Шумахер У. Полупроводниковая электроника

Команды условного перехода реализуют передачу управления в зависимости от выполнения некоторых условий. Адрес перехода лежит в 256-байтной (от –128 до +127 байт) окрестности адреса команды, следующей за командой условного перехода.

Команда JZ осуществляет переход, если значение аккумулятора равно нулю.

Команда JNZ осуществляет переход, если в аккумуляторе содержится ненулевое значение.

Команда JC осуществляет переход, если флаг переноса установлен в 1.

Команда JNC осуществляет переход, если флаг переноса сброшен в 0.

Команда JB осуществляет переход, если установлен в 1 один из битов с непосредственной адресацией.

Команда JNB осуществляет переход, если сброшен в 0 один из битов с непосредственной адресацией.

Команда JBС осуществляет переход, если один из битов с непосредственной адресацией установлен в 1; после выполнения команды условного перехода значение этого бита сбрасывается в 0.

Команда CJNE сравнивает значения двух своих операндов и осуществляет переход, если эти значения различаются. Флаг переноса CY устанавливается в 1, если первый операнд меньше второго, в противном случае флаг CY сбрасывается в 0. Могут производиться следующие виды сравнений: между содержимым аккумулятора и непосредственно адресуемыми битами во внутренней памяти; между непосредственно заданным в теле команды значением и текущим значением аккумулятора или регистра, относящегося к активному в настоящий момент банку регистров, или байта данных во внутреннем ОЗУ, обращение к которому может осуществляться путём косвенной регистровой адресации.

Команда DJNZ декрементирует значение операнда и возвращает результат в этот же операнд. Переход осуществляется, если результат не равен нулю. В качестве операнда-источника для команды DJNZ не может использоваться прямо адресуемый байт во внутренней памяти данных. Адресация операнда-источ- ника может быть как прямая, так и регистровая.

Команда RETI осуществляет передачу управления аналогично тому, как это делает команда RET. Однако после выполнения команды RETI текущий уровень приоритета прерываний в системе не изменяется, что позволяет производить обработку новых прерываний с уровнем приоритета не ниже текущего.

7.2.10.Функциональные схемы микроконтроллеров семейства С500

На Рис. 7.14…7.22 приведены функциональные схемы некоторых микроконтроллеров семейства С500. Более подробную информацию о структуре различных типов этих микроконтроллеров можно найти в руководствах по применению и в спецификациях для каждого из них.

7.3.Шестнадцатибитные

микроконтроллеры

7.3.1. Введение

Создание встроенных систем управления — это исключительно перспективная область применения современных микроконтроллеров, одним из наиболее критических факторов развития которой является быстродействие. Сложные алгоритмы управления функционированием таких систем основаны на обработке большого числа цифровых и аналоговых сигналов, время реакции на которые должно укладываться в заранее заданные границы. Кроме того, часто при проектировании встроенных систем управления большое значение имеют размеры печатных плат, уровень энергопотребления и общая стоимость системы.

Для реализации встроенных систем управления требуются микроконтроллеры, которые:

характеризуются высокой степенью интеграции;

позволяют обойтись без использования внешних периферийных устройств и, соответственно, снизить затраты на разработку программного обеспечения;

гарантируют безопасное функционирование системы и имеют встроенные механизмы выхода из режимов сбоя;

Встроенный модуль поддержки режима эмуляции

Рис. 7.20. Функциональная схема микроконтроллера C515С.

Встроенный модуль поддержки режима эмуляции

предоставляют пользователю эффективные средства для управления энергопотреблением и снижения потребляемого тока.

По мере возрастания сложности задач, решаемых встроенными системами управления, для их реализации требуются микроконтроллеры, вычислительная мощность и функциональность периферии которых значительно превышают возможности стандартного 8-битного микроконтроллера. Для удовлетворения потребности в подобных системах компания Infineon приняла решение разработать семейство 16-битных КМОП-микроконтроллеров, не задаваясь при этом целью обеспечить их совместимость с контроллерами предыдущих серий.

Естественно, в архитектуре 16-битных микроконтроллеров были использованы успешные программные и аппаратные решения, разработанные Infineon в процессе создания популярных 8-битных контроллеров.

