Конспект лекций по курсу "Микропроцессоры и микро-ЭВМ в Персональной электронике" для студентов специальности 2008

Конспект лекций по курсу "Микропроцессоры и микро-ЭВМ в Персональной электронике" для студентов специальности 2008

МИНИСТРЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

КАФЕДРА "ПЕРСОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА"

Конспект лекций по курсу "Микропроцессоры и микро-ЭВМ в Персональной электронике" для студентов специальности 2008

Москва    2001

ВВЕДЕНИЕ. ПОНЯТИЕ О МИКРОПРОЦЕССОРАХ

 В последнее десятилетие наметилась четкая тенденция повышения роли вычислительной техники во всей жизни современного человека. Недаром в наших школах введено преподавание нового предмета "Основы информатики и вычислительной техники".

Наряду с бурным развитием вычислительной техники еще наблюдается две глобальные тенденции в современной радиоэлектронике. Во-первых, усложняются функции любого электронного аппарата. При этом с точки зрения эксплуатации его, наблюдается упрощение работы с ним даже необученного пользователя. Во-вторых, радиоэлектроника расширяет свое влияние на все большие сферы человеческой деятельности. Теперь ее применение наблюдается даже в тех областях, в которых ранее ее использование казалось немыслимым.  Эти два аспекта можно назвать усилением "интеллектуализации" техники.

Из этого вытекает еще одна реалия современного развития электроники -  крен в сторону техники, направленной на удовлетворение "бытовых" потребностей человека. Поэтому в самое последнее время получил развитие термин "Персональная электроника", который имеет в виду не только электронику для "домашнего использования", а и офисную, автомобильную и другие виды устройств, которые направлены на удовлетворение персональных потребностей пользователя.

Все указанные выше тенденции и особенности применения электроники были бы невозможны без поистине взрывоподобного развития микропроцессорной техники. Начало ее использования было весьма скромным, а сейчас ни один мало-мальски сложный аппарат не может без нее обойтись. Благодаря своим преимуществам микропроцессорная техника начинает вытеснять традиционную радиоэлектронику из такого  понятия, как элементная база.

Естественно, теперь при обучении проектированию персональной электроники нельзя не давать студентам хотя бы основ применения микропроцессорной техники. Поэтому не вызывает сомнения актуальность преподавания курса "Применение микропроцессоров и микро-ЭВМ в Персональной электронике" студентам специальности "Персональная электроника" (2008).

Целью настоящего курса является дать понятие о микропроцессорах и однокристальных микро-ЭВМ, области их применения, дать основы функционирования микропроцессорных систем, научить основам программирования микропроцессоров и  микро-ЭВМ, построения простейших систем управления объектами.

Курс состоит из лекционных и  практических  занятий и лабораторного практикума. Он построен таким образом, чтобы на лекциях дать слушателям наиболее широкое представление о предмете, а на практических и лабораторных занятиях познакомить их с конкретными микропроцессорными системами, научить основам построения и функционирования определенных систем управления на основе одного - двух наиболее популярных микропроцессорных наборов.

После окончания обучения слушатель должен свободно ориентироваться в многочисленной литературе по микропроцессорам и  микро-ЭВМ, уметь выбрать тот или иной микропроцессорный комплект для использования в конкретной системе, уметь программировать один из самых распространенных микропроцессорных систем, составлять структурную и принципиальную схемы микропроцессорной системы для ее использования в конкретной области техники. В дальнейшем слушатель, основываясь на литературе и материалах о микропроцессорных системах, сможет сам проектировать и, главным образом, уметь применять микропроцессоры в своей повседневной работе, свободно ориентироваться в обслуживании и ремонте такого рода аппаратуры.

История появления микропроцессоров

Появление микропроцессоров обязано слиянию двух ранее независимых отраслей техники. Первая из них - создание систем управления промышленными объектами. В начале 60-х годов функции многих промышленных систем настолько усложнились, что потребовалось создавать сложные автоматические системы управления этими объектами. Эпоха НТР потребовала создания высокоавтоматизированных, быстро переналаживаемых производств, так называемых "гибких автоматизированных производств". Но если применять старую методику переналадки всего машинного парка производства, то это потребовало бы слишком больших затрат на переход с одного вида продукции на другой. Поэтому встала потребность создания таких управляющих устройств-производств, которые бы переналаживались на выпуск другой продукции самыми простыми средствами.

