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

Два рассмотренных примера показывают с одной стороны сложность функций, которые берет на себя МПС, а с другой стороны достаточно простые алгоритмы функционирования системы. Эти примеры призваны показать процесс совместного проектирования аппаратных средств и программного обеспечения МПС. Другие многочисленные примеры применения МПС и микро-ЭВМ приводятся в специальной литературе и в журнале ГКНТ "Микропроцессорные средства и системы" [12].

5. Перспективы развития микропроцессорных систем

5.1. Совершенствование аппаратных средств МПС

Развитие микропроцессорных средств идет по двум направлениям: совершенствование аппаратных средств и программного обеспечения. Рассмотрим сначала развитие схемных принципов построения МПС.  При этом будем рассматривать только МП и  ОЭВМ, не используемые для комплектации персональных ЭВМ, так как  МП для ПК  - это отдельная тема.

5.1.1. Развитие структуры и характеристик МП.

Микропроцессоры как элемент МПС развивается в следующих направлениях:

-         увеличение разрядности ЦПЭ,

-         повышение быстродействия,

-         увеличение степени интеграции БИС ЦПЭ,

-         уменьшение энергопотребления.

В настоящее время существующие БИС МП  и ОЭВМ имеют степень интеграции около 300 тыс. элементов/см. В ближайшем будущем возможно повышение этой степени до 1 млн. элементов/см. Это уже предел для современного уровня технологии производства БИС. Дальнейшее повышение степени интеграции сопряжено с очень большими технологическими трудностями и, естественно с увеличением стоимости МП. При этом теряется одно из главных преимуществ МП - его дешевизна. Поэтому нельзя ожидать в ближайшем будущем существенного повышения степени интеграции.

Быстродействие современных МП приближается к миллиону операций в секунду (тактовая частота около 50 МГц). Следует ожидать увеличения быстродействия примерно до 100 МГц. Однако повышению производительности всей МПС в целом препятствует не ЦПЭ, а низкоскоростные внешние устройства. Поэтому основной проблемой, стоящей на современном этапе перед разработчиками МПС, является повышение быстродействия всех компонент МПС. А это сделать по ряду причин очень  трудно. Кроме того, повышение быстродействия влечет за собой, опять таки, повышение стоимости МПС. Возможен другой подход. Необходимо изменить сам принцип обработки информации в МП. Например, в МП серии К584, ОЭВМ Intel 251 семейства применен так называемый "конвейерный" принцип выполнения микрокоманд. Он заключается в одновременном исполнении команды и приемом кода команды из ОЗУ команд. Поэтому, хотя тактовая частота МП серии К584 и вполовину меньше, чем у МП серии К580, но скорость выполнения команд увеличивается почти в десять раз.

Другим способом повышения мощности МП и ОЭВМ является принципиально иное использование процессорного времени для распределения функций и операций. Так американская фирма Dallas Semiconductor выпустила на рынок  новую ОЭВМ DS80C310 - DS80C530, которая имеет ядро типа ОЭВМ MCS51, но при тактовой частоте до 33 МГц ее производительность такова, как будто тактовая частота обычной  ОЭВМ была бы 80-100 МГц.

На заре развития МП считалось, что во многих применениях 8-ми разрядного ЦПЭ вполне хватит для работы с приемлемой точностью. Однако по мере развития МП техники, расширения ее функциональных способностей, становилось очевидным, что необходимо повышать разрядность МП. И хотя в 8-ми разрядных ЦПЭ часто предусматривалась возможность оперировать с 16-ти разрядными данными, но быстродействие таких операций было весьма низким. Поэтому появились 16-ти разрядный МП, такие как К1801ВМ1, 1810ВМ86 и др. Правда электронное обрамление этих ЦПЭ все более усложнялось, так как в связи с ограниченным числом выводов БИС ЦПЭ использовалась мультиплексированная ШД/ША. Другим путем увеличения разрядности обрабатываемых данных явилось использование секционированных МП (например, серий К584, К589, К1802, К1804 и др.), хотя в настоящее время это направление считается неперспективным.

