МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ 1

Принципы построения современных МК 2

3 Процессорное ядро представляет собой базовый, неизменный функциональный блок контроллера, предназначенный для использования во всех моделях семейства. В состав процессорного ядра входят. => центральный процессор; => формирователь многофазной импульсной последовательности для тактирования центрального процессора и межмодульных магистралей; => устройство управления режимами работы МК (активным режимом, в котором МК выполняет прикладную программу; режимами пониженного энергопотребления, начального запуска и прерываний); => внутренние шины адреса, данных и управления. Функциональный блок с изменяемой структурой определяет отличительные черты характеристик и параметров отдельных моделей (версий) семейства. Этот блок включает в себя различные модули постоянной и оперативной памяти, периферийных устройств, генераторов синхронизации, а также дополнительные модули специальных режимов работы контроллера. Библиотека периферийных модулей. Совокупность модулей, разработанных для конкретного процессорного ядра, называют библиотекой периферийных модулей. В библиотеку семейств МК входят: модули памяти модули периферийных устройств модули встроенных генераторов синхронизации модули контроля питающего напряжением и хода выполнения программы модули внутрисхемной отладки и программирования

Классификация микроконтроллеров 4 Разрядность микроконтроллеров Расположение памяти: Микроконтроллеры с внутренней памятью Микроконтроллеры с внешней памятью Архитектура процессоров: CISC- и RISC-архитектура Пристонская и Гарвардская архитектура

Показатели микроконтроллеров 5 Показатели архитектуры : вид архитектуры (RISC или CISC, Гарвардская и Принстонская архитектура) организация памяти (тип памяти, карты памяти программ и данных; набор программно-доступных регистров; назначение отдельных бит регистров и др.) показатели процессорного ядра и периферии (аппаратный состав и функции) система команд (количество команд, формат команды, циклы выполнения, особенности выборки и др.) способы адресации способы обработки данных другие показатели (возможность выбора типа генератора тактирования; наличие специальных таймеров; режим пониженного потребления; защита кода от считывания; биты идентификации и др.) Электрические показатели: рабочие и максимально допустимые значения электрических параметров временные диаграммы и параметры Конструкционно-технологические показатели: используемый тип корпусов и их маркировка количество выводов и их назначение система обозначений МК технологические особенности, например, КМОП технология; полностью статическое устройство; широкий диапазон напряжения питания; коммерческий и промышленный температурный диапазон; низкое энергопотребление Поддержка разработок Производительность микроконтроллера

Обзор 8-разрядных микроконтроллеров 6 Задание для самостоятельной работы Подготовить реферат на тему «Обзор 8-разрядных микроконтроллеров фирмы _____» Белов Г.А.Микроконтроллеры фирмы NEC Васильева А.К.Микроконтроллеры фирмы Atmel (семейство AVR) Григорьев Д.Ю.Микроконтроллеры фирмы ST-Microelectronics Иванов К.С.Микроконтроллеры фирмы Microchip Краснов А.Г.Микроконтроллеры фирмы Scenix Semiconductors Павлов П.В.Микроконтроллеры фирмы Motorola Савельев Р.К.Микроконтроллеры фирмы National Semiconductor В реферате дать обзор семейств 8-разрядных микроконтроллеров, различающихся периферией. Далее рассмотреть одно семейство, для которого указать: - показатели архитектуры - электрические показатели - конструктивно-технологические показатели - поддержку разработок - структурную схему семейства

Аппаратные средства микроконтроллеров. Память МК 7 Память программ В настоящее время все более распространенной становится новая технология реализации ПЗУ Flash-память. Память данных Характерной особенностью МК является сравнительной небольшой объем (сотни байт) ОЗУ, используемой для хранения переменных. Это можно объяснить несколькими факторами: стремлением к упрощению аппаратных средств МК; использованием при написании программ некоторых правил, направленных на сокращение объема памяти ОЗУ (например, константы не хранятся как переменные); распределением ресурсов памяти таким образом, чтобы вместо размещения данных в ОЗУ максимально использовать аппаратные средства (таймеры, индексные регистры и др.); ориентацией прикладных программы на работу без использования больших массивов данных. Регистровая память регистры процессорного ядра (аккумулятор, регистры состояния, индексные регистры); регистры управления (регистры управления прерываниями, регистры управления таймером); регистры ввода/вывода данных (регистры данных и регистры управления параллельным, последовательным или аналоговым вводом/выводом). Внешняя память подключение внешней памяти с использованием шинного интерфейса (как в микропроцессорных системах); подключение памяти к устройствам ввода-вывода, при этом обращение к памяти осуществляется через эти устройства программными средствами.

