Микропроцессоры

4.4. Микроконтроллеры


Микроконтроллеры (МК) - разновидность микропроцессорных систем (микроЭВМ), ориентированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами. В сравнении с универсальными микроЭВМ структура микроконтроллеров проще, в них оказалось возможным разместить практически все функциональные элементы на одном кристалле, что и дало начало их развитию.
Вторым названием МК стало название однокристальная микроЭВМ. Разработка МК означала появление БИС такой функциональной законченности, которая позволяет решать в полном объеме задачи определенного класса.
Микроконтроллер отличается от микроЭВМ универсального назначения прежде всего тем, что имеет сравнительно малый объем памяти и менее разнообразный состав внешних устройств. В состав универсальной микроЭВМ входят модули памяти большого объема и высокого быстродействия, имеется сложная иерархия ЗУ, поскольку многие задачи (автоматизированное проектирование, компьютерная графика, мультимедийные приложения и др.) без этого решить невозможно. Для МК ситуация иная, они реализуют заранее известные несложные алгоритмы, для размещения программ им требуется емкость памяти, на несколько порядков меньше, чем у микроЭВМ универсального назначения. Набор внешних устройств также существенно сужается, а сами они значительно проще. В результате модули микроЭВМ конструктивно самостоятельны, а МК выполняется на одном кристалле, хотя в его составе имеются модули того же функционального назначения.
Сопоставляя микропроцессор (т.е. центральный процессорный элемент
системы) и МК (т.е. микросхему простой системы в целом) с точки зрения
'коммерческих потребностей, можно четко видеть преобладание МК. Число
пользователей МК в несколько раз превышает число пользователей отдельных микросхем МП. Применение МК поддерживается такими областями
массового производства, как бытовая аппаратура, станкостроение, автомобильная промышленность и т.д.
Первые МК выпущены фирмой Intel в 1976 г. (восьмиразрядный МК 8048).
В настоящее время многими поставщиками выпускаются 8-, 16- и 32-
разрядные МК с емкостью памяти программ до десятков Кбайт, небольшими ОЗУ данных и набором таких интерфейсных и периферийных схем, как
параллельные и последовательные порты ввода/вывода, таймеры, аналого-
цифровые и цифроаналоговые преобразователи, широтно-импульсные модуляторы и др. Среди выпускаемых МК широко известно семейство восьмиразрядных контроллеров MCS-51/151/251 и 16-разрядных MCS-96/196/296 (фирмы Intel). Многие производители выпускают аналоги этих семейств или совместимые с ними МК. В отечественной номенклатуре это К1816ВЕ51, К1830ВЕ51 (восьмиразрядные МК). В последнее время фирма Intel сосредоточила усилия на разработке сложных микропроцессоров для персональных компьютеров и серверов и уступила сектор рынка простых МК другим фирмам, в частности, фирме Atmel, которая выпускает популярное семейство МК серии АТ89 с флэш-памятью программ, являющееся функциональным аналогом семейства восьмиразрядных МК фирмы Intel.

Рис. 4.4. Структура микроконтроллера АТ89С
Несмотря на появление новых моделей 16- и 32-разрядных микроконтроллеров, наибольший успех на рынке остается за 8-разрядными (см. рис. 1.2). Сейчас около половины рынка МК (приблизительно 6 млрд. долларов) остается за этими МК, что означает их лидирование с большим отрывом относительно представителей других семейств.
Диапазоны емкостей памяти, как и частот генератора тактовых импульсов
ГТИ, приведенные на рис. 4.3, характеризуют параметры представителей
семейства от младшего до старшего. При необходимости возможно подключение внешних БИС ПЗУ, ОЗУ для расширения пространства памяти.
Средства ввода/вывода представлены 4 параллельными портами (32 линии)
и линиями TxD (выход передатчика) и RxD (вход приемника) для последовательного ввода/вывода. В состав МК входят 2-3 таймера-счетчика (16-разрядных), которые дают системные метки времени и отрабатывают интервалы времени. Для сокращения ширины физического интерфейса функции линий параллельных портов совмещены, и в разных режимах имеют разное назначение.
Система прерываний с 5 источниками запросов радиального типа обслуживает 2 внешних запроса, 2 запроса от таймеров и 1 от последовательного порта. При частоте ГТИ 12 МГц большинство команд выполняется за 1 мкс, некоторые команды - за 2 мкс.
Несмотря на коммерческое преобладание микроконтроллеров над микропроцессорами, в дальнейшем будем рассматривать особенности работы микропроцессора и набор интерфейсных схем (адаптеров, контроллеров), входящих в микропроцессорную систему. Это объясняется тем, что, микропроцессорный комплект микросхем, рассчитанный на построение микропроцессорной системы универсального назначения, полнее иллюстрирует как работу блоков, так и особенности решения задач управления памятью и внешними устройствами, организации системы прерываний, реализации прямого доступа к памяти и т.д. В микроконтроллерах перечисленные и другие задачи решаются в ограниченной степени и более простыми средствами, поэтому знание универсальных микросхем, рассчитанных на построение микропроцессорных систем, позволяет легко осваивать и микроконтроллерную технику.