Уменьшенное энергопотребление важно в тех случаях, когда предусматривается автономная работа МПС на объектах малой энергонасыщенности. Ранее уже был создан МПК на основе КМОП - серия К588. В настоящее время по этой технологии создаются однокристальные микро-ЭВМ, предназначенные для встраивания в различное оборудование. Однако в перспективных типах ОЭВМ вопросам энергопотребления отводится не последняя роль. При этом стремятся при сохранении заданной технологии (КМОП), уменьшить энергопотребление схемными методами. Однако потребление энергии и быстродействие находятся во взаимном противоречии, то для создания быстродействующих МП жертвуют малым энергопотреблением.

Другим направлением уменьшения энергопотребления является широкое использование режимов Idle и Standby, в которых ОЭВМ потребляет  в 10 – 100 раз меньший ток, чем в рабочем режиме.

Наконец, всеобъемлющей тенденцией развития МП техники является тотальная замена МПС на основе МП на ОЭВМ, к которым при необходимости можно присоединить дополнительные элементы: БИС ОЗУ, ППЗУ, УВВ. Развитие технологии производства ОЭВМ достигли даже в настоящее время такого уровня, который позволяет на одном кристалле сформировать составляющие МПС, которые ранее умещались только на печатной плате или даже в других модулях. Примером может служить разработанная совсем недавно фирмой Analog Devices (США) ОЭВМ  типа AduC812, которая имеет структуру и систему команд, совпадающие с семейством MCS-51, но дополнительно на кристалле сформирован высококачественный восьмиканальный 12-битный АЦП и   два  12-битных ЦАП. Таким образом, одна ОЭВМ заменяет целое сложное устройство для встраивания в аналоговое оборудование.

5.1.2. Совершенствование схем памяти

В МПС на быстродействие всей системы накладывает ограничение именно схемы памяти. Поэтому проблема увеличения быстродействия и объема БИС ОЗУ или ПЗУ является весьма актуальной. С появлением КМОП технологии появилась возможность создавать БИС ОЗУ и ППЗУ сверхвысокой степени интеграции и сверхмалым потреблением (примерно до 1 мкВт/бит). Кроме того, произошел отказ от одноразрядной организации БИС. Так как большинство МП и ОЭВМ имеют 8-разрядную ШД, то теперь наиболее употребительной стала многоразрядная (кратная восьми) двунаправленная организация ввода-вывода данных. Первой новой отечественной БИС ОЗУ стала микросхема К537РУ10 с организацией 2048х8 бит, удельным потреблением 1 мкВт/бит, временем цикла 150 нс. В настоящее время разработана широкая номенклатура БИС ОЗУ емкостью до 1 Мбит, и временем цикла до 10 нс, разрядность 8 и 16 бит. Для разработки МПС этого вполне достаточно для любых приложений.

Параметры БИС ППЗУ также количественно существенно выросли. Обычной практикой является использование микросхем емкостью 32-64 Кбайт КМОП структуры с временем доступа до 50 нс. Кроме того, появилась так называемая Flash-память, которая позволяет перепрограммировать микросхему непосредственно в схеме. Например, популярная серия AMD400F представляет собой СБИС Flash-памяти до 1 Мбайт с 8- и 16-разрядной ШД, число циклов перезаписи до 1000000.

5.1.3. Развитие внешних устройств МПС.

 Как правило, внешние устройства МПС являются самыми низкобыстродействующими в системе. Кроме того, они часто содержат механические части, имеющие низкую надежность. Можно разделить все эти устройства на два класса: внешние устройства памяти и устройства связи с объектом и оператором. Внешние устройства памяти - это разного рода накопители информации (на дисках, ленте и т.п.).

Совершенствование этих устройств идет по двум направлениям. С одной стороны развивается традиционная схема накопителей: разрабатываются БИС контроллеров, повышается надежность записи и считывания информации, увеличивается плотность записи на дисках и ленте. С другой стороны начинают применяться нетрадиционные накопители без механических частей: пленки на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД), приборы с зарядовой связью (ПЗС) и др. компоненты.

