Материал: Разъяснение характеристик микроконтроллеров и принципов их действия

.8 Модуль АЦП

В состав микроконтроллеров семейства 68НС12 входит 8- или 10-разрядный АЦП последовательного приближения, который имеет 8 или 16 входных каналов. АЦП реализует 8 различных режимов преобразования. При работе в режимах без сканирования каналов АЦП отключается по окончании процесса преобразования. В режимах со сканированием каналов АЦП функционирует непрерывно, последовательно обслуживая входные каналы. Для работы АЦП не требуется подключение дополнительных внешних цепей. Опорное напряжение подаётся на соответствующие выводы процессора. Имеется также возможность подачи напряжения питания АЦП от отдельного стабилизированного источника

.9 Средства отладки и программирования микроконтроллеров 68НС12

Для микроконтроллеров семейства 68НС12 существует достаточное количество средств разработки, поставляемых как компанией Motorola, так и третьими фирмами. Компания Motorola предлагает два вида программно-аппаратных средств отладки: набор отладочных плат и устройство для внутрисхемной отладки по последовательному интерфейсу SDI. Отладочные платы, выпускаемые для каждой модели микроконтроллера, предназначены для макетирования разрабатываемой системы и отладки программ пользователя, написанных для данного микроконтроллера. В качестве примера можно указать платы 68EVB912B32, M68HC812A4EVB и M68KIT912DG128, предназначенные для работы с микроконтроллерами 68HC912B32, 68HC812A4 и 68HC912DG128, соответственно. Они содержат микроконтроллер, набор периферийных модулей и встроенный монитор, с помощью которого осуществляется связь отладочной платы с терминалом через один из последовательных портов микроконтроллера. Платы могут использоваться в качестве прототипной системы, для чего на них имеется монтажное поле. Интерфейс SDI использует внутренние средства отладки (режим BDM), реализованные в микроконтроллерах семейства 68HC12. В состав интерфейса входят кабель с адаптером, который подключается к BDM-порту микроконтроллера и COM-порту компьютера. Программное обеспечение интерфейса позволяет выполнять внутрисхемную отладку и программирование микроконтроллера. Аналогичные средства отладки поставляются рядом других фирм. Например, немецкая фирма Electronic Laden поставляет микроконтроллерные платы (например, Card12.D60), которые содержат различные модели микроконтроллеров семейства 68HC12 и схемы, необходимые для реализации необходимых интерфейсов. Среди производителей программных средств отладки для семейства 68HC12 cледует отметить компании Cosmic Software и Hiware. Компания Cosmic Software предлагает кросс-компилятор Си и отладчик ZAP. Эти программы имеют удобный интерфейс пользователя и работают в среде Windows95/98. Компания Hiware предлагает макроассемблеры (HI300301), компиляторы языков Си (HI200301) и Си++ (HI200311), симуляторы (HI400816, HI400843, HI400844) и отладчики (HI400800, HI400801 HI400822), работающие с аппаратными средствами различных производителей. Эффективным и недорогим средством разработки и отладки систем на базе микроконтроллеров семейства 68HC12 является аппаратно-программный комплекс 68HC12DK, разработанный в научно-методическом центре Моторола-Микропроцессорные системы МИФИ. Основой комплекса является BDM-адаптер, который обеспечивает взаимодействие системы отладки, реализованной на базе компьютера, и платы пользователя. Адаптер подключается к компьютеру по интерфейсу RS-232 и выполняет трансляцию команд системы отладки в команды BDM-режима, которые управляют работой отлаживаемой системы, реализуемой на базе микроконтроллера 68НС12. Интегрированный отладчик HC12Debug, входящий в состав комплекса, отображает в удобной форме все ресурсы процессора и содержимое ячеек внешней памяти при работе в расширенном режиме. Содержимое регистров процессора и памяти отображается в отдельных окнах, число которых ограничено только возможностями подсистемы памяти компьютера. Пользователь может изменять содержимое регистров или ячеек памяти. Являясь интегрированной оболочкой, HC12Debug обеспечивает возможность редактирования исходного текста на языке ассемблера и его компиляции. Вместе с комплексом поставляется стандартный ассемблер, однако при желании, к HC12Debug можно подключить любой другой ассемблер. После компиляции производится загрузка программы в память микроконтроллера или в микросхемы внешней памяти, установленные в системе, для её дальнейшей отладки. Комплекс обеспечивает стандартный набор функций отладки: прогон программы, отладка по шагам, использование точек останова и другие. В экранных окнах отображается состояние ресурсов процессора, дизассемблированный код программы, значения переменных. Для повышения эффективности и ускорения процесса разработки систем на базе семейства 68HC12 служит плата развития 68HC812A4DB, которая в совокупности с BDM-адаптером и HC12Debug позволяет производить макетирование систем и отладку аппаратного и программного обеспечения. Плата размером 130x110 мм. содержит микроконтроллер МС68НС812А4, внешнюю память объёмом до 2 Мб (ОЗУ, ПЗУ или смешанная), два порта, обеспечивающих обмен по интерфейсу RS-232, и микросхему программируемой логики EPM7032SLC44, реализующую необходимые системные сигналы. Для удобства подключения периферийных устройств все основные сигналы микроконтроллера выведены на внешние разъёмы, что даёт возможность использовать плату 68HC812A4DB в качестве модуля управления в разрабатываемой системе. В режиме отладки плата развития соединяется с системой отладки посредством BDM-адаптера Установка требуемого режима микроконтроллера осуществляется с помощью перемычек, расположенных на плате. На рисунке 5 показан внешний вид платы 68HC812A4DB в процессе отладки разрабатываемой системы. Вместе со средствами программного контроля состояния системы при отладке используются специализированные инструментальные средства - осциллограф смешанных сигналов HP5464D и программируемый генератор сигналов HP33120A производства компании Agilent Technologies. Осциллограф HP5464D, который содержит синхронно работающие двухканальный цифровой осциллограф с полосой пропускания 100 МГц и 16-канальный логический анализатор с частотой дискретизации 400 МГц и глубиной контроля до 2 М точек, обеспечивает одновременный контроль логического состояния и значений аналоговых сигналов в различных точках системы. Этот прибор позволяет определять причины возникновения помех на шинах питания, выявлять наличие импульсных помех в линиях связи, контролировать совместную работу аналоговых и цифровых устройств, отлаживать процедуры последовательного обмена данными при искажении формы передаваемых сигналов, а также решать многие другие проблемы, которые трудно разрешимы другими способами. Аппаратно-программный комплекс 68HC12DK является универсальным средством, который можно эффективно использовать для создания прототипов проектируемых систем на базе микроконтроллеров 68HC12, разработки и отладки их программного обеспечения. Комплекс может также служить для изучения микроконтроллеров этого семейства и практического освоения работы с ними, а плата развития 68HC812A4DB может применяться в качестве одного из рабочих модулей разрабатываемой системы.

