Лекция 25. Элементы микропроцессорных устройств.
Микропроцессор (МП) — это устройство, которое осуществляет прием, обработку и выдачу информации. Конструктивно МП содержит одну или несколько интегральных схем и выполняет действия, определенные программой, записанной в памяти.
Универсальные МП– это такие МП, в системе команд которых заложена алгоритмическая универсальность. Последнее означает, что выполняемый машиной состав команд позволяет получить преобразование информации в соответствии с любым заданным алгоритмом.
Специализированные МП- предназначены для решения определенного класса задач, а иногда только для решения одной конкретной задачи. Их существенными особенностями являются простота управления, компактность аппаратурных средств, низкая стоимость и малая мощность потребления.
Микропроцессорная система — это вычислительная, контрольно-измерительная или управляющая система, основным устройством обработки информации в которой является МП. Микропроцессорная система строится из набора микропроцессорных БИС.
Замечательным свойством микропроцессорных систем является их высокая гибкость, возможность быстрой перенастройки при необходимости даже значительных изменений алгоритмов управления. Перенастройка осуществляется программным путем без существенных производственных затрат. Создание микропроцессоров позволяет уменьшить стоимость и размеры технических средств обработки информации, увеличить их быстродействие, снизить энергопотребление.
Характерные особенности микропроцессорных информационно-управляющих систем, предназначенных для автоматизации технологических процессов:
наличие ограниченного набора четко сформулированных задач;
работа в реальном масштабе времени, т.е. обеспечение минимального времени реакции на изменение внешних условий;
наличие развитой системы внешних устройств, их большое разнообразие;
существенное различие функциональных задач;
высокие требования по надежности с учетом большой продолжительности непрерывной работы;
сложные условия эксплуатации;
обеспечение автоматического режима работы или режима с участием оператора как элемента системы.
Дальнейший рост степени интеграции позволил разместить в кристалле микросхемы уже не отдельные простые узлы или фрагменты устройств ЭВМ, а целые устройства и даже целые ЭВМ. Это привело к созданию микроконтроллера (МК) – изделия микроэлектроники и вычислительной техники принципиально нового класса, способного вести обработку и хранение информации в одном или нескольких корпусах микросхем.
Использование микроконтроллеров в изделиях не только приводит к повышению технико-экономических показателей (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров), но и позволяет сократить время разработки изделий и делает их модифицируемыми, адаптивными. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при низкой стоимости.
Микроконтроллеры представляют собой эффективное средство автоматизации разнообразных объектов и процессов.
Можно считать что микроконтроллер – это компьютер, разместившийся в одной микросхеме. Отсюда и его основные привлекательные качества: малые габариты; высокие производительность, надежность и способность быть адаптированным для выполнения самых различных задач.
Однокристальный микроконтроллер представляет собой устройство, выполненное конструктивно в одном корпусе БИС и содержащее все основные составные части микропроцессорного комплекта.
Микроконтроллер помимо центрального процессора (ЦП) содержит память и многочисленные устройства ввода/вывода:
- универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод;
- различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I²C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet;
- аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
- компараторы;
- широтно-импульсные модуляторы;
- таймеры;
- контроллеры бесколлекторных двигателей;
- контроллеры дисплеев и клавиатур;
- радиочастотные приемники и передатчики;
- массивы встроенной флеш-памяти;
- встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер;
Области применения
В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры. Они применяются при вычислениях, они выполняют функции управления, они используются при обработке звука и изображения. В зависимости от области применения микропроцессора меняются требования к нему. Это накладывает отпечаток на внутреннюю структуру микропроцессора. В настоящее время определилось три направления развития микропроцессоров:
- универсальные микропроцессоры
- микроконтроллеры
- 
сигнальные микропроцессоры.
Универсальные микропроцессоры служат для построения вычислительных машин. В них используются самые передовые решения по повышению быстродействия, не обращая особого внимания на габариты, стоимость и потребляемую энергию. В технике связи компьютеры используются для управления системами связи или устройствами связи, обладающими большими габаритами и стоимостью. Такие компьютеры называются контроллерами.
| |
Микроконтроллеры используются для управления малогабаритными и дешёвыми устройствами связи они раньше назывались однокристальными микроЭВМ. В микроконтроллерах, в отличие от универсальных микропроцессоров, максимальное внимание уделяется именно габаритам, стоимости и потребляемой энергии.
Использование в современном микроконтроллере достаточного мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств. Используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:
- в вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков, CD и DVD;
- электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления — стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах;
В промышленности:
- устройств промышленной автоматики — от программируемого реле и встраиваемых систем до ПЛК,
- систем управления станками.
В то время как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие больши́ми вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры.
В настоящее время существует огромная номенклатура (более 10000) различных микроконтроллеров, различающихся сферой применения, параметрами, встроенными в кристалл периферийными узлами. Выпуском микроконтроллеров занимается более десятка производителей.
