Рудякова А.Н., Липинский А.Ю., Данилов В.В., Рудяков И.Ю. Аппаратно-программные средства встраиваемых компьютерных систем

Подождите немного. Документ загружается.

Архитектура и средства разработки

современных однокристальных микро-ЭВМ

Tiny:

- флэш-память до 8 Кб, SRAM 512 б, EEPROM 512 б;

- число линий ввод-вывода 4-18 (общее количество выводов 6-32);

- ограниченный набор периферийных устройств.

Mega:

- флэш-память до 256 Кб, SRAM 8 Кб, EEPROM 4 Кб;

- число линий ввода-вывода 23-86;

- аппаратный умножитель;

- расширенная система команд и периферийных устройств.

XMega:

- флэш-память до 384 Кб, SRAM 32 Кб, EEPROM 4 Кб;

- четырёхканальный DMA-контроллер;

- инновационная система обработки событий.

На основе стандартных семейств выпускаются микроконтроллеры,

адаптированные под конкретные приложения, например:

- со встроенными интерфейсами USB (серия AT90USBxxxx), CAN

(серия AT90CANxxx), контроллером LCD (серии ATmega169 и ATmega329);

- со встроенным радио приёмо-передатчиком (серии ATAхxxx,

ATAMxxx);

- для управления электродвигателями (серия AT90PWMxxxx).

32 битная архитектура микроконтроллеров

AVR32 базируется на

расширенном наборе RISC-команд, которые имеют длину 16 или 32 бита и

следуют общим потоком. Все команды распознаются непосредственно в

конвейере.

Основные характеристики AVR32 UC3:

- тактовая частота до 66 МГц;

- энергопотребление в активном режиме 0.48 мВт/МГц;

- Flash-память объемом до 256 Кбайт;

- память SRAM до 128 Кбайт;

- шесть 16-разрядных таймеров/счетчиков;

Глава 1

- до 4 интерфейсов USART, интерфейс SPI, 2 интерфейса I2C;

- контроллер прямого доступа к памяти;

- выход сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на каждой

линии ввода/вывода;

- скоростной 12-разрядный 9-канальный АЦП с частотой дискретизации

до 1,5 млн отсчетов в секунду;

- часы реального времени;

- аппаратная поддержка языка Java;

- поддержка виртуальной памяти;

- аппаратная поддержка команд, характерных для цифровой

обработки

сигналов, например, умножение с накоплением (MAC).

Микроконтроллеры PIC. В номенклатуре фирмы Microchip Technology

Inc. представлен широкий спектр 8-и, 16-и и 32-битных микроконтроллеров

под маркой PIC. В основу концепции PIC, единую для всех выпускаемых

семейств, положена RISC-архитектура с системой простых однословных

команд.

8-битные микроконтроллеры имеют модифицированную Гарвардскую

архитектуру и делятся на семейства PIC10/12/16 и PIC18.

Базовая архитектура (Base-Line)

состоит из контроллеров семейства

PIC10 и части контроллеров семейств PIC12 и PIC16. Основываются они на

12-и разрядной архитектуре слова программ и представлены контроллерами

в корпусах от 6 до 28-и выводов. Упрощенная архитектура базового

семейства предоставляет наиболее дешевое решение из предлагаемых

Microchip. Широкий диапазон напряжений питания, возможность работы при

низких напряжениях преследует целью возможность применения

микроконтроллеров в батарейных устройствах. Система команд легка для

освоения и содержит 35 команд.

Архитектура среднего семейства (Mid-Range) нашла применение в

микроконтроллерах серий PIC12 и PIC16, и имеет ширину слова памяти

программ 14 бит. Эти микроконтроллеры выпускаются в корпусах от 8 до 64

Архитектура и средства разработки

современных однокристальных микро-ЭВМ

выводов. Микроконтроллеры с флэш памятью работают в диапазоне

напряжений питания от 2.0 до 5.5В, имеют систему прерываний, аппаратный

стек и энергонезависимую память данных EEPROM, а также богатый набор

периферии, такой как USB, SPI, I²C, USART, LCD, компараторы, АЦП и т. п.

Высокопроизводительное семейство 8-битных микроконтроллеров

PIC18F представлено широкой гаммой микроконтроллеров, включающих

большой набор периферийных модулей: 10бит АЦП, компараторы,

ШИМ,

захват/сравнение, драйвер ЖКИ; интерфейсы связи USB, CAN, I2C, SPI,

USART, Ethernet и т. д. Отличительные особенности семейства:

быстродействие до 16 MIPS, объем памяти программ до 128Кб, корпуса от 18

до 100 выводов, встроенный программируемый генератор, 16-и разрядные

слова программ.

