Файл: Основы бортовых вычислительных машин.pdf

278
(ГТИ) и блок интерфейса (ИФ), через который осуществляется связь с элементами радиоэлектронного комплекса, являющимися для ЦПЭ внешними устройствами (ВУ). Будем считать, что МПВУ, представ- ляющее собой специализированное вычислительное устройство, ис- пользуется в аппаратуре для выполнения некоторого заданного алго- ритма обработки информации (или совокупности алгоритмов). Поэтому основная программа работы МПВУ записывается в ПЗУ, которое слу- жит также для хранения различных подпрограмм, констант, таблиц и других данных, известных уже на этапе проектирования устройства.
ОЗУ используется для хранения данных, поступивших из ВУ или под- готовленных для выдачи в ВУ, а также промежуточных результатов вычислений и некоторой адресной информации. Блок ГТИ, выполняе- мый, как правило, на основе кварцевого генератора, предназначен для выработки серий тактовых импульсов и некоторых вспомогательных сигналов, необходимых для работы ЦПЭ и синхронизации других бло- ков системы.
Интерфейс представляет собой совокупность шин для передачи информации, электронных схем, специальных сигналов и алгоритмов, управляющих обменом информации. Блок интерфейса служит для со- пряжения сигналов МПВУ и ВУ по временным и электрическим пара- метрам, а также в необходимых случаях для преобразования данных и управления обменом.
К основным узлам ЦПЭ относятся: управляющее устройство (УУ) с регистром команд (РК) и дешифратором команд (ДШК); арифметико- логическое устройство (АЛУ) с аккумулятором (А), который является основным рабочим регистром; блок регистров общего назначения
(РОН) со счетчиком команд (СК).
Связь между блоками МПВУ осуществляется с помощью ряда шин: чаще всего это шины адреса (ША), шины данных (ШД), шины управления (ШУ). В некоторых случаях для увеличения быстродейст- вия системы могут ввести отдельную шину команд (ШК).
Выбор типа МП зависит от общей элементной базы аппаратуры, в которую входит разрабатываемое МПВУ, требуемого быстродействия, допустимого объема оборудования, личного опыта разработчика и т. д.
При этом следует иметь в виду, что процесс проектирования МПВУ, как правило, является итеративным. Это означает, что при выполнении каждого шага проектирования возможен возврат назад для корректи- ровки принятых решений, причем может потребоваться смена типа МП или даже внесение изменений в исходный алгоритм работы устройства.

279
Рисунок 8.2 - Обобщенная структурная схема микропроцессор- ного вычислительного устройства
При использовании универсального МП структура МПВУ практи- чески не зависит от конкретных задач, решаемых устройством. Алго- ритмы цифровой обработки являются частью программного обеспече- ния МПВУ и представляют собой прямую реализацию рассмотренных в предыдущих главах математических выражений.
Недостатком использования универсальных МП для реализации
МПВУ является функциональная избыточность оборудования, относи- тельно большие массогабаритные характеристики и наличие большого числа элементов, что, в свою очередь, снижает надежность системы в целом.
Частично данные недостатки устраняются при использовании в качестве ЦПЭ микроконтроллеров и цифровых сигнальных процессо- ров.
8.2 Применение однокристальных микроконтроллеров для циф- ровой обработки сигналов
Современный уровень развития микроэлектроники позволил соз- дать БИС, на кристалле которой размещены не только АЛУ, УУ и РОН, как в однокристальных МП, но и ОЗУ, ПЗУ, порты ввода-вывода и раз- личные интерфейсные устройства вплоть до АЦП. По общей архитек- туре такие БИС больше напоминают законченную ЭВМ. Однако незна- чительная емкость памяти, расположенная на кристалле, упрощенная и