Рисунок 5

3 Семейство микроконтроллеров Intel

.1 Микроконтроллеры семейства MCS-51

микроконтроллер motorola intel

У истоков производства микроконтроллеров стоит фирма Intel с семействами восьмиразрядных микроконтроллеров 8048 и 8051. Архитектура MCS-51 получила свое название от первого представителя этого семейства - микроконтроллера 8051, выпущенного в 1980 году на базе технологии HMOS. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер 8051 являлся для своего времени очень сложным изделием - в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре 8086. Именно этот микроконтроллер наиболее хорошо известен разработчикам и является популярным средством управления в устройствах самого широкого круга. Имеется множество эмуляторов, отладчиков и программаторов микросхем 8051, поэтому с разработкой программного обеспечения нет никаких трудностей. Следующим принципиальным шагом в развитии MCS-51 стал перевод технологии изготовления на CHMOS. Это позволило реализовать режимы Idle и Power Down, позволившие резко снизить энергопотребление кристалла и открывшие дорогу к применению микроконтроллера в энергозависимых приложениях, например, в автономных приборах с батарейным питанием. И последним принципиальным этапом развития этого направления фирмой Intel в рамках 8-битной архитектуры стал выпуск микроконтроллеров 8xC51FA/FB/FC, которые для краткости часто обозначаются как 8xC51FX. Главной отличительной особенностью этой группы кристаллов является наличие у них массива программируемых счетчиков (PCA). Структурная схема PCA представлена на рисунке 6

Рисунок 6

Выполнение всех перечисленных функций происходит в PCA на аппаратном уровне и не загружает центральный процессор, что позволяет повысить общую пропускную способность системы, повысить точность измерений и отработки сигналов и снизить время реакции микроконтроллера на внешние события, что особенно важно для систем реального времени. Реализованный в 8xC51FX PCA оказался настолько удачным, что архитектура микроконтроллеров FX стала промышленным стандартом де-факто, а сам PCA многократно воспроизводился в различных модификациях микроконтроллеров разных фирм.

