Микропроцессоры универсальные

Физический интерфейс - термин, определяющий совокупность механических и электрических средств, а также физических сред. Такая совокупность служит физической основой для создания логического интерфейса. 
Логический интерфейс - термин, охватывающий все логические протоколы. 
Логический протокол - совокупность правил передачи кодированной информации между устройствами, узлами или элементами системы. 
Канал связи - совокупность передатчика, линии связи и приемника,

 

обеспечивающая передачу информации в одном направлении.

Линия связи - техническое устройство (например, пара проводов, кабель, оптоволокно) или луч в физической среде, используемые для пропускания сигналов.

Группа линий - набор линий, служащих для выполнения родственных функций.

Магистраль - совокупность групп линий, служащих для передачи данных и управляющих сигналов. Магистраль соединяет все станции в крейте. 
Параллельная магистраль - магистраль, к которой обслуживаемые устройства присоединены параллельно и в которой передача битов происходит параллельно во времени во всех линиях.

Последовательная магистраль - состоит из одной линии с последовательной во времени передачей битов. Обслуживаемые устройства могут быть присоединены параллельно.

Передатчик - устройство, начинающее передачу запросом магистрали или посылкой запроса в канал.

Приемник - устройство, принимающее задание от передатчика и отвечающее ему.

Крейт - каркас для установки модулей, неотъемлемой частью которого являются магистраль или каналы, предназначенные для передачи данных и управляющих сигналов, а также проводники питания.

Модуль — сменный блок, использующий линии магистрали или канала в соответствии со стандартом и занимающий в крейте одну или более станций.

Станция - позиция в крейте для разъема, служащего для соединения модуля с магистралью или каналом.

Примерами интерфейсов микропроцессорных систем могут быть магистрали VME, VXI и PCI.

Появившись в конце 1981 г., шина VME стала наиболее популярным открытым стандартом для встраиваемых микропроцессорных систем реального времени и автоматизации рабочих мест. В настоящее время аппаратно- и программно-независимая VME-архитектура сопряжения различных устройств,

 

принятая в качестве стандартов IEEE, ANSI, IEC, поддерживается более 400

 фирмами, производящими аппаратуру VMEbus.

В области измерительных и управляющих систем реального времени наибольшее распространение в последние годы получил стандарт VMEbus (VersaBus Module Eurocard) и его расширение для контрольно-измерительных задач повышенной метрологической обеспеченности VXI (VMEbus eXtention for Instrumentation).

Интерфейс VXI считается в настоящее время наиболее перспективным для конт-рольно-измерительной техники, он имеет на западном рынке наибольшую динамику роста выпускаемой и реализуемой продукции, устойчивую тенденцию к техническому совершенствованию и расширению области применения. 
Магистраль PCI - комплекс микропроцессора и периферийных устройств. Развитие микропроцессоров привело в 1982 г. к появлению настольного персонального компьютера ПК. Существовавшие в то время магистрально-модульные системы VME и Multibus 1 были слишком громоздки, а их логические протоколы ориентированы на сбор информации от датчиков и ее микропроцессорную обработку в модулях. Интерфейс для ПК пришлось разрабатывать заново, при этом в первых ПК частные технические решения были слабо стандартизованы. Широкое распространение ПК, производимых разными фирмами, привело к необходимости создания такого стандарта на магистрали, который имел бы шансы на признание множеством фирм. В конце 1980-х годов в США образовалась рабочая группа инженеров разных фирм, которая разработала и выдала первоначальную версию стандарта на синхронную магистраль Peripheral Component Interconnect Local Bus - PCI bus Revision 1.0.

Ведущие фирмы по инициативе «Intel» образовали PCI Special Interest Group (PCI SIG). Эта группа и в 1998 г. поддерживает и координирует все разработки, связанные с PCI. Под эгидой PCI SIG 30 апреля 1993 г. была утверждена версия PCI 2.0 стандарта. Большинство ПК, эксплуатируемых в 1998 г., основано на этом стандарте. Однако локальная магистраль новых ПК, выпускаемых с 1996 г., выполняется по последнему стандарту PCI 2.1 от 1 июня 1995 г. Отдельный стандарт PCI BIOS Specification Revision 2.1, датированный 26.08.94, определяет

 

протокол включения компьютерного комплекса в сеть.

