Принципы использования микропроцессорной техники. Принципы использования микропроцессоров. Принципы использования микропроцессоров в информационноизмерительных системах
 Скачать 141.5 Kb.
|
Современный арсенал средств разработчика автоматизированных средств и систем измеренийПрименение в измерительной аппаратуре интегральных микросхем для аналоговой и цифровой обработки сигналов существенно улучшили эксплуатационные характеристики (надежность, габариты, масса, энергопотребление и др.), а также открыли новые богатые возможности усложнения алгоритмов обработки физической информации. До появления микропроцессорной техники компетенция инженера, как правило, ограничивалась задачами создания схем с жесткими связями. Если же строились специализированные ЭВМ для обработки результатов физических экспериментов, то разработка структуры ЭВМ, ее архитектуры и значительной части ее программного обеспечения относилась к компетенции специалистов вычислительной техники. С появлением микропроцессоров и микро-ЭВМ начинается их органическое слияние с измерительной аппаратурой и установками, и у инженера возникает потребность более глубокого освоения арсенала программных и аппаратных средств вычислительной техники, необходимого для проектирования автоматизированных систем измерений. Системы измерения сами по себе нельзя считать идеально подготовленным полем для внедрения микропроцессоров. Вспомним хотя бы один из принципов Неймана, заложенных в основу ЭВМ – информация обрабатываемая и информация командная представляются словами одинаковой формы. У наших систем командная информация резко отличается от исходной обрабатываемой информации. Последняя, как правило, носит непрерывный характер и возникает как результат преобразования интересующей нас физической величины в более удобный электрический сигнал. Формы представления информации от датчиков могут быть различными: напряжение, ток, сопротивление, параметры импульсов (амплитуда, частота, фаза, длительность импульсов или временной интервал между ними). Естественно, что измерительная система в общем случае включает в себя также и схемы с жесткими связями для обработки сигналов аналоговыми устройствами, дискретизации, аналого-цифрового преобразования и (или) возможные цифровые функциональные преобразования с целью укрупнения информации перед вводом ее в процессор. Человек общается с системой через внешние устройства – дисплей (на экране которого можно получить «мягкие» копии результатов обработки измерения) и устройства печати и графопостроители (выдающие «жесткие» копии результатов). С точки зрения системотехники, применяемые новые элементы –микропроцессоры, ОЗУ, ПЗУ, УВВ – являются стандартными микросхемами повышенной степени интеграции, параметры которых, так же, как и у счетчиков, регистров, дешифраторов можно найти в справочниках. Однако для проектирования систем с микропроцессорами необходимо владеть программированием и обладать новым уровнем знания основ организации вычислительных процессов в системах состоящих из вычислительных средств и дополнительных электронных схем. Поэтому разработчик автоматизированных измерительных систем должен владеть вопросами цифровой и аналоговой схемотехники, программирования и современной элементной базы микропроцессоров и микроконтроллеров. Несмотря на непрерывное развитие и появление все новых и новых 16- и 32-разрядных микроконтроллеров и микропроцессоров, наибольшая доля мирового микропроцессорного рынка остается за 8-разрядными устройствами. По всем прогнозам аналитических компаний на ближайшие 5 лет лидирующее положение 8-разрядных микроконтроллеров на мировом рынке сохранится. Среди всех 8-разрядных микроконтроллеров - семейство 8051 является несомненным чемпионом по количеству разновидностей и количеству компаний, выпускающих его модификации. Важную роль в достижении такой высокой популярности семейства 8051 сыграла открытая политика фирмы Intel, родоначальницы архитектуры, направленная на широкое распространение лицензий на ядро 8051 среди большого количества ведущих полупроводниковых компаний мира. В результате на сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров семейства 8051, выпускаемых почти 20-ю компаниями. Эти модификации включают в себя кристаллы с широчайшим спектром периферии: от простых 20-выводных устройств с одним таймером и 1К программной памяти до сложнейших 100-выводных кристаллов с 10-разрядными АЦП, массивами таймеров-счетчиков, аппаратными 16-разрядными умножителями и 64К программной памяти на кристалле. Каждый год появляются все новые варианты представителей этого семейства. Основными направлениями развития являются: увеличение быстродействия (повышение тактовой частоты и переработка архитектуры), снижение напряжения питания и потребления, увеличение объема ОЗУ и FLASH памяти на кристалле с возможностью внутрисхемного программирования, введение в состав периферии микроконтроллера сложных устройств типа системы управления приводами, CAN и USB интерфейсов и т.п. Основными производителями клонов 51-го семейства в мире являются фирмы Philips, Siemens, Intel, Atmel, Dallas, Temic, Oki, AMD, MHS, Gold Star, Winbond, Silicon Systems и ряд других. В рамках СССР производство микроконтроллера 8051 осуществлялось в Киеве, Воронеже (1816ВЕ31/51, 1830ВЕ31/51), Минске(1834ВЕ31) и Новосибирске (1850ВЕ31). Микроконтроллеры семейства MCS-51 Фирма Intel является родоначальницей архитектуры MCS-51, которая 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 микропроцессоре 8086. Основными элементами базовой архитектуры являются: 8-разрядное АЛУ на основе аккумуляторной архитектуры; 4 банка регистров, по 8 в каждом; встроенная память программ 4Кбайт; внутреннее ОЗУ 128 байт; булевый процессор; 2 шестнадцатиразрядных таймера; контроллер последовательного канала (UART); контроллер обработки прерываний с двумя уровнями приоритетов; четыре 8-разрядных порта ввода/вывода, два из которых используются в качестве шины адреса/данных для доступа к внешней памяти программ и данных; встроенный тактовый генератор. Затем был выпущен микроконтроллер 80С52, который отличался увеличенным объемом памяти программ и данных на кристалле, был введен третий таймер с функциями выборки и сравнения и соответственно расширен контроллер прерывания. 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). В состав PCA входят: 16-разрядный таймер-счетчик; 5 шестнадцатиразрядных модуля выборки и сравнения, каждый из которых связан со своей линией порта ввода-вывода микроконтроллера. Таймер-счетчик обслуживает все пять модулей выборки и сравнения, которые могут быть запрограммированы на выполнение одной из следующих функций: 16-битная выборка значения таймера по положительному фронту внешнего сигнала; 16-битная выборка значения таймера по отрицательному фронту внешнего сигнала; 16-битная выборка значения таймера по любому фронту внешнего сигнала; 16-битный программный таймер; 16-битное устройство скоростного вывода (HSO); 8-битный ШИМ 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. 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. Для решения этой задачи была создана совместная группа из специалистов компаний Intel и Philips, но позднее пути этих двух фирм разошлись. В результате в 1995 г. появилось 2 существенно отличающихся семейства: MCS-251/151 у Intel и 51XA у Philips. Основные характеристики архитектуры MSC-251: 24-разрядное линейное адресное пространство, обеспечивающее адресацию до 16M памяти; регистровая архитектура , допускающая обращение к регистрам как к байтам, словам и двойным словам; страничный режим адресации для ускорения выборки инструкций из внешней программной памяти; очередь инструкций; расширенный набор команд, включающий 16-битовые арифметические и логические инструкции; расширенное адресное пространство стека до 64К; выполнение самой быстрой инструкции за 2 такта; совместимость на уровне кода с программами для MCS-51. Таблица 7.2. Микроконтроллеры семейства 8051 фирмы.
Система команд MCS-251 построена на базе двух наборов инструкций - первый набор является копией системы команд MCS-51, а второй набор состоит из расширенных инструкций, реализующих преимущества архитектуры MSC-251. 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. |