С другой стороны параллельно этим отраслям развивалась мощная база вычислительной техники. На заре своего развития она мало что умела, имела очень большие габариты и главное - низкую надежность из-за использования электронных ламп. Но по мере совершенствования вычислительная техника становилась все более мощной, все менее громоздкой, все более удобной для эксплуатации. Но развитие этой техники шло в основном по пути наращивания мощности и возможности больших ЭВМ, установленных в отдельных, специально приспособленных помещениях, обслуживаемых специально обученным персоналом высокой квалификации. Использование средств вычислительной техники в таком виде для нужд производства имело ограниченный характер.

В это же время в радиоэлектронике (и, в частности, в вычислительной технике) шло естественное развитие элементной базы. На смену лампам пришли транзисторы. Габариты и потребляемая мощность сразу снизились в десятки раз. Но подлинный переворот в радиоэлектронике был совершен, когда появились первые интегральные микросхемы, т.е. тогда, когда внутри пластины  полупроводника стали изготовлять готовые схемы, а не отдельные активные приборы. Это позволило существенно снизить габариты, потребляемую мощность, повысить надежность аппаратуры.

Совершенствование технологии изготовления интегральных схем (ИС) привело к появлению ИС средней степени интеграции, (когда на одном кристалле размещалось несколько десятков транзисторов), ИС большой степени интеграции или БИС (когда на кристалле тысячи и десятки тысяч элементов), и наконец, ИС сверхбольшой степени интеграции или СБИС (на кристалле -  миллионы элементов). Однако по мере развития элементной базы стало все более очевидным противоречие: если на транзисторах или на ИС малой интеграции   можно было построить различную аппаратуру (по своим функциональным возможностям), то по мере роста степени интеграции ИС становились все более специализированными. Действительно, в одной БИС размещалось порой целое устройство, и эту БИС нельзя было применить для построения другого аппарата. Кроме того, хотя и изготовление такой ВИС было достаточно дешевым, но проектирование таких специализированных БИС требовало все больших затрат, а сфера их применения все суживалась. Таким образом, развитие элементной базы вело в тупик.

Подлинной революцией, которая позволила выйти из этого тупика, стало появление микропроцессоров. В 1971 г. фирма Intel (США) выпустило БИС под кодом 4004 и назвала ее микропроцессором. На микроэлектронный уровень была перенесена идеология средств вычислительной техники. Впервые БИС стала именно универсальной системой благодаря сочетанию аппаратных и программных средств. Т.е. структура БИС была неизменной, а универсальность ей придавалось возможностью программирования ее функций. Таким образом, для различных применений требовалось только написать другую программу работы, без изменения структуры микропроцессорной системы.

Но основное применение микропроцессоров сразу открылось именно в построении управляющих систем промышленности. Проектировщики сразу поняли все преимущества новой элементной базы. Теперь требовалось изменять только программу работы оборудования, а все оборудование остается неизменным. И что самое важное, стало возможным встраивать микропроцессоры непосредственно в оборудование, что придало ему еще большую гибкость.

Микропроцессорная техника стала бурно развиваться. Появились микропроцессорные комплекты для построения самых различных систем, и в том числе вычислительных. В настоящее время промышленность выпускает большую номенклатуру микропроцессоров, которые можно применять для построения различных управляющих промышленных систем, для создания достаточно мощных вычислительных систем, и для встраивания в бытовую технику.

Следующим этапом развития элементной базы стало применение однокристальных микро-ЭВМ (ОЭВМ). Действительно, для включения микропроцессора в систему было необходимо предусмотреть "навешивание" на него еще по крайней мере нескольких микросхем - памяти, генераторов, интерфейсных схем и т.д. Все это выливалось в увеличение габаритов, потребляемой мощности, снижение надежности. Поэтому на определенном этапе очевидным решением стало интеграция всех этих устройств на одном кристалле. При этом основные преимущества МП техники сохранились и даже развились дальше. Можно сказать, что в настоящее время "чистые" микропроцессоры применяются только в вычислительной технике, а в персональной электронике подавляющее большинство управляющих систем построено на ОЭВМ.