280
ориентированная на выдачу сигналов управления система команд пре- допределяет использование их как управляющих устройств (контролле- ров) для автоматизации различного радиоэлектронного оборудования.
Принято называть их однокристальными микроконтроллерами (ОМК)
/13, 14/. Применение ОМК позволяет существенно уменьшить число
БИС, используемых в МПВУ, повысить надежность, снизить их стои- мость и энергопотребление. Эти качества ОМК позволяют легко их встраивать в различные бортовые радиоэлектронные устройства.
При разработке ОМК в качестве основной задачи рассматривается задача управления некоторым объектом в реальном масштабе времени.
Отечественная микроэлектронная промышленность выпускает це- лый ряд ОМК, не только отличающихся разрядностью и производи- тельностью, но и ориентированных на конкретные типы технологиче- ского оборудования. В таблице 8.1 приведены основные типы восьми- разрядных ОМК, выпускаемых отечественной промышленностью.
Таблица 8.1
Тип МК
ПЗУ команд
(Кбайт)
EEPROM данных
ОЗУ данных
Тактовая час- тота (МГц)
КМ1816ВЕ48 1
-
64 6
КМ1816ВЕ49 2
-
128 11
КМ1816ВЕ51 4
-
128 12
КР1878ВЕ1 2
64 128 8
ОМК серии 1816 изготовлены по n-МОП-технологии и имеют по- хожую архитектуру. Они отличаются быстродействием, объемом ОЗУ, а также наличием или отсутствием на кристалле ПЗУ, ее типом и объе- мом. Наличие на кристалле портов ввода-вывода, тактового генератора, системы прерываний и таймера при высокой тактовой частоте и вось- миразрядном АЛУ обеспечивает универсальность их использования для создания микропроцессорных систем различного назначения.
При сравнительной оценке характеристик ОМК обращают внима- ние на наличие следующих устройств и их параметры:
•
Flash ROM - объем энергонезависимой памяти программ (в кило- байтах);
•
EEPROM - объем энергонезависимой памяти данных (в байтах);
•
RAM - объем статической памяти данных (в байтах);
•
External RAM - возможность подключения к микроконтроллеру дополнительной микросхемы внешней статической памяти данных (в килобайтах);

281
•
ISP - возможность программирования микроконтроллера в систе- ме (на целевой плате) при основном напряжении питания;
•
SPM - функция самопрограммирования Flash ROM памяти микро- контроллера в системе без участия внешнего программатора;
•
JTAG - встроенный JTAG - интерфейс;
•
I/O (pins) - максимальное количество доступных линий ввода / вы- вода;
•
Timer(s) 8/16 bit - количество и разрядность таймеров/счетчиков;
•
USI - универсальный коммуникационный интерфейс;
•
AC - аналоговый компаратор;
•
ADC (channels) - количество каналов аналого-цифрового преобра- зования;
•
Internal RC - наличие внутренней RC-цепочки для автономной ра- боты микроконтроллера (без внешнего источника опорной частоты);
•
WDT - сторожевой таймер;
•
BDC - аппаратный программируемый блок защиты от сбоев при внезапном ( в том числе и кратковременном) пропадании напряжения питания микроконтроллера;
•
UART - асинхронный последовательный приемопередатчик;
•
SPI - синхронный трехпроводной последовательный интерфейс;
•
I
2
C - двухпроводной последовательный интерфейс;
•
RTC - система реального времени;
•
PWM (channels) - количество независимых каналов широтно- им- пульсной модуляции;
•
Command Set - количество различных инструкций в системе ко- манд микроконтроллера;
•
Vcc - диапазон рабочих напряжений питания (в вольтах);
•
Clock - диапазон рабочих частот (в мегагерцах);
•
Packages - типы корпусов, в которые опрессовывается микрокон- троллер, и общее количество выводов.
Наиболее производительным из ОМК 1816 является ОМК
КМ1816ВЕ51, имеющий на кристалле значительную постоянную па- мять объемом 4 Кб и возможностью расширения до 64 Кб. Его макси- мальная тактовая частота равна 12 МГц, а быстродействие составляет 1 млн. коротких операций в секунду. Существуют три модификации
ОМК: ОМК 51 с масочным ПЗУ объемом 4 Кб рассчитан на крупносе- рийное оборудование; ОМК с ультрафиолетовым РПЗУ объемом 4 Кб ориентирован на системы, требующие периодической перенастройки;
ОМК без встроенного ПЗУ .