Аппаратные средства микроконтроллеров. Порты ввода-вывода 8 По функциональному признаку параллельные порты разделяют на три группы: однонаправленные порты, предназначенные для передачи информации в одном направлении (только для ввода или только для вывода); двунаправленные порты, позволяющие задавать направление передачи всех линий и каждой линии в отдельности. В случае необходимости каждая линия может быть сконфигурирована индивидуально и обслужена командами битового процессора независимо от других линий того же порта ввода/вывода; порты с альтернативными функциями, которые определяются состоянием микроконтроллера. Отдельные линии таких портов связаны со встроенными в микроконтроллер периферийными модулями (таймером, АЦП, контроллером, последовательным приемопередатчиком и др.), при этом: если модуль активизирован, то задействованные линии ввода/вывода порта автоматически конфигурируются в соответствии с функциональным назначением в модуле и не могут быть использованы по другому назначению; если же периферийный модуль МК не используется, то его выводы можно задействовать как обычные линии ввода/вывода порта.

Аппаратные средства микроконтроллеров. Порты ввода-вывода 9 Драйверы с установкой на ввод/вывод Настройка драйвера на ввод/вывод осуществляется установкой бита в специальном триггере направления передачи (ТНП). Нулевое значение бита конфигурирует драйвер на ввод, единичное на вывод. Рассмотренное техническое решение реализовано в микроконтроллерах НС08 фирмы Motorola. Его достоинство - высокоомный вход в режиме ввода, недостаток - наличие триггера направления передачи. Драйверы с установкой на ввод Рассмотренное техническое решение реализовано в микроконтроллерах MCS51 фирмы Intel. Его недостаток низкое входное сопротивление в режиме ввода, обусловленное необходимостью использования подтягивающего к 1 резистора R для вывода единичного бита.

Аппаратные средства микроконтроллеров. Порты ввода-вывода 10 Драйверы с управляемыми подтягивающими резисторами В качестве нагрузки выходного каскада используются транзисторы VT1 и VT3. Управляемый транзистор VT1 обладает сопротивлением в сотни раз меньшим по сравнению с транзистором VT3. Он обеспечивает быстрое переключение схемы и большую амплитуду импульса при выводе единичного бита. Транзистор VT3 выполняет функцию подтягивающего резистора в установившемся режиме, его сопротивление значительно больше, чем R в схеме на предыдущем рисунке. Драйверы с управляемыми подтягивающими резисторами общие технические решения с управляемыми подтягивающими резисторами. В схеме на рис. а резистор R с помощью VT3 подключается параллельно нагрузочному транзистору VT1, что позволяет при выводе данных подтягивать логический уровень к 1. В схеме на рис.б резистор R подключается параллельно транзистору VT1, что позволяет подтягивать логический уровень к 0. Приведенные схемы используются в контроллерах фирмы Motorola.

Аппаратные средства микроконтроллеров. Таймеры 11 Для эффективного управления устройствами в реальном времени микропроцессорные системы должны обеспечить выполнение таких функций как: формирование импульсов (меток реального времени) через заданные интервалы времени; подсчет количества импульсов внешнего сигнала на заданном временном интервале; контроль состояния линий ввода и измерение длительности входного сигнала с заданным логическим уровнем; формирование импульсного выходного сигнала с программируемыми частотой и коэффициентом заполнения (скважностью); формирование сигнала заданного логического уровня с программируемой задержкой относительно времени изменения уровня входного сигнала. Выполнение функций, связанных с управлением устройствами в реальном времени, возлагается на специальные аппаратные средства, которые называются таймером.