Сейчас уже можно сказать, что ни одна сторона техники и быта не может обойтись без применения микропроцессоров  и ОЭВМ в той или иной мере.

 Терминология курса

Для изучения микропроцессорной техники, литературы по этому вопросу необходимо познакомиться с терминологией, встречающейся в различных источниках. В настоящем разделе приводятся только наиболее общие термины. Другие понятия будут расшифрованы в соответствующих разделах.

Микропроцессор (МП) - программно управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессами этой обработки, и выполненное в виде одной (или нескольких) ИС с высокой степенью интеграции электронных компонентов.

Микропроцессорный комплект (МПК) - совокупность МП и других ИС, совместимых по конструкторско-технологическому исполнению и предназначенных для совместного применения при конструировании МП, микро-ЭВМ, и других управляющих систем.

Микропроцессорная система (МПС) - управляющая, информационная или иная специализированная цифровая система, построенная на базе МП или микро-ЭВМ, включающая в себя средства связи с объектом управления или с пользователем.

Аппаратные средства МПС - МП средства и схемы сопряжения с обслуживаемым объектом, имеющие некоторую конструктивную базу и соединенные согласно определенной принципиальной схеме.

Программные средства МПС - последовательность команд, программа или совокупность программ, размещенных на средствах носителях информации и реализующие требуемый алгоритм ее функционирования.

Однокристальная микро-ЭВМ (ОЭВМ) - МПС, реализованная на одном кристалле, и выполняющая основные функции управления и сопряжения с объектом.

 Классификация и основные параметры МП

Сложность классификации МП средств связана с тем, что  с одной стороны МП - это функциональное вычислительное устройство, а с другой стороны - это БИС. Поэтому для МП важны такие параметры БИС, как:

-         тип корпуса БИС,

-         количество источников питания,

-         требования к синхронизации,

-         мощность рассеяния,

-         температурный диапазон,

-         быстродействие,

-         уровни сигналов,

-         возможность наращивания,

-         нагрузочная способность и т.д.

Как функциональное устройство МП характеризуется следующими параметрами:

-         формат обрабатываемых данных,

-         количество, тип и гибкость системы команд,

-         методы адресации данных,

-         число внутренних регистров,

-         средства прерываний,

-         построение системы ввода-вывода и т.д.

Как и обычное устройство управления МП можно разделить на три части: операционную (в ней осуществляется преобразование данных), управляющую (осуществляет управление обработкой данных по программе) и интерфейсная (осуществляет связь МП с внешними устройствами). Первые две части характеризуются разрядностью, системой команд, системой прерываний и т.д., третья часть - разрядностью, возможностью подключения других частей системы и т.д.

Конструктивно все три части могут присутствовать в одном кристалле БИС, тогда этот МП называют однокристальным МП: или каждый кристалл МПС выполняет свою функцию - тогда МП называют многокристальным . Ряд МП допускают наращивание до необходимой разрядности, причем отдельно можно наращивать все три части МП. Тогда эти МП называют многокристальными секционированными, где каждая секция обрабатывает свою область разрядов данных. На рис. 0.1 условно показаны эти типы МП.

     а)                                     б)                                     в)

УП- управляющая часть, ОП - операционная часть, ИП - интерфейсная часть

Рис. 0.1.

Поэтому по числу БИС в МПК МП классифицируются:

-         -однокристальные,

-         многокристальные,

-         многокристальные секционированные.

 По назначению:

- универсальные - могут быть использованы для   широкого круга задач, причем их эффективность слабо зависит от типа решаемой задачи,

- специализированные - они ориентированы на выполнение определенных функций, что позволяет существенно повысить эффективность при решении определенного класса задач. В частности, это специальные математические процессоры, процессоры обработки видеоданных и т.д. Производительность этих процессоров очень высока, но только для узкого круга решаемых задач.

По виду обрабатываемых данных:

- цифровые,

- аналоговые (МП - цифровые устройства, но на их входах и выходах стоят соответственно аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи).

