Архитектура однокристальных микроконтроллеров

Сравнительная характеристика ОМК

Рассмотренные способы организации МК на базе однокристального микропроцессора К580ВМ80А дают возможность проектирования одноплатных микроконтроллеров, в состав которых входит порядка десяти БИС обрамления, обеспечивающих взаимодействие МП с внешними устройствами. Применение одноплатных МК, обладающих высокой производительностью, большой разрядностью обрабатываемых данных и значительным объемом прямоадресуемой памяти, во многих практических случаях нецелесообразно. Для сравнительно несложной с точки зрения управления бытовой техники предпочтительны компактные малогабаритные микроконтроллеры с системой команд, ориентированной на задачи управления техническими объектами.

Современный уровень развития микроэлектроники позволил создать БИС, на кристалле которого размещены не только АЛУ, УУ и РОН, как в однокристальных МП, но и ОЗУ, ПЗУ, порты ввода-вывода и даже таймер. По общей архитектуре такие БИС больше напоминают законченную ЭВМ. Однако незначительная емкость памяти, расположенная на кристалле, упрощенная и ориентированная на выдачу управления система команд предопределяет использование их как контроллеров для автоматизации различного технологического оборудования. Поэтому будем называть их однокристальными микропроцессорными контроллерами (ОМК) в отличие от МК, реализованных на однокристальных МП.

Применение ОМК позволяет существенно уменьшить число БИС, используемых в технологических контроллерах, повысить надежность, снизить их стоимость и энергопотребление. Эти качества ОМК позволяют проектировать малогабаритные ОМК, легко встраиваемые объекты бытовой техники, имеющие небольшие размеры (холодильники, утюги, магнитофоны, телевизоры и др.).

В таблице 1 приведен ряд отечественных микроконтроллеров

Отличительной характеристикой приведенных ОМК является тип постоянной памяти. Имеющееся на кристалле масочное ПЗУ целесообразно использовать в крупносерийных изделиях, где нет необходимости изменения управляющих программ. К этой категории относятся ОМК серий: КР1814ВЕ4, КР1816ВЕ49, КР1820ВЕ4. В опытно-конструкторских разработках удобнее использовать ОМК, имеющие на кристалле ПЗУ. Их обычно используют в отладочных устройствах, где в качестве ПЗУ используются внешние микросхемы памяти.

ОМК серии 1816 изготовлены по n-МОП-технологии и имеют похожую архитектуру. Они отличаются быстродействием, объемом ОЗУ, а также наличием или отсутствием на кристалле ПЗУ, ее типом и объемом. Наличие на кристалле портов ввода-вывода, тактового генератора, системы прерываний и таймера при высокой тактовой частоте и восьмиразрядном АЛУ обеспечивает универсальность их использования для создания микропроцессорных систем различного назначения.

ОМК 35 и ОМК 48 имеют одинаковую тактовую частоту 6 МГц и объем ОЗУ 64 Кб, но ОМК 35 не имеет встроенного ПЗУ, а ОМК 48 содержит встроенное репрограммируемое ПЗУ объемом 1 Кбайт, стирание информации в котором осуществляется ультрафиолетовым излучением.

ОМК 39 и ОМК 49 тактируются частотой 11 МГц и имеют больший объем ОЗУ 128 байт, а также отличаются наличием (ОМК 49) или отсутствием (ОМК 39) встроенной ПЗУ.

Наиболее производительным является ОМК КМ1816ВЕ51, имеющий на кристалле значительную постоянную память объемом 4 Кб и возможностью расширения до 64 Кб. Его максимальная тактовая частота равна 12 МГц, а быстродействие составляет 1 млн. коротких операций в секунду. Существуют три модификации ОМК: ОМК 51 с масочным ПЗУ объемом 4 Кб рассчитан на крупносерийное оборудование; ОМК с ультрафиолетовым РПЗУ объемом 4 Кб ориентирован на системы, требующие периодической перенастройки; ОМК без встроенного ПЗУ имеет возможность подключения меньшего ПЗУ.