Определение микроконтроллера и области применения.

Микроконтроллеры (МК) представляют собой законченную микропроцессорную систему обработки информации, которая реализована в виде одной большой интегральной микросхемы. Термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микроЭВМ». Первый же патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971 году М. Кочрену и Г. Буну. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только микропроцессор, но и память, устройства ввода-вывода. С появлением однокристальных микроЭВМ связывают начало эры компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому, это обстоятельство и определило термин «микроконтроллер» (control - управление).

Однако впоследствии расширение сферы использования МК повлекло за собой развитие их архитектуры за счет размещения на кристалле устройств (модулей), отражающих своими функциональными возможностями специфику решаемых задач. Такие дополнительные устройства стали называться периферийными. Поэтому неслучайно в последнее время введен еще один термин - «интегрированный процессор» (ИП), который определяет новый класс функциональноемких однокристальных устройств с другим составом модулей. По количеству и составу периферийных устройств ИП уступают МК и занимают промежуточное положение между МП и МК. По этой же причине появились не только семейства МК, которые объединяют родственные МК (с одинаковой системой команд, разрядностью), но и стали выделяться подвиды МК: коммуникационные, для управления и т. д. Из всех видов СБИС микроконтроллеры обладают наибольшей специализацией и разнообразием функций, используемых во встроенных системах управления, в том числе в бытовых приборах. Общее число типов кристаллов с различными системами команд превышает 500, и все они, в силу существования изделий с их

использованием, имеют свою устойчивую долю рынка. Ввиду огромного количества объектов, управление которыми обеспечивается с помощью микроконтроллеров, годовой объем их выпуска превышает 2 миллиарда

экземпляров, на порядок превосходя объем выпуска микропроцессоров общего применения. Весьма широкой является также номенклатура выпускаемых микроконтроллеров, которая содержит несколько тысяч типов.

Особенности структуры и применения микроконтроллеров.

Характерной особенностью структуры микроконтроллеров является размещение на одном кристалле с центральным процессором внутренней памяти и большого набора периферийных устройств. В состав периферийных устройств обычно входят несколько 8-разрядных параллельных портов ввода-вывода данных (от 1 до 8), один или два последовательных порта, таймерный блок, аналого-цифровой преобразователь. Кроме того, различные типы микроконтроллеров содержат дополнительные специализированные устройства – блок формирования сигналов с широтно-импульсной модуляцией, контроллер жидкокристаллического дисплея и ряд других. Благодаря использованию внутренней памяти и периферийных устройств реализуемые на базе микроконтроллеров системы управления содержат минимальное количество дополнительных компонентов.

МК объединяет в пределах одного полупроводникового кристалла основные функциональные блоки МП управляющей системы: центральный процессор (ЦПУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), периферийные устройства для ввода и вывода информации (УВВ).

Широкое разнообразие моделей МК, возможность разработки и производства новых моделей в короткие сроки обеспечивает модульный принцип построения

 МК. При модульном принципе  построения все МК одного семейства  содержат в себе базовый функциональный  блок, который одинаков для всех  МК семейства, и изменяемый функциональный  блок, который отличает МК разных моделей в пределах одного семейства (рисунок 2).

Базовый функциональный блок включает:

• центральный процессор;
• внутренние магистрали адреса, данных и управления;
• схему формирования многофазной импульсной последовательности для тактирования центрального процессора и межмодульных магистралей;
• устройство управления режимами работы МК, такими как активный режим, в котором МК выполняет прикладную программу, режимы пониженного энергопотребления, в один из которых МК переходит, если по условиям работы выполнение программы может быть приостановлено, состояния начального запуска (сброса) и прерывания.

Базовый функциональный блок принято называть процессорным ядром МК. Процессорное ядро обозначают именем семейства МК, основой которого оно является. Например, ядро НС08 - процессорное ядро семейства Motorola MC68HC08, ядро MCS-51 - ядро семейства МК Intel 8хС51, ядро PIC16 - процессорное ядро Microchip PIC16.