7.3.2.Состав семейства 16-битных микроконтроллеров

Микроконтроллеры 16-битного семейства разрабатывались компанией Infineon с целью обеспечить соответствие требованиям, предъявляемым к высокопроизводительным системам управления реального времени. Архитектура этих микроконтроллеров была оптимизирована с точки зрения скорости исполнения команд и минимального времени реакции на внешние воздей-

XTAL1

XTAL2

_____

RESET

VDDC

VSSC

4 линии внешних прерываний

VAREF

VAGND

5 линий аналоговых

входов

Тактовый

генератор

ФАПЧ

ЦПУ

8 регистровуказателей данных

Программируемый

сторожевой

таймер

Таймер 0

Таймер 1

Таймер 2

UART

Блок захвата/ сравнения

Контроллер

прерываний

8-битный АЦП

ствия (прерывания). Использование встроенной интеллектуальной системы управления периферийными устройствами микроконтроллера позволило минимизировать уровень загрузки центрального процессора. Кроме того, при этом снизилась потребность в обмене данными с использованием внешних шин. Архитектура 16-битных микроконтроллеров отличается высокой адаптивностью, что обеспечивает возможность их применения в самых различных сферах, например в автомобильной электронике, в системах управления технологическими процессами или в контроллерах систем передачи данных.

Процессорное ядро семейства 16-битных микроконтроллеров Infineon разрабатывалось в рамках модульной концепции. Все процессоры данного семейства поддерживают систему команд, оптимизированную с

точки зрения эффективности управления (16-битные микроконтроллеры Infineon второго поколения поддерживают ряд дополнительных команд). Таким образом, можно быстро и легко производить модернизацию и внедрение новых микроконтроллерных систем, независимо от объёма используемой памяти, технологии производства, различий в функциональных возможностях встроенной периферии и/или габаритах корпусов микроконтроллеров.

Концепция XBUS позволяет, в дополнение к стандартному набору встроенных периферийных устройств, интегрировать в чип микроконтроллера ряд специализированных (заказных) периферийных модулей, что даёт возможность наладить производство различных модификаций микроконтроллера, адаптированных под решение пользовательских задач.

Поскольку стоимость программного обеспечения для встроенных систем управления всё время возрастает, программисты предпочитают использовать для его написания языки высокого уровня. Такой подход позволяет значительно упростить процесс разработки, отладки и последующей технической поддержки программного обеспечения.

К первому поколению 16-битных микроконтроллеров компании Infineon принадлежат приборы семейства 80С166, концепция построения которых легла в основу архитектуры микроконтроллеров семейства С166. Представителями второго поколения этого семейства являются С165 и С167. Они обеспечивают более высокую производительность благодаря введению новых команд поддержки языков высокого уровня, расширению адресного пространства, увеличению объёма внутреннего ОЗУ и повышению эффективности управления устройствами, подключёнными к внешней шине.

В состав усовершенствованных микроконтроллеров второго поколения входят, например, такие функциональные блоки, как сверхбыстродействующее внутреннее ОЗУ, встроенный модуль CAN, интегрированная система ФАПЧ и т.д.

При проектировании эффективной встроенной системы управления может возникнуть необходимость в минимизации количества компонентов или в дополнении микроконтроллера теми или иными специализированными периферийными модулями. Проще всего для этого использовать технологию так называемой шины XBUS, поддержка которой предусмотрена архитектурой 16-битных микропроцессоров компании Infineon второго поколения. XBUS можно представить как «продолжение» внутрь микроконтроллера внешней системной шины, поэтому наличие XBUS облегчает интеграцию периферийных устройств в микроконтроллер за счёт использования стандартизированного интерфейса. Характерным примером устройства, в полной мере демонстрирующего достоинства такого подхода, является встроенный модуль CAN.

Микроконтроллер С165 фактически является «облегчённой» версией микроконтроллера С167, отличаясь меньшими габаритами корпуса и меньшим током потребления. Однако в нём отсутствуют АЦП, блок захвата/сравнения и модуль ШИМ.

Приборы серии С164 и некоторые из представителей серии С161 составляют третье поколение 16-битных микроконтроллеров Infineon, основным преимуществом которого по сравнению с предшествующими является наличие гибкой системы управления энергопотреблением. Эта система предусматривает реализацию ряда мер, позволяющих эффективно управлять энергопотреблением в некоторых специфических режимах работы микроконтроллера и тем самым снижать общее энергопотребление.