Аппаратные средства микроконтроллеров. Таймеры 12 Для измерения временного интервала необходимо: прервать выполнение текущей программы в момент времени t 0-1, когда происходит изменение импульса на выводе Вход с 0 на 1, с помощью подпрограммы прерывания произвести сброс счетчика в нулевое состояние и разрешить счет; повторно прервать выполнение текущей программы в момент времени t 1-0. когда происходит изменение импульса на выводе Вход с 1 на 0, и с помощью подпрограммы прерывания остановить счет. Содержимое счетчика будет соответствовать длительности интервала Тх, выраженной в двоичной форме числом периодов входных импульсов тактирования. Рис Принцип измерения временного интервала

Аппаратные средства микроконтроллеров. Таймеры 13 В схему канала входного захвата дополнительно введены: регистр входного захвата, в который записывается текущее состояние счетчика таймера по событию изменения логического уровня входного сигнала; детектор событий, предназначенный для фиксации изменения логического уровня сигнала на входе канала (обычно входом является один из выводов порта) и выдачи строба по факту этого события для записи текущего состояния счетчика таймера в регистр входного захвата; триггер входного захвата, используемый для фиксации каждого события захвата путем установки в единичное состояние сигнала на своем выходе. Рис Схема канала входного захвата Рис Измерение временного интервала Тх способом входного захвата а) K2>K1, б) K1>K2

Аппаратные средства микроконтроллеров. Таймеры 14 В схему канала выходного сравнения дополнительно введены: регистр выходного сравнения, в который заносятся двоичные коды К1 и К2, определяющие требуемую длительность формируемого выходного импульса; схема сравнения (цифровой компаратор), предназначенный для фиксации события сравнения равенства непрерывно изменяющегося во времени кода счетчика таймера с кодом, хранящимся в регистре выходного сравнения; триггер выходного сравнения, используемый для установки в единичное состояние сигнала на своем выходе при каждом срабатывании схемы сравнения; формирователь уровня, предназначенный для установки логического уровня сигнала на выходе канала (обычно выходом является один из выводов порта) по факту события выходного сравнения. Рис Схема канала выходного сравнения Рис Формирование импульса длительностью Тх способом выходного сравнения а) K2>K1, б) K1>K2

Аппаратные средства микроконтроллеров. Процессоры событий 15 Модуль процессора событий содержит : счетный модуль (счетчик и регистр периода), тактируемый импульсной последовательностью с выхода программируемого делителя частоты f BUS или внешнего генератора. В наиболее совершенных счетных модулях возможно изменение коэффициента счета счетчика, реализуемого с помощью дополнительного программно доступного регистра периода и многоразрядного цифрового компаратора; универсальные каналы захвата/сравнения, обеспечивающие работу процессора событий в режимах входного захвата, выходного сравнения и широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Для реализации первых двух режимов программно- логическая модель каждого канала включает регистр данных канала и триггер события. В режиме широтно-импульсной модуляции (рис. 6.13) на выводе «Вход/Выход» микроконтроллера формируется последовательность импульсов с периодом, равным периоду T работы счетчика. Рис Схема процессора событий Рис Принцип формирования ШИМ в канале процессора событий

Микроконтроллер I8051. Описание 16 В составе МК51 имеется: 8-разрядное АЛУ с аппаратной реализацией операций типа умножение; внутреннее ОЗУ 128 Байт, внутреннее ПЗУ 4 к Байта, четыре универсальных параллельных 8-разрядных порта ввода/вывода с возможностью реализации определенных альтернативных функций, два 16-разрядных таймера/счетчика, универсальный асинхронный последовательный приемопередатчик (UART), поддерживающий протокол стандарта RS-232C. Память данных и память программ в МК 8051 полностью разделены., т. е. он построен по гарвардской архитектуре. МК способен обращаться к 64 Кбайтам внешнего ОЗУ и 64 Кбайтам внешнего ПЗУ. Максимальная частота тактовых импульсов 12 МГц. Рис УГО МК51 0V - потенциал общего провода («земли»); Ucc - основное напряжение литания +5 В; BQ0, BQ1 (XTAL1, XTAL2) - выводы для подключения внешнего кварцевого резонатора; RST - вход общего сброса; PME # - разрешение внешней памяти программ; сигнал на этой линии выдается только при обращении МК51 к внешнему ПЗУ; ALE - строб адреса внешней памяти; DЕMА - отключение внутренней программной памяти; низкий уровень сигнала на этом входе заставляет МК51 выполнять программу только из внешнего ПЗУ