По виду временной синхронизации:

- синхронные - МП, в которых начало и конец каждой операции задаются устройством управления и не зависят от вида команд и величины операндов,

- асинхронные МП - начало последующей операции определяется по фактическому окончанию предыдущей операции.

По организаций МПС:

- одномагистральная МПС - все устройства системы имеют один интерфейс и подключены к единой магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов,

- многомагистральная МПС - устройства группами подключаются к своей информационной магистрали, по которым можно осуществить одновременную передачу данных, адресов и управляющих сигналов.

По виду системы команд:

- МП с жестким набором команд - каждая команда такого МП не может быть разделена на более простые операции. Система команд такого МП не может быть изменена программным способом,

- МП с микропрограммированием - система команд такого МП может быть модифицирована за счет изменения последовательности микропрограмм. из которых состоит каждая команда такого МП. Мировая промышленность выпускает в настоящее время большое число МПК. Каждый из них предназначен для определенного применения, имеет свои особенности. Основной вопрос при применении МП средств - выбор определенного МПК. Как видно из предыдущего изложения, параметров МПК много, поэтому в табл. 0.1 указаны основные МПК, выпускаемые отечественной промышленностью, и некоторые особо важные их параметры.

Таблица 0.1

Примечание: при обозначении разрядности символ "n" обозначает возможность кратного наращивания разрядности (секционированные процессоры).

Как видно из табл. 0.1, технология изготовления БИС определяет многие параметры МПК: быстродействие, потребляемую мощность, плотность компоновки на кристалле, напряжения питания и т.п. В таблице указаны универсальные МП.

Как уже упоминалось во Введении, те МП, которые приведены в табл.0.1, уже давно не имеют никаких перспектив по использованию в современной радиоэлектронике. Вместо МП сейчас используются только микроконтроллеры (МК), как называются иначе однокристальные микро-ЭВМ. Ниже приведен краткий обзор современных МК.

1. Обзор современных ОЭВМ

Хотя первыми на рынке появились микропроцессоры (МП), и они в 70-х и 80-х годах были основной элементной базой управляющих и вычислительных устройств, по мере развития микроэлектроники МП были вытеснены из большинства своих применений ОЭВМ, которые иначе еще называются микроконтроллерами (МК). В настоящее время МП сохраняют свое ведущее положение только в вычислительной технике (производство ПЭВМ).

Микроконтроллеры (МК)  являются наиболее массовыми представителями современной микропроцессорной техники, объем выпуска которых составляет около 2,5 млрд. штук в год. Имея на своем кристалле высокопроизводительный процессор, память и набор периферийных устройств, МК позволяют с минимальными затратами реализовать высокоэффективные системы и устройства управления различными объектами и процессами. Благодаря этому они находят широкое применение в промышленной автоматике, контрольно-измерительных приборах и системах, аппаратуре связи, автомобильной электронике, бытовой технике и многих других применениях.

Первым МК на рубеже 80-х и 90-х годов стала микросхема той же фирмы INTEL I8048. Она была очень простой, содержала на кристалле всего 1 Кбайт ПЗУ или ППЗУ, могла адресовать всего 4 Кбайт памяти программ, имела только 64 байта ОЗУ на кристалле. Этот тип МК так и не стал массовым и далее не развивался.

Другим, и гораздо более перспективным прибором, стал МК типа I8751. Этот тип МК дал начало целому семейству МК, которое получило название MCS-51. Структура и возможности этого МК были настолько удачными, что это семейство развивается до сих пор. Со временем фирма INTEL отошла от производства МК, но эстафету подхватили такие мощные фирмы, как Philips, Atmel, Dallas Semiconductors, Analog Devices и другие. Они теперь развивают эту ветвь МК.

Еще на заре развития МП в этой отрасли появился такой гигант радиоэлектроники, как американская фирма Motorolla. Она примерно в то же время, что и   INTEL  начала развивать свою отрасль МП и первым процессором стал МС6800. Он имел несколько иную структуру, чем I8080, хотя по такому интегральному показателю, как "мощность" это были примерно равные приборы. Со временем Motorolla также поняла перспективность развития МК и выпустила на рынок 8-разрядные семейства МК 68НС05. И в настоящее время продукция фирмы контролирует значительную часть рынка МК.

