Характерные особенности risc-процессоров

Фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды.

Специализированные команды для операций с памятью — чтения или записи. Операции вида Read-Modify-Write («прочитать-изменить-записать») отсутствуют. Любые операции «изменить» выполняются только над содержимым регистров (т. н. архитектура load-and-store).

Большое количество регистров общего назначения (32 и более).

Отсутствие поддержки операций вида «изменить» над укороченными типами данных — байт, 16-битное слово. Так, например, система команд DEC Alpha содержала только операции над 64-битными словами, и требовала разработки и последующего вызова процедур для выполнения операций над байтами, 16- и 32-битными словами.

Отсутствие микропрограмм внутри самого процессора. То, что в CISC-процессоре исполняется микропрограммами, в RISC-процессоре исполняется как обыкновенный (хотя и помещённый в специальное хранилище) машинный код, не отличающийся принципиально от кода ядра ОС и приложений. Так, например, обработка отказов страниц в DEC Alpha и интерпретация таблиц страниц содержалась в так называемом PALcode (Privileged Architecture Library), помещённом в ПЗУ. Заменой PALCode можно было превратить процессор Alpha из 64-битного в 32-битный, а также изменить порядок байтов в слове и формат входов таблиц страниц виртуальной памяти.

Особенности современного этапа развития микропроцессорных систем.

Низкая стоимость, малые массы и размеры, высокая надежность, огромная производительность (~30 MIPS) ряд других характеристик современной микропроцессорной техники создают благоприятные условия для проектирования нового поколения цифровых СУ, обеспечивающих

достижение оптимальных качественных показателей управляемых процессов.

В настоящее время, в связи с появлением мощных МП и МК, обладающих практически неограниченными возможностями изменения режимов работ, наиболее эффективным подходом проектирования МП САУ является разработка унифицированных управляющих систем, позволяющих решать широкий класс качественно однородных задач управления в различных технологических объектах и процессах. Это позволяет существенно снизить затраты на проектирование, изготовление и эксплуатацию конкретных систем, а, следовательно, повышать их экономическую эффективность. С целью выявления наиболее общих системных свойств технологического оборудования, определения характерных задач САУ и требований к качеству их функционирования, проанализируем некоторые технологические системы современного производства.

2.Обзор микроконтроллеров ведущих производителей

Микроконтроллеры фирмы intel.

Наиболее яркими представителями восьмиразрядных CISC-МК являются изделия компаний Intel (семейства MCS-48, MCS-51), Motorola (68HC05, 68HC08, 68HC11) и Zilog (Z8) МК семейства MCS-51 и по сей день являются одними из самых массовых восьмиразрядных кристаллов. По сути 8051 стал мировым промышленным стандартом CISC-МК. Более того, с каждым годом ширится число компаний, выбирающих в качестве ядра своего будущего изделия

ядро 8051. Архитектура микроконтроллеров 8051 была разработана около 20 лет назад, и в настоящее время на рынке предлагается несколько сотен микроконтроллеров, которые выпускаются разными фирмами и совместимы с 8051.

Современным представителем однокристальных микроконтроллеров фирмы Intel являются МК семейства MCS-96,196,296. По сравнению с перечисленными выше МК они обладают следующими достоинствами:

-расширенной разрядной сеткой, позволяющей выполнять операции с данными в форматах “байт” (8 бит) и “слово“ (16 бит), а некоторые операции и в формате “двойное слово”(32 бит);

-расширенной системой команд, содержащей операции умножения и деления для чисел со знаком и без знака при разных форматах и некоторые другие сложные операции;

-многообразием расположенных на кристалле периферийных устройств, позволяющих разрабатывать малогабаритные и надежные устройства с минимальным числом дополнительных микросхем;

-наличием большого числа программных и программно-аппаратныхсредств поддержки разработки аппаратуры на базе микроконтроллеровданного семейства.

Микроконтроллеры фирмы philips semiconductors

Среди перечисленных выше фирм производителей МК фирма Philips Semiconductors (в дальнейшем Philips) является лидером по количеству выпускаемых модификаций семейства 8051 их более 100. В состав семейства 8051 от Philips входят микроконтроллеры в корпусах от 24 до 80 выводов, тактовыми частотами до 40 МГц и напряже нием питания от 1,8 В. Основные элементы периферии Philips:

1. АЦП с точностью преобразования 10 разрядов;

2. широтно-импульсные модуляторы;

3. массивы программируемых счетчиков-таймеров;

4. интерфейсы I2C, CAN;

5. интерфейсы с процессорными шинами;

6. EEPROM и FLASH на кристалле;

7. специализированная периферия для телевизионной, видео и аудио техники.