282
ОМК 51 является развитием ОМК 48, но отличается системой ко- манд. Однако на уровне программ на языке Ассемблера оба ОМК про- граммно совместимы «снизу вверх».
Наиболее современной отечественной разработкой является мик- роконтроллерное
RISC-ядро
ТЕСЕЙ, производимое
ОАО
“АНГСТРЕМ”, на базе которого уже создано несколько микроконтрол- леров, как универсальных, так и специализированного применения.
Характерной особенностью ядра ТЕСЕЙ являются: гарвардская RISC-архитектура, позволяющая выполнять любую из
52 команд 16-разрядного формата за два такта частоты процессора; единая система команд для всего семейства с возможностью адре- сации до двух операндов, находящихся в памяти;
4-ступенчатый конвейер выполнения команд; малое время отклика на прерывание и сохранение контекста; широкий диапазон конфигураций внутренних памяти команд, па- мяти данных и периферийных устройств.
Микроконтроллеры отличаются наличием энергонезависимой па- мяти данных, возможностью многократного перепрограммирования памяти программ, небольшим количеством внешних выводов и низким энергопотреблением.
Микроконтроллер КР1878ВЕ1 является представителем семейства
ТЕСЕЙ и обладает следующими характеристиками: производительность до 4 MIPS на тактовой частоте 8 МГц; перепрограммируемая память программ 1К х 16; память данных RAM 128 х 8, EEPROM данных 64 х 8; периферия: сторожевой таймер, 16-бит таймер-счётчик с предде- лителем, 12 линий ввода/вывода и поддержка прерываний; ток потребления меньше 2 мА при напряжении питания 5В и так- товой частоте 5 МГц.
Микроконтроллер выпускается в 18-выводном исполнении.
Новые зарубежные разработки ОМК по своим функциональным возможностям и быстродействию ушли далеко вперед. Основные фир- мы производители и номенклатура производимых микроконтроллеров представлены в таблице 8.2

283
Таблица 8.2
-

284
Продолжение таблицы 5.2
AMD
Am186xx 7
ElanSCxxx 5
Analog De- vices
ADµC8xx
5
Triscend
SoC-E5 5
SoC-A7 4
STMicroelec- tronics (быв- шая SGS-
Thomson)
ST6
ST7
ST9 25 50 10
ST10 10
ST100
Fairchild
Semiconduc- tor
ACE
2
Ubicom (Sce- nix)
SX
7
Infineon
(Siemens)
C500 17
C166 25
Tricore
3
Xemics
XE8000
CoolRISC
3
Современные ОМК— это размещенная на одном кристалле сложная цифровая система, в состав которой входят 8-, 16- или 32-разрядный процессор, внутренняя память программ (до нескольких десятков кило- байт) с возможностью расширения, перепрограммируемая электриче- ская энергонезависимая память (FLASH-память), широкий набор ин- терфейсных и периферийных устройств, порты ввода-вывода (парал- лельные и последовательные), таймеры, многоканальные аналого- цифровые преобразователи, модули ШИМ и др. Обладая малым коли- чеством коротких команд, выполняемых за один цикл, и используя кон- вейерный способ их обработки, ОМК обеспечивают производитель- ность в несколько миллионов операций в секунду.
5.2.1 RISC-архитектура современных микроконтроллеров
Одно из основных условий при выборе микроконтроллера для управленческих задач является его способность работать в реальном масштабе времени. Под реальным масштабом понимается такая ско- рость обработки информации, при которой не происходит существен- ного старения информации за время между моментом её прихода и по- лучением результата. Для реализации реального масштаба времени требуется максимальное быстродействие процессорного ядра.

