CC BY
450
Существуют так же рации с экстремальной защитой (Motorola TLKR-T80 Extreme), которые характеризуются очень высокой надежностью (рис. 2). Как пишут производители: корпус рации со степенью защиты IP55 обеспечивает надежную защиту от попадания пыли, влаги и грязи внутрь рации, это позволит пользоваться устройством даже во время дождя, а также при попадании брызг воды с любых направлений.
Стоит отметить, что радиостанции, рации и другие приемопередающие устройства,
используемые в сетях гражданского назначения, не имеют жестких требований к надежности. Данным требованиям должна соответствовать аппаратура специального назначения. Она наиболее подвержена сложным климатическим условиям и механическим воздействиям. Для категории устройств, которые предназначены эксплуатироваться в экстремальных
условиях, предусмотрены определенные меры по обеспечению заданной высокой надежности. К ним относятся:
выбор высоконадежной элементной базы с стабильными характеристиками;
четкая формулировка условий эксплуатации аппаратуры;
технологический процесс, обеспечивающий минимизацию дефектов устройств,а так же испытания выявляющие их.
При соблюдении вышеуказанных мер следует сокращение времени на промежуточное техническое обслуживание и обепечение бесперебойной работы устройства.
Таким образом рассмотренные приемопередающие устройства находят свое применение в различных областях общества и занимают важную роль при организации и обеспечении связи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нефедов В.И., Сигов А.С. Основы радиоэлектроники и связи. 2009. 728 с.
2. Лысенко, А.В. Анализ особенностей применения современных активных систем виброзащиты для нестационарных РЭС / А.В. Лысенко, Г.В. Таньков, Д.А. Рындин // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 2. С. 155-158.
3. Программа инженерного расчёта температуры перегрева кристалла электрорадиокомпонента и его теплоотвода / Н.В. Горячев, А.В. Лысенко, И.Д. Граб, Н.К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 340.
4. Заморока А.Н.Основы любительской радиосвязи. 2015 г.462 с.
5. Методы повышения точности прогнозирования показателей надежности наукоемких сложных электронных систем / Н.К. Юрков, А.В. Затылкин, С.Н. Полесский, И.А. Иванов, А.В. Лысенко // Современные информационные технологии. 2014. № 19. С. 183-187.
6. Лысенко, А.В. Методика моделирования внешних механических воздействий на бортовую РЭА /
A.В. Лысенко, Е.А. Данилова, Г.В. Таньков / Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2013. Т. 1. С. 226-228.
7. Лысенко, А.В. Анализ современных систем управления проектами / А.В. Лысенко // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 371-372.
8. Влагозащитное покрытие печатных узлов в датчике утечки воды / А.Г. Белов, В.Я. Баннов,
B.А. Трусов, И.И. Кочегаров, А.В. Лысенко, Н.К. Юрков // Современные информационные технологии. 2014. № 19. С. 265-272.
9. Автоматизированная многоканальная виброиспытательная установка / А.В. Лысенко, А.В. Затылкин, Д.А. Голушко, Д.А. Рындин, Н.К. Юрков // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2012. № S. С. 83.
10. Лысенко, А.В. Конструкция и методика расчета гибридного виброамортизатора с электромагнитной компенсацией / А.В. Лысенко, А.В. Затылкин, Н.А. Ястребова // Вестник Пензенского государственного университета. 2013. № 4. С. 73-78.
11. Коновалов, А.В. Программная реализация нейронной сетис использованием нейронов с модулем памяти / А.В. Коновалов, А.В. Лысенко, Н.В. Горячев // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2015. № 4 (26). С. 60-67.
12. Лысенко, А.В. Методика моделирования влияния внешних механических воздействий на динамические параметры РЭА в среде MATHCAD / А.В. Лысенко // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 5-1. С. 68-69.
УДК 621.396
Новиков А.К., Горячев Н.В., Кочегаров И.И., Трусов В.А., Бростилова Т.Ю.
гФГБОУ ВО «Пензенский Государственный университет», Пенза, Россия
ОБЗОР МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
Одним из этапов в разработке любой встраиваемой системы является выбор необходимых компонентов и комплектующих, которые обеспечат достаточные производительность и функционал встраиваемой системы исходя из требований, предъявляемых в техническом задании. Встраиваемые системы могут быть построены на базе микропроцессорного ядра, выполняющего управляющую программу, либо быть реализованы только из программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) без микропроцессорного ядра. Для микропроцессорных систем одним из основных действий на этапе их разработки является выбор микроконтроллера с учетом технического задания и огромного количества факторов.
Основным критерием выбора микроконтроллера служат системные требования: быстродействие и производительность, позволяющая обрабатывать системные запросы в течение всего времени жизни системы, количество требуемых манипуляций для обработки данных, возможность управления по прерываниям, количество управляемых устройств (битов ввода/вывода), необходимость и количество программной, регистровой, оперативной и ЕЕРЯОМ
памяти. Также определяются устройства, которыми нужно управлять: терминалы, выключатели, реле, клавиши, сенсоры (температура, влажность, давление, освещенность, напряжение и т.д.), звуковые устройства, визуальные индикаторы (жидкокристаллические, светодиодные), аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. В перечень требований также входят необходимые напряжения питания системы и отказоустойчивость и необходимость автономности источника питания, определяется форм-фактор системы с ее геометрическими, массогабаритными и электромагнитными характеристиками, требованиями и ограничениями, предъявляемыми к системе в зависимости от условий окружающей среды, таким как военные условия, температура, влажность, атмосфера (взрывоопасная, коррозийная и т.д.), давление, высота и многие другие.