.2 Микроконтроллеры семейства MCS-251

Изначально наиболее "узкими" местами архитектуры MCS-51 были 8-разрядное АЛУ на базе аккумулятора и относительно медленное выполнение инструкций (для выполнения самых быстрых инструкций требуется 12 периодов тактовой частоты). Это ограничивало применение микроконтроллеров семейства в приложениях, требующих повышенного быстродействия и сложных вычислений (16- и 32- битовых). Насущным стал вопрос принципиальной модернизации старой архитектуры. Проблема модернизации осложнялась тем, что к началу 90-х годов уже была создана масса наработок в области программного и аппаратного обеспечения, и одной из основных задач разработки новой архитектуры была реализация аппаратной и программной совместимости со старыми разработками на базе MCS-51. Для решения этой задачи была создана совместная группа из специалистов компаний Intel и Philips. В результате в 1995г. появилось 2 существенно отличающихся семейства: MCS-251/151 у Intel и 51XA у Philips (на последнем мы остановимся ниже) Перед использованием микроконтроллера его необходимо сконфигурировать, т.е. с помощью программатора "прожечь" конфигурационные байты, определяющие, какой из наборов инструкций станет активным после включения питания. Если установить набор инструкций MCS-51, то в этом случае MSC-251 будет совместим с MCS-51 на уровне двоичного кода. Такой режим называется Binary Mode. Однако расширенные инструкции в этом режиме также доступны через "форточку" - зарезервированный код инструкции 0A5h. Естественно, длина каждой расширенной инструкции увеличивается в таком случае на 1 байт. Если же изначально установить набор расширенных инструкций, то в этом случае программы, написанные для MCS-51 потребуют перекомпиляции на кросс-средствах для MCS-51, т.к. теперь уже стандартные инструкции будут доступны через ту же "форточку" 0A5h и длина их также увеличится на 1 байт. Такой режим называется Source Mode. Он позволяет с максимальной эффективностью использовать расширенные инструкции и достигнуть наибольшего быстродействия, но требует переработки программного обеспечения Для пользователей, ориентированных на применение микроконтроллеров MCS-251 в качестве механической замены MCS-51 фирма Intel выпускает микроконтроллеры MCS-251 с уже запрограммированными битами конфигурации в состоянии Binary Mode. Такие микроконтроллеры получили индекс MCS-151. Помимо самой Intel микроконтроллеры MCS-251 по ее лицензии выпускает компания Temic Semiconductors

3.3 Микроконтроллеры семейства MCS-96

фирмы Intel предназначены для использования в контрольно-измерительных системах и приборах в качестве встраиваемых микропроцессорных устройств. Основными достоинствами микроконтроллеров семейства MCS-96, является:

) Расширенная Разрядная сетка, позволяющая выполнять операции с данными, представленными в формате "байт" (8 бит) и формате "слово" (16 бит), а некоторые операции - в формате "двойное слово" (32 бита);

) Для чисел со знаком и без знака при разных форматах представления данных, операции сдвига на заданное число разрядов, операции групповой пересылки;

) Совершенная система команд, имеющая в своем составе двухадресные и трехадресные команды арифметических и логических операций с различными способами адресации, что позволяет создавать компактные и быстродействующие программы;

) Многообразие расположенных на кристалле периферийных устройств, выполняющих функции ввода и вывода данных, событий и аналоговых сигналов, обслуживания запросов прерывания без прерывания текущей программы, контроля правильности функционирования микроконтроллера, что позволяет разрабатывать малогабаритные и надежные устройства с минимальным числом дополнительных микросхем;

) Наличие большого число программных и программно-аппаратных средств поддержки разработки аппаратуры на базе микроконтроллеров семейства MCS-96

.4 Микроконтроллеры INTEL MCS 196/296

Высокопроизводительные 16-разрядные микроконтроллеры для решения задач встроенного управления оборудованием: от изделий бытовой техники, периферийных устройств ЭВМ до автомобильной и самолетной электроники. В семейство MCS-196 фирмы Intel (иногда используется и название 80C196) входит более 30 разновидностей микроконтроллеров. Это 16-разрядные, быстродействующие ИС высокой степени интеграции, ориентированные на решение задач управления процессами в реальном масштабе времени. Типичные области применения для этих микроконтроллеров - управление двигателями, модемы, тормозные системы, контроллеры жестких дисков, медицинское оборудование. История MCS-196 насчитывает более 12 лет. За это время специалисты фирмы Intel увеличили адресное пространство с 64 КБайт до 6 Мбайт, повысили тактовую частоту с 10 до 50 МГц, улучшили быстродействие в 16 раз и добились понижения цены на кристалл примерно в 4 раза. Микроконтроллеры 80C196 фактически стали индустриальным стандартом для 16-разрядных встроенных систем управления, обеспечивая сочетание высоких технических показателей и экономической эффективности. Например, именно благодаря этим микроконтроллерам, установленным в системе управления зажиганием, специалистам концерна Ford удалось существенно снизить потребление топлива, уменьшить выбросы вредных веществ и одновременно повысить скоростные характеристики своих машин