Средства связи человека с ЭВМ имеют принципиально ограниченную скорость передачи информации, так как человек не может воспринимать слишком большой ее поток. Однако целесообразно совершенствовать методы ее обработки перед выдачей на экран. Например, графическую информацию человек воспринимает гораздо эффективнее. Поэтому совершенствование таких устройств включает в себя как работы по упрощению связи их с микро-ЭВМ (в этом направлении уже сегодня разработаны БИС, позволяющие просто связать клавиатуру и экран дисплея с ЭВМ, например, КР580ВВ79 - БИС контроллера клавиатуры дисплея, КР580ВГ75 - БИС контроллера видеотерминала), так и по повышению эффективности  представления передаваемой информации. Для этого снабжают устройства отображения  автономными контроллерами, которые предварительно обрабатывают полученную информацию и выводят ее на экран в удобном для восприятия виде.

В качестве примера можно рассмотреть экран на жидких кристаллах (ЖКИ), работающий в графическом режиме. Число точек на экране достигает 1024х512, он полностью совместим с МП шинами.

Особое внимание уделяется устройства для МПС, которые обеспечивают надежную работу МПС при комбинированном питании от сети и от батарей. При пропадании сетевого питания возможно появление сбоев в работе МП и ОЭВМ. Кроме того, а ряде случаев импульсные помехи могут сбивать нормальную работу процессоров. В этих случаях применяются микросхемы  - так называемые "Супервизоры". Самые совершенные (например, ИС AD695 фирмы Analog Devices) содержат следующие узлы:

·        узел переключения питания МПС с сетевого  на батарейное и блок подзарядки аккумуляторов,

·        узел формирования импульса сброса на МП или ОЭВМ при пропадании импульсов, подаваемых из МПС (так называемый Watch-Dog таймер),

·        узел блокировки цепи CS для БИС ОЗУ при пропадании питания для исключения случайной записи в БИС ОЗУ.

 5.2. Совершенствование программного обеспечения

Как известно, программное обеспечение (ПО) играет важнейшую роль в функционировании всей МПС. Поэтому повышение эффективности МПС требует совершенствования ПО. По характеру использования ПО в конкретных приложениях их можно  разделить на ПО реального времени (РВ) и ПО микро-ЭВМ, которым нет необходимости работать в масштабе реальных событий, но которые должны обладать развитыми функциональными возможностями.

В ПО РВ главный упор делается на повышение  эффективности обработки информации в самые короткие промежутки времени, на организацию параллельной обработки многих задач, на повышение скорости реагирования на прерывания внешних устройств. С этой целью разрабатываются новые структуры ПО РВ, совершенствуются традиционные компоненты системы: планировщик задач, диспетчер, обработчик прерываний, программы отслеживания времени, супервизоры ввода/вывода. В результате даже не очень быстрый МП может быть использован в системе реального времени, так как ПО РВ осуществляет эффективную обработку поступающей информации.

В микро-ЭВМ, предназначенных для решения различных задач не в реальном времени, ПО совершенствуется в направлении облегчения процесса программирования задачи и увеличения скорости работы на ЭВМ. Как правило, это работа по развитию языков высокого уровня применительно именно к микро-ЭВМ. Традиционные языки высокого уровня, используемые на больших ЭВМ, в большинстве своем неприменимы для микро-ЭВМ, так как требуют большого объема памяти, развитых операционных систем и т. д. Были созданы и создаются свои типы языков, которые хотя и многое позаимствовали у языков больших машин, но сохраняют особенности, присущие именно языкам микро-ЭВМ. Среди критериев, которыми необходимо руководствоваться при выборе языка, существуют следующие:

·        обработка прерываний на уровне данного языка,

·        работа с подпрограммами (т.е. возможность модульного программирования),

·        выбор трансляции или интерпретации,

·        кросс-средства для отладки ПО,

·        структуры данных (разрядность, форма представления, побитовая обработка и т.п.),

·        объем требуемой памяти,

·        временные соотношения при работе с языком,

·        переносимость ПО с одного типа микро-ЭВМ на другой.