Разнообразие производителей и широкая номенклатура различных моделей микроконтроллеров позволяют осуществить правильный подбор, исходя из экономической целесообразности и требований технического задания проектируемой системы.
Архитектура микроконтроллеров строится на основании программных решений, которые будут использоваться в дальнейшем для работы с ним. Микроконтроллеры в зависимости от типа применяемого процессорного ядра делятся на:
CISC (Complex Instruction Set Computing^ -архитектура с полным набором команд, при которой выполнение любой по сложности команды из системы команд процессора реализуется аппаратно внутри самого процессора.
Основную идею CISC-архитектуры отражает ее название - «полный набор команд». В данной архитектуре для каждого возможного типового действия по обработке данных существует собственная отдельная машинная команда. Её отличительными особенностями являются нефиксированное значение длины команды, осуществление кодировки арифметических действий в одной команде, небольшое количество регистров, отвечающих за выполнение строго отведенных им индивидуальных функций, нефиксированное количество обращений одной инструкции к памяти, большое количество разных режимов адресации и сложная кодировка инструкций.
RISC (Reduced Instruction Set Computing) -архитектура с сокращенным набором команд, в которой быстродействие увеличивается за счёт упрощения инструкций, а их декодирование во времени происходит быстрее и становится более простым. Под выражением «сокращённый набор» следует понимать, что каждая команда RISC-процессора должна выполняться за один машинный такт. Это облегчает повышение тактовой частоты и делает более эффективной суперскалярность (распараллеливание инструкций между несколькими исполнительными блоками). В таких микропроцессорах содержится меньшее количество транзисторов, что снижает их стоимость и энергопотребление. При этом, как правило, повышается их производительность. Для этой архитектуры характерны фиксированная длина машинных инструкций, простой формат команды, большое количество регистров общего назначения (32 и более), отсутствие микропрограмм внутри самого процессора.
MISC (Minimal Instruction Set Computing) -архитектура с минимальным набором команд. Такие процессоры имеют минимальное количество команд, все команды простые и требуют небольшого количества тактов на выполнение, но если выполняется сложные вычисления, например, над числами с плавающей запятой, то такие команды выполняются за большое количество тактов, превышающее CISC и RISC архитектуры.
VLIW (Very Long Instruction Word) - архитектура с длинной машинной командой, в которой одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно. Такие процессоры получили широкое применение в цифровой обработке сигналов (ЦОС).
По типу разделения памяти архитектура микропроцессоров делится на следующие виды:
1) Гарвардская архитектура, основанная на принципе разделения памяти программ и памяти данных;
2) Принстонская архитектура (фон Неймановская), в которой реализовано совместное хранение памяти программ и памяти данных.
Все микроконтроллеры можно условно разделить на 3 класса в соответствии с разрядностью их вычислительного ядра: 8-разрядные, 16-разрядные и 32-разрядные. Под разрядностью микроконтроллера понимается разрядность шины данных - количество бит данных, которые способен обрабатывать микроконтроллер за один такт. Разрядность - это способность выполнить за один такт операцию над числом, состоящим из определенного количества разрядов. Разрядность МК совпадает с разрядностью его арифметически-логического устройства (АЛУ). Например, если АЛУ имеет разрядность 8, то над двумя числами такой длины любая допустимая операция будет произведена одной командой за один машинный цикл. А над 16-разрядными числами в таком МК придется производить уже целую цепочку операций, включая пересылки, сохранение
промежуточного результата и т.д. Таким образом, производительность 16-разрядного МК превышает производительность 8-разрядного не в два, а в значительно большее число раз при прочих равных условиях.
В первой части данной статьи рассмотрены самые популярные и распространенные 8-битные и частично 16-битные микроконтроллеры. Вторая часть посвящена актуальным программным средствам для разработки встраиваемых систем на микроконтроллерах.
АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ (Hardware)
MCS 51 - однокристальный микроконтроллер гарвардской CISC архитектуры с одноадресной системой команд переменной длины от 1 до 3 байт обработки данных типа аккумулятор-регистр, аккумулятор-память, константа-память и пересылки память-память, выпущенный фирмой Intel в 1980 году, содержит процессорное ядро, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - 128 байт, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) - 4 КБ, 8-битную шину данных, 16-битную адресную шину, 4 порта ввода-вывода, последовательный интерфейс UART (Универсальный асинхронный приёмопередатчик) и два 16-битных таймера. Данное семейство насчитывает 13 моделей: 8031, 8051, 80C31,80C51, 8032, 8052, 8 0C32, 80C52, 8751, 8752, 87C51, 80C152, 8XC51FA, однако самой популярной стал именно Intel 8051.