16-битные микроконтроллеры представлены в двух модификациях –

PIC24F и PIC24H, отличающихся технологией изготовления флэш памяти

программ. Первое семейство (PIC24F) производится по более

дешевой

технологии (0,25 мкм) и работает с максимальной производительностью ядра

16MIPS на 32МГц. Второе семейство (PIC24H) производится с

использованием более сложного техпроцесса изготовления, что позволяет

добиться большей скорости работы (40MIPS на 80МГц). Оба семейства

поддерживают внутрисхемное программирование.

Семейство 32-разрядных микроконтроллеров PIC32 выделяется

значительно большей производительностью и объемом памяти на кристалле

по сравнению с 16-разрядными

микроконтроллерами. Контроллеры PIC32

также оснащены большим количеством периферийных модулей, включая

различные коммуникационные интерфейсы и 16-битный параллельный порт,

который может использоваться, для обслуживания внешних микросхем

памяти и жидкокристаллических TFT-индикаторов. Семейство PIC32

построено на ядре MIPS32®, с конкурентоспособной комбинацией низкого

потребления энергии, быстрой реакции на прерывание, функциональностью

средств разработки и лидирующем в своем классе быстродействием 1.53

Глава 1

Dhrystone MIPS/МГц. Такое быстродействие достигнуто благодаря

эффективному набору инструкций, 5-ступенчатому конвейеру, аппаратному

умножителю с накоплением и несколькими (до 8) наборами 32-разрядных

регистров ядра.

Микроконтроллеры 8051. Родоначальником семейства 8051 является

однокристальный CISC микроконтроллер гарвардской архитектуры Intel

8051, который был впервые произведен Intel в 1980 году для использования

во встраиваемых системах. В течение 1980-90-ых годов этот

микроконтроллер был чрезвычайно популярен, однако

в настоящее время

устарел и вытеснен более современными устройствами с 8051-совместимыми

ядрами, производимыми более чем 20 независимыми производителями,

такими как Atmel, Maxim IC, NXP, Winbond, Silicon Laboratories, Texas

Instruments и Cypress Semiconductor. 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. Основными направлениями развития семейства

являются: увеличение быстродействия (повышение тактовой частоты и

переработка архитектуры), снижение напряжения питания и потребления,

увеличение объема ОЗУ и флэш 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.

Микроконтроллеры ARM. Микроконтроллеры на основе 32-битной

микропроцессорной RISC архитектуры ARM, разрабатываемой одноименной

корпорацией, имеют низкое энергопотребление при высокой

производительности, поэтому находят широкое применение во встраиваемых

системах и доминируют на рынке мобильных устройств, таких как КПК,

сотовые телефоны, медиаплееры, карманные игровые устройства,

Архитектура и средства разработки

современных однокристальных микро-ЭВМ

калькуляторы, а также используются в компьютерной периферии, сетевом

оборудовании и т. д.

По лицензии корпорации ARM микроконтроллеры производят фирмы

Atmel, Cirrus Logic, Marvell, NXP, STMicroelectronics, Samsung, Qualcomm,

Sony Ericsson, Texas Instruments, nVidia, Freescale. При этом корпорация

ARM, являясь разработчиком процессорных ядер, не имеет собственного

полупроводникового производства и не поставляет готовых кристаллов. Ядра

поставляются заказчикам – производителям микросхем в следующей форме:

- поведенческое описание на языке VHDL или

Verilog (такие ядра

называются синтезируемыми);

- электрическая схема процессорного ядра;

- топологическая макроячейка (описание топологии ядра для реализации

в составе интегральной микросхемы).

Используя ту или иную форму представления, производители создают

различные модели микроконтроллеров, дополняя процессорное ядро набором

необходимых периферийных устройств.

1.2. Интегрированные среды разработки Atmel AVRStudio,

CodeVisionAVR, Microchip MPLAB IDE, IAR Embedded Workbench

Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на

языке С

или ассемблера, хотя существуют средства разработки и для других

языков (например, Паскаль, Бейсик).

Atmel AVRStudio – бесплатная среда разработки для

микроконтроллеров семейства AVR, которая после регистрации доступна для

скачивания с сайта производителя www.atmel.com. Скриншот актуальной

версии 4.18 build 700 приведен на рис. 1.1.

Глава 1

Рис. 1.1

AVRStudio содержит интегрированные ассемблер и симулятор, также

доступна интеграция с компилятором GCC. На этапе отладки программы

возможны варианты пошагового выполнения, использование точек останова.

При этом можно просматривать содержимое регистров, памяти, состояние

портов ввода-вывода, и т.д.