Дальнейшим развитием 16-битного семейства микроконтроллеров компании Infineon являются микроконтроллеры XC161, XC164 и XC167, образующие семейство XC166. Приборы данного семейства базируются на новом микропроцессорном ядре, которое оптимизировано под совместную работу с блоком умножения/деления (модулем MAC) и обеспечивает поддержку DSP-ориентированных команд.

Это позволяет радикально снизить время выполнения таких операций, как цифровая фильтрация сигналов и быстрое преобразование Фурье (БПФ). Микроконтроллеры данного семейства также обладают улучшенными характеристиками периферийной системы благодаря интегрированию в их состав новых периферийных блоков расширенной функциональности. Вместе с расширением модулей внутренней быстрой памяти это обеспечивает необходимые предпосылки для создания компактных высокопроизводительных систем за весьма небольшие дополнительные деньги.

Существуют различные модификации микроконтроллеров семейства XC166, отличающиеся типом внутренней памяти программ:

с масочным ПЗУ;

с флэш-памятью;

с однократно программируемым ПЗУ (ОППЗУ);

без ПЗУ.

Кроме того, микроконтроллеры семей-

ства XC166 могут включать в себя те или иные специфические функциональные модули, иметь различные диапазоны рабочих температур и тактовые частоты и поставляться в корпусах различных типов.

В настоящее время продолжается проектирование всё новых модификаций микроконтроллеров семейства XC166. При этом следует понимать, что ни одна из модифи-

каций этих приборов не сможет работать во всех возможных температурных диапазонах, перекрывать весь ряд допустимых тактовых частот, использовать все типы корпусов или типы памяти программ.

7.3.3.Обзор архитектуры микроконтроллеров семейства С166

Архитектура микроконтроллеров семейства С166 в отлично сбалансированной пропорции сочетает в себе положительные свойства как архитектуры RISC, так и архитектуры CISC (Рис. 7.23). В результате мы имеем высокопроизводительный микроконтроллер, который не только полностью отвечает современным требованиям, но и наверняка будет отвечать этим требованиям в течение ещё долгого времени. С166 — это мощный центральный процессор и множество встроенных модулей периферийных устройств, объединённых в единую систему весьма эффективным способом.

Одной из четырёх шин, обеспечивающих обмен данными и командами в микроконтроллерах семейства С166, является шина XBUS, которая есть не что иное, как внутреннее продолжение внешней системной шины микроконтроллера. Наличие этой шины позволяет стандартным образом интегрировать в чип специализированные периферийные модули, необходимые для создания заказных модификаций микроконтроллеров.

7.3.4. Организация памяти

16 Мбайт пространства памяти микроконтроллеров с архитектурой С166 разделено на 256 сегментов по 64 Кбайт или на 1024 страницы памяти объёмом по 16 Кбайт (Рис. 7.24). Объём доступной внешней памяти зависит от того, какая ширина была задана при конфигурировании адресных сегментов, а также, естественно, от количества доступных выводов порта 4. Доступ к большинству встроенных ресурсов микроконтроллера, например к регистрам периферийных устройств, к внутреннему ОЗУ, к XRAM и т.д., осуществляется через страницу памяти 3, расположенную в сегменте 0.

7.3.5.Основные концепции построения ЦПУ и средства их оптимизации

Основной блок ЦПУ состоит из четырёхступенчатого конвейера команд, 16-битно- го арифметико-логического устройства (АЛУ) и регистров специальных функций (SFR) (Рис. 7.25). Дополнительные аппаратные средства включают в себя модуль умножения/деления, генератор битовых масок и многорегистровое устройство циклического сдвига.

Различные блоки процессорного ядра оптимизированы, чтобы достичь наибольшей производительности и обеспечить максимальную гибкость в использовании микроконтроллера. Функциональные блоки процессорного ядра управляются сигнала-

Возможна адресация до 16 Мбайт внешней памяти

Общее адресное пространство 16 Мбайт. Сегменты 255…0

FF,FFFFh

255

264...129

128 80,0000h

127

Сегмент 1

Сегмент 0

Сегменты 1 и 0 64 + 64 Кбайт

256...2

01,FFFFh

Начало области адресов для памяти программ, превышающей 32 Кбайт

01,8000h

Область

адресов

дополнительного

ПЗУ

01,0000h

Страница данных 3

Страница данных 2

Область

адресов

внутреннего

ПЗУ

00,0000h