Отечественные аналоги микроконтроллера 8051, на которых выросло целое поколение отечественных разработчиков, выпускали советские предприятия в г. Минске, г. Киеве, г. Воронеже и г. Новосибирске. В период 1980-х и начале 1990-х годов архитектура МК 8051 активно производилась и поддерживалась такими производителями как Atmel, NXP, STM, Phillips, Texas Instruments, Analog Device, Maxim, Silicon Laboratories, Siemens, Cypress Semiconductor, Dallas, OKI, Cygnal, Winbond и другими, но в данное время устарела и уступила место более производительным энергоэффективным и функциональным микроконтроллерам на RISC архитектуре.
Компании Atmel удалось улучшить микроконтроллер до выполнения большинства инструкций всего за 1 такт, в отличие от классических процессоров архитектуры 8051, которым для этого требуется 12 тактов, и продолжить его жизнь в производительном 8-разрядном семействе AT8 9LP.
Также существуют перепрограммируемые флеш-микроконтроллеры архитектуры 8051 такие как AT89C2051, AT89C4051, AT89C51RC, AT89C55WD с 2, 4, 32 и 20 КБ программируемой и стираемой флеш-памяти соответственно, предназначенной только для чтения.
Семейство серии AT83C513X с расширенным набором интерфейсов USB, TWI, SPI, UART, I2S, входом АЦП, выходом и всеми интерфейсами внешней памяти (NAND или NOR Flash, SmartMedia, MultiMedia, DataFlash), а также программируемый массив счетчиков (PCA), используются для создания флеш-ре-гистраторов, камер и сотовых телефонов.
В 1986 году была впервые представленная технология локальной сети контроллеров (CAN), предназначенная для коммуникации при управлении автомобильными двигателями. Она быстро стала популярной и начала поддерживать широкий диапазон устройств и приложений, включая устройства медицинской отрасли, авионики, заводской и промышленной автоматизации, а также морской техники. Данная технология воплотилась в таких моделях как AT8 9C51CC01, AT89C51CC02 и AT89C51CC03.
Среди МК 8051 встречаются представители серии С868 фирмы Infineon, входящие в семейство С800. Работающие на тактовой частоте от 6,25 до 40 МГц, настраиваемая встроенным ФАПЧ-синтезатором с программируемым делителем. Время выполнения команды на тактовой частоте 40 МГц составляет 300 нс. Программа может хранится в ПЗУ, например, модель C868-1R, или в ОЗУ - в моделе C868-1S. Организация обоих ЗУ - 8Кх8 бит. Кроме того, МК содержит два ОЗУ емкостью 256 байт каждое, с
поддержкой возможности внутрисхемного программирования, три 16-бит таймера/счетчика, одно-или семиканальный высокопроизводительный ШИМ-генератор (CAPCOM6E), пятиканальный 8-бит АЦП, UART-интерфейс и два универсальных двухтактных порта ввода/вывода (восьми- и пятиразрядный). CAPCOM6E позволяет решать все критические во времени задачи аппаратными средствами, процессорное ядро выполняет команды пользователя.
Модели серии С8 68 нашли своё применение в драйверах бытового и промышленного оборудования, исполняющих устройствах (актюаторах), источниках питания, балластных сопротивлениях осветительных ламп.
В 2002 годe компания STMicroelectronics выпустила встраиваемые микроконтроллеры семейства mPSD3200 на основе 8051-ядра. МК семейства содержат два набора флэш-памяти и ОЗУ большого объема, а также программируемую логику с флэш-памятью. Флагманские модели типа mPSD3234A имеют две независимые группы блоков флэш-памяти объемом 256К и 32 Кбайт, 8-Кбайт СЗУ и программируемую логику с 16 макроячейками (более 3000 вентилей). Наличие двух групп блоков флэш-памяти и специального регистра команд обеспечивает работу контроллера с данными одной группы и одновременное стирание и обновление данных другой. Распределением памяти занимается встроенное специализированное программируемое логическое устройство, назначающее сегментам ОЗУ или флэш адрес любой страницы или группы памяти. В этом семействе память распределена между программным (кодовым) пространством и пространством данных. Программируемая логика заменяет внешние связующие логические микросхемы и позволяет реализо-вывать функции конечного автомата, сдвигового регистра и счетчика, интерфейса клавиатуры или панели управления и т.п. МК mPSD3234A имеет набор периферии: USB-интерфейс, два UART-канала, четыре 8-бит ШИМ-генератора, четыре 8-бит АЦП, 12С-интерфейс типа "Master-Slave", канал данных системы отображения, контрольные блоки, такие как сторожевой таймер и детектор падения напряжения, и до 50 универсальных выводов входа/выхода. Напряжение питания микросхем - 5 и 3,3 В.
Представители семейства типа mPSD3200 предназначены для систем с требующих большим объемом кода, например, периферийные устройства кассовых терминалов, считыватели чеков/карт, термопринтеры, сканнеры штрих-кода, контроллеры торговых автоматов, устройства сигнализации и контроля доступа, промышленные системы управления, GPS-оборудование, контрольно-измерительная аппаратура. Такие МК выполнены в корпусах типа TQFP с 51-им и 80-ью выводами.
Одним из преимуществ архитектуры 8051 является широкое разнообразие инструментов разработки от независимых компаний.