Для записи кода программы в память микроконтроллера, а также

аппаратной отладки, предусмотрена поддержка

ряда программаторов и

отладочных модулей, таких как AVR ONE!, JTAGICE mkI, JTAGICE mkII,

AVR Dragon, AVRISP, AVR ISPmkII, AVR Butterfly, STK500 и STK600,

выпускаемых фирмой Atmel.

Среда CodeVisionAVR, выпускаемая фирмой HP InfoTech, обладает

дружественным интерфейсом, и содержит CodeWizardAVR –

Архитектура и средства разработки

современных однокристальных микро-ЭВМ

«автоматический генератор» программы на языке C, чем привлекает

новичков, начинающих осваивать это семейство микроконтроллеров.

Скриншот актуальной версии 2.04.7a приведен на рисунке 1.2.

Рис. 1.2

Архив установочного файла программы также может быть скачан с

официального сайта (www.hpinfotech.ro), однако в отличие от AVRStudio,

бесплатной для некоммерческого использования является только

полнофункциональная ознакомительная версия, в которую внесены

ограничения по размеру кода в 3кб.

CodeVisionAVR поддерживает современные программаторы и

аппаратные отладочные средства, выпускаемые фирмой Atmel, однако не

обладает встроенным программным симулятором/

отладчиком. Для отладки

вызывается симулятор AVRStudio.

Глава 1

Microchip MPLAB IDE является бесплатной средой для разработки и

отладки (вместе с MPLAB SIM) программного обеспечения PIC

микроконтроллеров на языке ассемблера, и может быть загружена с сайта

производителя (www.microchip.com) без процедуры предварительной

регистрации. Актуальной является версия MPLAB IDE 8.5. Скриншот

программы приведен на рис. 1.3.

Рис. 1.3

Компилятор языка С поставляется отдельно и не является бесплатным.

Однако существуют оценочные и студенческие (Lite) версии компиляторов

для различных семейств PIC микроконтроллеров, распространяемые с

ограничением функциональности.

MPLAB IDE поддерживает программаторы, стартовые и отладочные

наборы, выпускаемые Microchip.

Архитектура и средства разработки

современных однокристальных микро-ЭВМ

IAR Embedded Workbench – семейство коммерческих

интегрированных сред разработки, выпускаемое фирмой IAR Systems, и

поддерживающее большинство современных микроконтроллеров.

Существуют версии для Atmel AVR (актуальная 5.5), Atmel AVR32,

PIC18, 8051, ARM, и т.д., которые включают в себя компилятор C/C++,

ассемблер, симуляторы/отладчики, а также позволяют работать с

распространенными программаторами и отладочными стендами.

IAR Embedded WorkBench является удобным инструментом

программирования и отладки, компилятор С которого – один из лучших

по

эффективности кода, однако стоимость его также достаточно высока, и не

является аргументом в пользу этой среды при выборе средства разработки,

особенно на фоне большого количества бесплатного, либо недорогого

программного обеспечения и доступности компилятора GCC.

1.3. Средства моделирования Proteus VSM, Multisim, VMLAB

Программные пакеты для моделирования работы всевозможных

аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств успешно

применяются, хотя и непрерывно совершенствуются, на протяжении почти

четырех десятилетий (симулятор SPICE был предложен в 70-х годах

прошлого века). Однако до недавнего времени симуляторы, позволяющие

промоделировать работу микроконтроллера с записанной в него программой

пользователя в составе разрабатываемого электронного устройства, на рынке

подобных программных средств отсутствовали. Сейчас это направление

достаточно стремительно развивается, увеличивается

количество

программных пакетов, поддерживающих модели микроконтроллеров,

расширяется номенклатура.

В программном пакете Proteus VSM (Virtual System Modelling),

выпускаемом фирмой Labcenter Electronics, реализована поддержка

микроконтроллеров AVR, PIC, 8051, ARM, а также процессора i8086 и др.

Глава 1

Актуальной на сегодня является версия 7.6 SP4, скриншот которой

приведен на рис. 1.4.

Рис. 1.4

Кроме микроконтроллеров поддерживаются различные периферийные

устройства, такие как жидкокристаллические дисплеи, цифровые

термометры, микросхемы памяти, и т.п. Таким образом, удобство

использования этого программного пакета для разработчика встраиваемых

электронных устройств трудно переоценить.

Конкурирующий программный пакет Multisim (широко известный

ранее как Electronics Workbench), выпускаемый сейчас компанией National

Instruments, получил поддержку микроконтроллеров сравнительно недавно,

начиная

с версии 10.1. При этом номенклатура моделируемых кристаллов