Семейства микроконтроллеров
Микроконтроллеры объединяются в семейства. К одному семейству относят изделия, имеющие одинаковое ядро – совокупность таких понятий, как система команд, циклограмма работы ЦП, организация памяти программ и памяти данных, система прерываний и базовый набор периферийных устройств. Отличия между различными представителями одного семейства заключаются, в основном, в составе периферийных устройств и объеме памяти программ или данных. Наиболее важная особенность семейства — программная совместимость на уровне двоичного кода всех входящих него МК.
MCS-51 (Intel)
Intel 8051 — это однокристальный микроконтроллер гарвардской архитектуры, который был впервые произведен Intel в 1980 году, для использования во встраиваемых системах. В течение 1980-ых и начале 1990-ых годов был чрезвычайно популярен. Однако, в настоящее время устарел и вытеснен более современными устройствами, с 8051-совместимыми ядрами, производимыми более чем 20 независимыми производителями, такими как Atmel, Maxim IC (дочерняя компания Dallas Semiconductor), NXP (ранее Philips Semiconductor), Winbond, Silicon Laboratories, Texas Instruments и Cypress Semiconductor. Существует также советский клон данной микросхемы, КР1816ВЕ51. Официальное название 8051-семейства микроконтроллеров Intel — MCS-51.
PIC (Microchip)
PIC — микроконтроллеры Гарвардской архитектуры, производимые американской компанией Microchip Technology Inc. Название PIC является сокращением от Peripheral Interface Controller, что означает «периферийный интерфейсный контроллер».
В основу концепции PIC, единую для всех выпускаемых семейств, была положена RISC-архитектура (Reduced Instruction Set Computer – архитектура с сокращенным набором команд) с системой простых однословных команд, применение встроенной памяти программ и данных и малое энергопотребление.
В основе RISC-архитектуры лежат основополагающие принципы:
- любая операция выполняется за один такт;
- система команд должно содержать минимальное число инструкций одинаковой длины;
- операции обработки данных реализуются только в формате «регистр-регистр»;
- результаты должны формироваться со скоростью одно слово за такт.
В номенклатуре Microchip Technology Inc. представлен широкий спектр 8-и, 16-и и 32-битных микроконтроллеров и цифровых сигнальных контроллеров под маркой PIC. Отличительной особенностью PIC-контроллеров является хорошая преемственность различных семейств. Это и программная совместимость (единая бесплатная среда разработки MPLAB IDE), и совместимость по выводам, по периферии, по напряжениям питания, по средствам разработки, по библиотекам и стекам наиболее популярных коммуникационных протоколов. Номенклатура насчитывает более 500 различных контроллеров со всевозможными вариациями периферии, памяти, количеством выводов, производительностью, диапазонами питания и температуры и т. д.
AVR (Atmel)
Концепция новых скоростных микроконтроллеров была разработана группой разработчиков исследовательского центра ATMEL в Норвегии, инициалы которых затем сформировали марку AVR (Alf Bogen / Vergard Wollan / Risc architecture). Первые микроконтроллеры AVR AT90S1200 появились в середине 1997 г. и быстро снискали расположение потребителей.
AVR-архитектура, на основе которой построены микроконтроллеры семейства AT90S, 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.
Достоинства:
- высокий показатель быстродействие/энергопотребление;
- удобные режимы программирования;
- широкая номенклатура;
- доступность программно-аппаратных средств поддержки;
- высокая нагрузочная способность выходов.
ARM (ARM Limited)
Архитектура ARM (Advanced RISC Machine, Acorn RISC Machine, усовершенствованная RISC-машина) — семейство лицензируемых 32-битных и 64-битных микропроцессорных ядер разработки компании ARM Limited. Компания занимается исключительно разработкой ядер и инструментов для них (компиляторы, средства отладки и т. п.), зарабатывая на лицензировании архитектуры сторонним производителям.
В 2007 году около 98 % из более чем миллиарда мобильных телефонов, продаваемых ежегодно, были оснащены по крайней мере одним процессором ARM. По состоянию на 2009 на процессоры ARM приходится до 90 % всех встроенных 32-разрядных процессоров. Процессоры ARM широко используются в потребительской электронике — в том числе КПК, мобильных телефонах, цифровых носителях и плеерах, портативных игровых консолях, калькуляторах и компьютерных периферийных устройствах, таких как жесткие диски или маршрутизаторы. В настоящее время процессоры, применяемые для мобильной связи, содержат от двух до четырех ядер ARM.
Данные процессоры имеют низкое энергопотребление, поэтому находят широкое применение во встраиваемых системах и доминируют на рынке мобильных устройств и планшетных компьютеров, для которых важно низкое энергопотребление и высокая производительность.
Важным элементом современных мобильных устройств связи являются различные матричные преобразователи типа свет-сигнал и сигнал-свет. Это матричные формирователи видеосигнала на КМОП и ПЗС технологиях и экраны на LCD и ОLED.
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
| Лекция 24. Аналого-цифровые преобразователи | | | LCD и AMOLED технологии. |
Дата добавления: 2016-09-20; просмотров: 1488;