.5 Особенности микроконтроллеров семейства MCS-196 фирмы INTEL

C196 имеет всего одно адресное пространство, в котором находятся и инструкции, и данные Система команд существенно проще и удобнее, чем, например, у 8051 или PIC-контроллеров. Конечно, 80C196 содержит больше периферийных узлов, чем более простые, 8-разрядные микроконтроллеры. Однако каждый из этих узлов не является более сложным. Более того, большое количество встроенных периферийных узлов придает кристаллу 80C196 дополнительную гибкость, а гибкость - ключ к решению сложных задач простыми средствами. 80C196 имеет существенно более высокое быстродействие, чем 8-разрядные микроконтроллеры и потребляет больше энергии. Но кристаллы 80C196 изготавливаются по КМОП-технологии. А это значит, что при понижении тактовой частоты энергопотребление снижается по практически линейному закону. Итак, если некоторая прикладная задача может быть решена при помощи 8-разрядного микроконтроллера, то ее можно решить и при помощи 80C196, работающего на пониженной тактовой частоте. При этом энергопотребление 80C196 будет слабо отличаться от потребления 8-разрядного микроконтроллера, работающего на своей номинальной частоте, и может быть даже меньшим.

.6 Почему 80C196 быстрее, чем 8051?

Все 232 внутренних регистра 80C196 имеют статус "аккумуляторов" - к ним можно непосредственно применять все необходимые арифметические и логические операции. У 8051 для достижения тех же результатов зачастую необходимо выполнять дополнительные пересылки в аккумулятор и из него. У 80C196 можно использовать 16-разрядную внешнюю шину. Кроме того, цикл шины 80C196 в 3-4 раза короче, чем у 8051. В результате, 80C196 в 6-8 раз быстрее работает с внешней памятью. Отметим, что, для того, чтобы снизить стоимость изделий, можно вводить в шину циклы ожидания и сократить ее ширину до 8-ми бит; но даже в этом случае 80C196 будет иметь преимущество в 2-3 раза. В задачах, требующих 16- и 32-разрядных вычислений, 80C196 примерно на порядок быстрее, поскольку имеет полноценный набор 16-разрядных арифметических инструкций. Одним из самых эффективных способов сокращения времени разработки программ для микроконтроллеров является применение языка Си. Язык Си базируется на широком использовании стека и указателей. Однако для 8051 использование Си затруднено и ведет к большим накладным расходам, и вот почему. Поскольку 8051 имеет небольшой стек, Си-компиляторы для 8051 генерируют дополнительный код, эмулирующий большой стек во внешней памяти данных. Вдобавок 8051 имеет всего один 16-разрядный указатель - DPTR, и компиляторам также приходится генерировать дополнительный код, чтобы компенсировать этот недостаток. Все это приводит к замедлению программ и увеличению их размера. У 80C196 таких проблем нет - стек имеет размер до 64 КБайт, а в качестве указателя можно использовать любое из 116 слов встроенной регистровой памяти.

.7 Семейство контроллеров Универсальной последовательной шины 8x930

Универсальная последовательная шина (Universal Serial Bus или USB), распространяет технологию Plug-and-Play на внешние устройства ввода/вывода, применяемые на современных высокопроизводительных персональных компьютерах. Для того, чтобы обеспечить возможность подключения разнообразных периферийных устройств, в стандарте USB определены четыре режима передачи: Управляющий, Изохронный, Импульсный и передача массивов. Каждое периферийное устройство должно поддерживать управляющий режим для передачи параметров конфигурации, команд и информации о состоянии устройства. Изохронная передача обеспечивает гарантированный доступ к шине, постоянную пропускную способность и устойчивость к ошибкам, этот режим передачи может применяться в устройствах аудиовывода и компьютерной телефонии. Импульсная передача предназначена для устройств ввода типа мыши, джойстика или клавиатуры, передающих информацию редко и небольшими порциями, но с ограниченным периодом обслуживания. Передача массивов позволяет устройствам типа сканеров, факсов или цифровых камер передавать большие массивы данных в персональный компьютер, как только освобождается канал шины.

Заключение

Цель курсовой работы была, разъяснение характеристик микроконтроллера и принцип действия.

Список литературы

1) Ахметов М. 16-разрядные микроконтроллеры Hitachi, Mitsubishi, Motorola, NEC, Toshiba // Chip News.

)Шагурин И.И. Микропроцессоры и микроконтроллеры фирмы MOTOROLA. - М.: Радио и связь. - 1998. - 560 с.

) https://ru.wikipedia.org

) http://dfe.karelia.ru

) «Основы микропроцессорной техники». Авторы Ю.В. Новиков и

П.К Скоробогатов.

) «Архитектура вычислительных систем» Москва «Радио и связь» 1990г.

Автор А.Д. Смирнов.

) «Электронно-вычислительные машины и системы» Москва «Радио и связь»1991г. авторы Б.М.Каган.

) Сташин В.В., Урусов А.В., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 224 с.

) Куприянов М.М. Матюшкин Б.д. цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования. Политехника, СПб., 2000.

) Щелкунов Н.Н., Дианов А.П. Микропроцессорные средства и системы. - М.: Радио и связь, 1989. - 288 с.