Микропроцессорные и цифровые устройства полиграфического оборудования

Введение

Микропроцессорные устройства являются одной из категорий цифровых устройств, которые, в свою очередь,  могут быть классифицированы:

  • ­по выполняемым функциям,
  • ­по принципу выполнения алгоритма,
  • ­по аппаратным и конструктивным особенностям,
  • ­по областям применения, имеющим свою специфику, например, в полиграфическом оборудовании или в оборудовании связи.

По выполняемым функциям цифровые устройства разделяются на средства управления (контроллеры) и средства обработки сигналов (функциональные преобразователи, сигнальные процессоры).  Для контроллеров характерно наличие развитой системы ввода-вывода, в т.ч. в реальном времени объектов управления, а для сигнальных процессоров – высокое быстродействие при выполнении операций типа умножение-деление, необходимых для реализации алгоритмов обработки сигналов, например, при вычислении производных или при Фурье преобразованиях. Для обработки аналоговых сигналов используются сигнальные процессоры с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями,  выполненными в одном кристалле с процессором или в виде отдельных интегральных схем. В особую группу т. н. конверторов принято выделять сигнальные процессоры с прцизионными аналоговыми портами при числе разрядов кодирования аналогового сигнала 12 и более.

По принципу реализации заданного алгоритма, а также по аппаратным и конструктивным признакам, цифровые устройства могут быть разделены на следующие основные группы:

  • конечные  автоматы, построенные на основе элементов малой и средней степени интеграции типа счетчиков, регистров, дешифраторов и других логических и цифровых элементов, выполняющие, как правило, простые функции управления или обработки сигналов;
  • микропроцессоры и микропроцессорные контроллеры (микроконтроллеры) общего назначения, реализующие функции управления программным путем;
  • специализированные микропроцессоры, используемые, например, как ядро для сигнальных процессоров;
  • программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), на основе которых строятся самые эффективные по быстродействию контроллеры и сигнальные процессоры, использующие параллельные алгоритмы.

Во многих случаях цифровые устройства содержат элементы из нескольких групп, объединенные одной конструкцией – кристаллом или печатной платой. Типичный пример интеграции элементов с различными функциями в одном кристалле –  однокристальный микроконтроллер. Под термином “микроконтроллер”, как правило, понимают интегральную схему, содержащую микропроцессорное ядро и дополнительные элементы, необходимые для выполнения функций управления и обработки сигналов, в т.ч. аналоговых. Существующая номенклатура микроконтроллеров позволяет решить многие задачи с использованием одной интегральной схемы, а процесс проектирования  свести к  разработке программы, но даже в этом случае, кроме интегральной схемы микроконтроллера, в конструкции присутствуют дополнительные элементы, обеспечивающие питание, подключение и т.д. Принято называть такое устройство по роду тех функций, которые оно выполняет, в т.ч. по функции управления, например,  “Микропроцессорное устройство управления…”, “Устройство управления… на базе микроконтроллера”. В некоторых случаях, чтобы избежать двуязычной тавтологии (устройство управления - контроллер), устройство в целом называют “микроконтроллер” или “контроллер”, подразумевая, что в его состав входит однокристальный микроконтроллер как отдельная интегральная схема.  Существовавший ранее термин “одноплатный микроконтроллер”, под которым понимался единый конструктивный блок, состоящий из отдельных интегральных схем: центрального процессора, памяти, интерфейсов и т. д., в настоящее время используется редко.

Проектирование цифровой техники основано на компьютерных системах автоматизированного проектирования (САПР или в англоязычной аббревиатуре CAD- Computer Aided Design – компьютерное автоматизированное проектирование), состоящих из собственно средств  проектирования и средств компьютерного моделирования цифровых устройств (программных симуляторах), позволяющих проверить правильность принятых разработчиком решений (верифицировать) до создания опытного образца.  При проектировании программной части микропроцессорных устройств используются трансляторы (компиляторы) с языка символьного представления машинных кодов (ассемблера) и с языков более высокого уровня, а также средства отладки программ на логическом уровне. Для проверки правильности работы программ в реальных условиях для конкретного микропроцессора или микроконтроллера используются    аппаратные эмуляторы и аппаратные отладочные комплексы, аналогичные тем, что применяются при проведении лабораторных работ по курсу “Микропроцессорные и цифровые устройства полиграфического оборудования”. Отладочные комплексы и схемные эмуляторы позволяют проверить работу создаваемых программ в реальных условиях.