MARC4 - это класс 4-х разрядных однокристальных микроконтроллеров, построенные на 4-битном стек-ориентированном ядре, организованном по типу Гарвардской архитектуры с физическим разделением памяти программ и памяти данных. В микроконтроллеры MARC4 входят до 8Кб памяти программ ROM, 256 бит статической памяти данных SRAM, параллельные порты ввода/вывода, 8-разрядный многофункциональный таймер/счетчик, супервизор напряжения, интервальный таймер с функциями сторожевого таймера и сложный тактовый генератор. Модели M4 4Cx92 и T4 8C8 9x имеют третий 8-битный таймер/счетчик с функциями захвата/сравнения и модуляции/демодуляции. Модели M44C89х и Т48С89х имеют блок энергонезависимой EEPROM памяти данных. Все микроконтроллеры семейства MARC4, за исключением M44C510E и T4 8C510, имеют синхронный последовательный интерфейс SSI.
Шина команд, шина памяти и шина ввода/вывода разделенные аппаратно и не зависящие друг от друга, используются для параллельной связи между ROM, SRAM и блоками периферии. За счёт одновременной предварительной выборки команд и передаче
данных на узлы периферии, архитектура MARC4 позволят увеличить скорость выполнения программы. Контроллер прерываний имеет несколько уровней приоритета и позволяет быстро обслуживать до 14ти источников прерывания. Низкое рабочее напряжение и малое энергопотребление кристаллов MARC4 находит свое применение в портативных и носимых системах. Данные МК успешно применяются в различных областях: инфракрасный и радиочастотный обмен данными, удаленный контроль и управление, встраиваемые применения, и т. д. (например, в качестве контроллеров клавиатуры, драйвера жидкокристаллических и светодиодных индикаторов, считывателя Smart Cards и т.д.).
Кристаллы T4 8Cx9x / M4 4Cx9x семейства MARC4 предназначены для использования в широких температурных диапазонах - автомобильном (-4 0С ...+125С) и индустриальном (-40С ... +85С), что позволяет использовать MARC4 в электронных блоках управления работой двигателя автомобиля, в системах бортовой электроники (мониторинг давления в шинах, управление вентиляцией, отоплением, холодильно-отопительными установками), а также для применения в системах мониторинга датчиков в промышленности. В таких системах 4-х битные микроконтроллеры T4 8Cx9x/ M4 4Cx9x семейства MARC4 фирмы имеют ряд преимуществ по сравнению, например, с 8-битными микроконтроллерами: чрезвычайно низкий ток потребления и оптимальную комбинацию нескольких специализированных периферийных узлов на кристалле.
Микросхемы T4 8Cx9x (MTP Flash версия) предназначены для использования в опытном и малосерийном производствах, а микроконтроллеры M4 4Cx9x-H / M4 4Cx9x-V (ROM версия) предназначены для серийного производства.
MARC4 также используются в считывателях Smart Cards (чип-карт). Существуют два типа чип-карт: синхронные и асинхронные, различающиеся типом электронного интерфейса. Синхронные чип-карты (карты памяти) могут хранить небольшую информацию. Асинхронные карты рассчитаны для специальных применений и содержат микроконтроллер, работающий на частоте от 1 МГц до 5 МГц. Микроконтроллер может, например, обеспечивать процесс кодирования для предотвращения несанкционированного доступа к данным, осуществлять идентификацию владельца карты и т.д. Поскольку в асинхронных картах для передачи данных через порт ввода/вывода необходим системный тактовый генератор, то это может обеспечиваться таймером 1 микроконтроллера семейства MARC4, когда тактовая частота на входе чип-карты делится для последовательного интерфейса ввода/вывода на целое число F, обычно принимаемое равным 372 и 512.
Для программирования микроконтроллеров MARC4 разработано программное обеспечение для платформы PC с компилятором языка высокого уровня qFORTH. Существует также плата аппаратного внутрисхемного эмулятора. Архитектура MARC4 позволяет использовать для разработки проектов язык высокого уровня без потери эффективности и плотности программного кода.
8-битные микроконтроллеры RISC-архитектуры
В настоящее время свои микроконтроллеры выпускают такие производители как Analog Devices, Atmel, Cypress, Freescale, Fuji Electric, Infe-neon, Intel, Infin, Maxim, Microchip, Mitsubishi, Motorola, NEC, Nuvoton, NXP, Renesans, , Silicon Labs, ST Microelectronics, Temic, Texas Instruments, Winbond, Wiznet, Zi-log, Siemens, Hitachi, Sony, Holtek, Matsushita, Maxim, ON Semiconductor, CYPRESS, NTM а также отечественные производители Интеграл, МИЛАНДР и компания MultiClet, выпускающая гибридные микроконтроллеры, спроектированные на базе муль-тиклеточной архитектуры, в которой возможна динамическая реконфигурация процессора в ходе решения потока задач, что дает возможность клеткам ядра заниматься одновременно решением разных задач и менять конфигурацию вычислительных ресурсов во время выполнения задачи.
Среди 8-битных микроконтроллеров RISC-архи-тектуры наибольшую популярность среди отечественного сообщества получили микроконтроллеры AVR фирмы Atmel. Линейку чипов открывает младшее семейство Tiny, среднее семейство Mega и старшим семейством является Xmega. Также существует семейство Classic, снятое с производства.
