Общие сведения о микроконтроллерах

Микропроцессорная техника (МПТ) включает технические и программные средства, используемые для построения различных микропроцессорных систем, устройств и персональных микроЭВМ [[i]].

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом микропроцессорных: микропроцессора и/или микроконтроллера.

Микропроцессорное устройство (МПУ) представляет собой функционально и конструктивно законченное изделие, состоящее из нескольких микросхем, в состав которых входит микропроцессор; оно предназначено для выполнения определенного набора функций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление.

Под микропроцессором (МП) понимается программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс цифровой обработки информации и управления им и построенное, как правило, на одной БИС.

Термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микроЭВМ». Первый же патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971 году М. Кочрену и Г. Буну. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только микропроцессор, но и память, устройства ввода-вывода. С появлением однокристальных микроЭВМ связывают начало эры компьютерной автоматизации в области управления, включая и управление бытовой радиоэлектронной аппаратурой. По-видимому, это обстоятельство и определило термин «микроконтроллер» (control - управление).

Расширение сферы использования МК повлекло за собой развитие их архитектуры за счет размещения на кристалле устройств (модулей), отражающих своими функциональными возможностями специфику решаемых задач. Такие дополнительные устройства стали называться периферийными. Поэтому в последнее время введен еще один термин - «интегрированный процессор» (ИП), который определяет новый класс функциональноемких однокристальных устройств с другим составом модулей. По количеству и составу периферийных устройств ИП уступают МК и занимают промежуточное положение между МП и МК. По этой же причине появились не только семейства МК, которые объединяют родственные МК (с одинаковой системой команд, разрядностью), но и стали выделяться подвиды МК: коммуникационные, для управления и т. д.

МП в настоящее время преимущественно используются для производства персональных ЭВМ, а МК и ИП являются основой создания различных встраиваемых систем, телекоммуникационного и портативного оборудования и т. д.

Анализ различных семейств МП, ИП и МК показывает, что наиболее жизнеспособными являются такие семейства, которые опираются в своем развитии на предшествующую эволюцию микропроцессоров, т.е. за счет «селекции» выделяются устойчивые и проверенные практикой структурные решения и закладываются в новые семейства МК. Это позволяет использовать кадры, освоившие микропроцессоры, программное обеспечение, средства поддержки этапов разработки. Фирмы «Motorola» и «Intel», являясь общепризнанными лидерами в производстве микропроцессорных средств и развивая свои семейства МК, блестяще демонстрируют на практике технологии эволюционного проектирования.

Разные МП или МК объединяют в семейства как технология «микроядра», в качестве которого выступает процессорное ядро, взаимодействующее с периферийными устройствами различной номенклатуры, так и принципы, свойственные открытым системам: совместимость (compatibility), масштабируемость (scalability), переносимость (portability) и взаимодействие приложений (introperability).

Совместимость, состоящая в выполнении приложений на всех версиях МК, обеспечивается использованием в качестве базовой системы команд и интерфейса микропроцессора с последующей унификацией путем добавления дополнительных команд и внешних выводов, повышающих эффективность использования в задачах, на которые ориентируется семейство МК. Полученное таким образом структурное образование называется процессорным ядром, на орбите которого вращаются как «отрицательно заряженные частицы» - периферийные устройства, требующие ресурсов процессорного ядра (например, память, последовательный порт и др.), так и «положительно заряженные частицы» - периферийные устройства, аппаратно поддерживающие вычислительный процесс в МК (например, сопроцессор обработки сигналов, таймерный сопроцессор, коммуникационный сопроцессор и др.). Подобная функционально распределенная модель кристалла МК, с одной стороны, позволяет добиться более полного соответствия между особенностями предметной области и организацией кристалла, а с другой - обеспечить совместимость как в пределах различных версий определенного типа МК, так и в пределах всего семейства МК.

Масштабируемость обеспечивается выполнением приложений в пределах полного диапазона архитектур. Действительно, за счет технологии процессорного ядра обеспечивается переносимость приложений как для обычных микропроцессоров, так и для встроенных микропроцессоров (embedded microprocessors), а также для микроконтроллеров.

Переносимость для открытых систем рассматривается как возможность выполнения приложения на разных компьютерах с одной операционной системой. В нашем случае этот важный принцип состоит в том, что ядро операционной системы реального времени (OS-9, VxWorks и др.) портируется в целевые платформы на базе МК всех семейств, создавая тем самым комфортные условия для разработчика: процесс проектирования от дешевых систем с невысокой производительностью до многопроцессорных конфигураций осуществляется в рамках единой инструментальной среды.