В каждом курсовом проекте, согласно конкретному заданию, разрабатывается цифровое устройство на базе однокристального микропроцессора или однокристального микроконтроллера. За основу разработки принимаются принципы схемотехники и программирования, изученные на лабораторных и практических занятиях [1] на примере одного из восьмиразрядных микропроцессоров первых поколений i8080 и распространенные на современную микропроцессорную базу.  Во многих современных восьмиразрядных микроконтроллерах, выпускаемых мировыми производителями, используется микропроцессорное ядро, являющееся аналогом i8080 по составу команд и архитектуре.  Несмотря на то, что по таким техническим параметрам как энергопотребление, быстродействие и габариты микропроцессор  i8080  и другие интегральные схемы серии,  необходимые для создания микроконтроллера,  устарели и не используются в современных разработках, применение их лабораторном курсе позволяет получить основные навыки в части:

  • создания и выбора архитектуры микроконтроллера;
  • создания адресного пространства для устройств памяти и ввода-вывода;
  • технологии разработки программного обеспечения на языке ассемблера
  • тестирования программ на программных симуляторах и аппаратных отладочных комплексах;
  • чтения электрических  принципиальных схем, схем соединений, монтажных схем, содержащих элементы различной степени интеграции.

Общие положения

Классификация и основные характеристики микропроцессоров   и микроконтроллеров

Микропроцессоры и микроконтроллеры относятся к категории цифровых устройств, выполняющих заданный алгоритм программным путем и могут быть разделены на три основные группы:

  1. Однокристальные микропроцессоры, структура которых, в основном, отвечает классической структуре центрального процессора компьютера. Главная область применения этих микропроцессоров – персональные компьютеры общего назначения. Их отличает уровень быстродействия и разрядность, максимально достижимые на данный момент развития интегральной технологии.
  2. Однокристальные (реже многокристальные, секционные или с программированием на микропрограммном уровне) микропроцессоры, структура которых и состав команд ориентированы на определенные цели, например, обработку видео- (аудио-, радио-) сигналов или управление определенным оборудованием (оптикой цифровой камеры, двигателем автомобиля).
  3. Однокристальные микроконтроллеры (в устаревшей терминологии “однокристальные микроЭВМ”), имеющие  встроенное программное обеспечение, развитую аппаратную структуру, универсальную для широкой области применений или ориентированную на выполнение определенных действий и микропроцессорное ядро с небольшой разрядностью (4 - 16  реже 32) и быстродействием (10 - 50 МГц).

Разрядность,  быстродействие и состав команд микроконтроллеров, продиктованные областью их применения, практически остаются на уровне первых поколений микропроцессоров, а уровень современной интегральной технологии выражается:

  • в уменьшении размера кристалла и корпуса микросхемы до уровня, позволяющего встраивать микроконтроллер в бумажную подложку документа,
  • в уменьшении стоимости до уровня стоимости электронного компонента широкого применения типа резистора или конденсатора,
  • в уменьшении энергопотребления до уровня наноампер,
  • в интеграции средств программирования и отладки в состав микроконтроллера.

Однокристальные микроконтроллеры являются наиболее массовым представителем микропроцессорной техники и их общее количество, находящееся в рабочем состоянии, превышает 6 миллиардов. Интегрируя на одном кристалле микропроцессор, память и набор периферийных устройств, микроконтроллеры позволяют с минимальными затратами реализовать широкую номенклатуру систем управления различными объектами и процессами. Использование микроконтроллеров в системах управления и обработки информации обеспечивает высокие показатели эффективности при минимальной стоимости (0,5 у.е. и менее за микросхему).

Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность микропроцессорного ядра. Имеются 4-, 8-, 16- и 32-х разрядные микроконтроллеры. Разрядность микроконтроллера определяется точностью данных, необходимых для управления объектом при заданной скорости формирования управляющих сигналов. Наиболее массовыми и постоянно расширяющими свои области применения являются 8-разрядные микроконтроллеры.  Производством микроконтроллеров занимается большое число фирм, но 93% мирового рынка обеспечивают 14 ведущих корпораций, приведенных в таблице (по состоянию на 2003г.).

