2.Герасимов, М.И. Микропроцессорные устройства управления РТС: учеб. пособие. / М.И. Герасимов, Д.А. Ефремов. – Воронеж: ВГТУ, 2011. – Ч. 1.

3.Герасимов, М.И. Микропроцессорные устройства управления РТС: учеб. пособие. / М.И. Герасимов. – Воронеж: ВГТУ, 2012. – Ч. 3.

4.Чертежи схем: учеб. пособие / М.И. Герасимов, Д.А. Ефремов, Е.К. Лахина и др. – Воронеж: ВГТУ, 2007.

б) дополнительная литература

1.Микропроцессорные системы: учеб. пособие для вузов / под общ. ред. Д.В. Пузанкова. – СПб.: Политехника, 2002.

2.Евстифеев, А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы «ATMEL»/ А.В. Евстифеев. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2004.

3.Шагурин, И.И. Современные микроконтроллеры и микропроцессоры Motorola: Справочник. / И.И. Шагурин. – М: Горячая линия-Телеком, 2004.

4.Яценков, В.С. Микроконтроллеры Microchip: Практическое руководство. / В.С. Яценков - 2-е изд. испр. и дополн. – М.: Горячая линия-Телеком, 2005.

5.Андрэ, Ф. Микроконтроллеры семейства SX фирмы «Scenix»; пep. с фр. / Ф. Андрэ. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2002.

6.Рюмик, С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. / С.М. Рюмик. – M.: Додэка-ХХ1,

2010. – Вып. 1

7.Рюмик, С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. / С.М. Рюмик. — M.: Додэка-ХХ1,

2011. – Вып. 2

8.Журнал «Вестник Воронежского государственного технического университета», направление «Информатика, вычислительная техника и управление». Воронеж: ВГТУ,

2010-2015.

9.Журнал «Электротехнические комплексы и системы управления». Воронеж: ВГТУ,

2010-2015.

в) методическая литература

1.Микроконтроллеры в системах управления: методические указания к выполнению лабораторных работ № 1-3 по дисциплине «Управляющие микроЭВМ» Воронеж: ВГТУ, 2012 (206-2012) – [электронный ресурс].

Программное обеспечение и интернет-ресурсы

http://catalog.vorstu.ru/MarcWeb/Work.asp?ValueDB= 41&DisplayDB=vgtu_lib.

Программа Algorithm Builder 5_32. Программа AVR Studio 4.

Базы данных Интернета по микроконтроллерам и схемам сопряжения.

1.4.Методические рекомендации для студентов

по изучению учебной дисциплины для очной формы и нормативного срока обучения

1. Основным предметом изучения дисциплины являются те микроЭВМ, которые используются именно в системах управления. Будет показано, что на нижнем уровне управления это микроконтроллеры (МК) – однокристальные ЭВМ с соответствующими интерфейсами на борту. Верхние уровни управления не рассматриваются в связи с малым объемом данного курса

В ходе лекционных занятий студенты приобретают необходимые теоретические знания, на лабораторных работах – навыки анализа и синтеза МК-систем управления. С целью активизации полученных ранее знаний на самостоятельную работу выносится повторение необходимого для следующего занятия материала.

10

Курс читается по конспекту, оформленному в виде электронного документа с выделениями цветом, внутренними и внешними гиперссылками, и другими средствами повышения наглядности и удобства использования. В ходе изложения материала преподаватель старается раскрыть основные вопросы в рамках рассматриваемой темы, сделать акценты на наиболее сложных и интересных положениях изучаемого материала, которые должны быть приняты студентами во внимание. Конспект рассылается всем студентам по электронной почте и доступен для скачивания на кафедре и в электронной информаци- онно-образовательной среде университета (http://eios.vorstu.ru/). Студентам следует самостоятельно прорабатывать пройденный материал, закрепляя полученную информацию, а также просматривать материал предстоящей лекции, используя содержащиеся в нем средства повышения наглядности. Для пользования внешними гиперссылками требуется доступ к Интернету. Материал, выделенный зеленым, требует особо вдумчивого рассмотрения, выделенный желтым рекомендуется к записи в конспект лекций.