Взаимодействие приложений - возможность общения приложений разных систем, использующих одни протоколы. Этот принцип в полной мере реализуется в системах на базе коммуникационных контроллеров фирмы «Motorola», так как на уровне кристалла реализованы типовые протоколы (HDLC, X.25 и др.).

Таким образом, определенная выше открытая модель взаимосвязи МК (Open Microcontrollers/Microprocessors Interconnection - OMI-модель), сформированная в ходе эволюции микропроцессорных средств, находится в русле магистрального развития информационных систем и является гарантом эффективности применения микропроцессорных средств, удовлетворяющих требованиям этой модели.

Задачи системной интеграции для российских специалистов являются областью приложения их высокого интеллектуального потенциала. При этом эффективность решения этих задач во многом зависит от правильного выбора микропроцессорных средств ввиду их значительного разнообразия.

Если взять за критерий комплексный показатель «количество данных - количество вычислений», то возможны следующие его значения, определяющие классы задач и основные характеристики МК (таблица 1).

Перечисленным четырем классам задач безусловно соответствуют определенные типы МК и ИП, наиболее полно учитывающих в своей архитектуре их специфику, а установленное соответствие, конечно, не является строгим. Так, среди 8-разрядных МК есть развитые модели (например, семейство М68НС11), которые с успехом можно использовать для решения отдельных задач из второго класса. Точно так же семейства 32-разрядных микроконтроллеров в последнее время активно вытесняют 16-разрядные микроконтроллеры, поскольку разница в цене становится несущественной, при более развитой архитектуре.

При создании системы любого назначения на базе микроконтроллеров либо интегрированных процессоров, в общем случае, необходимо выполнить следующие этапы.

1. Системный анализ задачи - выделяются процессы и функции, реализация которых будет возложена на МК или ИП.

2. Алгоритмизация процессов и функций - разрабатываются алгоритмы решения задачи.

3. Выбор МК или ИП и комплексная разработка программно аппаратных средств - осуществляется выбор технических средств соответствующей компании, инструментальных средств поддержки процесса проектирования (отладочных средств, языков программирования и т. д.), а также операционной системы реального времени, если это требуется для решения задачи. Производится программирование алгоритмов, полученных на втором этапе, изготовление системы на базе выбранного МК или ИП и комплексная отладка.

Безусловно, для разработчика (пользователя) важно знать затраты, которые его ожидают на этом пути. Как показывает анализ практических приложений (в этом также убеждают и различные публикации), затраты распределяются по этапам следующим образом: 30 - 40; 40-50; 10 - 20. Затраты по каждому этапу варьируются в некотором диапазоне, но очевидно одно: первые два этапа являются определяющими.

Таблица 1 – Области использования МК

Если МК или ИП не «окрашен» определенной областью применения (структура не содержит дополнительных модулей, которые для данной области «специализируют» ее за счет аппаратной реализации функций, выделенных на первом этапе), то разработчик реализует этапы в полной мере. Если структура МК или ИП «начинена» дополнительными модулями, то это не только упрощает программирование на третьем этапе, но и существенно сокращает трудоемкость первого и второго этапов. Кроме этого, важно иметь семейство МК или ИП, программно совместимых, но отличающихся производительностью и набором периферийных модулей, так как в процессе проектирования, во-первых, могут измениться критерии и добавиться новые функции, во-вторых, после первой версии созданной системы, даже если она удачна и жизнеспособна, как правило, создается более совершенная версия с расширенными возможностями, в которой учитываются результаты практической апробации и эксплуатации. Очевидно также, что формализация знаний на первом этапе (доведение знаний специалистов в конкретной области до алгоритмических моделей) приобретает направленный характер, если разработчик ориентируется на компанию, выпускающую многономенклатурную электронную продукцию, так как сама компания предварительно позиционирует свои микропроцессорные средства и другие электронные компоненты по определенным областям с учетом их разрядности, архитектурных особенностей, программного обеспечения, а главное, своего опыта создания электронных компонентов под конкретные задачи.

Сложность задач второго этапа также резко снижается за счет наличия в МК и ИП модулей, аппаратно реализующих алгоритмы типовых функций для тех задач, на которые он ориентируется. В этом случае разработчик, пользуясь предоставленным ему «конструктором», в котором определены типы деталей (МК и ИП, а также набор модулей), соединительные элементы (интерфейсы и средства сопряжения), а также правила соединения (средства программирования и отладки), за довольно короткий срок (в пределах одного-двух месяцев) «собирает» (решает задачи системной интеграции) в соответствии со своими требованиями на разработку изделия (систему определенного целевого назначения).