2 Мікроконтролери

Мікроконтролер – обчислювально-керуючий пристрій, призначений для виконання функцій контролю й керування периферійним устаткуванням.

Ухил убік керування накладає відбиток на особливість архітектури мікроконтролерів. Основною із цих особливостей є те, що поряд із процесорним ядром мікроконтролери мають у своєму складі підсистему введення/виводу й, можливо, підсистему пам'яті. В останньому випадку прийнято говорити про однокристальну мікро-ЕОМ.

Засоби обчислювальної техніки, використовувані для цілей автоматизації керування, розвиваються за двома взаємодоповнюючими напрямами:

1. Удосконалювання архітектури (внутрішньої організації), що дозволяє на кожному новому витку складності алгоритмів керування забезпечити адекватну продуктивність обчислювальних засобів.

2. Зниження рівня енергоспоживання й підвищення рівня надійності, які роблять функціонально зроблені засоби керування не тільки технічно реалізованими, але й доцільними зі споживчої й економічної точки зору.

Аналізуючи шляхи вдосконалювання мікропроцесорних засобів керування, будь то мікропроцесорна елементна база для вбудованих систем (спочатку мікропроцесорні комплекти ІС, а потім однокристальні мікроконтролери) або засоби промислової автоматизації - програмувальні логічні контролери (ПЛК/PLC) і універсальні мікропроцесорні комплекси, - можна помітити, що розвиток їхньої архітектури подібний спіралі із двома яскраво вираженими полюсами на кожному витку:

• На першій стадії (один полюс) продуктивність процесорного ядра не тільки достатня, але навіть перевищує вимоги алгоритмів керування, для яких вона призначена. Тому багато завдань можуть бути вирішені суто програмними засобами. Структура периферійних пристроїв на цьому етапі ще далека від оптимальної.

• На наступному етапі (другий полюс) збережена продуктивність процесорного ядра стає мінімально достатньою. Удосконалювання структури периферійних модулів дозволяє розвантажити процесорне ядро від невластивих йому операцій.

• Коли всі можливості щодо оптимізації структури периферії вичерпуються, починається новий виток розвитку, відзначений стрибкоподібним збільшенням продуктивності процесорного ядра.

Так було при переході від 8-розрядних мікроконтролерів до 16- і 32- розрядних: збільшення розрядності оброблюваного слова навіть при незмінній частоті тактування істотно збільшує продуктивність. Потім з'явилися процесори цифрової обробки сигналів (DSP). І щоразу новий

рівень продуктивності процесорного ядра супроводжувався вдосконалюванням структури периферійних пристроїв.

Однак збільшення продуктивності центрального процесора не обов'язково пов'язане зі збільшенням розрядності оброблюваного слова. Це повною мірою справедливо для алгоритмів з великим обсягом обчислювальних операцій. А для алгоритмів з перевагою логічних операцій збільшення розрядності оброблюваного слова практично не позначається на продуктивності. Ця обставина є головною причиною життєздатності 8- розрядних мікропроцесорів.

Елементна база 8-розрядних мікропроцесорів (МП) не стоїть на місці. Вона вже зробила два витки у своєму розвитку. Перший з них припадає на МП комплекти ІС і перші однокристальні мікроконтролери (МК). Другий, відзначеним підвищенням практично на порядок продуктивності 8- розрядного процесорного ядра й перетворенням в автономні модулі периферійних пристроїв, завершується в цей час. І вже з'явилися перші ластівки наступного витка спірали. Це RISC МК Scenix із частотою тактирувания до 50 МГц. Поки ці МК не мають убудованих периферійних модулів, усі функції периферії емулюються програмними засобами. Чи надовго досягнута швидкодія буде досить великою, щоб обходитися без апаратних засобів?

Які відмітні ознаки сучасної елементної бази 8-розрядних мікропроцесорів?

1. Завершився перехід від МП-системи, виконаної на основі декількох великих інтегральних схем, до однокристальних МК, які об'єднали в одному кристалі всі основні елементи МП-системи керування: центральний процесор, постійний запам'ятовувальний пристрій (ПЗП), оперативний запам'ятовувальний пристрій (ОЗП), порти введення/виводу, таймери.

