ГЛАВА 4
РАЗРЯДНЫЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ
4.1. СТРУКТУРА СОВРЕМЕННЫХ 8-РАЗРЯДНЫХ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ
МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ
Микроконтроллеры (МК) представляют собой законченную микропроцессорную систему обработки информации, которая реализована в виде одной большой интегральной микросхемы. 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 (рис. 4.1).
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 8xC51, ядро PIC16 - процессорное ядро Microchip PIC16.
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;
3) модули контроля за напряжением питания и ходом выполнения программы;
4) 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
.
В направлениях развития 8-разрядной элементной базы МК отчетливо прослеживается тенденция к закрытой архитектуре, при которой линии внутренних магистралей адреса и данных отсутствуют на выводах корпуса МК. И, как следствие, не представляется возможность использования внешних по отношению к МК БИС запоминающих устройств. В этом случае разработчик изделия на МК при выборе элементной базы должен позаботиться о том, чтобы предполагаемый алгоритм управления, реализованный в виде прикладной программы, сумел разместиться в резидентной (внутренней) памяти МК. В противном случае придется сменить элементную базу и перейти к МК с большим объемом внутреннего ПЗУ. Для подобных случаев разработчики элементной базы МК обычно предлагают ряд модификаций МК с одним и тем же набором периферийных модулей и различающимся объемом резидентной памяти программ и данных.
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.
Существенное изменение претерпели в настоящее время генераторы синхронизации 8-разрядных МК. Произошло функциональное разделение собственно генератора синхронизации, который выделился в отдельный модуль, и схемы формирования многофазной последовательности импульсов для тактирования центрального процессора и межмодульных магистралей, которая является неотъемлемой частью процессорного ядра Появилась возможность выбора внешнего времязадающего элемента: кварцевый или керамический резонатор, RC-цепь. Поскольку схемотехника выполнения усилителей с положительной обратной связью определяется типом времязадающего элемента, то для одного и того же МК появились разные модификации модулей встроенного генератора синхронизации. Повышение производительности процессорного ядра МК связан: с повышением частоты тактирования центрального процессора и межмодульных магистралей. Однако применение высокочастотных кварцевых резонаторов в качестве время-задающего элемента повышает уровень электромагнитного излучения, т. е. возрастает' интенсивность генерации помех. Поэтому все чаще генераторы синхронизации имеют своем составе умножитель чатоты с программно настраиваемым коэффициентом. Умножитель частоты часто выполняется по схеме синтезатора с контуром фазовой автоподстройки (англо-язычная аббревиатура PLL- Phase Loop Lock). Цепи синтезатора частоты «• регистры специальных функций для управления режимами его работы объединена в один из модулей генератора синхронизации.
Относительно новыми для 8-разрядных МК являются две последние группы модулей Модули контроля за напряжением питания и ходом выполнения программы осуществляют диагностику некоторых подсистем МК и позволяют восстановить работоспособность устройства на основе МК при нарушениях программного характера, сбоях в системе синхронизации, снижении напряжения питания.
Модули внутрисхемной отладки и программирования являются аппаратной основой режимов отладки и программирования в системе, которые позволяют отлаживать прикладную программу и заносить коды программы в энергонезависимую память МК прямо на плате конечного изделия, без использования дополнительных аппаратных средств отладки и программирования.
