Общие сведения о микропроцессорах.

Микропроцессор – это программно-управляемое устройство в виде интегральной микросхемы (БИС или СБИС), предназначенное для обработки цифровой информации. Т.к. все современные процессоры имеют интегральное исполнение, синонимом микропроцессора стал термин процессор.

Микроконтроллер – специализированный процессор, предназначенный для реализаций функций управления (control - управление).

Цифровой сигнальный процессор (DSP – Digital Signal Processor) - специализированный процессор, предназначенный для обработки ифровых сигналов.

Микропроцессорная система представляет собой функционально законченной изделие, состоящее из нескольких цифровых устройств, включая процессор. Это понятие определяет широкий набор законченных изделий, начиная с микроконтроллеров, выполненных на интегральных микросхемах, и заканчивая компьютерными системами, представляющими собой конструктивно законченные устройства (системный блок, клавиатура, монитор и т.д.). В дальнейшем мы будем рассматривать простейшие (однокристальные) микропроцессорные системы, содержащие помимо процессора основную память и устройства ввода-вывода, а также другие вспомогательные модули. Такие процессорные системы можно отнести к классу микропроцессоров.

Под организацией микропроцессоров будем понимать совокупность его узлов (устройств, блоков, модулей), связи между узлами и их функциональные характеристики. Выделяют два типа организации процессора – физическую (в виде принципиальной схемы) и логическую (в виде структурно-функциональной схемы).

Под архитектурой процессора будем понимать совокупность его программно-аппаратных средств, обеспечивающих обработку цифровой информации (выполнение программ), т.е. совокупность всех средств доступных программе (или пользователю). Это более общее понятие включает в себя набор программно-доступных регистров и операционных устройств, систему основных команд и способов адресации, объем и организация адресуемой памяти, виды и способы обработки данных (обмен, прерывания, прямой доступ к памяти и др.)

Классификация микропроцессоров

1. По виду архитектуры

1.1. По форматам используемых команд (инструкций)

1.1.1 CISC – архитектура

1.1.2. RISC – архитектура

1.1.3. VLIW – архитектура

1.2. По способу организации выборки команд и данных

1.2.1. Принстонская архитектура или архитектура фон-Неймана

1.2.2. Гарвардская архитектура

2. По назначению

2.1. Микропроцессоры общего назначения или универсальные

2.2. Специализированные микропроцессоры

3. По виду обрабатываемых входных сигналов

3.1 Аналоговые

3.2. Цифровые

4. По количеству выполняемых программ

4.1. Однопрограммные

4.2. Мультипрограммные

5. По числу БИС в микропроцессорном комплекте

5.1. Однокристальные

5.2. Многокристальные

5.3. Многокристальные секционные

1. По виду архитектуры

1.1.1. CISC-архитектура относится к процессорам (компьютерам) с полным набором команд (Complete Instruction Set Computer - CISC). Она реализована на многих типах процессоров (например, Pentium), выполняющих большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации.

Система команд процессоров с CISC- архитектурой может содержать несколько сотен команд разного формата (от 1 до 15 байт), или степени сложности, и использовать более 10 различных способов адресации, что позволяет программисту реализовывать наиболее эффективно алгоритмы решения различных задач.

Развитие традиционных CISC-архитектур микропроцессоров по пути расширения функциональных возможностей и снижения затрат на программирование привело к увеличению числа команд в наборе и числа микрокоманд в команде. Следствием этого явилось усложнение ИС и снижение быстродействия выполнения программ. Один из путей устранения указанных недостатков состоит в использование сокращенного набора команд, организация которого подчинена увеличению скорости их выполнения.

1.1.2. RISC-архитектура относится к процессорам (компьютерам) с сокращенным набором команд (Reduced Instruction Set Computer - RISC). Основная особенность RISC-архитектуры проявляется в том, что система команд состоит из небольшого количества часто используемых команд одинакового формата, которые могут быть выполнены за один командный цикл (такт) центрального процессора. Более сложные, редко используемые команды реализуются на программном уровне. Однако за счет значительного повышения скорости выполнения команд средняя производительность RISC-процессоров может оказаться выше, чем у процессоров с CISC-архитектурой.

Большинство команд RISC-процессоров связано с операцией регистр-регистр. Для обращения к памяти оставлены наиболее простые с точки зрения временных затрат операции загрузки в регистры и записи в память.