Основным недостатком МК еще недавно была их относительно высокая стоимость. Это не позволяло эффективно использовать их в простых приложениях, где надо было считать каждую копейку, а задачи, возложенные на МК были самыми простыми.

Поэтому возникла идея создать наиболее простой, но и наиболее дешевый процессор.

Поэтому фирма Microchip разработала целое семейство МК, основанных на так называемой RISC технологии. Основной особенностью  ее является упрощенная система команд, состоящая, как правило, из нескольких десятков простейших инструкций. На этой основе были созданы PIC МК. Со временем они, конечно, усложнились, их мощность повысилась, но они и сейчас остались самыми дешевыми и простыми МК.

Таким образом, можно констатировать, что рынок МК сейчас поделен на 3 части: семейство MCS-51 (примерно 50 - 60%), МК фирмы Motorolla (20 - 30%) и PIC МК (10 - 20%).

Ниже приводятся краткие сведения о последних двух видах МК, а контроллеры семейства MCS-51 рассматриваются более подробно в разделе ???.??., а МК типа PIC – в разделе ??????.

1.1. МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ ФИРМЫ MOTOROLLA

МК фирмы MOTOROLLA составляют несколько семейств, которые различаются в основном по вычислительной мощности и ориентации на определенные области применения.

В первую очередь это 8-разрядные МК семейств НС05, НС08 и НС11.

Семейство 68НС05 содержит более 150 модификаций МК, которые формировались фирмами, использующими аппаратуру на контроллерах, или так называемые "заказные" МК. Они настроены под конкретную конфигурацию программно-аппаратных средств пользователя.

МК МС68НС08 - развитие семейства НС05. Они совместимы по системе команд и коду с этими МК, но имеют в 5 - 10 раз большую производительность. МК этого типа имеют модульную внутреннюю архитектуру, большую универсальность, увеличенные объемы внутренней памяти, энергонезависимые блоки памяти типа EEPROM  Flash EEPROM.

Семейство МС68НС11 ориентировано на массовое применение и характеризуется большей гибкостью и универсальностью, широким применением  внешней памяти. Ядро системы усовершенствовано, отличается повышенной производительностью и более эффективной архитектурой и системой команд. В семейство входят более 40 модификаций МК.

1.1.1. Семейство НС05

Все МК этого семейства имеют одинаковое 8-разрядное процессорное ядро, основанное на известном процессоре 6800, и отличаются набором периферийных функций. Это означает, что применение любого МК этого семейства позволяет пользователю использовать единый подход к проектированию системы на МК НС05, а также на МК НС08, который основан на более производительном, но программно совместимом ядре.

 В состав периферийных устройств семейства входят: ПЗУ всех типов, ОЗУ, таймеры, АЦП, ШИМ, контроллеры ЖКИ и других индикаторов, последовательные интерфейсы и т.п.

Примером построения системы НС05 служит МК МС68НС805К3, предназначенный для работы в системах, требующих использование малогабаритного МК с микропотреблением и низкой стоимостью: охранных системах, датчиках, бытовых устройствах, портативных средствах связи, пультах дистанционного управления. Основные характеристики МК следующие:

·        ЦПУ НС05, умножение 8х8,

·        питание от 1,8 В (запись EEPROM от 3 В), низкое потребление,

·        920 + 16 Кбайт EEPROM,

·        прерывания реального времени,

·        прерывания от клавиатуры по 8 линиям,

·        нагрузочная способность до 8 мА по четырем линиям,

·        режимы пониженного потребления STOP, WAIT.

Структурная схема МК показана на рис.1.2.

Рис. 1.2. Структурная схема МК МС68НС805К3

Второй пример - МК типа МС68НС705Р6А, который может применяться в  устройствах, требующих обработки аналогового сигнала и критичных к габаритам и стоимости применяемого МК, например, устройствах контроля температуры, электронных весах, локальных узлах управления, устройствах сигнализации, средствах связи и т.д.