Микроконтроллеры семейства Tiny
Семейство Tiny применяется в бюджетных решениях, где требуется высокая производительность, эффективное использование энергии, простота применения и компактность, таких как интеллектуальные датчики различного назначения (контрольные, пожарные, охранные), игрушки, зарядные устройства, различная бытовая техника и другие простые устройства. Они содержат от 512 Байт Flash-памяти программ до 16 Кбайт и обладают от 6 до 28 выводов. Несмотря на малые размеры процессор AVR позволяет иметь ту же производительность, что и представители более старших семейств. МК имеют возможность защиты от чтения и модификации памяти программ и данных с помощью бит ячеек защиты (Lock Bits). Контакты ввода/вывода микроконтроллеров могут поддерживать различные дополнительные функции и являться выводами периферийных устройств. В том числе вывод RESET может быть задействован в качестве порта ввода/вывода (например, порт РА2 в моделе ATTiny 2313). В данных микроконтроллерах существуют несколько режимов тактирования и энергопотребления. В качестве тактового генератора могут быть:
1. Внутренний с внутренней задающей RC цепочкой. Например, для МК ATtiny 2313A-PU тактовая частота внутреннего генератора по умолчанию составляет 1 МГц. В таком случае подключения внешних элементов не требуется, выводы XTAL1 и XTAL2 не подключаются, либо используются как обычные порты ввода вывода (PA0 и PA1).
2. Внутренний с внешней задающей RC цепочкой. Для реализации этой схемы требуется подключение к микроконтроллеру конденсатора и резистора к выводу XTAL, что позволяет менять на ходу тактовую частоту, подстраивая значение резистора.
3. Внутренний с внешним задающим кварцевым резонатором. Снаружи ставится кварцевый резонатор и два керамических конденсатора ёмкостью 1222 пФ. При использовании низкочастотного кварцевого резонатора до 1МГц, например, часовой кварц 32768 Гц, конденсаторы не ставятся.
4. Внешний генератор. От внешнего генератора подается прямоугольный сигнал на вход МК, который и задает такты. Данный режим может использоваться для обеспечения работы нескольких микроконтроллеров в жестком синхронизме от одного генератора.
5. Внутренний RC-генератор сторожевого таймера, который имеет фиксированную частоту 128кГц.
Способ тактирования можно задать при помощи битов конфигурации (Fuse bits).
МК могут быть запитаны от напряжения 1,8 В и оснащены импульсным повышающим стабилизатором на 3 В.
Микроконтроллеры семейства Mega
Микроконтроллеры семейства Mega обладают более развитой периферией и увеличенными объемами памяти программ и памяти данных и имеют самую большую номенклатуру среди всех семейств Atmel. Они предназначены для использования в мобильных телефонах, контроллерах различного компьютерного оборудования, контроллерах сенсорного ввода (PTC), USB, контроллерах ЖК-дисплеев, CAN, LIN, контроллерах каскадов усиления (PSC), а также офисной технике (принтеры, сканеры) и др. Они снабжены FLASH-памятью программ объемом от 4 до 256 Кбайт, статическим ОЗУ объемом от 512 байт до 8 Кбайт, памятью данных на основе ЭСППЗУ (EEPROM) объемом от 256 байт до 4 Кбайт, возможность защиты от чтения и модификации памяти программ и данных с помощью бит ячеек защиты (Lock Bits); возможность внутрисхемного программирования непосредственно в системе через последо-
вательные интерфейсы SPI и JTAG; возможность самопрограммирования; возможность внутрисхемной отладки в соответствии со стандартом IEEE 114 9.1 (JTAG), а также наличие собственного однопровод-ного интерфейса внутрисхемной отладки debugWirel). МК семейства Mega оснащены интерфейсами SPI, TWI (I2C), USB, CAN, LIN, приемопередатчиком USART, сторожевым таймером, внешним или внутренним прецизионным генератором и контактами для ввода/вывода данных общего назначения, что упрощает проектирование и сокращает перечень используемых в системе компонентов. Также эти микроконтроллеры поддерживают технологию Интернета вещей (англ. Internet of Things, IoT), которая в паре с технологией сверхнизкого потребления picoPower может удачно использоваться для устройств IoT, работающих на аккумуляторах.
Микроконтроллеры семейства XMEGA
Семейство микроконтроллеров XMEGA представлено самыми продвинутыми и укомплектованными периферией моделями среди 8/16 битных решений фирмы Atmel. Мощный аналогово-цифровой аппарат реализован с помощью 12-разрядных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) с усилительным каскадом и общей производительностью 4 млн выборок в секунду, быстродействующих 12-разрядных циф-роаналоговых преобразователей (ЦАП) высокой мощности, а также прочих функциональных возможностях, снижающих потребность во внешних компонентах, до 32 выходов широтно-импульсной модуляции (ШИМ), 8 интерфейсов UART, 4 интерфейса TWI (I2C) и 4 канала последовательного периферийного интерфейса (SPI), модуль генератора для циклического контроля избыточности (CRC), криптоблоки AES (Advanced Encryption Standard) и DES (Data Encryption Standard) и многое другое. Также есть встроенный температурный датчик, внутренний источник опорного напряжения, детектор понижения напряжения, высокоскоростной аналоговый компаратор и аналоговый усилитель с программируемым коэффициентом. Высокая степень интеграции позволяет создавать системы с меньшим количеством внешних аналоговых компонентов.