C 1997 года фирма Philips перевела стандартные микроконтроллеры групп 80С51, 80С52/54/58 и 80С51FX на новую технологию, которой дала название 'New-and-Improved', т.е. 'Новая и лучшенная'. У хорошо известных кристаллов после модернизации появились следующие новые

возможности:

1. максимальная тактовая частота кристаллов увеличена до 33

МГц:

2. расширен диапазон напряжения питания от 2,7 до 5,5 В;

3. количество аппаратных уровней прерываний увеличено до 4-х;

4. во все кристаллы введена функция программируемого clockout;

5. UART заменен на улучшенный (enhanced);

6. добавлена функция снижения электромагнитных помех (Lower

EMI);

7. добавлен второй DPTR;

8. потребление энергии для питания микроконтроллера снижено на 50% (в сочетании с 3-х вольтовым питанием это может дать экономию до 75% по сравнению с предыдущими образцами);

9. снижена цена на 30%.

Микроконтроллеры фирмы texas instruments.

К специализированным микроконтроллерам для управления приводами относятся микроконтроллеры серии TMS320C240/F240. Следует сразу отметить, что микроконтроллеры с обозначением TMS320F240 имеют флэш-память, что значительно упрощает процесс отладки программ. Мик роконтроллеры TMS320C240/F240 являются DSP-процессорами, поскольку имеют Гарвардскую архитектуру (процессоры с такой архитектурой имеют раздельные банки памяти и шины для программного кода и данных), которая, обеспечивает высокую скорость вычислений. При тактовой частоте 20Мгц имеют производительность 20 млн. оп/сек. Основные параметры представлены в таблице 2.5.

Микроконтроллеры фирмы analog devices.

Фирма AnalogDevices производит как отдельные микросхемы приме няемые в системах управления приводами, так и специализированные микроконтроллеры. На основе DSP-процессоров компании Analog Devices возможно создавать производительные и в то же время малогабаритные системы управления приводами переменного тока. Однако необходимо отметить, что микропроцессоры имеют сложную внутреннюю организацию, что усложняет процесс отладки системы. Процесс отладки, в свою очередь, зависит во многом от существующей документации, средств разработки и настройки для соответствующих контроллеров: программные эмуляторы, компиляторы с языков высокого уровня, аппаратные отладочные средства и т.д. В таблице 2.7. представлены основные характеристики специализированных микроконтроллеров Analog Devices

Микроконтроллеры pic фирмы microchip.

Микроконтроллеры PIC фирмы MICROCHIP имеют RISC-архитектуру с системой простых однословных команд, содержат встроенную память программ и данных и имеют малое энергопотребление. Система команд базового семейства PIC165x содержит 33 команды.

Все команды (кроме команд перехода) выполняются за один машинный цикл (или четыре машинных такта) с перекрытием по времени выборок команд и их исполнения, что позволяет достичь производительности до 5MIPS при тактовой частоте 20 МГц. Система команд PIC контроллерасимметрична, позволяет выполнять операции с любым регистром, используя любой метод адресации. В системе команд используется регистр-аккумулятор, участвующий во всех операций с двумя операндами. Сохранение результата выборочное: в регистре-аккумуляторе или во втором регистре, используемом для операции. MICROCHIP выпускает четыре основных семейства 8-разрядных RISC-микроконтроллеров, совместимых снизу вверх по программному коду Из программных средств отладки PIC-контроллеров используются различные версии ассемблеров и интегрированная программная среда MPLAB. Российские производители программаторов и аппаратных отладочных средств выпускают:

-специализированные программаторы (например, PICPROG), программирующие почти весь спектр PIC-микроконтроллеров

-универсальные программаторы (например, UNIPRO, СТЕРХ),поддерживающие наиболее известные версии PIC.

Несмотря на то, что полное количество выпускаемых модификаций PIC-микроконтроллеров фирмы MICROCHIP составляет порядка пятисот наименований и перекрывает весь диапазон применений 8-разрядных мик роконтроллеров, они имеют завышенную стоимость по сравнению с микроконтроллерами фирмы Atmel.

Микроконтроллеры avr фирмы atmel.

Микроконтроллеры AVR фирмы Atmel имеют AVR-архитектуру, на основе которой построены микроконтроллеры семейства AT90S. Архитектура объединяет мощный гарвардский RISC-процессор с раздельным доступом к памяти программ и данных, 32 регистра общего назначения, каждый из которых может работать как регистр-аккумулятор, и развитую систему команд фиксированной 16-бит длины. Большинство команд выполняются за один машинный такт с одновременным исполнением текущей и выборкой следующей команды, что обеспечивает производительность до 1 MIPS на каждый МГц тактовой частоты. 32 регистра общего на-

значения образуют регистровый файл быстрого доступа, где каждый регистр напрямую связан с АЛУ. За один такт из регистрового файла выбираются два операнда, выполняется операция, и результат возвращается в регистровый файл. АЛУ поддерживает арифметические и логические операции с регистрами, между регистром и константой или непосредственно с регистром. Регистровый файл также доступен как часть памяти данных. 6 из 32-х регистров могут использоваться как три 16-разрядных регистра-указателя для косвенной адресации. Старшие микроконтроллеры семейства AVR имеют в составе АЛУ аппаратный умножитель.