Современные RISC-процессоры реализуют около 100 команд, имеющие фиксированный формат длиной 4 байта, и используют небольшое число наиболее простых способов адресации (регистровую, индексную и несколько других). RISC-процессоры содержать 10-100 регистров общего назначения (РОН), тогда как в CISC-процессорах всего 8-16 регистров. Обращение к внешней памяти в RISC-процессорах используется только в операциях загрузки данных в РОН или пересылки результатов из РОН в память. За счет сокращения аппаратных средств, необходимых для декодирования и выполнения сложных команд, достигается существенное упрощение ИС RISC-процессоров, снижение их стоимости, а также значительное повышение их производительности.

1.1.3. VLIW-архитектура относится к микропроцессорам, которые используют очень длинные команды (Very Large Instruction Word - VLIW). Отдельные поля команд содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций. Одна VLIW-команда может выполнить сразу несколько операций одновременно в различных узлах микропроцессора. Формирование «длинных» VLIW-команд производит соответствующий компилятор при трансляции программ, написанных на языке высокого уровня. VLIW-архитектура реализована в некоторых типах микропроцессоров и является весьма перспективной для создания нового поколения сверхвысокопроизводительных процессоров.

1.2.1. Принстонскую архитектуру или архитектуру фон-Неймана характеризуют следующие особенности:

• Общая оперативная память для хранения данных и программ. Это позволяет оперативно и эффективно перераспределять объем ОЗУ в зависимости решаемых задач в каждом конкретном случае;

• Общая шина, по которой в процессор поступают команды и данные, а в оперативную память записываются результаты. Такой подход позволяет значительно упростить отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, что влечет за собой повышение ее надежности. Чтобы отделить команду от данных, первым из памяти всегда поступает код выполняемой операции, а затем следуют данные. По умолчанию код команды загружается в регистр команд, а данные – в блок регистров. Из-за ограниченного числа внешних выводов общая шина обычно работает в режиме временного мультиплексирования, т.е. противоположные направления обмена данными между микропроцессором, памятью или другими внешними устройствами разделены по времени.

Недостаток принстонской архитектуры - использование общей шины для передачи команд и данных ограничивает производительность цифровой системы.

1.2.2. Гарвардская архитектура (создатель Говард Айкен). Ее особенностью является разделение памяти команд (программ) и памяти данных. Память команд и память данных соединяются с процессором отдельными шинами. Благодаря разделению потоков команд и данных, а также совмещению операций их выборки (и записи результатов обработки) обеспечивается более высокая производительность, чем при использовании архитектуры фон-Неймана. Гарвардская архитектура получила широкое применение в микроконтроллерах, а также во внутренней структуре современных высокопроизводительных микропроцессоров в кэш-памяти с раздельным хранением команд и данных. В тоже время во внешней структуре большинства МПС реализуются принципы принстонской архитектуры.

Недостатки гарвардской архитектуры:

• усложнение конструкции из-за использования отдельных шин для команд и данных;

• фиксированный объем памяти для команд и данных;

• увеличение общего объема памяти из-за невозможности ее оптимального перераспределения между командами и данными.

2. По назначению различают МП общего назначения и специализированные микропроцессоры.

2.1. МП общего назначения. Этот класс процессоров предназначен для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации и находит применение в персональных компьютерах, рабочих станциях, серверах и других цифровых системах массового применения. Большинство процессоров этого класса имеют CISC-архитектуру, хотя в их внутренней структуре может содержаться RISC-ядро. В большинстве случаев они имеют суперскалярную структуру (несколько операционных устройств, осуществляющих одновременную обработку данных).

Эта группа представлена многочисленными микропроцессорными комплектами (МПК): КР580, Z80, Intel 80x86 К582, К587, К1804, К1810 и др.

2.2. Специализированные микропроцессоры (микроконтроллеры) предназначены для решения определенного класса задач, а иногда только для решения одной конкретной задачи. Их существенными особенностями являются простота управления, компактность аппаратных средств, низкая стоимость и малая мощность потребления. Номенклатура выпускаемых микроконтроллеров исчисляется несколькими тысячами, а общий годовой объем их выпуска составляет миллиарды экземпляров.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить:

• различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций;

• математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например матричных методов их выполнения;

• МП для обработки данных в различных областях применений и т. д.

3. По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры.

3.1. Цифровой микропроцессор – МП, оперирующий цифровыми данными, т.е. все входные, выходные и внутренние сигналы представляют собой некоторый цифровой код.

3.2. Аналоговый микропроцессор - это цифровой процессор, которые имеет встроенные АЦП и ЦАП. Таким образом, входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т. д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.). При этом применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки сигналов, а также расширяет функциональные возможности за счет программной “настройки” цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов.