Система обработки событий упрощает взаимодействие между периферийными устройствами, обеспечивая точную прогнозируемость времени отклика. Все периферийные устройства могут использовать прямой доступ к памяти (DMA) для передачи данных, что позволяет разгрузить ЦП.
Микроконтроллеры PIC Microchip
Особенностью популярных 8-битных микроконтроллеров PIC фирмы Microchip Technology, так же, как и AVR, является RISC-процессорное ядро. В семейство входят более 14 0 МК: от контроллеров серии PIC1032х в восьми выводных DIP корпусах и 448 Битами FLASH-памяти программ до последних моделей PIC18Fх7K42 с номинальными рабочими частотами 64 МГц, 128 КБайтами FLASH-памяти программ и 8МБ ОЗУ в 100-контактном TQFP корпусе, выполненных по технологии NanoWatt, позволяющей разработчику встраиваемой системы полностью управлять потребляемой мощностью. Кроссплатфор-менность архитектуры позволяет переносить программный код младших серий семейства в МК следующих серий, что облегчает переход к более сложным устройствам. В 8-битных МК PIC семейства предусмотрена возможность реализации разработанной фирмой Microchip технологии внутрисхемного последовательного программирования, позволяющей записывать программу после монтажа микросхемы на плату.
Самый младший из семейства 8-разрядный МК Microchip является PIC10F200 - недорогой, высокопроизводительный и полностью статический CMOS-микроконтроллер с 375 КБ Flash-памяти программ и 16 Байтами ОЗУ. Он, как и все последующие модели, построен на RISC архитектуре с ядром, оперирующим 33 инструкциями, что упрощает запоминание команд и значительно сокращает время разработки. В нём встроен 4 МГц генератор, один 8-разрядный таймер (TMR0), сторожевой таймер (WDT), есть функция последовательного внутрисхемного программирования (In Circuit Serial
Programming) с возможностью отладки внутри схемы и функцией защиты кода программы. Одна машинная инструкция выполняется процессором за 12 тактов.
4 апреля 2017 года компания Microchip Technology Incorporated выкупила компанию Atmel Corporation, объединив две команды разработчиков включив предыдущие разработки Atmel в свою номенклатуру выпускаемых изделий и заявила о технической поддержке данной продукции в течение ближайших 25 лет.
Микроконтроллеры STMicroelectronics
Казалось бы, новый гигант индустрии своим объединенным набором различных по характеристикам семейств микроконтроллеров сможет удовлетворить потребности даже самого прихотливого разработчика, однако есть много других производителей, которые предоставляют множество интересных решений не только с точки зрения технических возможностей и функционала, но и цены.
Не менее интересными чипами обладает компания STMicroelectronics. Помимо микроконтроллеров широкого назначения компания выпускает контроллеры для накопителей на жёстких магнитных дисках (HDD) для компании Western Digital.
Восьмиразрядные микроконтроллеры STM8 выпущены в 2008 году и направлены для требовательных к надежности систем с низким энергопотреблением.
Серия STM8S с 8-разрядными микроконтроллерами охватывает широкий спектр приложений на промышленном, потребительском и компьютерном рынках, особенно там, где речь идет о больших объемах.
Основываясь на собственном ядре STM8, серия STM8S использует техпроцесс 130 нм и архитектуру ядра, выполняющую до 20 MIPS на частоте 24 МГц.
Серия STM8 состоит из трех линеек, каждая с различными функциями, но с полной совместимостью и возможностью обновления: линейка Automotive, в которую входят серии STM8AL и STM8AF, линейка Ultra-low-power с серией STM8L и Mainstream с STM8S.
Проблема со сложностью освоения и высокой ценой решена в виде дешевых стартовых комплектов, позволяющих максимально быстро начать работу с данным семейством. Помимо этого, разрастанию поддерживающего сообщества способствуют бесплатные стандартные библиотеки периферии, исходники с готовыми примерами программного кода для типовых решений и задач разработки.
Вследствие того, что производительность микропроцессоров зависит от тактовой частоты и количества транзисторов, МК на 32-битной архитектуре уступают 8-битным в энергопотреблении, но уже имеет удельный ток потребления 250 мкА/Мгц.
Микроконтроллеры Renesas Electronics
Многим разработчикам встраиваемых систем хорошо известны вышеперечисленные производители и их серии микроконтроллеров, которые также очень популярны среди любителей и имеют многочисленные сообщества на просторах русскоязычного интернета России и стран СНГ. Но мало кто знает, что ведущим мировым производителем микроконтроллеров, название которого не может похвастаться тем, что находится у всех на слуху, является японская компания Renesas Electronics. Она обладает самым крупным в мире объёмом продаж микроконтроллеров и занимает второе место в мире по производству специализированных процессоров. Также компания производит драйверы для ЖК-индикаторов, микросхемы для ВЧ-электроники, аналогово-цифровые микросхемы, а также системы на кристалле. Пер-воночально она существовала как Renesas Technology, основанная в 2003 году как совместное предприятие Hitachi Ltd. и Mitsubishi Electric. В 2010 году к ним присоединилась компания Nec Electronics, образовав совместное предприятие Renesas Electronics.