Базовый набор команд AVR содержит 120 инструкций. Инструкции битовых операций включают инструкции установки, очистки и тестирования битов. Все микроконтроллеры AVR имеют встроенную FLASH ROM с возможностью внутрисхемного программирования через последовательный 4-проводной интерфейс.

Микроконтроллеры SX фирмы Scenix Semiconductors.

Американская компания Scenix Semiconductors переработала и улучшила архитектуру семейства PIC16Cx фирмы MICROCHIP. Используя достижения в области быстрой Flash-памяти, Scenix Sem. Разработала микроконтроллеры с производительностью более 100 MIPS. Микроконтроллеры SC18/20/28AC100 совместимы программно снизу вверх и аппаратно pin-to-pin с PIC16C5х и при этом имеют гораздо больше возможностей. RISC-ядро SX-процессора обеспечивает выполнение большинства 12 разрядных инструкций за один машинный цикл длительностью 10 нс на тактовой частоте 100 МГц. 4-уровневый конвейер команд позволяет одновременно выполнять выборку команды, декодирование, исполнение, запись результата одновременно для четырёх последовательно расположенных команд. Особенностью процессора является аппаратное сохранение содержимого служебных регистров и обратная загрузка для ускорения обработки прерываний без потери машинных циклов

Микроконтроллеры XE8000 фирмы Xemics.

Компания Xemics (Швейцария) является разработчиком RISC-ядра CoolRISC с уникальным соотношением производительность/потребление, ставшим базой для производства микроконтроллеров семейства XE8000, по микропотреблению опережающих даже лучших представителей MICROCHIP. Гарвардское RISC-ядро процессора выполняет все 33 команды 22-

бит формата, в том числе и команды перехода за один машинный такт. 3 уровневый конвейер команд (выборка, исполнение и запись) позволяет достичь производительности до 1 MIPS на 1 МГц тактовой частоты. В отличие от большинства RISC-процессоров, CoolRisc-процессор содержит четыре 8-разрядных рабочих регистра и регистр-аккумулятор, четыре 16-разрядных индексных регистра, а также поддерживает не только инструкции регистр-регистр, но и регистр-память, выполняемые за один такт с возможностью запоминания результата в третьем регистре. Регистр-аккумулятор не имеет ничего общего с подобным регистром, использующимся во всех арифметических и логических операциях обычных CISC-процессоров. Это регистр, где запоминается результат операции АЛУ. Аппаратный умножитель является неотъемлемой частью

АЛУ и позволяет проводить операции знакового и беззнакового умножения. Микроконтроллеры XE8000 подразделяются на две основные ветви: XE8301 и XE88х1. Общим для всех членов семейства является встроенная память программ (FLASH или MASK ROM версии) размером

8Кх22 слов, память данных 512х8 байт, внутренний RC-генератор от 100 кГц до 10 МГц с возможностью программной настройки. В периферию микроконтроллеров входят:

-сторожевой таймер;

-схема сброса по включению питания;

-схема контроля питающего напряжения, UART и последовательный синхронный порт;

-4 каскадируемых 8-бит таймера-счётчика с возможностью работы в режиме ШИМ и захвата/сравнения;

-поддержка внешних прерываний;

-параллельные порты, до 20 линий ввода/вывода.

Микроконтроллеры МС680ХХ фирмы Motorola.

Фирма Motorola выпускает семейство микроконтроллеров серии МС680ХХ, содержащее 16-рaзрядные МК (68000, 68008, 68010, 68012) и 32-рaзрядные МК (68020, 68030). Модели МК серии 680ХХ характеризуются следующими особенностями:

-наличие 32-рaзрядных регистров в 16-рaзрядных МК;

-использование 32-рaзрядного указателя стека A7;

-в режиме супервизора используются старшие разряды регистра

состояния;

-в режиме пользователя доступны: восемь 32-рaзрядных регистров данных D0-D7, семь 32-рaзрядных регистров адресов A0-A6, один 32-рaзрядный указатель стека A7, один 8-рaзрядный регистр кодов условия CCR.В МК 68010, 68012, 68020, 68030 содержится ряд регистров,

используемых в режиме супервизора. В 32-рaзрядных МП, наряду с обеспечением совместимости с 16-рaзрядными МК, существенно расширены следующие функциональные возможности:

-увеличено число режимов совместимости;

-предусмотрено масштабирование в ряде режимов (т.е. умножение содержимого индексного регистра на 1,2,4 или 8);

-введены 16 новых команд центрального процессора и 7 команд сопроцессора для реализации возможности работы с процессором 68881 или 68882.