Таким образом, самостоятельная работа студентов предполагает:

изучение пройденного лекционного материала и/или повторение материалов предшествующих курсов, необходимых для усвоения последующего материала;

просмотр материала предстоящей лекции, выявление наиболее существенных, неясных или незатронутых моментов;

подготовку к выполнению и защите лабораторных работ;

подготовку к контрольным работам (коллоквиумам) и зачету.

2.При изучении курса следует каждый раздел начинать с усвоения места изу-

чаемых вопросов в структуре курса, затем переходить к изучению структуры раздела, а затем к содержательной части вопроса, начиная с толкования основных понятий.

Указания по работе с основной и дополнительной литературой, рекомендованной программой дисциплины

1.Основным (базовым) литературным источником учебной дисциплины является учебное пособие В.Я. Хартова «Микропроцессорные системы» /1/, содержащее подробное изложение большинства вопросов дисциплины. Однако это пособие, рекомендованное министерством, как и пособие /2/, ориентировано на студентов вузов, обучающихся по направлению "Информатика и вычислительная техника" специальности "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети" и является избыточным для данного курса. Приведенные выше пособия М.И. Герасимова /3, 4/ детализируют сведения о микроЭВМ применительно к задачам управления, но ориентированы на студентов-робототехников. Отсюда и следует актуальность данного конспекта лекций. Кроме того, обязательным для изучения являются разделы учебного пособия «Чертежи схем» (Герасимов М.И. и др.) /5/, содержащие материалы по правилам изображения электрических схем на основе элементов цифровой техники. Знание сложившихся норм технической графики и следование им обеспечивает успешное восприятие технической литературы и правильность выполнения учебных и производственных схем.

2.Приведенные в списке дополнительные литературные источники позволяют рассмотреть те или иные решения схемотехнических вопросов, связанных с применением управляющих ЭВМ, в основном микроконтроллеров. При возникновении тех или иных вопросов существенную помощь могут оказать материалы Интернета, посвященные схемотехнике и программированию управляющих микроЭВМ.

3.Приведенная в программе методическая литература должна использоваться при подготовке, выполнении и отчитывании лабораторных работ.

Советы по подготовке к текущей аттестации и зачету

1. При подготовке к зачету особое внимание необходимо обратить на следующие моменты:

1) Необходимо стремиться не заучивать материал лекций, а улавливать логическую связь его построения, что позволяет успешно его воспринимать и воспроизводить.

11

2)В ходе изучения материала лекций следует в максимальной степени использовать знания, полученные при изучении других дисциплин.

3)При проработке конспектов лекций необходимо использовать основную и дополнительную литературу.

2.Следует иметь в виду, что принятая модульно-рейтинговая форма аттестации сочетает в себе два подхода к оценке учебных достижений студентов:

–нормативный (в период обучения);

–критериальный (проверка образовательного минимума на зачете).

3.Текущие знания оцениваются при тестировании по рейтинговой 100-балльной сис-

теме.

4.Опыт показал, что наибольшие трудности при проведении всех форм аттестации возникают по следующим разделам:

– применение правил де Моргана и Шеннона в анализе и синтезе узлов на логических элементах;

– использование сложных микросхем для решения более простых схемотехнических задач;

– системный подход к анализу и синтезу функциональных узлов цифровой электрони-

ки.

Рекомендуется повторить раздел дискретной математики, курс «Цифровая электрони-

ка» и основные положения теории систем, чтобы избежать трудностей при ответах по вышеназванным разделам.

1.5. Архитектура микропроцессорных устройств управления: основные понятия и определения

Исходным уровнем изучения будем считать материал, освоенный в учебных курсах «Вычислительные машины, системы и сети», «Технические средства автоматизации и управления», «Схемотехника элементов и устройств», «Микропроцессорные устройства систем управления». Тем не менее, сформулируем основные понятия и определения в области архитектуры микропроцессорных устройств управления для однозначности восприятия последующего материала.