Все эти факторы и влияют на конкретный выбор языка. Подробно разработанные языки высокого уровня, такие как АЛГОЛ, ФОРТРАН, КОБОЛ, в процессе совершенствования МПС трансформировались в более приемлемые для данных систем PL/М, PL/Z, MPL, БЕЙСИК, КОРАЛ, СИ и другие. Разработаны и разрабатываются версии таких языков, как ПАСКАЛЬ, Си, RTL/2, ФОРТ, АДА, которые предназначены уже исключительно для микро-ЭВМ. Каждый из этих языков имеет свои особенности, достоинства и недостатки, поэтому ведется работа по совершенствованию их структуры и созданию новых версий. В частности, сейчас уже применяется промежуточный способ преобразования исходной программы на языке высокого уровня: исходная программа сначала транслируется в чрезвычайно экономный промежуточный формат, а затем уже этот формат интерпретируется в объектную программу. Таким образом, соединяются преимущества трансляции и интерпретации: малый объем занимаемой памяти (чуть больше, чем при классической интерпретации) и высокая скорость выполнения программы (чуть медленнее, чем при обычной трансляции). Вообще следует сказать, что ПО микро-ЭВМ развивается более высокими темпами, чем аппаратная часть, так что в этой области следует ждать больших перемен в ближайшем будущем. 

С появлением графической операционной системы Windows для ПК наблюдается тенденция перевода всего кросс-ПО на эту систему. При этом облегчается работа программиста, полнее используются все преимущества среды Windows перед ДОС.

Особенно быстрыми темпами развивается ПО для ОЭВМ, которые в настоящее время вытесняют МП. Основными тенденциями развития такого ПО являются:

·        интеграция в одной системе ассемблера, компиляторов с языков высокого уровня, редактора текста с широкими возможностями именно для редактирования программ, редактора связей и других модулей,

·        добавление к стандартным интегрированным пакетам для языков высокого уровня для ПК специальных "надстроек", которые позволяют создавать программы на ПК (так сделано, например, для ОЭВМ типа AMD186ES, система команд которой практически полностью совпадает с системой команд МП, на котором построен ПК),

·        разработка специализированных библиотек, учитывающих особенности МП и ОЭВМ и подсоединяемых к интегрированным пакетам на ПК.

Другой интересной тенденцией, которая наблюдается в разработке ПО для ОЭВМ, является создание так называемых "проектировщиков" (или по-английски Builder). Например, фирма Intel разработала пакет под названием AP-Builder для всех видов МП и ОЭВМ, которые выпускаются этой фирмой. Особенности этого пакета:

·        показ в графическом виде на экране структуры МП или ОЭВМ и ее внутренних связей с возможностью выбора двойным щелчком мыши любого компонента системы,

·        показ в отдельном окне характеристик компонента (например, таймера, порта и т.п.) и возможность ввода его характеристик в текстовые поля окна,

·        автоматическое формирование на основе введенных данных строк программы на Ассемблере или на Си инициализации этого компонента,

·        сборка в единый модуль сформированных команд инициализации и добавление  модуля к разрабатываемому ПО.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Журналы "Chip News": 1996, №6-7, с.7-16; 1998, №1, с.22-27; 1999, №1, с.53-58;"Инженерная микроэлектроника", 1998, №2, с.2-14; "Приборы и системы управления",   1998, №9, с.4-10.

3. Серверы    www.motco.ru, www.mot.com/sps.

4. Бродин В.Б., Шагурин И.И. Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейс. Справочник, ЭКОМ, М., 1999г.

5. Однокристальные микроЭВМ. Семейство МК48. Семейство МК51. Техническое описание и руководство по применению. /Липовецкий Г.Н., Литвинский Г.В., Оксинь О.Н., Проценко Л.В., Петренко Н.В., Сивобородов П.В. - М.: МП "Бином", 1992.

6. Однокристальные микроЭВМ / Боборыкин А.В., Липовецкий Г.Н., Литвинский Г.В.,   Оксинь О.Н., Прохорчик С.В., Проценко Л.В., Петренко Н.В., Сергеев А.А., Сивобородов П.В. - М.: МИКАП, 1994.