Несмотря на наличие целого ряда достоинств (16 и 32 разрядная архитектура, многоуровневое микропрограммное устройство управления, быстродействующая кэш-память команд, интерфейс для работы с сопроцессорами), МК рассматриваемого семейства фирмы Motorola имеют

существенные недостатки, такие как: дороговизна средств разработки и отладки программного обеспечения; необходимость применения в составе микроЭВМ дополнительных блоков (например, блока управления внешней оперативной памятью и др.).

Микроконтроллеры других производителей.

На рынке элементной базы для систем управления приводами присутствует широкий спектр специализированных микроконтроллеров таких производителей как: Motorola, Siemens, Hitachi. Данные микроконтроллеры содержат многоканальные генераторы ШИМ и АЦП. Однако, необходимо отметить что микроконтроллеры указанных фирм выполнены на базе процессора с классической архитектурой, что объясняет их невысокую производительность. Основные характеристики микроконтроллеров отмеченных производителей представлены в таблице

Следует заметить что, в последнее время наметилась тенденция создания систем управления на базе программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) с высокой производительностью. Такой подход отличается большой гибкостью по сравнению с микроконтроллерами, поскольку в ПЛИС изначально можно заложить любую структуру, что позволяет, в свою очередь, создавать сложные алгоритмы управления. К недостаткам такого решения следует отнести сложность реализации. Среди производителей наиболее распространенных ПЛИС можно отметить компании Altera и Xilinx.

Отечественные микроконтроллеры.

Среди отечественных микроконтроллеров наибольшее распространение получила серия 1816ВЕ31/48/51. Данные микроконтроллеры характеризуются низкой производительностью и

отсутствием специализированных периферийных устройств, что ограничивает их применение в системах управления приводами с векторным принципом управлением. В настоящее время отечественная промышленность начала выпуск цифровых сигнальных процессоров. НИИЭТ (г.Воронеж) производит микроконтроллеры 1867ВМ1/2/3 -аналог микроконтроллеров Texas

Instrument TMS320C10/25/30. Начат выпуск аналога сигнального процессора компании Motorola DSP96002 . НТЦ “Модуль” начал выпуск цифровых сигнальных процессоров серии NeuroMatrix -NM6403. Отмеченные микроконтроллеры отличаются высокой производительностью, ввиду использования гарвардской внутренней архитектуры, однако не содержат, необходимых для управления приводом, периферийных устройств. Таким образом, для создания ЦЭСП на отечественной элементной базе необходимо использовать в качестве вычислителя высокопроизводительные микроконтроллеры 1867ВМ1/2/3, а периферийные устройства выполнять на дискретных элементах. Отечественный производитель ОАО "АНГСТРЕМ" разработало микроконтроллерное RISC-ядро ТЕСЕЙ, на базе которого создано несколько микроконтроллеров, как универсальных, так и специализированного применения. Характерной особенностью ядра ТЕСЕЙ являются:

-гарвардская RISC-архитектура, позволяющая выполнять любую из 52 команд 16-разрядного формата за два такта частоты процессора;

-единая система команд для всего семейства с возможностью адресации до двух операндов, находящихся в памяти;

-4-ступенчатый конвейер выполнения команд;

-малое время отклика на прерывание и сохранение контекста;

-широкий диапазон конфигураций внутренних памяти команд, памяти данных и периферийных устройств.

Билет №3-4. Выбор семейства микроконтроллеров для системы управления приводом.

Управляющая микроЭВМ ЦЭСП имеет две принципиально важные особенности, влияющие на требуемый набор и структуру реализованных на кристалле аппаратных модулей, а также на особенности построения алгоритмов и систему команд процессора.

Первая особенность обусловлена необходимостью управления в реальном времени. Поэтому управляющая микроЭВМ должна обладать производительностью, достаточно высокой для реализации всех алгоритмов за отведенное время цикла управления ЦЭСП, содержать

программируемые таймеры, развитую многоуровневую систему прерываний с программной установкой приоритетов, различные встроенные устройства для связи с исполнительными и измерительными элементами ЦЭСП.

Вторая особенность управляющей микроЭВМ состоит в том, что она является устройством, управляющим работой аналоговой аппаратуры,

поэтому микроЭВМ должна иметь соответствующие возможности обмена данными с внешними устройствами через параллельные или последовательные интерфейсы.

Учитывая указанные выше особенности решения поставленной задачи выбора МК, можно сформулировать требования к вычислительному устройству ЦЭСП:

1. Достаточное быстродействие.

2. Необходимый набор периферийных устройств, имеющихся на кристалле.

3. Наличие требуемого числа линий ввода вывода.

4. Минимальная стоимость