Система управления технологического оборудования – это обычно многопроцессорная система, в состав которой входят полнокомплектные ЭВМ и микропроцессорные устройства (МПУ) с целевыми функциями. На нижнем уровне управления это микроконтроллеры

(МК) – однокристальные ЭВМ в составе собственно микропроцессора, устройств хра-

нения информации и средств связи с объектами. На начальном этапе своего развития

МК воспринимался как синоним названия "однокристальная микроЭВМ". В сравнении с универсальными микроЭВМ микроконтроллеры проще, и уже более 30 лет тому назад оказалось возможным разместить практически всю схемотехнику МК на одном кристалле, что и дало начало их развитию /2/. Первый патент на однокристальную микроЭВМ был выдан в 1971 году М. Кочрену и Г. Буну. Выпушены первые МК были фирмой Intel в 1976 г. (восьмиразрядный МК i8048). Разработка МК означала появление БИС такой функциональной законченности, которая позволяет решать в полном объеме задачи определенного класса.

Что же отличает МК от микроЭВМ универсального назначения? Прежде всего, это ма-

лый объем памяти и менее разнообразный (скорее, специфичный) состав внешних уст-

ройств. В состав универсальной микроЭВМ входят модули памяти большого объема и высокого быстродействия, имеется сложная иерархия ЗУ, поскольку многие задачи (автоматизированное проектирование, компьютерная графика, мультимедийные приложения и др.) без этого решить невозможно. Для МК ситуация иная: они реализуют заранее известные несложные алгоритмы и для размещения программ им требуются емкости памяти, на несколько порядков меньшие, чем у микроЭВМ широкого назначения. Невелик также объем памяти данных,поскольку для решения задач управления требуется небольшое количество информации о предшествующих результатах, а накопление «истории» выполнения заданий ведется на более высоких уровнях управления.

12

В результате модули памяти и связи с внешними устройствами универсальных микроЭВМ обычно конструктивно самостоятельны, а МК выполняется на одном кристалле, хотя в его составе имеются многие модули того же функционального назначения. В то же время расширение сферы использования МК повлекло за собой развитие их архитектуры 1 в направлении размещения на кристалле устройств (модулей), отражающих своими функциональными возможностями специфику решаемых задач. Такие дополнительные устройства стали называться периферийными. В ходе развития появились не только семейства МК, которые объединяют родственные МК (с одинаковой системой команд, разрядностью), но и стали выделяться подвиды МК: коммуникационные, цифровые процессоры сигналов (DSP), МК для управления объектами различной сложности и т.д. (рис. 1.2 /6/).

Такие понятия как «семейство», «платформа», «ядро», «архитектура» в разных источниках трактуются по-разному. Иногда их просто считают синонимами, что в большинстве случаев не принципиально. Однако для определённости предлагается использовать следующие термины.

«Ядро» — базовое устройство внутренней вычислительной системы. Ядро определяет

Рис. 1.2

систему команд, шинный интерфейс, архитектуру памяти, т.е. коренные отличия «вычислителей» друг от друга. Различают МК с ядром MCS-51, AVR, ARM7, ARM9, PIC16, PIC18 и т.д. Процессорное ядро может быть одинаковым, а фирмы-изготовители – разными.

«Семейство» – группа микросхем, имеющих одно ядро, у которых примерно одинаковый набор программных и периферийных функций. Семейство может разбиваться на более мелкие подсемейства.

«Серия», «линейка» – это фирменный бренд или рекламный слоган, например, серия «Classic», серия «tinyAVR», линейка «MegaPIC». Встречаются и обобщённые названия по типу «линейка 16-битных МК общего назначения».

«Модель» – несколько микросхем одного семейства, различающиеся между собой второстепенными цифрами (буквами) в названии, что определяет разный температурный диапазон, тактовую частоту, вариант корпуса, питание.

1 Под архитектурой управляющей вычислительной системы понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности системы при решении соответствующих классов задач управления (см. /2,

гл. 1/).

13

Приведем пример. Микросхема ATmega 128L-8AU относится к платформе Atmel, архитектуре RISC гарвардского типа, ядру AVR, серии MegaAVR, семейству ATmega, модели ATmega 128. Надпись «L-8AU» определяет электрические, частотные, температурные и конструктивные параметры.

Широкое разнообразие моделей МК, возможность разработки и производства новых моделей в короткие сроки обеспечиваются модульным принципом 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. Базовый функциональный блок принято называть также процессорным ядром МК (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Модульная структура МК

Как видно, 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.

