Семейство микроконтроллеров AVR

AVR - это собственная разработка Atmel Corp. Первое официальное представление микроконтроллера AVR датировано маем 1997 года. Во втором, существенно расширенном, которое вышло в августе 1999 года, представлены три основных семейства AVR – "tiny", "classic" и "mega".  Идея создания нового микроконтроллера с RISC-ядром появилась в 1994 году в Норвегии. В 1995 году два его изобретателя Альф Боген (Alf-Egil Bogen) и Вегард Воллен (Vegard Wollen) предложили корпорации Atmel выпускать новый 8-разрядный RISC-микроконтроллер с Flash-памятью программ на общем кристалле.  В 1996 году был основан исследовательский центр в городе Тронхейм (Норвегия). Оба изобретателя стали директорами нового центра, а микроконтроллерное ядро было запатентовано и получило название AVR (Alf - Egil Bogen   Vegard Wollen   RISC). Первый опытный кристалл 90S1200 был выпущен в начале 1997 года, а с 3 квартала 1997 года началось серийное производство нового семейства микроконтроллеров. В 2003 году количество выпущенных микросхем с ядром AVR превысило 500 миллионов штук.  Микроконтроллеры AVR (Рис.5) выпускаются как изделия общего назначения и со специализацией:

• ­для приводов CD/DVD,
• ­цифровых фотоаппаратов,
• ­счетчиков электроэнергии,
• ­Wireless LAN (беспроводные локальные сети),
• ­IP-телефонии, USB (семейство AT43),
• ­изделий класса Smart Cards и т.д.

Рис. 5

Ключевые признаки, по которым микроконтроллеры AVR объединяются в семейство, защищенное патентом,  относятся к различным техническим характеристикам:

1. RISC-архитектура Гарвардского типа с регистровым файлом, одинаковая для всех AVR.
2. Flash-память программ.
3. Память EEPROM.
4. Функциональная совместимость AVR с объемом памяти программ от 1 до 128 кбайт.
5. Диапазон напряжений питания от 1,8 до 5,5 В .
6. Развитая система периферийных элементов на кристалле, набор которых для разных модификаций микроконтроллера ориентирован на различные задачи.
7. Оптимальное сочетание параметров "цена - производительность - энергопотребление" для 8-разрядных микроконтроллеров.

Семейство микроконтроллеров PIC

Ядро микроконтроллера PIC (Рис.6), разработанного корпорацией Microchip, относится к RISC типу с сильно ограниченным набором команд (до 35) и классической Гарвардской архитектурой, т. е. с полностью раздельными шинами команд и данных и раздельными памятью программ и памятью данных. При такой архитектуре извлечение команды может происходить одновременно с пересылкой данных. PIC микроконтроллеры имеют т.н. ортогональную систему команд, которая позволяет любой команде обращаться к любому регистру микроконтроллера. Все микроконтроллеры имеют 8-разрядную шину данных, 8-разрядное АЛУ для выполнения операций, 8-разрядые регистры для хранения данных и 14-разрядный код команд и относятся соответственно к классу 8-разрядных микроконтроллеров.

Рис. 6

Ключевые признаки, по которым микроконтроллеры PIC объединяются в семейство,  относятся, также как в случае с AVR, к различным техническим характеристикам:

1. Раздельные память и шины для команд и для данных. Разрядность памяти программ (ПП) и шины команд - 14, памяти данных (ПД), регистров,  АЛУ и шины данных - 8.
2. Все команды (35) выполняются за 1 машинный цикл, кроме команд ветвления, которые выполняются за 2 машинных цикла.
3. Все регистры  делятся на две группы: специальные регистры и регистры общего назначения (аналогия с архитектурой MCS-51). Обе группы составляют единое пространство - память данных, поэтому для управления функциями и настройками микроконтроллера не требуются специальные команды.
4. Flash-память программ.
5. Память EEPROM.
6. Ортогональная система команд, позволяющая выполнить любую операцию с любым регистром, используя любой метод адресации.
7. В состав разных типов микроконтроллеров входят различные  стандартные периферийные модули, выполняющие типичные для цифровых систем управления функции.
8. Все выводы корпуса микросхемы, кроме выводов питания и начальной установки, мультиплексированы и используются как порты общего назначения. Периферийные модули не занимают выводы  корпуса и все коммуникации осуществляются через альтернативные функции портов.
9. Несколько типов тактовых генераторов. Тактовая частота до 20МГц.

Методы и средства проектирования цифровых устройств на основе микропроцессоров и однокристальных микроконтроллеров

Проектирование цифровых устройств на основе микропроцессоров и однокристальных микроконтроллеров состоит из следующих этапов:

1. Постановка задачи и формулировка технического задания;
2. Разработка алгоритма;
3. Выбор серий интегральных микросхем для выполнения основных и второстепенных операций алгоритма;
4. Выбор элементной базы для  обеспечения питания  и согласования по электрическим и временным параметрам;
5. Разработка аппаратных средств (логические, принципиальные электрические, монтажные и другие схемы);
6. Проверка  работы схем, не требующих программного обеспечения, на компьютерных моделях (симуляторах);
7. Создание прототипа (макета) устройства;
8. Разработка программного обеспечения;
9. Отладка программного обеспечения;
10. Запись отлаженной программы в энергонезависимое запоминающее устройство (программирование микроконтроллера);
11. Испытание макета и корректировка принятых  решений с возвратом (при необходимости) к предыдущим этапам;
12. Оформление конструкторской документации для производства.

Этапы, выделенные в списке курсивом, относятся к проектированию любых цифровых (дискретных) и аналоговых устройств. Для их выполнения используются компьютерные средства проектирования (САПР) для электроники и средства компьютерного моделирования дискретных и аналоговых электронных устройств, не требующих программирования.

Пункты 8, 9 и 10 относятся только к проектированию цифровых устройств на основе микропроцессоров и микроконтроллеров и для их выполнения используются специальные средства проектирования или интегрированные среды проектирования, позволяющие выполнить все приведенные пункты.

Процесс проектирования микропроцессорного контроллера разделяется на две взаимосвязанных части:

• разработка аппаратной части микроконтроллера;
• разработка программного обеспечения.