Основные характеристики МК следующие:

·        ЦПУ НС05, умножение 8х8,

·        АЦП ( 4 канала, 8 разрядов),

·         синхронный последовательный порт,

·        16-разрядный  таймер с функциями входного захвата и выходной фиксации,

·        4,6 Кбайт ППЗУ,

·        176 байт ОЗУ,

·        21 линия ввода-вывода,

·        прерывания от 8 линий,

·        2 выхода с током 15 мА,

·        режимы пониженного потребления STOP, WAIT, сохранение данных в ОЗУ

Структурная схема МК показана на рис.1.3.

1.1.2. Семейство НС08

Семейство НС08 является следующим шагом в развитии МК и характеризуется повышенной в 5 - 10 раз производительностью процессорного ядра, совместимого по системе команд с ЦПУ НС05. Оно поддерживает дополнительные команды и способы адресации, а также новые функции  - ПДП, технологию "нечеткой логики" и элементы цифровой обработки сигналов.

Ядро ЦПУ полностью статическое и оптимизировано для работы с пониженным напряжением питания и с помощью встроенного синтезатора частоты позволяет гибко управлять потреблением. Это первое семейство МК с определяемым пользователем архитектурой на базе стандартных модулей, что ускоряет цикл разработки системы.

Основные модули системы рассматриваются ниже.

Рис. 1.3. Структурная схема МК МС68НС705Р6А

Особенностями ЦПУ (логическая модель его показана на рис. 1.4) НС08 являются:

·        тактовая частота 8 МГц (цикл 125 нс),

·        16-разрядные индексный регистр, программный счетчик, указатель стека,

Рис. 1.4. Структура ЦПЭ семейства НС08

·        8 методов адресации, включая операции с индексным регистром и стеком, а также пересылки память-память,

·        аппаратная поддержка ПДП, точек останова,

·        быстрые операции умножения и деления,

·        64 Кбайт адресуемой памяти с возможностью расширения,

·        полностью статическая архитектура, низкое потребление, пониженное питание.

Модуль прямого доступа в память (DMA08) обеспечивает скоростной обмен с памятью и внешними устройствами. Он может обслуживать последовательный интерфейс, либо обеспечивать передачу блоков данных до 256 Кбайт.

Модуль таймера (TIM08) - устройство для решения задач, связанных с обработкой временных интервалов. Может иметь 2, 4 и 6 независимых каналов, каждый из которых содержит 16-битовый счетчик с программируемым предделителем, регистры входной фиксации, выходного сравнения и ШИМ.

Модуль последовательного обмена представлены универсальным асинхронным интерфейсом (SCI08),  универсальным синхронным интерфейсом  (SPI08),специализированными последовательными интерфейсами, применяемыми в автомобильных системах и системах промышленного управления.

Модуль системной интеграции (SIM08) - его основные функции:

·        формирование внутренней тактовой частоты процессора и встроенных подсистем,

·        обеспечение режимов пониженного энергопотребления и программное управление частотой,

·        управление прерываниями и сбросом - сигнал сброса при обнаружении неправильных кодов команд и адресов, работа сторожевого таймера, обработка и арбитраж программных и аппаратных прерываний.

Встроенная память может состоять из масочного или программируемого ПЗУ, ЭСППЗУ (EEPROM и Flash EEPROM), ОЗУ.

Модуль управления ЖКИ дисплеем (LCD08) позволяет подключать до 1280 сегментов (32 группы по 40 сегментов) и содержит внутреннее буферное ОЗУ 160 байт, формирователь напряжений для драйверов, регулировка контрастности.

АЦП (ADC08),

12-разрядный 6 канальный контроллер ШИМ (PWM08),

таймер периодических прерываний (PIT08).

модуль расширения  адресации внешней памяти до 16 Мбайт (ADX08).

Примером структуры МК семейства РС08 может служить МК МС68НС708XL36, который изображен на рис.1.5.

Его составляющие:

·        высокопроизводительный модуль CPU08 с тактовой частотой 8 МГц,

·        36 Кбайт ППЗУ,

·        1К статического ОЗУ,

·        16-разрядный 4-канальный таймер,

·        последовательные интерфейсы CI и SPI,

·        3-канальный контроллер ПДП,

·        сторожевой таймер,

·        систему обнаружения пониженного напряжения,  неправильного кода и адресов,

·        40 двунаправленных линий ввода-вывода.