Ядро современных 8-разрядных МК реализуют как на основе CISC-архитектуры

(см. /2, с. 30/) – это МК семейств НС05, НС11, НС08 фирмы «Motorola» /10/, семейства

MCS-51 /1, 2/ фирм «Intel», «Atmel», «Philips», MK семейства С500 фирмы «Infineon», – так

ина основе RISC-архитектуры – семейства PIC16, PIC17, РIС18 фирмы «Microchip» /11/,

семейство SX фирмы «Ubicom» /13/, семейство AVR фирмы «Atmel» /4, 8, 9/.

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 модули, объединенные в составе МК, 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:

14

1)модули памяти (см. ниже);

2)модули периферийных устройств (см. ниже);

3)модули встроенных генераторов синхронизации;

4)модули контроля за напряжением питания и ходом выполнения программы;

5)модули внутрисхемной отладки и программирования.

2.ОСНОВНЫЕ СЕМЕЙСТВА 8-РАЗРЯДНЫХ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ

ИИХ СВОЙСТВА

2.1. Схема анализа

Для упрощения анализа различных семейств МК и конкретных моделей предлагается использовать следующий список существенных параметров и особенностей различных семейств МК («анкету»).

Существенные параметры и особенности ядра семейства

0.Наименование ядра

1.Архитектура памяти (Гарвард / Принстон), распределение адресного пространства

2.Система команд: CISC – RISC (см. /2, с. 30/).

3.Разрядность АЛУ

4.Кол-во тактов на команду (конвейерно)

5.Максимальная тактовая частота, МГц

6.Источники тактового сигнала и их частоты

7.Наличие и объем памяти следующих видов: оперативной, констант, команд.

8.Организация и разрядность памяти команд (программы)

9.Количество и организация регистров общего назначения, наличие выделенного регистра-аккумулятора

10.Организация доступа к ОЗУ (банки, индексные регистры и т.п. – см. /2/)

11.Организация стека, сохраняемый контекст

12.Организация прерываний, источники

13.Наличие и организация прямого доступа к памяти

14.Сторожевой таймер (WDT)

15.Перезапуск по сбою питания, сброс по спаду напряжения питания

16.Программирование (в системе) – наличие, интерфейс

17.Энергосбережение: режимы Power Down, SLEEP и т.п.

Существенные параметры и особенности конкретной модели МК

1.Объем памяти программ, слов

2.Объем ОЗУ, байтов или слов

3.Объем памяти констант, байтов или слов

4.Порты вв/выв:

общее кол-во разрядов

организация переключения направлений «ввод/вывод»

номиналы токов выхода «втек./вытек»

организация входных цепей (подтягивающие резисторы, триггеры Шмитта), управление ими

5.Таймеры, их разрядность и функции (многофункциональные, реального времени…)

6.ШИМ – кол-во каналов, разрядность

7.Компаратор

8.АЦП – тип, кол-во каналов

15

9. ЦАП – кол-во каналов

10.Последовательный интерфейс, тип(ы) – реал/виртуал.

11.Контроллеры ЖК индикаторов и светодиодной матрицы – реал/виртуал

12.Другие специальные блоки

Представляется, что анализ перечисленных в «анкете» параметров для нескольких основных семейств МК позволит разработчику обоснованно выбрать и семейство, и конкретную модель для данного случая. В круг «основных» можно внести семейства тех производителей, которые занимают значительную долю рынка и имеют широкую гамму моделей и хорошую динамику производства, например, семейства MCS-51 фирмы Intel и ее последователей (отечественные аналоги К1830ВЕ51 и ВЕ31), семейства PIC компании Microchip, семейства AVR компании Atmel Corp., включая отечественный аналог одной из моделей семейства AVR с кодировкой К1887ВЕ1.

Рассмотрим существенные параметры и особенности перечисленных семейств МК в соответствии с приведенной выше схемой.