4. По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.

4.1. В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

4.2. В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

5. По числу БИС в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.

5.1. Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратурных средств процессора в виде одной БИС или СБИС. По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Поэтому более широко распространены многокристальные микропроцессоры, а также многокристальные секционные микропроцессоры.

5.2. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно, а для построения развитого процессора не требуется организации большого количества новых связей и каких-либо других электронных ИС БИС. (Типичный пример - МПК БИС серии К581).

5.3. Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора. Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС МП в них добавляются средства “стыковки”.

Секционность БИС МП определяет возможность “наращивания” разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессором при “параллельном” включении большего числа БИС.

Многокристальные секционные микропроцессоры имеют разрядность от 2—4 до 8—16 бит и позволяют создавать разнообразные высокопроизводительные процессоры ЭВМ. (Примером может служить отечественная БИС К589ИК02 и К1804ВС1 .)

Микроконтроллеры. Общие сведения.

Особенностью микроконтроллеров является размещение на одном кристалле центрального процессора, внутренней памяти и большого набора периферийных устройств.

В состав периферийных устройств обычно входят от одного до восьми 8-разрядных параллельных портов ввода-вывода, один или два последовательных порта, блок таймеров, аналого-цифровой преобразователь, а также такие устройства, как блок формирования сигналов с широтно-импульсной модуляцией, контроллер жидкокристаллического дисплея и ряд других. Благодаря интеграции памяти и периферийных устройств на одном кристалле использование микроконтроллеров в системах автоматики возможно с минимальным набором дополнительных компонентов.

Классификация микроконтроллеров.

Выпускается большая номенклатура микроконтроллеров, которые принято подразделять на 8-, 16-, 32-разрядные.

8-разрядные микроконтроллеры являются наиболее простыми и дешевыми изделиями этого класса, ориентированными на использование в относительно несложных устройствах массового выпуска. Микроконтроллеры этой группы выполняют небольшой набор команд (50-100). Основные области их применения являются промышленная автоматика, измерительная техника, теле-, видео-, аудиотехника, средства связи, бытовая аппаратура.

Для 8-разрядных микроконтроллеров характерна гарвардская архитектура. В качестве памяти программ используется масочно-программируемое ПЗУ (ROM), однакратно программируемое ПЗУ (PROM) или электрически перепрограммируемое ПЗУ (EPROM, EEPROM или Flash) с объемом от нескольких единиц до десятков килобайт. Память данных представляет собой регистровый блок или ОЗУ. Ее объем составляет от нескольких десятков байт до нескольких килобайт. В случае необходимости имеется возможность дополнительно подключать внешнюю память команд и данных объемом до 64-256 Кбайт и более.

Для повышения производительности во многих моделях 8-разрядных микроконтроллеров реализованы принципы RISC-архитектуры, обеспечивающей выполнение большинства инструкций за одни такт машинного времени.

16-разрядные микроконтроллеры помимо повышения разрядности обрабатываемых данных характеризуются:

• более высокой производительностью;

• расширенной системой команд и способов адресации;

• увеличенным набором регистров и объемом адресуемой памяти;

• возможностью расширения объема памяти программ и данных до нескольких мегабайт путем подключения внешних микросхем памяти;

• программной совместимостью с 8-разрядными микроконтроллерами и другими возможностями.

Основные области применения – сложная промышленная автоматика, телекоммуникационная аппаратура, медицинская и измерительная техника.

32-разрядные микроконтроллеры ориентированы на применение в системах управления сложными объектами промышленной автоматики (средствами комплексной автоматизации производства, робототехнические устройства, двигатели и др.), в контрольно-измерительной аппаратуре, телекоммуникационном оборудовании и др. сложных устройствах.

32-разрядные микроконтроллеры содержат:

• высокопроизводительный CISC- или RISC-процессор, соответствующий по своим возможностям младшим моделям микропроцессоров общего назначения. Например, в МК компании Intel используется процессор i386;

• внутреннюю память команд емкостью до десятков килобайт и память данных емкостью до нескольких килобайт;

• средств для подключения внешней памяти объемом до 16 Мбайт и более;

• набор сложных периферийных устройств – таймерный процессор, коммуникационный процессор, модуль последовательного обмена и т.д.

Во внутренней структуре этих МК реализуется гарвардская или принстонская архитектура.

Краткий обзор 8-разрядных контроллеров.