Рис.1.5. Структурная схема МК МС68НС708XL36

1.1.3. Семейство НС11

Семейство НС11 в отличие от МК "заказных" семейств, содержит около 40 универсальных  МК, ориентированных как массовое производство, так и на мелкое  и среднее производство.

Все МК содержат одинаковое 8-разрядное ЦПУ "второго поколения" (МС6809), которое отличается повышенной производительностью, эффективной системой команд и методами адресации. МК семейства НС11 содержат встроенную память различных типов и конфигураций. Периферийные устройства представлены подсистемами, наиболее часто требующимися во встроенных системах: таймеры, АЦП, ШИМ, ЦАП, последовательный интерфейс и встроенный сопроцессор.

ЦПУ семейства удобно для программирования. Его особенности (рис.1.6):

·        2 8-битных или 1 16-битный аккумулятор,

·         2 16-битных индексных регистра,

·        2 программно управляемых режима пониженного энергопотребления,

·        операции умножения 8х8 и деления 16/16,

·        внутренняя тактовая частота до 4 МГц.

Рис. 1.6. Структурная схема ЦПЭ семейства НС11

Система команд состоит из следующих групп:

·        команды пересылки данных через аккумуляторы,

·        команды пересылки для стека и  индексных регистров,

·        команды переходов и работы с подпрограммами,

·        арифметические команды,

·        команды работы с битами,

·        специальные команды.

Встроенная память МК имеет в своем составе все типы памяти, которые доступны для НС05. Все МК адресуют внешнюю память, есть версии с немультиплексированными шинами данных и адреса, а также с расширенным до 256 К...1Мбайт адресным пространством.

МК функционируют в одном из трех режимов, которые задаются с помощью специальных входов при сбросе:

·        однокристальный режим - программа находится во внутреннем ППЗУ, при этом порты доступны для ввода-вывода,

·        расширенный режим - возможно подключение памяти программ или данных

·        режим загрузки - управление после сброса передается в масочное ПЗУ, в котором находится программа загрузки кода с ПЭВМ по последовательному каналу в любую часть памяти (даже в ППЗУ и EEPROM).

МК этого семейства позволяют программно переназначать начало областей ОЗУ, ППЗУ и регистров в любую область с кратностью 4 К.

Примером МК семейства НС11 может служить МК MC68HC11F1, предназначенный Рис. 1.7. Структурная схема МК MC68HC11F1

для работы в средствах связи, промышленного упрапвления. У него нет встроенного ППЗУ.

Основные характеристики МК:

·        немультиплексированная шина адреса-данных, частота 4 МГц,

·        4 программируемой выборки для внешней памяти или внешних устройств,

·        512 байт EEPROM, 1024 байт ОЗУ,

·        16-разрядный таймер: 3-4 канала входной фиксации, 4-5 выходных каналов со сравнением,

·        АЦП 8-р 8 каналов,

·        2 последовательных интерфейсов: асинхронный и синхронный.

Другим примером применения МК, где требуется большой объем встроенной памяти, служит использование МК МС68НС711К4. Он имеет:

·        немультиплексированная шина адреса-данных, частота 4 МГц,

·        768 байт ОЗУ, 640 байт EEPROM,

·        24 Кбайт ППЗУ,

·        16-разрядный таймер,

·                4-канальный 8-разрядный ШИМ,

·                последовательные интерфейсы SCI+SPI,

·                возможность адресации внешней памяти объемом до 1 Мбайт.

Рис. 1.8. Структурная схема МК  МС68НС711К4

1.1.4. 16- и 32-разрядные микроконтроллеры MOTOROLA

Высокопроизводительные 16- и 32-разрядные микроконтроллеры семейств Motorola 68НС16, 68300 реализуются из набора стандартных функциональных модулей. Набор модулей содержит 16- или 32-разрядный процессор (CPU16 или CPU32), модули внутренней памяти, модуль системной интеграции (SIM или SCIM), модуль последовательного интерфейса (QSM), таймерный процессор (TPU) или таймерный модуль (GPT), аналого-цифровой преобразователь (ADC) и ряд других. Размещенные на кристалле модули соединяются стандартной межмодульной шиной. Микроконтроллеры семейства 68НС16 содержат 16-разрядный процессор CPU 16, который является дальнейшим развитием 8-разрядного процессора, используемого в семействе 68НС11. Микроконтроллеры семейства 68300 содержат процессоры CPU32, функционально аналогичные микропроцессорам MC68020.