2.2. Микроконтроллеры семейства MCS-51

Основой семейства стал Intel 8051 – однокристальный микроконтроллер, который был впервые произведен Intel в 1980 году и предназначен для использования во встраиваемых системах. В течение 1980-х и начале 1990-х годов он был чрезвычайно популярен, однако, в настоящее время устарел и вытеснен более современными устройствами (с тем же 8051совместимым ядром), производимыми более чем 20 независимыми производителями, таки-

ми как Atmel, Maxim IC (дочерняя компания Dallas Semiconductor), NXP (ранее Philips Semiconductor), Winbond, Silicon Laboratories, Texas Instruments, Cypress Semiconductor. Офици-

альное название ядра 8051-семейства микроконтроллеров Intel — MCS-51.

Общей особенностью в современных 8051-совместимых микроконтроллерах стало встраивание улучшенных и дополнительных схем, таких как:

автоматический сброс по падению питающего напряжения;

встроенные тактовые генераторы;

внутрисхемное программирование памяти программ;

автозагрузчики долговременной памяти данных на основе EEPROM;

I²C (стандарт 3-проводной последовательной шины);

SPI;

USB хост интерфейс;

ШИМ-генераторы;

аналоговые компараторы;

АЦП и ЦАП;

часы реального времени;

дополнительные таймеры и счетчики;

внутрисхемные отладчики,

дополнительные источники прерываний;

расширенные энергосберегающие режимы.

МК 1830ВЕ51 - это отечественный клон MCS-51. Ничего из вышеперечисленных улучшенных и дополнительных схем он не имеет. Этот МК обладает всеми атрибутами компьютера (память программ, ОЗУ, стек, система прерываний), имеет два встроенных таймера-счётчика, последовательный порт, четыре 8-битных параллельных порта. Микросхема 1830ВЕ51 имеет внутреннюю репрограммируемую память программ (4 кбайт), которая может быть расширена до 64 кбайт подключением внешнего ПЗУ. Внутреннее ПЗУ 128 байт можно дополнить внешним ОЗУ данных объёмом до 64 кбайт. Для подключения внешнего ПЗУ (и ОЗУ) используются выводы внешних портов.

16

Микросхема 1830ВЕ31 отличается от 1830ВЕ51 тем, что не имеет внутренней памяти программ и требует наличия внешнего ПЗУ.

Существенные параметры и особенности

1.Наименование ядра – MCS-51 /2/.

2.Система команд – CISC (11 команд, 11 режимов адресации).

3.Наличие в программной модели выделенного регистра-аккумулятора – есть ACC и расширитель B.

4.Архитектура – Гарвардская, распределение адресного пространства – раздельно память программ и память данных.

5.Память программ: внутренняя (для ВЕ51 есть, для ВЕ31 нет) – 4К слов x 8 разрядов, внешняя либо совместно с внутренней, либо исключительно – до 64 Кбайт.

6.Память констант – пересылкой из памяти программ в память данных.

7.Память данных – внутренняя 128 байт + внешняя до 64 Кбайт.

8.Организация доступа к ОЗУ – 4 банка по 8 РОН, индексный регистр-указатель адреса на 16 разрядов; зона побитного обращения, зона побайтового обращения, зона регистров специальных функций.

9.Разрядность АЛУ – 8.

10.Кол-во тактов на команду – 12 (конвейера нет).

11.Максимальная тактовая частота – 24-33 МГц (зависит от модели).

12.Источники тактового сигнала и их частоты: кварцевый резонатор 3,5-12 МГц, внешний ГТИ до 24-33 МГц.

13.Организация стека – в памяти данных (через указатель стека) глубиной до 256 байт /почему/, автоматически сохраняемый контекст – значение счетчика команд (РС), прочее – программно.

14.Организация прерываний – радиальная двухуровневая приоритетная система прерываний с пятью источниками запросов на обслуживание, имеющими фиксированные векторы прерываний: 2 внешних источника, 2 признака переполнения таймеров и канал последовательного обмена УАПП.

Для присваивания высшего/низшего приоритета соответствующему прерыванию существует побитнодоступный регистр IP. При равных приоритетах порядок опроса следующий:

INT0таймер0INT1таймер1УАПП

Совершенствование МК на основе процессорного ядра MCS-51

Дальнейшее развитие семейства происходило в следующих направлениях:

•увеличение частоты тактирования fXCLK, посредством перехода к другой, более совершенной технологии изготовления БИС;

•увеличение объема резидентной памяти программ и памяти данных; переход к FLASH-технологии памяти программ;

•совершенствование структуры МК посредством введения в его состав новых типов периферийных модулей;

•кардинальная переработка архитектуры процессорного ядра с сохранением системы команд MCS-51; полученные решения полностью совместимы с MCS-51 на уровне исходного текста программ.

