Реферати українською » Коммуникации и связь » Класифікація та структура мікроконтролерів


Реферат Класифікація та структура мікроконтролерів

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Зміст

Запровадження

1. Загальна частина

1.1 Класифікація і структурамикроконтроллеров

1.2 Структура процесорного ядрамикроконтроллеров

2. Спеціальна частина

2.1CISC іRISC архітектура процесора

2.2RISC- архітектура

2.3Микроконтроллер зRISC архітектурою

Укладання

Список використовуваної літератури


Запровадження

>Микроконтроллер (>MCU) — мікросхема, призначена керувати електронними пристроями. Типовиймикроконтроллер поєднує у собі функції процесора і в периферійних пристроїв, може міститиОЗУ і ПЗУ. Власне, це однокристальний комп'ютер, здатний виконувати прості завдання. Використання однієї мікросхеми, замість цілого набору, як у звичайних процесорів, застосовуваних персональні комп'ютери, істотно знижує розміри, енергоспоживання і вартість пристроїв, побудованих з урахуванняммикроконтроллеров.Микроконтроллери є підвалинами побудови які вбудовуються систем, їх можна перестріти в багатьох сучасних приладах, як-от телефони, пральні машини та т. п. Термін «>микроконтроллер» (МК) витіснив з ужитку раніше який використовували термін «>однокристальнаямикро-ЭВМ». Перша ж патент наоднокристальнуюмикро-ЭВМ було видано 1971 року інженерам М.Кочрену і Р.Буну, співробітникам TexasInstruments. Саме вони запропонували однією кристалі розмістити як мікропроцесор, а й пам'ять, устрою вводу-виводу. З появоюоднокристальнихмикро-ЭВМ пов'язують початок ери комп'ютерної автоматизації у сфері управління. Очевидно, цю обставину й визначив термін «>микроконтроллер» (control — управління). У 1979 року НДІ ТТ розробилиоднокристальную16-разрядную ЕОМК1801ВЕ1, архітектура якої називалася «ЕлектронікаНЦ». У 1980-х року фірма Intel випускаємикроконтроллерi8048. Згодом у 1970-му Intel випускає наступниймикроконтроллер:i8051. Вдалий набір периферійних пристроїв, можливість гнучкого вибору зовнішньої або внутрішньої програмної пам'яті і прийнятна ціна забезпечили цьомумикроконтроллеру успіхом ринку. З погляду технологіїмикроконтроллерi8051 був для свого часу дуже складним виробом — в кристалі було використане 128 тис. транзисторів, що у 4 разу перевищувала кількість транзисторів в16-разрядноммикропроцессореi8086.

Сьогодні існує 200 модифікаціймикроконтроллеров, сумісних зI8051, випущених двома десятками компаній, і багатомикроконтроллеров інших типів. Популярні в розробників користуються8-битниемикроконтроллериPIC фірмиMicrochip Technology іAVR фірмиAtmel,шестнадцатибитниеMSP430 фірмиTI, і навітьARM, архітектуру яких розробляє фірмаARM і продає ліцензії іншим фірмам їх, процесорів —микроконтроллери.

Під час проектуваннямикроконтроллеров доводиться дотримуватися баланс між розмірами та вартістю з одного сторони, і гнучкістю і продуктивністю з іншого. Для різних додатків оптимальне співвідношення цієї й інших параметрів може різнитися дуже. Тому дуже багато типівмикроконтроллеров, відмінних архітектурою процесорного модуля, розміром і типом вбудованої пам'яті, набором периферійних пристроїв, типом корпуси та т. буд.


1. Загальна частина

1.1 Класифікація і структурамикроконтроллеров

Нині випускається низку типів МК. Всі ці прилади можна умовно розділити втричі основних класу:

-8-разрядние МК для які вбудовуються додатків;

- 16- і32-разрядние МК;

- цифрові сигнальні процесори (>DSP).

Найпоширенішим представником сімейства МК є8-разрядние прилади, широко використовувані у промисловості, побутової й комп'ютерної техніці. Вони випали на її розвитку шлях від найпростіших приладів з відносно слаборозвиненою периферією до сучасних багатофункціональних контролерів, які забезпечують реалізацію складних алгоритмів управління у реальному масштабі часу. Причиною життєздатності8-разрядних МК є використання їх задля управління реальними об'єктами, де застосовуються, переважно, алгоритми з величезним переважанням логічних операцій, швидкість обробки яких слабко від розрядності процесора.