7. Нерода В.Я., Торбинский В.Э., Шлыков Е.Л. Однокристальные микроЭВМ MCS-51. Архитектура. - М.: Дижитал Компонентс, 1995.

8. MCS 51. Microcontroller Family User's Manual. Order NO.: 272383-002, February 1994.

9. Embedded Microcontrollers. Order NO.: 270646, 1994.

10. Однокристальный микроконтроллер семейства MCS-51 фирмы INTEL 8X51GB. Микросхемы FLASH памяти 28F512/28F256A. Микросхемы статической памяти UM6264B/UM62256B. - Томск: ТОО "SDD", 1995.

11. Мирский Г.Я. Применение микропроцессоров в измерительных приборах. М.: "Радио и связь, 1989.

12. "Микропроцессорные средства и системы", журнал ГКНТ, М:, 1985-1989.

13. Электронная обучающая система по микроконтроллерам MCS-51. Автор Шакин П.Н. М.:, МГАПИ, 2001.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Система команд микропроцессора КР580ВМ80

Условные обозначения:

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Система команд ОЭВМ семейства MCS-51

Условные обозначения:

1. rel – метка перехода по программе в диапазоне одной страницы памяти программ 00 - FF.

2. data16 - двухбайтные данные, хранящиеся во 2 и 3 байтах команды.

3. data - байт данных, хранящийся во 2 байте команды.

4. B2 - второй байт команды.

5. M(X) - содержимое ячейки памяти, адресуемой содержимым Х - либо одним, либо двумя байтами.

6. dir - ппрямоадресуемая ячейка внутренней памяти в  диапазоне 00 -7F.

7. (p000) - номер страницы памяти команд (всего 8 страниц от р000 до р111), адресуемой командами коротких переходов и вызовов.

7.      bit - прямоадресуемый бит внутренней памяти данных в диапазоне адресов 20...3F (bit может принимать значения 00...7F.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ. ПОНЯТИЕ О МИКРОПРОЦЕССОРАХ.................................................................................................................. 2

История появления микропроцессоров................................................................................................................... 3

Терминология курса.............................................................................................................................................................. 4

Классификация и основные параметры МП......................................................................................................... 5

1. Обзор современных ОЭВМ................................................................................................................................................ 7

1.1. МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ ФИРМЫ MOTOROLLA.............................................................................................................. 8

1.1.1. Семейство НС05............................................................................................................................................................... 9

1.1.2. Семейство НС08............................................................................................................................................................ 10

1.1.3. Семейство НС11............................................................................................................................................................ 13

1.1.4. 16- и 32-разрядные микроконтроллеры MOTOROLA................................................................................... 16

1.1.5. Номенклатура и области применения микроконтроллеров семейства 68НС16......................................... 16

1.1.6. Номенклатура и области применения микроконтроллеров семейства 68300............................................ 17

1.2. Производители микроконтроллеров семейства MCS51......................................................................... 21

1.3. 8-разрядные КМОП FLASH микроконтроллеры семейства АТ89......................................................... 22

1.3.1. Отличительные особенности..................................................................................................................................... 22

1.4. Высокопроизводительные 8-разрадные RISC контроллеры семейства AT90S........................ 23

1.4.1. Вычислительные особенности................................................................................................................................... 23

1.5. Программируемые контроллеры  фирмы Dallas Semiconductor................................................. 25

1.5.1. Микроконтроллеры с динамической организацией (Soft Мicго)...................................................................... 25

1.5.2. Обеспечение высокой производительности в скоростных микроконтроллерах........................................ 27

1.5.3. Организация памяти скоростных контроллеров................................................................................................. 28

1.5.4. Возможности скоростных контроллеров.............................................................................................................. 29

1.6. ОДНОКРИСТАЛЬНЫЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ СЕРИИ PIC....................................................................................... 29

1.6.1. RISC микроконтроллеры типа PIC16C5X.............................................................................................................. 30

1.6.1.1. Обзор характеристик............................................................................................................................................... 32