Семейство 16-разрядных микроконтроллеров RL7 8 представляет собой симбиоз высокой производительности процессора 7 8K0R и встроенных функции чипов R8C и 78K. Потребление RL78 составляет 46 мкА/МГц при нормальной работе в режиме RUN на максимальной частоте встроенного высокоточного тактового генератора 32 МГц с погрешностью ±1%.
Три режима низкого энергопотребления RL7 8 позволяют увеличить время автономной работы. Режим NOOZE позволяет использовать некоторые периферийные устройства АЦП и UART в режиме ожидания, принимая данные без пробуждения процессора, и достичь энергопотребления 0,5 мА (10% от нормального режима RUN 5 мА). Режим HALT останавливает работу центрального процессора (ЦП), сохраняя до 80% общего тока микроконтроллера, обеспечивая быстрое время пробуждения процессора, а режим STOP обеспечивает наименьшее энергопотребление за счет отключения большего количества функций ЦП. МК производятся в различных корпусах от 10 до 128 контактов и имеют Flash-память программ от 1 КБ до 512 КБ. Есть возможность перенаправления портов ввода-вывода периферийных устройств на альтернативные порты (Peripheral I/O Re-direction), т.е. на одно периферийное устройство может приходиться несколько выводных контактов с разных сторон чипа, что помогает сделать корректную разводку при ограниченной компоновке элементов на плате. Также все модели данной линейки имеют контактную совместимость, что позволяет использовать одну и ту же печатную плату для установки на неё как 20-выводных микропроцессоров, так и 128-выводных МК с полной совместимостью и переносом программного кода от младшей модели к более старшей. Трех уровневый конвейер CISC ядра RL7 8 обеспечивает удельное быстродействие до 4 4 DMIPS на частоте 32 МГц, при этом 85% машинных инструкций выполняются за 1 такт. Также есть линий DMA, АЦП и ЦАП преобразователи, поддержка интерфейсов I2C и SPI, а также поддержка работы в промышленной сети LIN. Среди особенностей стоит отметить возможность пересылки данных между периферийными модулями без участия процессора (Data Transfer Control), обмен прерываниями между периферийными модулями без участия процессора (Event link controller), детектирование низкого напряжения (Low Voltage Detection), встроенный температурный датчик и Flash-память с ECC (Error Correcting Code memory - память с коррекцией ошибок).
Всё чаще и чаще в микроконтроллеры встраивают программируемые логические ячейки, с целью охвата большего числа встраиваемых систем и возможностью без применения дополнительных компонентов реализовывать логические функции не на печатной плате, а непосредственно на кристалле микроконтроллера.
Одним из таких производителей является компания Cypress Microsystems. В середине 2001 года она выпустила семейство 8-бит МК М8С с гарвардской архитектурой и динамически реконфигурируе-мыми встроенными периферийными блоками (Programmable System on Chip - PSoC) . Эти чипы включают в себя ядро процессора и массивы смешанных сигналов, конфигурируемые интегрированными аналоговыми и цифровыми периферийными устройствами такими как: цифровые блоки основного типа для построения таймеров, счетчиков, ШИМ; цифровые блоки для построения коммуникационных периферийных узлов UART, SPI, IRDA; аналоговые блоки для построения усилителей, компараторов и других линейных устройств (CT); аналоговые блоки на переключаемых конденсаторах для построения фильтров, ЦАП, АЦП (SCA, SCB).
С 2014 года Cypress начала производить устройства PSOC BLE 4-го поколения со встроенным Bluetooth с низким энергопотреблением BlueTooth Low Energy -BLE. Разработчикам предоставляется функция добавления и настройки BLE модуля непосредственно в PSoC среде разработки.
С помощью программных PSOC-средств разработчик может программировать и перепрограммировать чипы несколькими щелчками мыши. После того, как определены нужные функции периферийных блоков, программные средства автоматически генерируют хранимые в регистрах установочные параметры, а также программный интерфейс приложения и программу обслуживания прерываний.
Еще более интересной и продвинутой является мультиклеточная архитектура российской компании
ОАО "Мультиклет", реализованная в процессорах MultiClet R1. Микропроцессор разрабатывается в г. Екатеринбург, а сами кристаллы производятся в Малайзии на фабрике SilTerra.
Принципиальное отличие от традиционной ядерной архитектуры состоит в том, что клеточная работает не с отдельными командами, а с "предложениями", состоящими из команд. При этом операции внутри предложений проводятся без привлечения памяти, что обеспечивает в 4-5 раз более
высокую производительность по удельным показателям по сравнению с аналогами наряду со значительным снижением энергопотребления.
Такой процессор за счет динамической реконфигурации способен заменить до 4-х обычных контроллеров, что позволяет уменьшить стоимость компонентов и сэкономить место на плате. Любая программа может быть выполнена на любом количестве клеток без перепрограммирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Левин Эдвардс. Как стать специалистом по встраиваемым системам. Пособие для тех, кто хочет заниматься интересным и хорошо оплачиваемым делом / Левин Эдвардс; пер. с англ. Дюмина М.И. - М. : Додэка-XXI, 2009. - 296 с. : ил. - (Серия «Программируемые системы»). - Доп. Тит. . англ.