Зростанню популярності8-разрядних МК сприяє постійне розширення номенклатури виробів, випущених такими відомими фірмами, як Motorola,Microchip, Intel,Zilog,Atmel і багатьма іншими. Сучасні8-разрядние МК мають, зазвичай, поруч характерних ознак. Перерахуємо основні їх:

- модульна організація, коли він з урахуванням одного процесорного ядра (центрального процесора) проектується ряд (лінійка) МК, різняться обсягом і типом пам'яті програм, обсягом пам'яті даних, набором периферійних модулів, частотою синхронізації;

- використання закритою архітектури МК, що характеризується відсутністю ліній магістралей адреси - й даних на висновках корпусу МК. Отже, МК є закінчену систему обробки даних, нарощування можливостей якої з допомогою паралельних магістралей адреси - й даних не передбачається;

- використання типових функціональних периферійних модулів (таймери, процесори подій, контролери послідовних інтерфейсів,аналого-цифровие перетворювачі та інших.), мають незначні відмінностей у алгоритми роботи у МК різних виробників;

- розширення числа режимів роботи периферійних модулів, які задаються у процесі ініціалізації регістрів спеціальних функцій МК.

При модульній принципі побудови все МК одного сімейства містятьпроцессорное ядро, однакове всім МК даного сімейства, іизменяемий функціональний блок, який відрізняє МК різних моделей.Процессорное ядро включає у собі:

- центральний процесор;

- внутрішню контролерну магістраль (>ВКМ) у складі шин адреси, даних, і управління;

- схему синхронізації МК;

- схему управління режимами роботи МК, включаючи підтримку режимів зниженого енергоспоживання, початкового запуску (скидання) тощо.

>Изменяемий функціональний блок включає у собі модулі пам'яті різних типів і обсягу, портиввода/вивода, модулі тактових генераторів (Р), таймери. У щодо простих МК модуль обробки переривань входить до складу процесорного ядра. У складних МК він належить до окремий модуль з розвиненими можливостями. До складу змінюваного функціонального блоку можуть входити і ті додаткові модулі яккомпаратори напруги,аналого-цифровие перетворювачі (>АЦП) та інші. Кожен модуль проектується до роботи на складі МК з урахуванням протоколуВКМ. Цей підхід дає змогу створювати різноманітні структурою МК у межах сімейства.

1.2 Структура процесорного ядрамикроконтроллера

Основними характеристиками, визначальними продуктивність процесорного ядра МК, є:

- набір регістрів для зберігання проміжних даних;

- система команд процесора;

- способи адресаціїоперандов у просторі пам'яті;

- організація процесів вибірки і виконання команди.

З погляду системи команд та способів адресаціїоперандовпроцессорное ядро сучасних8-разрядних МК реалізує одне із двох принципів побудови процесорів:

- процесори зCISC-архитектурой, реалізують так звану повну систему команд (>ComplicatedInstructionSet Computer);

- процесори зRISC-архитектурой, реалізують скорочену систему команд (>ReducedInstructionSet Computer).

>CISC-процессори виконують великий набір команд з розвиненими можливостями адресації, даючи розробникові вибрати найвдалішу команду до виконання необхідної операції. У застосування до8-разрядним МК процесор зCISC-архитектурой може матиоднобайтовий,двухбайтовий ітрехбайтовий (рідкочетирехбайтовий) формат команд. Час виконання команди їх може становити від 1 до 12 циклів. До МК зCISC-архитектурой ставляться МК фірми Intel з ядромMCS-51, підтримуваних нині цілу низку виробників, МК сімействНС05,НС08 іНС11 фірми Motorola й інших.

У процесорах зRISC-архитектурой набір виконуваних команд скорочено до мінімуму. Задля реалізації складніших операцій доводиться комбінувати команди. У цьому все команди мають формат фіксованою довжини (наприклад, 12, 14 чи 16 біт), вибірка команди з пам'яті і його виконання здійснюється за цикл (такт) синхронізації. Система командRISC-процессора припускає можливість рівноправного використання всіх регістрів процесора. Це забезпечує додаткову гнучкість і під час низки операцій. До МК зRISC-процессором ставляться МКAVR фірмиAtmel, МКPIC16 іPIC17 фірмиMicrochip та інші.

На погляд, МК зRISC-процессором повинен мати вищу продуктивність протиCISC МК при одному й тому ж тактовою частоті внутрішньої магістралі. Проте за практиці питання продуктивності складніший і неоднозначний.

З погляду організації процесів вибірки і виконання команди у сучасних8-разрядних МК застосовується одне з двох вже згадуваних архітектур МШС:фон-неймановская (>принстонская) чи гарвардська.