Микроконтроллер I8051. Синхронизация МК 17 Рис Машинный цикл МК51 Машинный цикл МК51 имеет фиксированную длительность и содержит шесть состояний (тактов) S1…S6. Каждое состояние состоит из двух временных интервалов, называемых фазами Р1 и Р2, рис Длительность фазы равна периоду следования сигнала синхронизации BQ. В каждом машинном цикле МК51 дважды формирует сигнал ALE, который используется при работе с внешними устройствами. Рис Синхронизация с использованием внутреннего генератора

Микроконтроллер I8051. Организация портов ввода/вывода 18 P0 8-разрядный двунаправленный порт ввода/вывода информации. При работе с внешними ОЗУ и ПЗУ по линиям порта в режиме временного мультиплексирования выдается младший байт адрес внешней памяти, после чего осуществляется передача или прием данных. P1 8-разрядный квазидвунаправленный порт ввода/вывода. P2 8-разрядный квазидвунаправленный порт; выводы этого порта дополнительно используются для выдачи старшего байта адреса при работе с внешними ОЗУ и ПЗУ. Р3 8-разрядный квазидвунаправленный порт. Каждая линия порта Р3 имеет индивидуальную альтернативную функцию: Рис Функциональная схема одной линии порта P0 Р3.0 RxD, вход последовательного порта; Р3.1 TxD, выход последовательного порта; Р3.2 INT0#, используется как вход запроса нулевого внешнего прерывания; Р3.3 INT1#, используется как вход запроса первого внешнего прерывания; Р3.4 Т0, используется как вход счетчика внешних событий Т/С0; Р3.5 Т1, используется как вход счетчика внешних событий Т/С1; Р3.6 WR#, строб записи во внешнюю память данных, выходной сигнал, сопровождающий вывод данных через порт Р0 при обращении к внешней памяти данных; Р3.7 RD#, строб чтения из внешней памяти данных, выходной сигнал, сопровождающий ввод данных через порт Р0 при обращении к внешней памяти данных. Альтернативная функция любой линии порта Р3 выполняется только в случае, когда соответствующий этой линии бит фиксатора-защелки установлен.

Микроконтроллер I8051. Набор регистров МК 19 Рис Набор регистров МК51 МК относится к классу аккумуляторных с переключаемыми банками рабочих регистров. Центральным регистром набора считается 8-разрядный аккумулятор А, выполняющий обычные функции основного арифметического регистра. Регистр В служит расширением аккумулятора А. Указатель стека SP образует системный стек глубиной до 256 байт. Шестнадцатиразрядный программный счетчик PC управляет последовательностью выполнения команд. Указатель данных DPTR имеет длину 16 разрядов, каждая его половина может быть адресована независимо от другой. Этот регистр используется в качестве адресного (при косвенной адресации) при пересылке констант из памяти программ и доступе к переменным из внешней памяти данных, а также для организации передачи управления. Регистр слова состояния PSW программы содержит флажки: PSW.7 CY Перенос из старшего разряда АЛУ PSW.6 АС Дополнительный перенос из младшей тетрады АЛУ PSW.5 F0 Флажок пользователя общего назначения (определяется пользователем в конкретной ситуации) PSW.4-3 RS Двухразрядное поле Registers Select выбора одного из четырех возможных банков рабочих регистров PSW.2 OV Признак арифметического переполнения результата PSW.1 Р Признак четности В МК51 предусмотрено четыре банка по восемь рабочих регистров R0 R7 в каждом, переключаемых полем RS слова состояния программы. Регистры выполняют общецелевые функции промежуточного хранения данных.

Микроконтроллер I8051. Организация памяти 20 Рис Организация памяти в МК51 Все микроконтроллеры семейства МК51 имеют несколько адресных пространств, функционально и логически разделенных за счет разницы в механизмах адресации и сигналах управления записью и чтением: память программ, внутренняя память данных, внешняя память данных.

