Особенности проектирования микроконтроллерных устройств

Однокристальные микроконтроллеры (МК) представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и включающие все составные компоненты "голой" микроЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой и обеспечивают высокие показатели эффективности использования при низкой стоимости. Поэтому им пока нет альтернативы для построения управляющих и/или регулирующих систем. МК составляют более 2/3 мирового рынка микропроцессорных средств.

Их структурная организация, система команд и аппаратно-программные средства ввода-вывода лучше всего приспособлены для решения задач управления и регулирования в приборах, устройствах и системах автоматики, а не для решения задач обработки данных из-за невозможности перезагрузки программ во время работы.

Простейшие из серии К1816 МК на кристалле имеют: байтовый процессор, СППЗУ программ (стираемое программируемое ПЗУ) емкостью 1-4 Кбайт, ОЗУ данных емкостью 64-128 байт, программируемый таймер/счетчик (1 или 2 8- или 16-разрядные), блок векторных прерываний (от 2-5 источников), программируемые параллельные и последовательные порты ввода-вывода, схему синхронизации и управления.

С использованием дополнительных БИС ПЗУ и ОЗУ адресное пространство МК может быть значительно расширено, а подключением различных интерфейсных БИС число линий связи с объектом управления может быть увеличено практически без ограничений.

Семейство МК серии К1816 имеет в своем составе различные модификации, отличающиеся техническими характеристиками:

МК48 и МК51 целесообразно использовать в малосерийных изделиях и в опытно-конструкторских разработках из-за более высокой стоимости, а МК49 в крупносерийных изделиях, так как они имеют масочное ПЗУ. МК35 и МК31 из-за отсутствия внутренней памяти программ используют в многофункциональных программируемых контроллерах, где используются внешние БИС памяти и средства загрузки программ (например, в станках с ЧПУ).

Фирма Intel ведет разработку и производство пяти базовых семейств встраиваемых микроконтроллеров:

¨ 8-разрядные МК первого поколения (семейство MCS-48);

¨ современные 8-разрядные МК (семейство MCS-51);

¨ современные 16-разрядные МК (семейство MCS-96) реального времени;

¨ современные 16-разрядные МП (80С186);

¨ 32-разрядные МП (семейства i960, i376).

В каждое семейство входит большое число модификаций МК и МП, отличающиеся составом технических средств на кристалле или плате контроллера, техническими характеристиками и стоимостью. Например, в составе семейства iMCS-48 12 типов МК с единой базовой архитектурой, но различными функциональными возможностями. Новое семейство iMCS-51 (8 модификаций) обеспечивает совместимость с архитектурой iMCS-48, но обладает более обширным адресным пространством программ и данных (от 4 до 8 Кбайт СППЗУ или ПЗУ и от 128 до 256 байт ОЗУ данных, возможность подключения внешних памятей программ и данных до 64 Кбайт каждая, усовершенствованными средствами ввода-вывода 32 линии, программируемый последовательный интерфейс, два программируемых 16-разрядных таймера/счетчика, двухуровневую (вложенность) системы прерываний от 5 или 6 источников запроса и средства поддержки режима реального времени. В состав 16-разрядного семейства МК iMCS-96 также входит 8 модификаций: существенно расширены арифметические возможности МК и нашло отражение дальнейшее расширение функций аппаратурных средств МК.

При проектировании контроллеров решается самая сложная задача разработки оптимального распределения его функций между аппаратурным и программным обеспечением, так как аппаратурные средства контроллера снижают стоимость разработки и обеспечивают высокие технико-экономические характеристики, а затраты на разработку программного обеспечения (ПО) в 2-10 раз превышают затраты на приобретение и изготовление аппаратурных средств (АС).

Методически цикл разработки контроллеров состоит из трех фаз проектирования:

1. Анализа задачи и выбора и/или разработки аппаратурных средств (АС).

2. Разработки прикладного программного обеспечения (ППО) и включает два этапа:

а) от постановки задачи к исходной программе, т.е. выполнение этапов алгоритмизации и написания программ;

б) от исходной программы к объектному модулю, т.е. получение машинных кодов программы, так как сам МК не имеет средств редактирования, трансляции и компиляции программ.

3. Объединение аппаратурных средств и ППО в прототипе контроллера и его отладка, так как выполнить отладку ППО на МК невозможно из-за отсутствия средств ввода, вывода, ОЗУ программ и операционной системы.

Следовательно, разработчик должен обращаться к средствам вычислительной техники для выполнения всех формализуемых стадий разработки ППО: ввода и редактирования исходного текста программы, трансляции, отладки, загрузки объектных кодов в СППЗУ МК (программирования СППЗУ), которые выполняются на специализированных отладочных комплексах в операционной среде какой-либо микроЭВМ (Электроника-60, простейшие ПЭВМ).