Название фирмы

Доля в мировом производстве (%)

Motorola

30,8

Mitsubishi

11,3

NEC

7,9

Philips

7,5

Intel

6,3

Hitachi

5,7

Atmel

5,6

SGS

4,8

Mitsushita

4,7

Siemens

3,1

National

2,7

Microchip

2,6

Другие

7,0

Российские разработчики при создании современных цифровых устройств  используют в основном зарубежную элементную базу, например, корпорации Atmel,  которая предоставляет полный набор микроконтроллеров малой разрядности и стоимости, а также других электронных компонентов и средств поддержки проектирования. Отечественная электронная промышленность в настоящее время практически утратила свои позиции среди производителей микропроцессоров, микроконтроллеров и других электронных компонентов. Среди отечественных микроконтроллеров, выпускавшихся ранее, наиболее широко использовались серии 1816 и 1830, являвшиеся аналогами  i8051, и микропроцессорная серия 580 – аналог i8080, на базе которой многие годы создавались отечественные т.н. одноплатные микроконтроллеры. Существуют также более  современные разработки опытного характера, например, микроконтроллер завода "Ангстрем" с 8-разрядным RISC-ядром "Тесей", совместимый по выводам корпуса с микроконтроллерами фирмы Microchip или сигнальные процессоры НТЦ "Модуль".

При классификации микроконтроллеров  используются признаки микропроцессорного ядра и признаки, относящиеся к другим элементам архитектуры: память, порты и т.д.  По признакам микропроцессорного ядра микроконтроллеры  и собственно микропроцессоры могут быть разделены  на следующие основные группы:

  • ­CISC (Complete Instruction Set Computing - вычисления с полным набором команд) –  архитектурой, характеризуемой полным набором команд;
  • ­RISC (Reduce Instruction Set Computing - вычисления с сокращённым набором команд) – архитектурой, которая определяет систему с сокращенным набором команд одинакового формата, выполняемых за один машинный такт;
  • ­с архитектурой фон Неймана – память программ и память данных находятся в едином пространстве адресов и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти, кроме контекста программы;
  • ­с архитектурой Гарвардской лаборатории – память программ и память данных разделены, имеют свои адресные пространства и способы доступа к ним;
  • ­с фиксированной разрядностью и фиксированным списком команд (однокристальные);
  • ­с наращиваемой разрядностью (секционные) и микропрограммным управлением, позволяющим разработчику создавать собственные машинные команды, дополняющие начальный список;
  • ­с преобладающей регистровой архитектурой  и развитой системой регистровой адресации;

Микропроцессоры первых поколений относились к CISC-категории, но практика и исследования показали, что наиболее эффективно используются команды из ограниченного списка. Это послужило основной предпосылкой для разработки RISC-процессоров, некоторые из которых имеют набор из сорока (и менее) простых команд, в состав которых может, например, не входить деление и умножение, выполняемые программными процедурами. Ограниченный набор команд позволяет упростить архитектуру микропроцессора, поднять тактовую частоту и обеспечить выполнение всех команд в один машинный такт. Все это приводит к увеличению производительности и уменьшению стоимости микропроцессоров. Первые RISС-процессоры были разработаны в начале 80-х годов в Стэндфордском и Калифорнийском университетах США. Они выполняли небольшой (50 − 100) набор команд, тогда как обычные CISC-микропроцессоры  выполняли 150—250.

Характерные особенности RISC-процессоров:

  • фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды,
  • ­одна инструкция выполняет только одну операцию с памятью — чтение или запись,
  • ­операции вида “прочитать-изменить-записать” отсутствуют и выполняются программно,
  • ­большое количество регистров общего назначения (32 и более).

Кроме приведенной выше классификации существует разделение микроконтроллеров на семейства по комплексу признаков, представляющих архитектурные, программные и другие особенности.  В некоторых случаях названия семейств, представленные аббревиатурами, используются как торговые марки, защищенные патентами: MCS-51,   AVR,   PIC и др.