка массового потребления. Широчайшее разнообразие периферийных модулей при неизменном, очень простом ядре НС05 позволяет разработчику для каждой задачи найти МК практически без избыточных ресурсов архитектуры, что обусловливает низкую стоимость изделия.

В дополнение к дешевым «заказным» МК семейства НС05 фирма Motorola еще в 1980-х гг. предложила семейство универсальных и более производительных МК семейства НС11. Это семейство насчитывает около 40 моделей. Процессорное ядро семейства НС11 отличается от НС05 возможностью выполнения операций над 16-разрядными операндами, наличием дополнительных методов адресации, повышенной частотой внутренней шины (до 4 МГц). МК семейства НС11 выгодно отличает наличие трех типов памяти на кристалле: однократно программируемого ПЗУ программ, статического ОЗУ данных и электрически программируемого и электрически стираемого ПЗУ данных.

1.5.3 МК семейства НС08

В конце 1990-х годов фирма Motorola представила новое 8-разрядное семейство НС08, которое должно постепенно заменить МК семейства НС05 и стать новым «промышленным стандартом» 8-разрядных МК фирмы. Отличительные особенности и направления развития семейства НС08 перечислены ниже:

- Высокопроизводительное 8-разрядное АЛУ. Увеличение производительности достигается повышением частоты обмена внутренней шины до 8,0 МГц, совмещением цикла исполнения и цикла выборки следующей команды, введением специальных команд просмотра таблиц и организации циклов, расширением числа способов адресации операндов. Указанные меры позволили повысить производительность центрального процессора НС08 в 6 раз по сравнению с процессором семейства НС05.

- Программная совместимость «снизу вверх» как на уровне исходного текста, так и на уровне объектных кодов с процессорным ядром семейства НС05.

- Переход к FLASH-технологии для ПЗУ программ пользователя. Для большинства типов МК проектируется создание двух моделей с возможностью замены «корпус в корпус». Эти МК полностью идентичны по функциональному составу и различаются только технологией занесения информации в ПЗУ программ (maskROM или FLASH).

- Библиотека периферийных модулей имеет расширенный набор контроллеров последовательного обмена. Кроме стандартных для МК фирмы Motorola портов асинхронного (SCI) и синхронного (SPI) обмена, разработаны контроллеры для работы в промышленных сетях с протоколом CAN и для перспективной шины вычислительной техники USB.

- Существенно улучшены возможности отладки МК, Встроенный монитор и специальный порт позволяют производить отладку прикладных программ управления непосредственно на плате конечного изделия без использования дорогостоящих схемных эмуляторов.

- МК с памятью программ типа FLASH позволяют реализовать режим программирования в системе, при котором прикладная программа заносится в память МК, который стационарно расположен на плате изделия. Коды программы передаются по последовательному интерфейсу от персонального компьютера.

- Специальные схемотехнические решения повышают надежность работы МК в условиях электромагнитных помех и неблагоприятной внешней среды.

1.5.4 МК фирмы Microchip

В конце 1980-х годов фирма Microchip выпустила МК PIC16C5X, основанные на гарвардской реализации. Эти МК основали ныне широко распространенное семейство PIC16. Благодаря высокой производительности, малому потреблению и низкой стоимости это семейство с RISC-архитектурой составило серьезную конкуренцию производимым в то время 8-разрядным МК с CISC-архитектурой. В основу концепции PIC была положена RISC-архитектура с системой простых однословных команд. Система команд базового семейства Р IC 16С5х содержит только 33 команды. Все команды, кроме команд перехода, выполняются за один машинный цикл с перекрытием по времени выборок команд из памяти и их исполнения. Производительность Р1С16С5х при частоте тактирования в 20 МГц составляет 5 MIPS. В настоящее время фирма Microchip выпускает пять семейств МК с RISC-архитектурой:

- Р1С15С5х включает недорогие контроллеры с минимальным набором периферии;

- PIC12Сххх включает МК в миниатюрном 8-выводном корпусе со встроенным тактовым генератором; однако «миниатюрность» не мешает некоторым моделям этого семейства иметь встроенный модуль 8-разрядного АЦП;

- Р1С1бх/7х/8х/9х объединяет МК с развитой периферией; в число периферийных модулей входят таймеры-счетчики с опциями захвата/сравнения, широтно-импульсные модуляторы, аналоговые компараторы, АЦП, контроллеры различных последовательных интерфейсов;

- Р1С17С4х/5хх включает высокопроизводительные МК с расширенной системой команд и обширной периферией; МК этого семейства имеют встроенный аппаратный умножитель 8x8, выполняющий операцию умножения за один машинный цикл;

- Р1С18Сххх - новое семейство с оптимизированным под использование Си-компилятора RISC-ядром и частотой внутренней шины до 10 МГц.

