Микроконтроллеры

Микроконтроллеры (МК) — разновидность микропроцессорных систем (микроЭВМ), ориентированная на реализацию алгоритмов управления тех­ническими устройствами и технологическими процессами. В сравнении с универсальными микроЭВМ микроконтроллеры проще, и уже около 25 лет тому назад оказалось возможным разместить практически всю схемотехнику МК на одном кристалле, что и дало начало их развитию. Вторым названием МК стало название " однокристальная микроЭВМ". Разработка МК означала появление БИС такой функциональной законченности, которая позволяет решать в полном объеме задачи определенного класса.

Что отличает МК от микроЭВМ универсального назначения? Прежде всего, это малый объем памяти и менее разнообразный состав внешних устройств. В состав универсальной микроЭВМ входят модули памяти большого объема и высокого быстродействия, имеется сложная иерархия ЗУ, поскольку многие задачи (автоматизированное проектирование, компьютерная графи­ка, мультимедийные приложения и др.) без этого решить невозможно. Для МК ситуация иная, они реализуют заранее известные несложные алгорит­мы, и для размещения программ им требуются емкости памяти, на несколь­ко порядков меньшие, чем у микроЭВМ широкого назначения. Набор внешних устройств также существенно сужается, а сами они значительно проще. В результате модули микроЭВМ конструктивно самостоятельны, а МК выполняется на одном кристалле, хотя в его составе имеются модули того же функционального назначения.

Сопоставляя микропроцессор (т. е. центральный процессорный элемент системы) и МК (т. е. микросхему простой системы в целом) с точки зрения коммерческих потребностей, можно четко видеть преобладание МК. Число пользователей МК в несколько раз превышает число пользователей отдель­ных микросхем МП. Применение МК поддерживается такими областями массового производства, как бытовая аппаратура, станкостроение, автомо­бильная промышленность и т. д.

Первые МК выпущены фирмой Intel в 1976 г. (восьмиразрядный МК 8048). В настоящее время многими поставщиками выпускаются 8-, 16- и 32-разрядные МК с емкостью памяти программ до десятков Кбайт, небольши­ми ОЗУ данных и набором таких интерфейсных и периферийных схем, как параллельные и последовательные порты ввода/вывода, таймеры, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, широтно-импульсные мо­дуляторы и др. Среди ыпускаемых МК широко известно семейство вось­миразрядных контроллеров MCS-51/151/251 и 16-разрядных MCS-96/196/296 (фирмы Intel). Очень многие производители выпускают аналоги этих семейств или совместимые с ними МК. В отечественной номенклатуре это К1816ВЕ51, К1830ВЕ51 (восьмиразрядные МК). В последнее время фирма Intel сосредоточила усилия на разработке сложных микропроцессо­ров для компьютеров и уступила сектор рынка простых МК другим фирмам, в частности, фирме Atmel, которая выпускает популярное семейство МК серии АТ89 с Флэш-памятью программ, являющееся функциональным ана­логом семейства восьмиразрядных МК фирмы Intel.

Небезынтересно, что, несмотря на появление новых 16- и 32-разрядных МК, наибольший успех на рынке остается за 8-разрядными. Сейчас около половины рынка МК (приблизительно б млрд долларов) остается за этими МК, что означает их лидирование с большим отрывом относительно пред­ставителей других семейств.

В структуре МК семейства АТ89С (рис. 5.2) используются раздельные блоки программной памяти типа Флэш и ОЗУ данных (Гарвардская архитектура). Диапазоны емкостей памяти, как и частот генератора тактовых импульсов ГТИ, приведенные на рис. 5.2, характеризуют параметры представителей семейства от младшего до старшего. При необходимости возможно подключение внешних БИС ПЗУ, ОЗУ для расширения пространства памяти. Средства ввода/вывода представлены 4 параллельными портами (32 линии) и линиями TxD (выход передатчика) и RxD (вход приемника) для последо­вательного ввода/вывода. В состав МК входят 2—3 таймера-счетчика (16-разрядных), которые дают системные метки времени и отрабатывают интер­валы. Для сокращения ширины физического интерфейса функции линий параллельных портов совмещены, и в разных режимах имеют разное назна­чение. Система прерываний с 5 источниками запросов радиального типа (см. § 5.3) обслуживает 2 внешних запроса, 2 запроса от таймеров и 1 от по­следовательного порта. При частоте ГТИ 12 МГц большинство команд вы­полняется за 1 мкс, некоторые команды — за 2 мкс.

Рис. 5.2. Структура микроконтроллера АТ89С

В последующих параграфах этой главы и в следующей главе, несмотря на коммерческое преобладание МК над МП, рассмотрены микропроцессор и набор интерфейсных схем (адаптеров, контроллеров), входящих в микропроцессорную систему. При этом интерфейсные схемы соответствуют не только отдельным кристаллам или областям кристаллов большой сложно­сти, но и мегафункциям (макрофункциям) библиотек функциональных бло­ков современных СБИС программируемой логики. Такое решение принято, поскольку указанный комплект микросхем, рассчитанный на построение МПС широкого назначения, полнее иллюстрирует как работу блоков, так и особенности решения задач управления памятью и внешними устройствами, организации системы прерываний, реализации прямого доступа к памяти и т. д. В МК перечисленные и другие задачи решаются в ограниченной степе­ни и более простыми средствами, поэтому знание универсальных микро­схем, рассчитанных на построение МПС, позволяет легко осваивать и мик­роконтроллерную технику.

Подробные сведения о современных микроконтроллерах приведены в спра­вочнике [7].

\