Основне перевагу архітектуриФон-Неймана – спрощення устрою МШС, оскільки реалізується обіг лише лише до спільної па-м'яті. З іншого боку, використання єдиної області пам'яті дозволяло оперативно перерозподіляти ресурси між областями програм, тож даних, що дуже підвищувало гнучкість МШС з погляду розроблювача програмного забезпечення. Розміщення стека у спільній пам'яті полегшувало доступом до його вмісту. Не випадково томуфон-неймановская архітектура стало основним архітектурою універсальних комп'ютерів, включаючи персональні комп'ютери.

Гарвардська архітектура майже використовувалася остаточно 1970-х років, поки виробники МК не зрозуміли, що вона дає певні переваги розробникам автономних системам управління.

Річ у тім, що, судячи з досвіду використання МШС керувати різними об'єктами, для реалізації більшості алгоритмів управління такі перевагифон-неймановской архітектури як гнучкість і універсальність немає великого значення. Аналіз реальних програм управління показав, що необхідний обсяг пам'яті даних МК, використовуваний для зберігання проміжних результатів, зазвичай, менше необхідного обсягу пам'яті програм. У умовах використання єдиного адресного простору зумовлювало збільшення формату команд рахунок збільшення числа розрядів для адресаціїоперандов. Застосування окремої невеличкий за обсягом пам'яті даних сприяло скорочення довжини команд і прискоренню пошуку інформацією пам'яті даних.

З іншого боку, гарвардська архітектура забезпечує потенційно вищу швидкість виконання програми з порівнянню зфон-неймановской з допомогою можливості реалізації паралельних операцій. Вибірка наступній команди може статися разом з виконанням попередньої, і немає необхідності зупиняти процесор тимчасово вибірки команди. Цей метод реалізації операцій дозволяє забезпечувати виконання різних команд за однакове число тактів, що дозволяє простіше визначити час виконання циклів і критичних ділянок програми.

Більшість виробників сучасних8-разрядних МК використовують гарвардську архітектуру. Проте гарвардська архітектура є недостатньо гнучкою для реалізації деяких програмних процедур. Тому порівняння МК, виконаних з різнихархитектурам, слід проводити стосовно конкретному додатку.

Нині найяскравішими представникамимикроконтроллеровSISC іRISC, мають відповіднофон-неймановскую і гарвардську архітектури ємикроконтроллериi8051 іAVR –микроконтроллери фірмиAtmel, котрі за ряду характеристик перевершили широковідоміPIC –микроконтроллери. Тому розглянемо організацію та влитися пристрій перелічених вище представників.


2. Спеціальна частина

2.1CISC іRISC архітектура процесора

Двома основними архітектурами набору команд, використовуваними комп'ютерної промисловістю на сучасному розвитку обчислювальної техніки, є архітектуриCISC іRISC.ОсновоположникомCISC-архитектури – архітектури які з набором команд (>CISC –CompleteInstructionSet Computer) вважатимуться фірму IBM з її базової архітектуроюIBM/360, ядро якої використовується з 1964 р. і сягнуло нашого часу, наприклад, в сучаснихмейнфреймах, як IBMES/9000.

Лідером з розробки мікропроцесорів які з набором команд вважається компанія Intel з мікропроцесорамиX86 і Pentium. Це також стандарт на ринку мікропроцесорів.

Простота архітектуриRISC-процессора забезпечує його компактність, відсутність проблеми з охолодженням кристала, чого немає у процесорах фірми Intel, завзято яка дотримується шляхів розвитку архітектуриCISC. Формування стратегіїCISC-архитектури сталося з допомогою технологічної можливості перенесення "центру ваги" обробки даних із програмного рівня системи на апаратний, бо основною шлях підвищення ефективності дляCISC-компьютера бачився, насамперед, спрощення компіляторів і мінімізації виконуваного модуля. СьогодніCISC-процессори майже монопольно займають на комп'ютерному ринку сектор персональних комп'ютерів, протеRISC-процессорам немає рівних можливостей у секторі високопродуктивних серверів і тимчасових робочих станцій.

Основні рисиRISC-архитектури з характером рисамиCISC-архитектури відбиваються так (табл.1):


Таблиця1.Основние риси архітектури

>CISC- архітектура >RISC-архитектура
>Многобайтовие команди >Однобайтовие команди
Мале кількість регістрів Багато регістрів
Складні команди Прості команди
Одна більш-менш команд за цикл процесора Кілька команд за цикл процесора
Традиційно одне виконавче пристрій Кілька виконавчих пристроїв

Однією з важливих перевагRISC-архитектури є висока швидкість арифметичних обчислень.RISC-процессори першими досягли планки найбільш поширеного стандарту IEEE 754, який встановлює32-разрядний формат до подання чисел з фіксованою точкою і64-разрядний формат "повної точності" для чисел з плаваючою точкою. Висока швидкість виконання арифметичних операцій на поєднані із високої точністю обчислень забезпечуєRISC-процессорам безумовне лідерство по швидкодії тоді якCISC-процессорами.

