🗊Презентация Микроконтроллеры

Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов Микроконтроллеры

1. Назначение микроконтроллеров Микроконтроллер – это специализированный микропроцессор, предназначенный для построения устройств управления техническими объектами и технологическими процессами. Конструктивно микроконтроллер представляет собой большую интегральную схему (БИС), на кристалле которой размещены все составные части типовой вычислительной системы: микропроцессор, память, а также периферийные устройства для реализации дополнительных функций. Так как все элементы микроконтроллера размещены на одном кристалле, их также называют однокристальными (однокорпусными) микроЭВМ или однокристальными микроконтроллерами. Цель применения микроконтроллеров – сокращение числа компонентов, уменьшение размеров и снижение стоимости приборов (систем).

Характерные черты микроконтроллеров Характерные черты микроконтроллеров: RISC-архитектура (RISC – Reduced Instruction Set Computer – вычислитель с сокращённым набором команд); незначительная ёмкость памяти; физическое и логическое разделение памяти программ и памяти данных; система команд ориентирована на решение задачи управления. Микроконтроллеры предназначены для решения задач управления, контроля, регулирования и первичной обработки информации и менее эффективны при реализации сложных алгоритмов обработки данных. Микроконтроллеры составляют наиболее широкий класс микропроцессоров, используемых в приборах, устройствах и системах различного назначения.

Состав типовой микроконтроллерной системы В состав типовой микроконтроллерной системы управления входит микроконтроллер и аппаратура его сопряжения с объектом управления. ФСУ – формирователи сигналов управления; ИУ – исполнительные устройства; Д – датчики; ФСС – формирователи сигналов состояния

Функционирование типовой микроконтроллерной системы (1) Микроконтроллер производит периодический опрос сигналов состояния объекта и в соответствии с заложенным алгоритмом генерирует последовательности сигналов управления. Сигналы состояния характеризуют текущие параметры объекта управления. Они формируются путём преобразования выходных сигналов датчиков (Д) с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) или формирователей сигналов состояния (ФСС); последние чаще всего выполняют функции гальванической развязки и формирования уровней. Сигналы управления, выработанные микроконтроллером, подвергаются преобразованию с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) или формирователей сигналов управления (ФСУ), в качестве которых применяются усилители мощности, оптроны, транзисторные и тиристорные ключи и др. Выходные сигналы ЦАП и ФСУ представляют собой соответственно аналоговые и дискретные управляющие воздействия, которые поступают на исполнительные устройства (ИУ).

Функционирование типовой микроконтроллерной системы (2) В системе могут быть также предусмотрены: панель управления, устройство индикации; интерфейс для обмена информацией с внешними устройствами и другие устройства. В зависимости от назначения и характеристик конкретной системы некоторые из указанных элементов могут отсутствовать. Разрядность выпускаемых микроконтроллеров варьируется от 4 до 64 бит. Наибольшее распространение получили 8-разрядные микроконтроллеры как пригодные для использования в различных приложениях и имеющие низкую стоимость. Характерными представителями таких устройств являются микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel (http://www.atmel.com).

Семейства 8-разрядных микроконтроллеров Семейства MCS51 (8051)-совместимых микроконтроллеров фирм Philips, Dallas Semiconductor, Atmel, Cypress, Cygnal, Winbond и многих других Семейство PIC-контроллеров фирмы Microchip Семейство AVR-микроконтроллеров фирмы Atmel Семейство 68НС05/68НС08/68НС11 фирмы Motorola Семейство Z8/Z80 фирмы Zilog Семейство ST7 фирмы STMicroelectronics …и огромное количество микроконтроллеров других фирм!

2. Архитектура AVR-микроконтроллеров AVR-микроконтроллеры – это 8-разрядные RISC-микроконтроллеры, отличительными особенностями которых являются наличие FLASH-памяти программ, широкий спектр периферийных устройств, высокая вычислительная производительность, а также доступность средств разработки программного обеспечения. В состав семейства AVR в настоящее время входит более 50 различных устройств, которые подразделяются на несколько групп. Универсальные AVR-микроконтроллеры входят в группы Tiny AVR и Mega AVR. Tiny AVR (ATtinyXХX) – дешёвые устройства с небольшим количеством выводов. Mega AVR (ATmegaXХX) – мощные AVR-микроконтроллеры, имеющие наибольшие объёмы памяти и количество выводов, а также максимально полный набор периферийных устройств.

Архитектура AVR-микроконтроллеров (2) Специализированные AVR-микроконтроллеры представлены следующими группами: LCD AVR (ATmega169Х, ATmega329Х) – микроконтроллеры для работы с жидкокристаллическими индикаторами; USB AVR (AT43USBXХX, AT76C711) – микроконтроллеры с интерфейсом USB; Z-Link AVR (ATmegaXХRZX, ATXХRZX) – микроконтроллеры с интерфейсом ZigBee; CAN AVR (AT90CANXX, AT90CANXXX)– микроконтроллеры с интерфейсом CAN; DVD AVR (AT78CXХX) – контроллеры CD/DVD-приводов; RF AVR (AT86RFХХХ) – микроконтроллеры для построения систем беспроводной связи; Secure AVR (AT90SCXХХX, AT97SCXХХX) – микроконтроллеры для смарт-карт; Smart Battery AVR (ATmega406) – микроконтроллер для управления зарядом батарей; Lighting AVR (AT90PWMXX) – микроконтроллеры для управления электронным балластом люминесцентных ламп; FPGA AVR (AT94KXХAL) – AVR-микроконтроллеры, выполненные на одном кристалле с ПЛИС. Кроме того, ранее выпускалась группа Classic AVR (AT90SXXХX) – устройства, занимающие промежуточное положение между микроконтроллерами групп Mega и Tiny (заменены совместимыми усовершенствованными аналогами группы Mega).

Архитектура AVR-микроконтроллеров (3)

Архитектура AVR-микроконтроллеров (4) AVR-микроконтроллеры содержат на кристалле следующие аппаратные средства: 8-разрядное процессорное ядро; память программ; оперативную память данных; энергонезависимую память данных; регистры ввода-вывода; схему прерываний; схему программирования; периферийные устройства. Процессорное ядро (Central Processing Unit – CPU) AVR-микроконтроллеров содержит арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры общего назначения (РОН), программный счётчик, указатель стека, регистр состояния, регистр команд, дешифратор команд, схему управления выполнением команд.

Архитектура AVR-микроконтроллеров (5)

Архитектура AVR-микроконтроллеров (6)

Архитектура AVR-микроконтроллеров (7) Регистры общего назначения представляют собой 8-разрядные ячейки памяти с быстрым доступом, непосредственно доступные АЛУ. В AVR-микроконтроллерах имеется 32 РОН. Программный счётчик (Program Counter – PC) содержит адрес следующей выполняемой команды. Указатель стека (Stack Pointer – SP) служит для хранения адреса вершины стека. Регистр состояния (Status Register – SREG) содержит слово состояния процессора. Регистр команд, дешифратор команд и схема управления выполнением команд обеспечивают выборку из памяти программ команды, адрес которой содержится в программном счётчике, её декодирование, определение способа доступа к указанным в команде аргументам и собственно выполнение команды.

Архитектура AVR-микроконтроллеров (8) Для ускорения выполнения команд используется механизм конвейеризации, который заключается в том, что во время исполнения текущей команды программный код следующей выбирается из памяти и декодируется. Память AVR-микроконтроллеров организована по схеме гарвардского типа – адресные пространства памяти программ и памяти данных разделены. Память программ представляет собой перепрограммируемое ПЗУ типа FLASH и выполнена в виде последовательности 16-разрядных ячеек, так как большинство команд AVR-микроконтроллера являются 16-разрядными словами. Гарантируется не менее 100 000 циклов перезаписи. Память программ имеет размер от 2 до 256 Kбайт (от 1 до 128 Kслов).

Архитектура AVR-микроконтроллеров (9) Оперативная память данных представляет собой статическое ОЗУ (SRAM – Static Random-Access Memory) и организована как последовательность 8-разрядных ячеек. Оперативная память данных может быть внутренней (до 16 Kбайт) и внешней (до 64 Кбайт). Энергонезависимая (nonvolatile) память данных организована как последовательность 8-разрядных ячеек и представляет собой перепрограммируемое ПЗУ с электрическим стиранием (РПЗУ-ЭС или EEPROM – Electrically Erasable Programmable Read-only Memory). Энергонезависимая память данных имеет размер до 64 Кбайт. Регистры ввода-вывода предназначены для управления процессорным ядром и периферийными устройствами AVR-микроконтроллера. Схема прерываний обеспечивает возможность асинхронного прерывания процесса выполнения программы при определённых условиях.

Архитектура AVR-микроконтроллеров (10) К периферийным устройствам AVR-микроконтроллера относятся: порты ввода-вывода; таймеры; счётчики; сторожевой таймер; аналоговый компаратор; аналого-цифровой преобразователь; универсальный асинхронный (синхронно-асинхронный) приёмопередатчик – УАПП (УСАПП); последовательный периферийный интерфейс SPI; отладочный интерфейс JTAG и др. Набором периферийных устройств определяются функциональные возможности микроконтроллера. Обмен информацией между устройствами AVR-микроконтроллера осуществляется посредством внутренней 8-разрядной шины данных.

3. Программная модель AVR-микроконтроллеров Программная модель микропроцессора представляет собой совокупность программно доступных ресурсов. В программную модель микроконтроллеров семейства AVR входят следующие элементы: РОН; регистры ввода-вывода; память программ; оперативная память данных; энергонезависимая память данных.

Программная модель AVR-микроконтроллеров (2)

Программная модель AVR-микроконтроллеров (3) РОН (R0…R31) могут использоваться в программе для хранения данных, адресов, констант и другой информации. Шесть старших регистров объединены попарно и составляют три 16-разрядных регистра Х [R27:R26], Y [R29:R28] и Z [R31:R30]. РОН, регистры ввода-вывода и оперативная память данных образуют единое адресное пространство. Адресное пространство – это множество доступных ячеек памяти, различимых по адресам; адресом называется число, однозначно идентифицирующее ячейку памяти (регистр).

Программная модель AVR-микроконтроллеров (4) Адреса ячеек памяти традиционно записываются в шестнадцатеричной системе счисления, на что указывает знак $ в обозначении адреса. Существует две конфигурации единого адресного пространства памяти AVR-микроконтроллеров. В конфигурации А младшие 32 адреса ($0000…$001F) соответствуют РОН, следующие 64 адреса ($0020…$005F) занимают регистры ввода-вывода, внутренняя оперативная память данных начинается с адреса $0060. В конфигурации В начиная с адреса $0060 размещаются 160 дополнительных регистров ввода-вывода; внутренняя оперативная память данных начинается с адреса $0100. Конфигурация А используется в младших моделях микроконтроллеров и в некоторых старших моделях в режиме совместимости с моделями, снятыми с производства; конфигурация В – в старших моделях.

Программная модель AVR-микроконтроллеров (5) В память программ, кроме собственно программы, могут быть записаны постоянные данные, которые не изменяются в процессе работы микропроцессорной системы (константы, таблицы линеаризации датчиков и т. п.). Выполнение программы при включении питания или после сброса микроконтроллера начинается с команды, находящейся по адресу $0000 (т. е. в первой ячейке) памяти программ. Энергонезависимая память данных предназначена для хранения информации, которая может изменяться непосредственно в процессе работы микропроцессорной системы (калибровочные коэффициенты, конфигурационные параметры и т. п.). Энергонезависимая память данных имеет отдельное адресное пространство и может быть считана и записана программным путём.

4. Система команд AVR-микроконтроллеров Система команд (instruction set) микропроцессора представляет собой совокупность выполняемых микропроцессором операций и правил их кодирования в программе. Система команд AVR-микроконтроллеров включает следующие группы: команды (инструкции) арифметических и логических операций; команды ветвления, управляющие последовательностью выполнения программы; команды передачи данных; команды операций с битами. Всего в систему команд входит более 130 инструкций. Младшие модели микроконтроллеров не поддерживают некоторых из них.

Система команд AVR-микроконтроллеров (2) В зависимости от количества используемых операндов возможны три типа команд AVR-микроконтроллера: безадресные; одноадресные; двухадресные. В первом типе команд присутствует только код операции (КОП), определяющий выполняемую командой функцию. В командах второго и третьего типов помимо кода операции содержится адресная часть, устанавливающая способ доступа соответственно к одному или двум участвующим в команде операндам (аргументам команды). Способ формирования адреса операнда, указание на который содержится в команде, называется адресацией (addressing). С помощью того или иного способа адресации вычисляется физический адрес, подающийся на шину адреса процессора для выбора ячейки памяти или регистра, используемых в команде.

Система команд AVR-микроконтроллеров (3) Классификация способов адресации в соответствии с типом адресуемой памяти способы адресации: способы адресации РОН и регистров ввода-вывода; способы адресации оперативной памяти данных (ОЗУ); способы адресации памяти программ. Возможность использования различных способов адресации позволяет сократить размер и время выполнения программ. Для адресации РОН и регистров ввода-вывода предусмотрен всего один режим – прямая регистровая адресация. Для адресации оперативной памяти данных используются пять способов адресации: непосредственная; косвенная; косвенная со смещением; косвенная с предекрементом; косвенная с постинкрементом.

Система команд AVR-микроконтроллеров (4) Для адресации памяти программ используются следующие способы: непосредственная адресация; косвенная адресация; относительная адресация; адресация константы; адресация константы с постинкрементом. При выполнении арифметических и логических команд, а также команд работы с битами в регистре состояния SREG формируются коды условий (C, Z, N, V, S, H), представляющие собой признаки результата операции. Регистр состояния SREG находится в адресном пространстве регистров ввода-вывода.

Коды условий Разряд С (carry – перенос) устанавливается, если при выполнении команды был перенос из старшего разряда результата. Разряд Z (zero – нуль) устанавливается, если результат выполнения команды равен нулю. Разряд N (negative – отрицательный результат) устанавливается, если старший значащий разряд результата равен 1 (правильно показывает знак результата, если не было переполнения разрядной сетки числа со знаком). Разряд V (overflow – переполнение) устанавливается, если при выполнении команды произошло переполнение разрядной сетки числа со знаком. Разряд S = N  V (sign – знак) правильно показывает знак результата при переполнении разрядной сетки числа со знаком. Разряд H (half carry – полуперенос) устанавливается, если при выполнении команды был перенос из третьего разряда результата.