Микроконтроллер I8051. Память программ 21 Рис Выборка из внешней памяти программ Память программ имеет 16-разрядное адресное пространство, ее элементы адресуются с использованием счетчика команд PC или команд перехода. Память программ имеет байтовую организацию и общий объем до 64 Кбайт. Ряд МК семейства имеют внутреннюю память программ различной емкости. В базовом варианте 8051 емкость внутренней памяти программ 4 Кбайт. Сигналом, стробирующим выборку и ввод байта из внешней памяти программ в МК является сигнал PME#. Для МК, содержащих внутреннюю память программ, сигнал PME# формируется только в том случае, если адрес в счетчике команд превосходит максимальный адрес внутренней памяти программ. При выборке из внутренней памяти программ данный сигнал не формируется. Для МК, не имеющих внутренней памяти программ, сигнал PME# формируется при любом обращении к памяти программ. Микроконтроллеры семейства МК51 имеют вывод DEMA (ЕА#), с помощью которого можно запретить работу внутренней памяти программ. Если подать на вывод DEMA сигнал низкого уровня, то внутренняя память программ отключается и все обращения происходят к внешней памяти программ с формированием сигнала PME#. Если на вывод DEMA подан сигнал высокого уровня, то работают и внутренняя и внешняя память программ. Сигнал PME# выполняет для ИС ПЗУ роль сигнала разрешения выхода OE#.

Микроконтроллер I8051. Память программ 22 Рис Типовая схема подключения внешней памяти программ

Микроконтроллер I8051. Память данных 23 Рис Структура внутреннего ОЗУ данных Память данных делится на внешнюю и внутреннюю, каждая из них имеет свое пространство адресов. В архитектуре MК51 пространство адресов внутренней памяти данных объединяет все внутренние программно доступные ресурсы. Это пространство размером 256 байт в свою очередь делится на пространство адресов внутреннего ОЗУ (размером 128 байт) и пространство адресов регистров специальных функций.

Микроконтроллер I8051. Память данных 24 Рис Регистры специальных функций

Микроконтроллер I8051. Память данных 25 Рис Типовая схема подключения внешней памяти данных

Микроконтроллер I8051. Блок таймеров-счетчиков 26 МК51 имеет два таймера/счетчика Т/С0 и Т/С1. В состав каждого Т/С входит 16-разрядный регистр ТС. Эти регистры выполняют функцию хранения содержимого счета. Каждый из них состоит из пары 8-разрядных регистров, соответственно TH0, TL0 и TH1, TL1. Состояние счетчиков контролируется с помощью регистра управления TCON. Настройку режимов работы Т/С осуществляют записью информации в специальный регистр TMOD. Регистр TCON Регистр TMOD

Микроконтроллер I8051. Блок таймеров-счетчиков 27 Рис Работа Т/С в режиме 0 и 1 Т/С в режиме 0 представляет собой устройство на основе 13-разрядного регистра, состоящего из 8 разрядов регистра ТН и 5 младших разрядов регистра TL. Режим 1 практически аналогичен режиму 0. Отличие состоит в том, что в этом режиме Т/С функционирует на основе 16-разрядного регистра, т. е. задействованы все разряды регистра TL. Вход P3.4 или P3.5 Вход P3.2 или P3.3 Если GATE=1, то работа Т/С будет определяться сигналом INT#. При INT# =1 счет будет разрешен

Микроконтроллер I8051. Блок таймеров-счетчиков 28 Рис Работа Т/С в режиме 2 Во 2-м режиме Т/С представляет собой устройство на основе 8-разрядного регистра TL. При каждом переполнении TL кроме установки в регистре TCON флага TF автоматически происходит загрузка в регистр TL содержимого регистра ТН. Регистр ТН загружается программно, загрузка в TL из ТН не влияет на содержимое последнего.

Микроконтроллер I8051. Блок таймеров-счетчиков 29 Рис Работа Т/С0 в режиме 3 Режим 3 различен для Т/С0 и Т/С1. Т/С1 в режиме 3 заблокирован и просто сохраняет значение кода в регистре ТС1. Т/С0 в этом режиме представляет собой два независимых устройства на основе 8-разрядных регистров TL0 и ТН0. Устройство на основе регистра TL0 может работать в режиме таймера и в режиме счетчика. За ним сохраняются все биты управления Т/С0, оно реагирует на воздействия по входам Т0, INT0#. При переполнении TL0 устанавливается флаг TF0. Устройство на основе регистра ТН0 может работать только в режиме таймера. Вход P3.4 Бит 3 регистра TMOD Вход P3.2 TCON (6) TMOD (2) TCON (4)

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