1.5.5 МК семейства AVR

В1997 г. фирма Atmel представила первые МК семейства AVR. Семейство AVR AT90S объединяет мощный гарвардский RISC-процессор с раздельным доступом к памяти программ и данных, 32 регистра общего назначения и развитую систему команд. Последние версии семейства AVR имеют в составе АЛУ аппаратный умножитель. Базовый набор команд AVR содержит 120 инструкций. Большинство команд выполняется за один машинный цикл, производительность ряда моделей составляет 20 MIPS. Периферия AVR включает параллельные порты, таймеры-счетчики, различные последовательные интерфейсы, АЦП, аналоговые компараторы. МК AVR подразделяются на три серии:

- tiny AVR - МК в 8-выводном корпусе низкой стоимости;

- classic AVR - основная линия МК с производительностью до 16 MIPS, Flash память программ объемом до 8 Кбайт и статическим ОЗУ данных 128...512 байт;

- mega AVR - МК для сложных приложений, требующих большого объема памяти (Flash ПЗУ до 128 Кбайт), ОЗУ до 4 Кбайт, производительностью до 16 MIPS.

Приведенная краткая аннотация семейств 8-разрядных МК является далеко не полной, 8-разрядные МК выпускают также фирмы ST-Microelectronics (семейства ST6, ST7 и ST9), National Semiconductor (семейство СОР8), Zilog, NEC, Mitsubishi, Hitachi, Toshiba, Scenix и др. Продукция этих фирм постепенно появляется на российском рынке, но пока не получила широкого распространения.

1.6 микроконтроллеры AVR

Фирма ATMEL выпускает несколько серий 8-разрядных высокопроизводительных RISC микроконтроллеров общего назначения, объединенных общей маркой AVR [[2]].

Окончательный выбор разработчиком той или иной микропроцессорной платформы для реализации своей задачи зависит, естественно, от большого числа разнообразных факторов, включая экономические. Но обычно первостепенным условием остается получение максимально выгодного соотношения "цена-производительность–энергопотребление", определяемого сложностью решаемой задачи. Видимо, это обстоятельство и послужило толчком к разработке в середине 1990-х нового 8-разрядного микроконтроллера.

На настоящий момент соотношение "цена – производительность – энергопотребление" для AVR является одним из лучших на мировом рынке 8-разрядных микроконтроллеров. Объемы продаж AVR в мире удваиваются ежегодно. В геометрической прогрессии растет число сторонних фирм, разрабатывающих и выпускающих разнообразные программные и аппаратные средства поддержки разработок для них. Можно считать, что AVR постепенно становится еще одним индустриальным стандартом среди 8-разрядных микроконтроллеров общего назначения.

Серийное производство AVR началось в 1996 году, а в настоящее время в серийном производстве у Atmel находятся три семейства AVR – "tiny", "classic" и "mega". Многие российские специалисты и разработчики уже по достоинству оценили высокую скорость работы и мощную систему команд AVR, наличие двух типов энергонезависимой памяти на одном кристалле и активно развивающуюся периферию.

Области применения AVR многогранны. Для семейства "tiny" - это интеллектуальные автомобильные датчики различного назначения, игрушки, игровые приставки, материнские платы персональных компьютеров, контроллеры защиты доступа в мобильных телефонах, зарядные устройства, детекторы дыма и пламени, бытовая техника, разнообразные инфракрасные пульты дистанционного управления. Для семейства "classic" - это модемы различных типов, современные зарядные устройства, изделия класса Smart Cards и устройства чтения для них, спутниковые навигационные системы для определения местоположения автомобилей на трассе, сложная бытовая техника, пульты дистанционного управления, сетевые карты, материнские платы компьютеров, сотовые телефоны нового поколения а также различные и разнообразные промышленные системы контроля и управления. Для "mega" AVR - это аналоговые (NMT, ETACS, AMPS) и цифровые (GSM, CDMA) мобильные телефоны, принтеры и ключевые контроллеры для них, контроллеры аппаратов факсимильной связи и ксероксов, контроллеры современных дисковых накопителей, CD-ROM и т.д.

В линии AVR микроконтроллеров общего назначения постоянно появляются новые кристаллы, обновляются версии уже существующих микросхем, совершенствуется и расширяется программное обеспечение поддержки. Так, первое официальное издание – каталог Atmel, посвященный AVR - датирован маем 1997 года. В него были включены всего четыре первых AVR - микроконтроллера семейства AT90S "classic". Второе, существенно расширенное издание каталога вышло в августе 2004 года, и в него уже были включены три семейства AVR - "tiny", "classic" и "mega". Технические данные постоянно обновляются в электронном виде (Data Sheet), которые Atmel Corp. размещает на своей информационной странице в Интернете [[3]].

1.6.1 Память микроконтроллеров AVR

Все AVR имеют Flash-память программ, которая может быть загружена как с помощью обычного программатора, так и с помощью SPI-интерфейса, в том числе непосредственно на целевой плате. Число циклов перезаписи - не менее 1000. Версии кристаллов семейства "mega" выпуска 2001-2002 года имеют возможность самопрограммирования. Это означает, что микроконтроллер способен самостоятельно, без какого-либо внешнего программатора, изменять содержимое ячеек памяти программ. То есть, новые AVR, как реакция на некоторые события, могут менять алгоритмы своего функционирования и программы, заложенные в них, и далее работать уже по измененному алгоритму или новой программе.