Інший особливістюRISC-процессоров є комплекс коштів, які забезпечують невпинну роботу арифметичних пристроїв: механізм динамічного прогнозування розгалужень, дуже багато оперативних регістрів, багаторівнева вбудована кеш-пам'ять.

Організація реєстрової структури – основне гідність і полягала основна проблемаRISC. Практично будь-яка реалізаціяRISC-архитектури використовує тримісні операції обробки, у яких результат і двоєоперанда мають самостійну адресацію –R1 : =R2,R3. Це дозволяє без істотних витрат часу вибратиоперанди з адресованих оперативних регістрів та не записати в регістр результат операції. З іншого боку, тримісні операції дають компілятору більшої гнучкості проти типовими двомісними операціями формату "регістр – пам'ять" архітектуриCISC. У поєднанні з швидкодіючої арифметикоюRISC-операции типу "регістр – регістр" стають дуже сильним засобом підвищення продуктивності процесора.

Разом про те опора на регістри є ахіллесовою п'ятоїRISC-архитектури. Проблемою є те, у процесі виконання завданняRISC-система неодноразово змушена оновлювати вміст регістрів процесора, причому за мінімальне час, ніж викликати тривалих простоїв арифметичного устрою. ДляCISC-систем цю проблему немає, оскільки модифікація регістрів може статися і натомість обробки команд формату "пам'ять – пам'ять".

Існують два підходу до розв'язання проблеми модифікації регістрів вRISC-архитектуре: апаратний, запропонований в проектахRISC-1 іRISC-2, і програмний, розроблений фахівцямиIВМ і Стендфордського університету. Принципова відмінність між ними у тому, що апаратне рішення грунтується на прагненні зменшити час виклику процедур з допомогою установки устаткування процесора, тоді як програмне рішення виходить з можливостях компілятора і є економічним з погляду апаратури процесора.

2.2RISC-архитектура

У роки ХХ століття вчені висунули революційну на той час ідею створення мікропроцесора, "розуміє" тільки можливу кількість команд.

ЗадумRISC- процесора (>ReducedInstructionSet Computer, комп'ютер зі скороченою набором команд) народився результаті практичних досліджень частоти використання команд програмістами, проведених у 70-ті роки до й Англії. Їх безпосередній підсумок - відоме "правило 80/20": в 80% коду типовою прикладної програми використовується лише 20% найпростіших машинних команд з усього доступного набору.

Перший "справжній"RISC-процессор з 31 командою створили під керівництвом ДевідаПаттерсона з університету Берклі, потім був процесор з набором з 39-ти команд. Вони включали у собі 20-50 тис. транзисторів.Плодами працьПаттерсона скористалася компанія Sun Microsystems, розробила архітектуруSPARC з 75 командами наприкінці 1970-х років. 1981-го р. вСтанфордском університеті стартував проектMIPS з випускуRISC-процессора з 39 командами. У результаті було заснована корпораціяMips Computer у середині 80-х і сконструйовано наступний процесор вже з 74 командами.

За даними незалежної компанії IDC, 1992 року архітектураSPARC займала 56% ринку, далі йшлиMIPS - 15% іPA-RISC - 12,2%

Приблизно водночас Intel розробила серію 80386, останніх "істинних"CISC-процессоров у сімействіIA-32. Востаннє підвищення продуктивності було досягнуто тільки завдяки традиційному ускладнення архітектури процесора: з16-разрядной вона перетворилася на32-разрядную, додаткові апаратні компоненти підтримували віртуальну пам'ять, і додався низку нових команд.

Основні особливостіRISC-процессоров:

> Скорочений набір команд (від 80 до 150 команд).

> Більшість команд виконується за 1 такт.

> Багато регістрів загального призначення.

> Наявність жорстких багатоступінчастих конвеєрів.

> Усі команди мають простий формат, й закони використовують деякі способи адресації.

> Наявність місткої роздільної кеш-пам'яті.

> Застосування які оптимізують компіляторів, які аналізують вихідний код і лише частково змінюють порядок прямування команд.

>RISC-процессори 3-го покоління

Найбільшими розробникамиRISC-процессоров вважаються Sun Microsystems (архітектураSPARC -UltraSPARC), IBM (>многокристальние

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація