Архитектура микроконтроллеров

2

Томский политехнический университет

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Реферат на тему

«Архитектура микроконтроллеров C51, AVR, ARM»

Томск 2009

Содержание

Введение

1. Архитектура микроконтроллеров MCS-51

1.1. Блок управления и синхронизации

2. Архитектура микроконтроллеров ARM

2.1. Основные характеристики ядра ARM7

3. Архитектура микроконтроллера AVR

3.1. Микропроцессор

3.2. Память

3.2.1. Память программ (Flash ROM или Flash ПЗУ)

3.2.2. Память данных

3.2.3. Регистровая память (РОН и РВВ)

3.2.4. Энергонезависимая память данных (EEPROM)

3.2.5. Оперативная память (ОЗУ или RAM)

3.3. Периферия

3.3.1. Порты ввода/вывода (I/O)

3.3.2. Прерывания (INTERRUPTS)

3.3.3. Таймеры/счетчики (TIMER/COUNTERS)

3.3.4. Сторожевой таймер (WDT)

3.3.5. Аналоговый компаратор (AC)

3.3.6. Аналого-цифровой преобразователь (A/D CONVERTER)

3.3.7. Универсальный последовательный приемопередатчик (UART или USART)

3.3.8. Последовательный периферийный интерфейс SPI

3.3.9. Двухпроводной последовательный интерфейс TWI

3.3.10. Интерфейс JTAG

3.3.11. Тактовый генератор

3.3.12. Система реального времени (RTC)

3.4. Питание

3.4.1. Сброс при снижении напряжения питания (BOD)

Заключение

Список литературы

Введение

Микроконтроллер (MCU) -- микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Микроконтроллеры являются основой для построения встраиваемых систем, их можно встретить во многих современных приборах, таких, как телефоны, стиральные машины и т. п. Большая часть выпускаемых в мире процессоров -- микроконтроллеры[3].

В отличие от микросхем "жесткой логики", микроконтроллер - это микросхема, у которой, во-первых, зависимость выходных сигналов от входных определяется исключительно правилами, заложенными разработчиком заранее (это называется программированием, а сами правила - программой), а во-вторых, нет четкого деления выводов на входы и выходы - обычно почти все выводы микроконтроллера в зависимости от желания и намерения разработчика могут быть как входами, так и выходами (и даже менять свое назначение в процессе работы).

1. Архитектура микроконтроллеров MCS-51

Архитектура семейства MCS-51 в значительной мере предопределяется ее назначением - построение компактных и дешевых цифровых устройств. Все функции микроЭВМ реализуются с помощью единственной микросхемы. В состав семейства MCS-51 входит целый ряд микросхем от самых простых микроконтроллеров до достаточно сложных. Микроконтроллеры семейства MCS-51 позволяют выполнять как задачи управления различными устройствами, так и реализовывать отдельные узлы аналоговой схемы. Все микросхемы этого семейства работают с одной и той же системой команд, большинство из них выполняется в одинаковых корпусах с совпадающей цоколевкой (нумерация ножек для корпуса). Это позволяет использовать для разработанного устройства микросхемы разных фирм - производителей (таких как Intel, Dallas, Atmel, Philips и т.д.) без переделки принципиальной схемы устройства и программы.[5]

Рис 1. Структурная схема контроллера К1830ВЕ751

Структурная схема контроллера представлена на рис.1. и состоит из следующих основных функциональных узлов: блока управления, арифметико-логического устройства, блока таймеров/счетчиков, блока последовательного интерфейса и прерываний, программного счетчика, памяти данных и памяти программ. Двусторонний обмен осуществляется с помощью внутренней 8-разрядной магистрали данных. Рассмотрим подробнее назначение каждого блока. По такой схеме построены практически все представители семейства MCS-51. Различные микросхемы этого семейства различаются только регистрами специального назначения (в том числе и количеством портов). Система команд всех контроллеров семейства MCS-51 содержит 111 базовых команд с форматом 1, 2 или 3 байта и не изменяется при переходе от одной микросхемы к другой. Это обеспечивает прекрасную переносимость программ с одной микросхемы на другую.

1.1 Блок управления и синхронизации

Блок управления и синхронизации (Timing and Control) предназначен для выработки синхронизирующих и управляющих сигналов, обеспечивающих координацию совместной работы блоков ОЭВМ во всех допустимых режимах ее работы.В состав блока управления входят:

· устройство формирования временных интервалов,

· логика ввода-вывода,

· регистр команд,

· регистр управления потреблением электроэнергии,

· дешифратор команд, логика управления ЭВМ.

Устройство формирования временных интервалов предназначено для формирования и выдачи внутренних синхросигналов фаз, тактов и циклов. Количество машинных циклов определяет продолжительность выполнения команд. Практически все команды ОЭВМ выполняются за один или два машинных цикла, кроме команд умножения и деления, продолжительность выполнения которых составляет четыре машинных цикла. Обозначим частоту задающего генератора через Fг. Тогда длительность машинного цикла равна 12/Fг или составляет 12 периодов сигнала задающего генератора. Логика ввода - вывода предназначена для приема и выдачи сигналов, обеспечивающих обмен информации с внешними устройствами через порты ввода вывода Р0-Р3.

Регистр команд предназначен для записи и хранения 8-ми разрядного кода операции выполняемой команды. Код операции, с помощью дешифратора команд и логики управления ЭВМ, преобразуется в микропрограмму выполнения команды.

Регистр управления потреблением (PCON) позволяет останавливать работу микроконтроллера для уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения уровня помех от микроконтроллера. Еще большего уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения помех можно добиться, остановив задающий генератор микроконтроллера. Этого можно достичь при помощи переключения бит регистра управления потреблением PCON. Для варианта изготовления по технологии n-МОП (серия 1816 или иностранных микросхем, в названии которых в середине отсутствует буква 'c') регистр управления потреблением PCON содержит только один бит, управляющий скоростью передачи последовательного порта SMOD, а биты управления потреблением электроэнергией отсутствуют.

Арифметико-логическое устройство (ALU) представляет собой параллельное восьмиразрядное устройство, обеспечивающее выполнение арифметических и логических операций. АЛУ состоит из [5]:

· регистров аккумулятора, регистров временного хранения TMP1 и TMP2,

· ПЗУ констант,

· сумматора,

· дополнительного регистра (регистра В),

· аккумулятора (ACC),

· регистра состояния программ (PSW).

Регистр аккумулятор и регистры временного хранения - восьмиразрядные регистры, предназначенные для приема и хранения операндов на время выполнения операций над ними. Эти регистры программно не доступны.

ПЗУ констант обеспечивает выработку корректирующего кода при двоично-десятичном представлении данных, кода маски при битовых операциях и кода констант.

Параллельный восьмиразрядный сумматор представляет собой схему комбинационного типа с последовательным переносом, предназначенную для выполнения арифметических операций сложения, вычитания и логических операций сложения, умножения, неравнозначности и тождественности.

Регистр B - восьмиразрядный регистр, используемый во время операций умножения и деления. Для других инструкций он может рассматриваться как дополнительный сверхоперативный регистр.

Аккумулятор - восьмиразрядный регистр, предназначенный для приема и хранения результата, полученного при выполнении арифметико-логических операций или операций сдвига

Блок последовательного интерфейса и прерываний (ПИП) предназначен для организации ввода - вывода последовательных потоков информации и организации системы прерывания программ. В состав блока входят:

1. буфер ПИП,

2. логика управления,

3. регистр управления,

4. буфер передатчика,

5. буфер приемника,

6. приемопередатчик последовательного порта,

7. регистр приоритетов прерываний,

8. регистр разрешения прерываний,

9. логика обработки флагов прерываний и схема выработки вектора.

Счетчик команд (Program Counter) предназначен для формирования текущего 16-разрядного адреса внутренней памяти программ и 8/16-разрядного адреса внешней памяти программ. В состав счетчика команд входят 16-разрядные буфер РС, регистр РС и схема инкремента (увеличения содержимого на 1).

Память данных (RAM) предназначена для временного хранения информации, используемой в процессе выполнения программы.

Порты P0, P1, P2, P3 являются квазидвунаправленными портами ввода - вывода и предназначены для обеспечения обмена информацией ОЭВМ с внешними устройствами, образуя 32 линии ввода-вывода.