Рис.2.Модульная структура МК

 

Изменяемый функциональный блок включает модули различных типов памяти, модули периферийных устройств, модули генераторов синхронизации и некоторые дополнительные модули специальных режимов работы МК. Представленный на уровне схемы электрической принципиальной, каждый модуль имеет выводы для подключения его к магистралям процессорного ядра. Это позволяет на уровне функционального проектирования новой модели МК «подсоединять» те или иные модули к магистралям процессорного ядра, создавая, таким образом, разнообразные по структуре МК в пределах одного семейства. На уровне топологического проектирования ИС МК, объединенные в составе МК, модули размещают на одном полупроводниковом кристалле. Отсюда появилось выражение «интегрированные на кристалл» периферийные модули. Совокупность модулей, которые разработаны для определенного процессорного ядра, принято называть библиотекой периферийных модулей. Библиотека каждого современного семейства МК включает модули пяти функциональных групп:

1) модули памяти; 
2) модули периферийных устройств; 
3) модули встроенных генераторов синхронизации; 
4) модули контроля за напряжением питания и ходом выполнения программы; 
5) модули внутрисхемной отладки и программирования.

Термин «модуль памяти» в применении к МК стал использоваться на этапе перехода к новым технологиям резидентной памяти программ и данных. Энергонезависимая память типа FLASH и EEPROM имеет не только режимы хранения и чтения информации, которая была в нее записана до начала эксплуатации изделия на этапе программирования, но и режимы стирания и программирования под управлением прикладной программы. Вследствие этого энергонезависимая память типа FLASH и EEPROM требует управления режимами работы, для чего снабжена дополнительными схемами управления. Массив ячеек памяти, доступных для чтения, стирания и записи информации, дополнительные аналоговые и цифровые схемы управления, а также регистры специальных функций для задания режимов работы объединены в функциональный блок, который и носит название модуля памяти.

В настоящее время термин «модуль памяти» используется в равной мере для всех типов резидентной памяти: ОЗУ и ПЗУ. Группа модулей периферийных устройств включает следующие основные типы:

• параллельные порты ввода/вывода;
• таймеры-счетчики, таймеры периодических прерываний, процессоры событий;
• контроллеры последовательного интерфейса связи нескольких типов (UART, SCI, SPI, I2C, CAN, USB);
• аналого-цифровые преобразователи (АЦП);
• цифроаналоговые преобразователи (ЦАП);
• контроллеры ЖК индикаторов и светодиодной матрицы.

Возможны также некоторые другие типы модулей, например, модуль прямого доступа к памяти, модуль управления ключами силовых инверторов напряжения, модуль генератора DTMF для тонального набора номера в телефонии и т. п.

Классификация микроконтроллеров.

В связи с широким диапазоном решаемых задач управления требования, предъявляемые к производительности процессора, объему внутренней памяти команд и данных, набору необходимых периферийных устройств, оказываются весьма разнообразными. Для удовлетворения запросов потребителей выпускается большая номенклатура микроконтроллеров, которые принято подразделять на 8-, 16- и 32-разрядные.

1)8-разрядные микроконтроллеры

8-разрядные микроконтроллеры представляют  наиболее многочисленную группу  этого класса микропроцессоров, которые имеют относительно низкую  производительность, которая, однако, вполне достаточна для решения широкого круга задач управления различными объектами. Это простые и дешевые микроконтроллеры, ориентированные на использование в относительно несложных устройствах массового выпуска. Основными областями их применения являются бытовая и измерительная техника, промышленная автоматика, автомобильная электроника, теле-, видео- и аудиоаппаратура, средства связи.

2)16-разрядные микроконтроллеры

16-разрядные микроконтроллеры во  многих случаях являются усовершенствованной  модификацией своих 8-разрядных прототипов. Они характеризуются не только увеличенной разрядностью обрабатываемых данных, но и расширенной системой команд и способов адресации, увеличенным набором регистров и объемом адресуемой памяти, а также рядом других дополнительных возможностей, использование которых позволяет повысить производительность и обеспечить новые области применения. Основная сфера применения таких микроконтроллеров - сложная промышленная автоматика, телекоммуникационная аппаратура, медицинская и измерительная техника.