2. Відбувся перехід до закритої архітектури МК, що характеризується відсутністю ліній магістралей адреси й даних на виводах корпуса МК. МК являє собою закінчену систему обробки даних, нарощування пам'яті або периферійних пристроїв з використанням паралельних магістралей адреси й даних не передбачається.

3. Нові сімейства 8-розрядних МК будуються на основі принципу модульної організації, при якій на базі одного процесорного ядра (центрального процесора) проектується ряд МК, що розрізняються обсягом і типом пам'яті програм, обсягом пам'яті даних, набором периферійних модулів, частотою синхронізації. У результаті перехід від однієї модифікації МК до іншої не супроводжується великими матеріальними витратами на освоєння нової елементної бази як на рівні виробника, так і на рівні розроблювача систем. Усі окремі модулі МК (процесор, ПЗП, ОЗП, периферійні модулі) на рівні топології виконуються геометрично незалежними із приєднанням до внутрішніх магістралей адреси й даних. Це дозволяє значно прискорити проектування топології МК шляхом об'єднання в одному кристалі вже відпрацьованих топологічних блоків.

4. Відбулося виділення типових функціональних периферійних модулів МК. Серед таких модулів варто назвати таймери, процесори подій, контролери послідовних інтерфейсів, аналого-цифрові перетворювачі.

Істотно поширилася кількість режимів роботи модулів, які задаються в процесі ініціалізації регістрів спеціальних функцій периферійних модулів. Алгоритми роботи однойменних модулів у МК різних виробників мають незначні відмінності. Конкуренція йде на рівні деталізації режимів роботи й параметрів цих модулів.

Достаток пропозицій на ринку 8-розрядних МК є потужним стимулом до їхнього постійного вдосконалювання. Підвищення продуктивності при усвідомленій необхідності залишатися в рамках 8- розрядного ядра ведеться двома напрямами:

1 Удосконалювання архітектури центрального процесора. 2 Підвищення частоти тактування.

Однак висока продуктивність не є визначальним чинником широкого поширення 8-розрядних МК. З погляду масового використання в цей час більш важливими є наступні напрями розвитку:

• Розмаїтість структурної організації. Дозволяє розроблювачеві для кожного завдання знайти МК практично без надлишкових ресурсів архітектури, що спричиняє низьку вартість кінцевого виробу. Модульний принцип побудови МК – шлях до рішення цього завдання.

• Удосконалювання технічних характеристик периферійних модулів. Дозволяє звести до мінімуму кількість периферійних ІС на платі МП-контролера: один зі шляхів мініатюризації вбудованих МП-систем.

• Сполучення з периферійними ІС високошвидкісним послідовним інтерфейсом. Забезпечує мінімізацію площі провідників на друкованій платі. Ще один шлях до мініатюризації вбудованих МП-систем.

• Мінімізація енергії споживання. Дозволяє зменшити розміри корпуса МК і габаритні розміри джерела живлення. Третій шлях мікромініатюризації.

• Розширення діапазону напруги живлення. Одночасно з мінімізацією енергії споживання дозволяє перевести системи із МК на довгострокове живлення від автономних джерел (батарейок і акумуляторів), що дозволяє їх вбудовувати у переносні вироби.

• Перехід до нових технологій пам'яті програм. Дрібносерійне виробництво змушує відмовитися від МК із масочним ПЗП. Збереження низької вартості елементної бази МК диктує необхідність переходу на нові технології створення резидентної пам'яті програм.

• Підвищення надійності. Здатність відновлення нормального функціонування програмного забезпечення при його порушеннях через електромагнітні перешкоди й при короткочасних провалах напруги живлення відкриває для МК нові області застосування.

• Зниження вартості процесу налагодження. Сприяє розширенню кола розроблювачів найпростіших МП-систем. Впливає на вартість кінцевого виробу.

• Підвищення технологічності занесення програми до пам'яті МК. Підвищує надійність збереження програми в пам'яті МК. Перехід до технології програмування в пристрої дозволяє відмовитися від розміщення

МК у спеціальних контактних панельках. Останні займають додаткову площу на платі й до того ж мають чималу вартість.