ОМК 51 является развитием ОМК 48, но отличается системой команд. Однако на уровне программ на языке Ассемблера оба ОМК программно совместимы "снизу вверх".

Новые зарубежные разработки ОМК по своим функциональным возможностям и быстродействию ушли далеко вперед. Современные ОМК корпораций Intel, Microchip и др. - это размещенная на одном кристалле сложная цифровая система, в состав которой входят 8-, 16- или 32-разрядный процессор, внутренняя память программ (до нескольких десятков килобайт) с возможностью расширения, перепрограммируемая электрическая энергонезависимая память (FLASH-память), широкий набор интерфейсных и периферийных устройств, порты ввода-вывода (параллельные и последовательные), таймеры, многоканальные аналого-цифровые преобразователи, модули ШИМ и др. Обладая малым количеством коротких команд, выполняемых за один цикл, и используя конвейерный способ их обработки, ОМК обеспечивают производительность в несколько миллионов операций в секунду.

Одно из семейств таких ОМК - PIC-контроллеры фирмы Microchip, являющиеся по производительности чемпионом среди подобных ОМК. Это достигнуто в основном за счет использования RISC-архитектуры, которая позволила применять инструкции одинаковой длины с длительностью выполнения в один машинный цикл. По скорости выполнения команд PIC-контроллеры оставили далеко позади известные отечественные ОМК (разница достигает от 8 до 35 раз в зависимости от вида операции). Там, где другие ОМК используют сложные встроенные аппаратные средства, PIC-контроллеры обходятся без них и "берут" просто скоростью опроса. PIC успевает опросить и среагировать практически на все. А если учесть, что некоторые PIC-котроллеры имеют встроенные многоканальные АЦП и драйверы для вывода информации на ЖКИ, то окажется, что в задачах технических приложений конкурентов у PIC почти нет.

В тех случаях, когда быстродействие ОМК не является определяющей характеристикой, можно использовать ОМК серий 1814 и 145, тактовая частота которых соответственно составляет 350 и 32,7 КГц. ОМК серии К145 ориентированы на применение в бытовой технике и имеют повышенную помехозащищенность. Приведенные в табл. 1 типы ОМК серии К145 являются базовыми и не охватывают всего разнообразия вне этой серии. Полный состав БИС серии К145 насчитывает более 20 микросхем, ориентированных на автоматизацию различного бытового оборудования: стиральных машин, холодильников и манипуляторов (К145ИК1807), магнитофонов (К145ИК1906), автоматов по обработке фотопленки (К145ИК1909), электропроигрывателей (К145ИК1915), самоходных систем, игрушек, роботов (К145ИК1916) и др.

Особыми возможностями обладает ОМК КМ1813ВЕ1, на кристалле которого размещены центральный процессор, репрограммируемое ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием объемом 192 24-разрядных слов, ОЗУ объемом 40 25-разрядных слов, аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи. ОМК имеет четыре мультиплексируемых аналоговых входа и восемь демультиплексируемых аналоговых выходов. Программными средствами входы-выходы ОМК можно перевести в режим приема и передачи цифровой информации в последовательном коде. Благодаря своей уникальной архитектуре ОМК могут применяться для реализации различных типовых функций: фильтрации нижних и верхних частот, модуляции, ограничения, умножения 25-разрядных двоичных чисел, аппроксимации нелинейных функций. Используя возможности непосредственного аналогового ввода-вывода, ОМК может применяться в многоканальных системах автоматизации, а несколько ОМК могут быть объединены в мощные мультипроцессорные системы.

Из краткой сравнительной характеристики следует, что наибольшей универсальностью обладают ОМК серии К1816, К145 , К1813, а также зарубежные ОМК серий PIC, MCS и др., некоторые из которых будут далее рассмотрены более подробно.