Регистр состояния программы (PSW) предназначен для хранения информации о состоянии АЛУ при выполнении программы.

Память программ (EPROM) предназначена для хранения программ и представляет собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В разных микросхемах применяются масочные, стираемые ультрафиолетовым излучением или FLASH ПЗУ.

Регистр указателя данных (DPTR) предназначен для хранения 16 - разрядного адреса внешней памяти данных или памяти программ.

Указатель стека (SP) представляет собой восьмиразрядный регистр, предназначенный для организации особой области памяти данных (стека), в которой можно временно сохранить любую ячейку памяти.

2. Архитектура микроконтроллеров ARM

Широкое портфолио микроконтроллеров ARM позволяет использовать эти устройства в большом числе приложений, но лучше всего их преимущества могут раскрыться в портативных приложениях, так как эти микроконтроллеры предлагают наиболее гибкое управление энергопотреблением за счет большого числа режимов работы, вариантов синхронизации и других особенностей. За счет этого, ARM-микроконтроллеры STM позволяют добиться лучших характеристик энергопотребления в этом классе устройств.[4]

Эти микросхемы имеют пять режимов пониженного энергопотребления[3]:

* Режим ожидания (WAIT), при котором приостанавливается работа ядра, но продолжается функционирование периферии с сохранением содержимого регистров;

* Замедленный режим (SLOW), при котором тактовая частота замедляется до CLK/16 или 32 кГц;

* Режим глубокого понижения с ожиданием (LPWAIT). В этом режиме вводятся ограничения режимов WAIT и SLOW;

* Режим останова (STOP). Вся синхронизация останавливается, но состояние микроконтроллера, RAM и регистров сохраняется (поддерживается питание, нет сброса);

* Дежурный режим (STANDBY). Выключаются стабилизатор напряжения, питание ядра. Работает только RTC.

Микроконтроллеры ARM имеют высокую производительность, гибкое управление энергопотреблением, качественную Flash-память и наиболее широкий набор периферии из всех производителей ARM-микроконтроллеров.

Ниже приведена структура микроконтроллера ARM компании STMicroelectronics [4] .

Рис. 2. Структура микроконтроллера STR710

2.1. Основные характеристики ядра ARM7

· 32-разрядный RISC процессор (32-разрядные шины данных и адреса) с производительностью 17 MIPS при тактовой частоте 25 МГц (пиковая производительность 25 MIPS)

· 32-разрядная адресация - линейное адресное пространство в 4 Гбайта - исключает потребность в сегментированной, разделенной на банки или оверлейной памяти

· Тридцать один 32-разрядный регистр общего назначения и шесть регистров состояния

· Регистры адресов, записи и конвейера

· Циклическое сдвиговое устройство и перемножитель

· Трехуровневый конвейер (выборка команды, ее декодирование и выполнение)

· Рабочие режимы Big Endian и Little Endian

· Напряжение питания 3,3 и 5 В

· Малое потребление 0,6 мА/МГц, при изготовлении по CMOS технологии с топологическими нормами 0,8 мкм.

· Полностью статическая работа, позволяющая дополнительно снижать потребление за счет уменьшения тактовой частоты, что идеально для критичных к потреблению применений

· Быстрый отклик на прерывания применений реального масштаба времени

· Поддержка систем виртуальной памяти

· Простая но мощная система команд

Необходимо отметить, что перевод ядра на технологию с уменьшенными топологическими нормами позволяет как повысить его производительность, так и еще больше снизить потребление.

Рис. 3.Блок-схема ядра ARM7

32-разрядная система команд ядра ARM7 содержит одиннадцать базовых типов команд[3]:

· Два типа используют встроенное арифметико-логическое устройство, циклическое сдвиговое устройство и умножитель при операциях над данными в банке из 31 регистра, форматом по 32 разряда каждый;

· Три класса команд управления перемещением данных между памятью и регистрами, один оптимизированный на обеспечение гибкости адресации, другой под быстрое контекстное переключение и третий под подкачку данных;

· Три команды управляют потоком и уровнем привилегии выполнения;

· Три типа предназначены для управления внешними сопроцессорами, что позволяет расширить функциональные возможности системы команд за пределами ядра.

Страницы: 1, 2