285
Достижение требуемого быстродействия требует новых архитек- турных решений, одним из которых является RISC – архитектура, ак- тивно развиваемая фирмой Atmel. Это новое семейство высокопроизво- дительных 8-разрядных RISC (Reduced Instruction Set Computers) мик- роконтроллеров общего назначения, объединенных общей маркой AVR.
Аббревиатура RISC означает усеченный перечень инструкций системы команд, причем в идеальном случае на выполнение каждой команды уходит время, не превышающее периода следования тактовых импуль- сов.
В основу концепции AVR-микроконтроллеров легли следующие принципы:
1.
Использование новейшей, наиболее скоростной и экономич- ной КМОП технологии фирмы Atmel в сочетании с RISC архитектурой для разработки и производства быстрых 8-разрядных микроконтролле- ров, сравнимых с 16-разрядными микропроцессорами и микроконтрол- лерами по производительности и превосходящих микросхемы стан- дартной
КМОП логики по скорости.
Ожидаемая производительность - до 20 MIPS на частоте 20 МГц. Время выполнения короткой команды на такой тактовой частоте составляет
50 нс;
2.
Разработка архитектуры и системы команд AVR в теснейшем согласии с принципами языка Си так, чтобы аппаратная часть нового микроконтроллера и его система команд были неотъемлемыми частями одного целого и использовались с максимальным коэффициентом по- лезного действия.
3.
Функциональное расширение микроконтроллера возможно- стью программирования в системе путем объединения Flash- технологии фирмы Atmel со стандартным скоростным последователь- ным интерфейсом (SPI). Это позволяет многократно модифицировать программу не только с помощью обычного программатора, но и непо- средственно в системе, в конечном устройстве пользователя. При этом не требуется вводить никаких дополнительных аппаратных узлов и вспомогательных источников питания извне как через SPI интерфейс, так и с помощью обычного программатора. Число циклов перезаписи - не менее 100000.
4. Расширенный состав периферийных устройств, таких как:
•
таймер/счетчик, разрядность 8 бит;

286
•
таймер/счетчик, разрядность 16 бит с возможностью органи- зации функций широтноимпульсной модуляции (ШИМ) и захва- та/сравнения;
•
аналоговый компаратор;
•
скоростной последовательный интерфейс SPI;
•
встроенная система сброса микроконтроллера;
•
асинхронный дуплексный последовательный порт UART;
•
контроллер прерываний;
•
внутренний тактовый генератор;
•
сторожевой (WATCHDOG) таймер;
•
многоканальный аналого-цифровой преобразователь.
Внутренний тактовый генератор может запускаться от внешнего источника опорной частоты, от внешнего кварцевого резонатора или от внутренней RC цепи. Поскольку все AVR полностью статические, ми- нимальная допустимая частота ничем не ограничена (вплоть до поша- гового режима). Максимальная рабочая частота определяется конкрет- ным типом микроконтроллера. Ограничения верхней границы частот- ного диапазона связаны с технологическими проблемами при произ- водстве микросхем и будут постепенно изменяться в сторону более вы- соких значений.
Сторожевой таймер предназначен для защиты микроконтроллера от сбоев в процессе работы. Он имеет свой собственный RC-генератор, работающий на частоте 1 МГц. Как и для основного внутреннего RC- генератора, значение 1 МГц является приближенным и зависит, прежде всего, от величины напряжения питания микроконтроллера и от темпе- ратуры.
Порты ввода/вывода AVR имеют число независимых линий "Вход/Выход" от 5 до 32. Каждый разряд любого порта может быть за- программирован на ввод или на вывод информации. Мощные выходные драйверы обеспечивают типовую токовую нагрузочную способность
20 мА на линию порта (втекающий ток) при максимальном значении
40 мА, что позволяет, например, непосредственно подключать к микро- контроллеру светодиоды и биполярные транзисторы. Общая токовая нагрузка на все линии одного порта не должна превышать 80 мА. Все значения приведены для напряжения питания 5 В.
Микроконтроллеры AVR работают в широком диапазоне питаю- щих напряжений от 2,7 В до 6,0 В. Ток потребления в активном режиме зависит от величины напряжения питания и частоты, на которой рабо- тает микроконтроллер, и составляет менее 1 мА для 500 кГц, 5 ... 6 мА