Все AVR имеют также блок энергонезависимой электрически стираемой памяти данных EEPROM. Этот тип памяти, доступный программе микроконтроллера непосредственно в ходе ее выполнения, удобен для хранения промежуточных данных, различных констант, таблиц перекодировок, калибровочных коэффициентов и т.п. EEPROM также может быть загружена извне как через SPI интерфейс, так и с помощью обычного программатора. Число циклов перезаписи – не менее 100000. Два программируемых бита секретности позволяют защитить память программ и энергонезависимую память данных EEPROM от несанкционированного считывания. Внутренняя оперативная память SRAM имеется у всех AVR семейств "classic" и "mega". Для некоторых микроконтроллеров возможна организация подключения внешней памяти данных объемом до 64К.

1.6.2 Рабочая частота и циклы команд микроконтроллеров AVR

Внутренний тактовый генератор AVR может запускаться от нескольких источников опорной частоты (внешний генератор, внешний кварцевый резонатор, внутренняя или внешняя RC-цепочка). Поскольку AVR-микроконтроллеры полностью статические, минимальная допустимая частота ничем не ограничена (вплоть до пошагового режима). Максимальная рабочая частота определяется конкретным типом микроконтроллера и составяет 4, 8, 14, 16 Мгц у разных образцов. Верхние границы частотного диапазона гарантируют устойчивую работу микроконтроллеров при работе во всем температурном диапазоне.

Например, у микроконтроллеров семейства MCS51 короткая команда выполняется за 12 тактов генератора (1 машинный цикл), в течение которого процессор последовательно считывает код операции и исполняет ее. В PIC-контроллерах фирмы Microchip, где уже реализован конвейер, короткая команда выполняется в течение 8 периодов тактовой частоты (2 машинных цикла). За это время последовательно дешифрируется и считывается код операции, исполняется команда, фиксируется результат и одновременно считывается код следующей операции (одноуровневый конвейер). Поэтому в общем потоке команд одна короткая команда реализуется за 4 периода тактовой частоты или за один машинный цикл. В микроконтроллерах AVR тоже используется одноуровневый конвейер при обращении к памяти программ и короткая команда в общем потоке выполняется, как и в PIC-контроллерах, за один машинный цикл. Главное же отличие состоит в том, что этот цикл у AVR составляет всего один период тактовой частоты. Для сравнения, на рисунке 1.5 приведены временные диаграммы при выполнении типовой команды для различных микроконтроллерных платформ.

Рисунок 1.5 – Сравнительная характеристика некоторых микропроцессорных платформ

1.6.3 Таймеры микроконтроллеров AVR

Сторожевой (WATCHDOG) таймер предназначен для защиты микроконтроллера от сбоев в процессе работы. Он имеет свой собственный RC-генератор, работающий на частоте 1 МГц. Эта частота является приближенной и зависит, прежде всего, от величины напряжения питания микроконтроллера и от температуры. WATCHDOG-таймер снабжен собственным предделителем входной частоты с программируемым коэффициентом деления, что позволяет подстраивать временной интервал переполнения таймера и сброса микроконтроллера. WATCHDOG-таймер может быть отключен программным образом во время работы микроконтроллера как в активном режиме, так и в любом из режимов пониженного энергопотребления. В последнем случае это приводит к значительному снижению потребляемого тока.

Микроконтроллеры AVR имеют в своем составе от 1 до 4 таймеров/счетчиков общего назначения с разрядностью 8 или 16 бит, которые могут работать и как таймеры от внутреннего источника опорной частоты, и как счетчики внешних событий с внешним тактированием.

Общие черты всех таймеров/счетчиков следующие.

- наличие программируемого предделителя входной частоты с различными градациями деления. Отличительной чертой является возможность работы таймеров/счетчиков на основной тактовой частоте микроконтроллера без предварительного ее понижения, что существенно повышает точность генерации временных интервалов системы;

- независимое функционирование от режима работы процессорного ядра микроконтроллера (т.е. они могут быть как считаны, так и загружены новым значением в любое время);

- возможность работы или от внутреннего источника опорной частоты, или в качестве счетчика событий. Верхний частотный порог определен в этом случае как половина основной тактовой частоты микроконтроллера. Выбор перепада внешнего источника (фронт или срез) программируется пользователем;

- наличие различных векторов прерываний для нескольких различных событий (переполнение, захват, сравнение).

Порты ввода-вывода

Порты ввода/вывода AVR имеют число независимых линий "Вход/Выход" от 3 до 53. Каждый разряд порта может быть запрограммирован на ввод или на вывод информации. Выходные драйверы обеспечивают токовую нагрузочную способность 20 мА на линию порта (втекающий ток) при максимальном значении 40 мА, что позволяет, например, непосредственно подключать к микроконтроллеру светодиоды и биполярные транзисторы. Общая токовая нагрузка на все линии одного порта не должна превышать 80 мА (все значения приведены для напряжения питания 5 В).

Интересная архитектурная особенность построения портов ввода/вывода у AVR заключается в том, что для каждого физического вывода существует 3 бита контроля/управления, а не 2, как у распространенных 8-разрядных микроконтроллеров (Intel, Microchip, Motorola и т.д.).