2. Магда Ю.С. Микроконтроллеры серии 8051: практический подход. / Магда Ю.С. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 228 с.
3. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL, 5-е изд., стер. — М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2008. — 560 с.
4. http://www.microchip.com
5. Сид Катцен. PIC-микроконтроллеры. Полное руководство / Сид Катцен; пер. с англ. Евстифеева А. В. М.: Додэка-ХХ1, 2010. 656 с.: ил. (Серия «Программируемые системы»). Доп. тит. л. англ. ISBN 978-5-94120-218-8.
6. С.Н. Торгаев, И.С. Мусоров, Д.С. Чертихина. Основы микропроцессорной техники: микроконтроллеры STM8S: учебное пособие / С.Н. Торгаев, И.С. Мусоров, Д.С. Чертихина и др.; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - 130 с.
УДК 621.396.7
Новиков А.К., Кочегаров И.И., Горячев Н.В.
ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный университет», Пенза, Россия
ОБЗОР ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ РАЗРАБОТКИ ДЛЯ ВСТРАИВАЕМЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
Одним из этапов в разработке любой встраиваемой системы является выбор необходимых компонентов и комплектующих, которые обеспечат достаточные производительность и функционал встраиваемой системы исходя из требований, предъявляемых в техническом задании. Встраиваемые системы могут быть построены на базе микропроцессорного ядра, выполняющего управляющую программу, либо быть реализованы только из программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) без микропроцессорного ядра. Для микропроцессорных систем одним из основных действий на этапе их разработки является выбор микроконтроллера с учетом технического задания и огромного количества факторов.
Следует отметить, что кроме аппаратной части, подобранной для разработки встраиваемой системы, не менее важной является программная среда. Интегрированная среда разработки - это комплекс программных средств и инструментов, поддерживающих все этапы разработки программного обеспечения начиная от составления текста программы заканчивая ее компиляцией и отладкой, а также позволяющий просто и быстро взаимодействовать с другими программными и аппаратными средствами разработчика (программным отладчиком-симулято-ром и программатором).
Наличие в программной оболочке эмулятора встроенного редактора, встроенного менеджера проектов и системы управления, позволяют существенно облегчить работу разработчика, избавив его от множества рутинных действий. Для разработчика стирается грань между написанием программы, ее редактированием и отладкой. Переход от редактирования исходного текста к отладке и обратно происходит "прозрачно" и синхронно с активизацией соответствующих окон, менеджер проектов автоматически запускает компиляцию по мере необходимости и активизирует соответствующие окна программного интерфейса.
За долгие годы сущуствования платформа С51 получила программную поддержку множества производителей. Одни из наиболее популярных сред разработки являются IAR, Keil uVision for C51, Raisonance, Franklin software (компилятор) для интегрированной среды разработки ProView32, IDE Projekt-52, Tasking, MPLAB, Reads51 от www.rigelcorp.com, инструментальные средства разработки ООО "КБ Фитон" CodeMaster-ARM, Project-52, Project-96, Project-51содержащие
внутри своих пакетов внутрисхемный эмулятор или JTAG отладчик, программный отладчик симулятор, менеджер проектов, кросс-ассемблер, Си компилятор, редактор и программный отладчик симулятор.
Для микроконтроллеров AVR Atmel существует фирменная интегрированная бесплатная среда разработки Atmel Studio, которая используется для разработки приложений на C/C++ или ассемблере. На момент декабря 2017 года на официальном сайте Microchip доступна последняя версия Atmel Studio 7.0, поддерживающая более 500 моделей AVR и SAM и включающая огромную библиотеку с более чем 1600 примерами проектами с исходным кодом, которая активно поддерживается и пополняется широко распространённым сообществом по всему миру. Также на данном сайте можно встретить облачный сервис в виде онлайн среды разработки под названием Atmel START, позволяющей вести одновременно разработку нескольким пользователям удаленных друг от друга.
Она взаимодействует с различными программаторами, отладчиками, комплектами разработки и отладочными платами, такими как: AVR ONE!, JTAGICE mkI, JTAGICE mkII, AVR Dragon, AVRISP, AVR ISPmkII, AVR Butterfly, STK500 и STK600.
Помимо официальных сред существуют и софт от сторонних разработчиков.
К ним можно отнести простую для самостоятельного освоения CodeVisionAVR, поддерживающую все семейства микроконтроллеров AVR. Она представляет собой высококачественная IDE со встроенными ANSI Си-компилятором и мастером автоматической генерации программы. Помимо компилирования среда разработки способна записать созданную программу в память микроконтроллера. Модуль прошивки может взаимодействовать со всеми популярными программаторами (AVR910, STK200/300/500/600, AVRasp и многими другими). Редактор позволяет работать с двумя проектами одновременно, размещать закладки, настраивать время автоматического сохранения результатов. В пакет программы включены трансляторы программ с языка Си или ассемблера в машинный код для AVR, элементы для инициализации периферийных устройств, модуль для взаимодействия с платами STK, терминал и другие. На выходе работы в программе CodeVisionAVR файл прошивки может быть выдан в форматах HEX, ROM или BIN-файла для прямой прошивки микроконтроллера путем использования программатора. Кроме этого, программа может быть передана в формате COFF, содержащим информацию для отладчика, или