Рассмотрим семейства наибо­лее распространенных 8-разрядных микроконтроллеров (МК), имеющих невысо­кую стоимость и пригодных для использования в изделиях различного назначе­ния. Такие микроконтроллеры выпускает большое количество фирм.

Микроконтроллеры семейства МСS-51. Первый контроллер 8051АН этого семейства разработала и выпустила фирма Intel в 1980 г. Микроконтроллер содержал ПЗУ объемом 4 Кбайта, ОЗУ в 128 байт, 4 порта ввода/вывода, 2 тайме­ра и асинхронный порт. На его кристалле размещалось 128 тысяч транзисторов. Частота внутренней шины составляла 1 МГц. В последующих моделях микроконт­роллеров были увеличены частота внутренней шины (до 3 МГц) и объем памяти программ (8, 16 и 32 Кбайта), в состав контроллеров введены новые периферий­ные узлы (АЦП, сторожевой таймер и др.).

Семейство контроллеров MCS-51 выполнено на основе гарвардской архитек­туры. Процессорное ядро MCS-51 оказалось настолько удачным, что в течение двух десятилетий стало по сути дела стандартом в области 8-разрядных контрол­леров, в России широкое распространение получил микроконтроллер 1816ВЕ51 -аналог контроллера 8051АН. Одновременно ряд фирм (Philips, Infineon, Atmel и др.) разработал контроллеры, программно совместимые с семейством MCS-51, обла­дающие современными типами памяти программ и данных (Flash и EEPROM), имеющие расширенный набор периферийных модулей, работающие в широком диапазоне напряжения питания.

Микроконтроллеры фирмы Motorola. Фирма Motorola обладает самой широкой в мире номенклатурой микроконтроллеров (около 300 моделей – от простейших 8-разрядных до высокопроизводительных 32-разрядных контроллеров с RISC-ядром и мощной периферией), охватывающей практически все области применения. Поэтому пользователь имеет возможность выбрать для своего приложения оптимальную модель микроконтроллера, как по набору встроенных функций, так и по экономическим параметрам.

Первый МК этой фирмы семейства НС05 появился одновременно с контроллером 8051АН. В настоящее время семейство НС05 насчитывает около 180 различных типов контроллеров, выполненных на основе принстонской архитектуры. Благодаря разнообразию периферийных модулей при неизменном и очень простом процессорном ядре НС05 перед разработчиком открываются широкие возможности по реализации различных технических решений при полном удовлетворении предъявляемых требований (высокой производительности, низкой стоимости изделия и др.) без избыточных ресурсов в архитектуре.

Позднее появились универсальные и более производительные МК (около 40 моделей) семейства НС11 как дополнение к дешевым «заказным» конт­роллерам семейства НС05.

В конце 1990-х годов фирма «Motorola» представила новое семейство НС08, которое должно постепенно заменить МК семейства НС05.

Основные достоинства семейства НС08:

• программная совместимость «снизу вверх» с процессорным ядром семейства НС05;

• наличие 8-разрядного АЛУ;

• использование FLASH-технологии для ПЗУ программ;

• наличие расширенного набора контроллеров последовательного обмена в библиотеке периферийных модулей семейства. Кроме стандартных портов асинхронного (SCI) и синхронного (SPI) обмена, разработаны контроллеры для работы в промышленных сетях с протоколом CAN и для шины USB.

• улучшенные возможности отладки МК: встроенный монитор и специальный порт позволяют производить отладку прикладных программ непосредственно на плате конечного изделия.

• использование специальных схемотехнических решений для повышения надежности работы МК в условия электромагнитных полей.

Микроконтроллеры фирмы Microchip. Выпускаемые этой фирмой МК семейств PIC12 и PIC16/17 (Peripheral Interface Controller) объединяют все передовые технологии микроконтроллеров: электрически программируемые пользо­вателем ППЗУ, минимальное энергопотребление, высокую производительность, хорошо развитую RISC-архитектуру, функциональную законченность и минималь­ные размеры. Широкая номенклатура изделий обеспечивает использование мик­роконтроллеров в устройствах, предназначенных для разнообразных сфер при­менения.

В конце 1980-х годов фирма Microchip выпустила МК Р1С16С5х, которые осно­вали широко распространенное ныне семейство PIC16. В основу концепции PIC была положена RISC-архитектура с системой простых однословных команд, выполняемых за один машинный цикл (команды перехода выполняются за два цикла). В процессе исполнения текущей команды происходит выборка из памяти следующей команды. Система команд базового семейства PIC16C5X содержит только 33 команды. Производительность РIС16С5х при частоте тактирования в 20 МГц составляет 5 MIPS.