Начало столь бурной модернизации положила сама фирма «Intel», выпустив МК 80С52 с увеличенным объемом памяти программ (8 Кбайт), памяти данных (256 байт), третьим таймером на кристалле с функциями захвата/сравнения и расширенной подсистемой прерыва-

17

ний, а также с функцией ОNСЕ 2. Ныне аббревиатура 8052 используется для обозначения одного из стандартов в рамках архитектуры MCS-51.

Следующим шагом в развитии MCS-51 был предложенный фирмой «Intel» модуль

процессора событий РСА (Program Counter Array), который входил в состав MK8xC51FA/ FB/FC/GB. Модуль РСА включает 16-разрядный счетчик временной базы и пять полностью идентичных каналов захвата/сравнения. Каждый из каналов может быть настроен на один из четырех режимов:

1)входного захвата по положительному/отрицательному/любому фронту входного сигнала;

2)выходного сравнения с формированием запроса на прерывание;

3)входного сравнения с формированием как «1», так и «0» на соответствующем выходе; эта функция в МК фирмы «Intel» получила название высокоскоростного выхода;

4)широтно-импульсного модулятора с дискретностью 8 разрядов и 4 фиксированными частотами сигнала.

Модуль РСА в настоящее время воспроизводится в МК фирмы «Philips», близкий аналог модуля присутствует в МК семейства С500 фирмы «Infineon» (см. ниже).

Новую жизнь в популярные модификации МК с ядром MCS-51 вдохнули фирмы «Philips» и «Atmel», переведя резидентное ПЗУ на FLASH-технологию. Более того, МК от «Atmel» стали программируемыми в системе – такую возможность обеспечил дополнительный порт SPI в составе МК этой фирмы.

Фирма «Philips», выпуская самый большой ряд МК на основе стандартного ядра MCS51, предложила новое семейство 51ХА с расширенной архитектурой. Основные отличия нового процессорного ядра:

• 16-разрядное АЛУ на базе регистровой архитектуры;

• восемь 16-разрядных регистров для выполнения арифметических и логических опера-

ций;

• расширенный набор инструкций;

• аппаратная поддержка мультизадачности.

Новое процессорное ядро не совместимо по кодам инструкций со своим предшественником. Но каждой инструкции MCS-51 поставлена в соответствие инструкция нового ядра 51ХА. Специальный транслятор исходного текста конвертирует программы, написанные на языке Ассемблера MCS-51, в исходный текст для нового ядра 51ХА. Именно поэтому ядро 51ХА относят к семейству MCS-51. По результатам тестов архитектура ХА обеспечивает увеличение производительности до 100 раз по сравнению с традиционной архитектурой

MCS-51.

Фирма «Infineon» (дочерняя компания Siemens) также поддерживает две линии МК, принадлежащих к семейству MCS-51. Наряду с выпуском полностью идентичных некоторым моделям стандартов 8051 и 8052 Intel, фирма разработала свое собственное ядро С500, полностью совместимое с MCS-51 на уровне кодов. И уже на базе этого ядра создала целый ряд МК со встроенными модулями CAN интерфейсов, а также специализированные МК для управления силовыми преобразователями частоты.

Еще одну оригинальную модернизацию ядра MCS-51 предложила фирма «Dallas Semiconductor». Изменение схемотехники базового ядра было проведено таким образом, что типовой цикл выборки команд сократился до 4 машинных тактов против исходных 12 тактов. В результате производительность МК при той же тактовой частоте возросла от 1,5 до 3 раз в зависимости от типа алгоритма. Эту новую линию МК назвали High Speed MCS-51 - высокоскоростные МК семейства 8051.

В 1999 г. фирма Analog Devices представила на основе 51-го ядра совершенно новый МК Adu812. Отличия в технических характеристиках встроенных модулей ЦАП и АЦП этого изделия от аналогичных модулей других семейств столь велики, что семейство

2 Данный режим позволяет выполнять тестирование и отладку систем, использующих микроЭВМ семейства 8052, без удаления последних из платы.