Периферия и Ввод/Вывод........................................................................................................................................................ 32

1.6.1.2. Структура Кристаллов Pic16c5x.......................................................................................................................... 32

1.6.1.3. Таймер/счетчик........................................................................................................................................................... 33

1.6.1.4.Регистр статуса......................................................................................................................................................... 33

1.6.1.5. Регистры ввода/вывода. ( Порты )...................................................................................................................... 33

1.6.1.6. Организация встроенной памяти.......................................................................................................................... 33

1.6.1.7. Стек................................................................................................................................................................................ 33

1.6.1.8. Организация внутреннего ОЗУ................................................................................................................................ 33

1.6.1.9. Система команд.......................................................................................................................................................... 34

1.6.1.10. Условия сброса.......................................................................................................................................................... 34

1.6.1.11. Watchdog таймер...................................................................................................................................................... 34

1.6.1.12. Типы генераторов.................................................................................................................................................... 34

1.6.1.13. Режим пониженного энергопотребления........................................................................................................ 35

2. АРХИТЕКТУРА МП И МИКРО-ЭВМ...................................................................................................................................... 35

2.1 Общая архитектура МПС.............................................................................................................................................. 35

2.2. Принципы управления операциями.................................................................................................................. 37

2.3. Архитектура микропроцессоров.......................................................................................................................... 38

2.4. Микропроцессор КР580ИК80А...................................................................................................................................... 38

2.4.1. Принцип работы МП..................................................................................................................................................... 40

2.4.2. Организация стека в МПС........................................................................................................................................... 41

2.4.3. Организация прерываний............................................................................................................................................. 42

2.4.4. Организация ПДП........................................................................................................................................................... 43

2.4.5. Форматы данных и команд.......................................................................................................................................... 44

2.5. Форматы команд и способы адресации........................................................................................................ 45

2.5. ОЭВМ семейства MCS-51................................................................................................................................................ 47

2.5.1. Организация памяти.................................................................................................................................................... 49

2.5.2. Организация ввода-вывода......................................................................................................................................... 51

2.5.3. Синхронизация ОЭВМ................................................................................................................................................... 52

1.5.4. Блок таймеров/счетчиков........................................................................................................................................... 52

2.5.5.Блок последовательного интерфейса и прерываний (ПИП).............................................................................. 54

2.5.6. Регистр состояния (PSW)........................................................................................................................................... 56

2.6. Система команд микропроцессора КР580ИК80А......................................................................................... 57

2.7.Система команд ОЭВМ серии MCS-51.................................................................................................................... 59

3. Запоминающие устройства и их основные характеристики......................................................... 59

3.1. Оперативные запоминающие устройства................................................................................................... 59

3.2. Постоянные запоминающие устройства..................................................................................................... 62

4. Средства связи МПС с объектами............................................................................................................................ 65

4.1. Общие положения............................................................................................................................................................ 65

4.1. Аналого-цифровые преобразователи............................................................................................................... 65

3.2. Цифро-аналоговые преобразователи............................................................................................................... 68

3.3. Преобразователи уровня и другие средства связи................................................................................. 68

4. Применение микропроцессоров и микропроцессорных систем................................................... 69

4.1. Особенности создания РЭС на МП....................................................................................................................... 69

4.2. Применение МП в измерительных приборах................................................................................................. 70

4.3. Применение МП в промышленности. связи, в быту.................................................................................. 71

4.4. Система сбора аналоговой информации.................................................................................................... 73

5. Перспективы развития микропроцессорных систем............................................................................. 81

5.1. Совершенствование аппаратных средств МПС......................................................................................... 81

5.1.1. Развитие структуры и характеристик МП.......................................................................................................... 81

5.1.2. Совершенствование схем памяти............................................................................................................................. 83

5.1.3. Развитие внешних устройств МПС.......................................................................................................................... 83

5.2. Совершенствование программного обеспечения................................................................................... 84

ПРИЛОЖЕНИЕ 1................................................................................................................................................................................ 87

ПРИЛОЖЕНИЕ 2................................................................................................................................................................................ 88

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6