Коммуникационные контроллеры, которые входят в состав семейства 68300, предназначены для использования в системах связи. Они содержат модуль коммуникационного RISC-процессора и имеют расширенный состав модулей обмена данными. В качестве процессорного ядра они используют различные модификации микропроцессоров семейства Motorola 68000.

1.1.5. Номенклатура и области применения микроконтроллеров семейства 68НС16

Архитектура семейства 68НС16 является дальнейшим развитием архитектуры 8-разрядных семейств 68НС05,08,11. Реализуемое в микроконтроллерах 68НС16 увеличение объема адресуемой памяти до 1 Мбайт, повышение тактовой частоты до 16 МГц, обработка 16- и 32-разрядных чисел, введение команд умножения-накопления (MAC) дробных чисел и ряд других характеристик позволяют значительно повысить производительность и расширить функциональные возможности систем, реализуемых на их основе. Поэтому микроконтроллеры данного семейства используются в тех случаях, когда необходимо существенно модернизировать схему управления каким-либо устройством, реализованную на базе семейств 68НС05,11, не меняя кардинально ее структуру и принципы функционирования. Эти микроконтроллеры широко применяются в качестве центральных блоков управления в системах, которые содержат несколько микроконтроллеров 68НС05,11, обслуживающих отдельные объекты.

Таблица 1.1

Использование микроконтроллеров 68НС16 обеспечивает также значительное улучшение характеристик систем, выполняющих цифровую обработку поступающих сигналов, которая производится с помощью специальных регистров и команд MAC процессора CPU 16. Реализуемый в этих микроконтроллерах режим отладки BDM существенно упрощает процедуру отладки систем, построенных на их основе.

Микроконтроллеры семейства 68НС16 используются в системах управления автомобильным оборудованием, телекоммуникационной аппаратуре (сотовые телефоны, телефонные коммутаторы), бытовой электронике (видеокамерах, телевизорах, цифровых аудиосистемах), офисной технике (факсы, модемы, копировальная техника), медицинском оборудовании, робототехнике.

1.1.6. Номенклатура и области применения микроконтроллеров семейства 68300

В архитектуре микроконтроллеров 68300 использованы принципы, заложенные в микропроцессорном семействе 68000. Применение 32-разрядного процессора CPU32, имеющего широкий набор команд и способов адресации, расширение адресуемой памяти до 16 Мбайт и ряд других особенностей делают микроконтроллеры семейства 68300 эффективным средством для реализации сложнофункциональных и высокопроизводительных систем, которые могут использовать огромный объем программного обеспечения, разработанного для микропроцессоров семейства 68000, включая ассемблеры, компиляторы, отладчики, операционные системы, а также многочисленные прикладные программы. Все это делает семейство 68300 перспективной элементной базой для реализации новых поколений систем управления.

Микроконтроллеры семейства 68300 имеют напряжение питания 5 В, максимальную тактовую частоту 20 МГц и потребляемую мощность в рабочем режиме не более 600 мВт, которая снижается в режиме останова до 500 мкВт. Предусмотрено подключение к памяти пониженного резервного питания, что позволяет сохранить ее содержимое в режиме хранения. Все модели микроконтроллеров содержат сторожевое устройство (WDT-watchdog timer), таймер для реализации периодических прерываний (PIT), а также реализуют режим отладки BDM.

Микроконтроллер МС68331 является наиболее простой моделью семейства 68300. Он не имеет внутренней памяти и модуля АЦП, использует более простой таймерный модуль GPT. Основное применение находит в системах регулирования и контрольно-измерительной аппаратуре. Микроконтроллер МС68332 послужил базовой моделью, на основе которой реализован ряд последующих моделей. Получил широкое распространение в робототехнике, автомобильной электронике, устройствах управления электродвигателями, системах промышленной автоматики.

Таблица 1.2

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6