В настоящее время фирма Microchip выпускает пять семейств МК с RISC-ар­хитектурой:

• PIC15C5X включает недорогие контроллеры с минимальным набором перифе­рийных устройств;

• PICС12Сххх содержит МК в миниатюрном 8-выводном корпусе со встроенным тактовым генератором и модулем 8-разрядного АЦП (для некоторых моделей);

• PIC16х/7х/8х/9х объединяет МК с развитой периферией (таймеры-счетчики ; опциями захвата/сравнения, широтно-импульсные модуляторы, аналоговые компараторы, АЦП, контроллеры последовательных интерфейсов);

• PIC17С4х/5хх включает высокопроизводительные контроллеры с расширенной системой команд и обширной периферией. Микроконтроллеры этого се­мейства имеют встроенный аппаратный умножитель 8x8, выполняющий операцию умножения за один машинный цикл;

• PIC18Cxxx - новое семейство МК с оптимизированным под использование C-компилятора с RISC-ядром и частотой внутренней шины до 10 МГц.

Микроконтроллеры фирма Atmel. Эта фирма производит два семейства МК: семейство АТ89, совместимое с фактическим промышленным контроллером MCS-51, и семейство высокопроизводительных RISC-микроконтроллеров AT90 собственной архитектуры.

Характерной особенностью микроконтроллеров фирмы Atmel является Flash память программ, что обеспечивает быстроту программирования и уменьшение цикла разработки приложений.

В 1997 г. фирма представила контроллеры семейства AVR AT90S, который содержал:

• мощный RISC-процессор с гарвардской архитектурой, обеспечивающей раздельный доступ к памяти программ и данных;

• АЛУ с аппаратным умножителем, 32 регистра общего назначения, порты, таймеры-счетчики, последовательные интерфейсы, АЦП, аналоговые компараторы;

• базовый набор из 120 команд, большинство которых выполняется за один машинный цикл. Производительность ряда моделей составляет 20 MIPS.

Микроконтроллеры AVR подразделяются на три серии:

• tiny AVR — МК в 8-выводном корпусе низкой стоимости;

• classic AVR — основная серия контроллеров с производительностью до 16 MIPS, имеющих Flash память программ объемом до 8 Кбайт и статическое ОЗУ данных 128...512 байт;

• mega AVR — МК с производительностью до 6 MIPS для сложных приложений, требующих большого объема памяти (Flash ПЗУ до 128 Кбайт), ОЗУ до 4 Кбайт.

Контроллеры фирмы Scenix Semiconductor. Продукцией этой фирмы являются высокоскоростные 8-разрядные микроконтроллеры SX с внутренней Flash памятью программ объемом 2К слов. Они выполнены с использованием статической КМОП технологии, обеспечивающей работу при тактовых частотах от 0 до 50 МГц. Их производительность достигает 50 MIPS. Аппаратные периферий­ные устройства могут быть заменены программными модулями. Такие модули, называемые виртуальными периферийными устройствами, позволяют уменьшить число компонентов и время разработки, увеличить гибкость проектов и, в конеч­ном счете, стоимость системы.

Контроллеры фирмы Zilog. Фирма Zilog выпускает развитое семейство универсальных микроконтроллеров Z8, а также специализированные микроконтроллеры для дистанционного управления на инфракрасных лучах, контроллеры клавиатуры/мыши, контроллеры обработки голоса, цифровые телевизионные контроллеры, контроллеры с цифровыми сигнальными процессорами (DSP). Микроконтроллеры фирмы Zilog с DSP являются недорогим вариантом для го ряда задач по обработке сигналов.

Контроллеры фирмы Holtek. Микроконтроллеры базируются на эффективном RISC-подобном ядре и ориентированы на использование в качестве контроллеров вентиляторов, светильников, стиральных машин, игрушек и других устройств. Контроллеры имеют невысокую стоимость. Одной из основных отличительных особенностей ряда микроконтроллеров является наличие моделей с встроенными драйверами ЖКИ, что обеспечивает возможность построения оптимальных устройств с дисплейными функциями.

Контроллеры фирмы Analog Devices. Семейство микроконтроллеров MicroConverter этой формы, соединяющих модули АЦП, ЦАП и микропроцессорное ядро, совместимое с MCS-51™ с Flash-памятью программ, представляют собой идеальное решение для полноценных систем сбора данных.