18

Adu8xx было названо семейством интеллектуальных преобразователей или микроконверторами.

Большую работу по интеграция блоков обработки цифровых и аналоговых сигналов ведет и фирма SiLabs /14/. В результате выпущены модели как с поразрядным уравновешиванием, так и с сигма-дельта преобразованием (24 разряда). Система команд микроконтроллеров SiLabs полностью совместима с системой команд С51. В микроконтроллерах SiLabs используется конвейерное ядро, позволяющее выполнять более 70% команд за 1-2 такта, в отличие от стандартного ядра, в котором команда выполняется за 12. Пиковая производительность в некоторых семействах достигает 100 MIPS - это наилучший показатель для 8-разрядных микроконтроллеров. МК содержат внутрисхемно-программируемую Flashпамять программ объемом до 128К и до 8448 байт ОЗУ.

В частности, разработанные с тем, чтобы в наибольшей мере соответствовать требованиям, предъявляемым современными технологиями управления электродвигателями, микроконтроллеры SiLabs F85x/6x оснащены высокоскоростным 8051 ядром, которое 50% быстрее, чем у самых близких конкурентов в этом классе приборов. Высокая производительность микроконтроллеров F85x/6x позволяет реализовать более точную широтноимпульсную модуляцию (PWM), позволяет повысить экономичность управления электродвигателем и позволяет выполнять более сложные алгоритмы организации широкого диапазона частот вращения двигателя. Микроконтроллеры семейств F85x/6x поддерживают, также, три независимых PWM канала с высоким разрешением и оснащены встроенными средствами защиты от перегрузки по току/детектирования отказов, ориентированными специально на управление электродвигателями и применения источников питания.

Микроконтроллеры оснащены 12-разрядным многоканальным аналого-цифровым преобразователем (ADC), двумя аналоговыми компараторами, с возможностью программирования гистерезиса и временем отклика, и встроенным прецизионным источником опорного напряжения. Микроконтроллеры оснащены также встроенными прецизионным энергетически экономичным генератором частоты 24.5 МГц и низкочастотным генератором частоты 80 кГц, что избавляет разработчика от необходимости использовать внешний таймер или кварцевый генератор. Встроенный датчик температуры упрощает калибровку системы без потребности в использовании внешнего дискретного датчика. Расширенная коммуникационная периферия (I2C, SPI и UART) также предоставляет разработчикам гибкость, позволяя подбирать внешнюю периферию, наилучшим образом соответствующую основным рабочим характеристикам разрабатываемого применения. Такое сочетание встроенных функций позволяет разработчикам минимизировать количество навесных компонентов, следствием чего будет получение более низкой стоимости конечного применения, по сравнению с решениями, построенными на основе конкурирующих микроконтроллеров.

Как и все 8-разрядные микроконтроллеры фирмы Silicon Labs, микроконтроллеры семейства F85x/6x выполнены с использованием запатентованной перекрестной (crossbar) архитектуры, которая позволяет разработчикам настраивать встроенную периферию

иназначение выводов под оптимальное размещение внешних компонентов, необходимых конечному применению, не беспокоясь о конфликтах между выводами. Эта новационная перекрестная архитектура упрощает маршрутизацию и позволяет минимизировать количество слоев металлизации печатных плат и, в конечном счете, сокращает время разработки

истоимость системы за счет оптимального использования выводов.

Кроме того, эти микроконтроллеры содержат до 5 таймеров / счетчиков, сторожевой таймер и программируемый монитор питания, в котором могут задаваться 3 варианта нижних и верхних пороговых напряжений. Программируемый массив счетчиков (PCA), включающий отдельный 16-битный таймер/счетчик и от трёх до пяти 16-битных модулей захвата/сравнения с возможностью конфигурирования PCA как 8- и 16-битный ШИМ, расширяет функциональные возможности МК по управлению различными устройствами.

Некоторые микроконтроллеры имеют интерфейс внешней памяти, который может работать в мультиплексированном и немультиплексированном режимах. Это позволяет уве-

19