6. Микроконтроллеры
Микроконтроллером (МК) называются микроЭВМ, собранные по БИС технологии с встроенными внутри них устройствами ввода/вывода, памятью, рядом периферийных устройств.
Микроконтроллеры изготавливаются как в едином кристальном варианте, так и в виде сборных блоков на отдельных БИС. Микроконтроллеры предназначены для организации несложных микропроцессорных систем управления объектами. Достоинствами микроконтроллеров являются их низкая стоимость, простота в эксплуатации и применении для конкретных нужд заказчика, низкая потребляемая мощность, малые габариты, высокая надежность и гибкость в изменении спектра нужных задач.
6.1 Пример построения микроконтроллера на базе семейства 8-разрядных КМОП-микроконтроллеров, PIC16X7XX.
PIC – это семейство дешевых 8-разрядных высокоэффективных КМОП-микроконтроллеров со встроенным аналого-цифровым преобразователем. Семейство этих МК имеет расширенные возможности ядра, стек глубиной 8 уровней и множество внутренних и внешних прерываний. Архитектура МК благодаря организации отдельных шин команд и шин данных позволяет одновременно передавать 14-разрядные команды и 8-разрядные данные. 2-командный конвейер позволяет выполнить все команды за один машинный цикл, кроме команд ветвления программы, которые выполняются за 2 цикла. МК имеют уменьшенную систему команд (всего 35 команд). Высокая эффективность достигается использованием новшеств архитектуры и большого набора дополнительных регистров. МК семейства PIC по сравнению с другими 8-разрядными МК такого же класса позволяют уменьшить программу в 2 раза и увеличить быстродействие в 4 раза и идеально подходят для дешевых приложений требующих аналоговый интерфейс. МК имеет память данных (RAM) размером от 36 до 368 байт, память программы – от 512 до 8192 слов и от 13 до 33 контактов ввода/вывода (I/0).
Кроме того, МК содержат различные наборы периферийных устройств таких, как 8- и 6-разрядные триггеры, быстродействующий аналого-цифровой преобразователь с 8-, 10- или 12-разрядным разрешением и мультиплексированными входными каналами, модули сравнения, накопления и широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (Capture/Compare/PWM), синхронный последовательный порт, который может функционировать как 3-проводный периферийный интерфейс (SPI) или 2-проводная шина (I2C), универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик (USART) и параллельный ведомый порт (PSP). Кроме того, в состав новых МК могут входить: встроенный генератор тактовых импульсов 4 МГц; усовершенствованная схема шин (модуль ЕССР), позволяющая управлять силовыми ключами, мостовой схемой (4 канала), полумостовой схемой (2 канала) или 1-канальной схемой с 10-разрядным разрешением на частоте 20 кГц; контроллер USB с 64-байтовой 2-портовой буферной памятью. Эти МК удобны для построения компьютерной периферии. Для того, чтобы снизить количество внешних компонентов и стоимость, повысить надежность системы и снизить потребление, в семейство МК РІСІ6Х7ХХ имеются дополнительные возможности.
Имеется 4 режима генератора:
RC-генератор на одном контакте обеспечивает дешевое решение;
LP-генератор обеспечивает минимальное потребление;
ХТ-генератор – стандартное решение;
HS-генератор – для высокочастотных приложений.
Режим останова позволяет резко снизить потребление. Пробуждение из режима останова может осуществляться при помощи внешних и внутренних прерываний и сбросов. Высоконадежный стержневой таймер со своим RC-генератором обеспечивает защиту от зацикливания программ.
Вариант микросхем CERDIP с ультрафиолетовым стиранием идеально подходит для разработки и отладки программ, в то время как однократно программируемые варианты рентабельны для выпуска продукции в любом объеме.
Микросхемы с FLASH-памятью программ позволяют осуществлять разработку и отладку программ на готовом устройстве, и не требует замены микроконтроллера после окончания отладки.
Семейство этих микроконтроллеров приспособлено для применения в удаленных устройствах защиты и датчиках, для приборов управления и автомобилей. Технология программирования ПЗУ делает настройку прикладных программ быстрой и чрезвычайно удобной. Малогабаритные корпуса микросхем делают эти микроконтроллеры совершенными для всех приложений без ограничений. Снижается цена, малая потребляемая мощность, возрастает эффективность, удобство при использовании и гибкость I/0 делает это семейство универсальным даже в областях, где использование микроконтроллеров раньше не рассматривалось (функции таймера, последовательная связь, сбор и сравнение данных, функции шин ШИМ и приложения с сопроцессором). Устройство данного семейства обеспечивается полным набором инструментальных средств для разработки программного обеспечения.
Структура микроконтроллера.
Все устройства микроконтроллера PIC содержат 8-разрядный АЛУ (ALU) и аккумулятор (рабочий регистр W). ALU выполняет арифметические операции и булевые функции над данными в Х-аккумуляторе и любой ячейке памяти данных. 8-разрядный ALU выполняет действия “+”, “-”, сдвиг и логические операции. Арифметические операции с отрицательными числами выполняются в дополнительном коде. В зависимости от результатов выполнения команды АЛУ может воздействовать на флажки регистров состояния (STATUS), переноса С, дополнительного переноса DC и признак нуля Z.
таймер
Рис.6.1. Структурная схема PIC16C710/711/715