Все микроконтроллеры можно условно разделить на 3 класса в соответствии с их разрядностью:
- 8-разрядные
- 16-разрядные
- 32-разрядные
8-разрядные микроконтроллеры имеют относительно низкую производительность, которая вполне достаточна для решения широкого круга задач управления различными объектами. Это простые и дешевые микроконтроллеры, ориентированные на использование в относительно несложных устройствах массового выпуска. Основными областями их применения являются бытовая и измерительная техника, промышленная автоматика, автомобильная электроника, теле-, видео- и аудиоаппаратура, средства связи. Для этих микроконтроллеров характерна реализация Гарвардской архитектуры, где используется отдельная память для хранения программ и данных. Внутренняя память программ обычно имеет объем от нескольких единиц до десятков килобайт. Для хранения данных используется регистровый блок, организованный в виде нескольких регистровых банков, или внутреннее ОЗУ. Объем внутренней памяти данных составляет от нескольких десятков байт до нескольких килобайт. Ряд микроконтроллеров этой группы позволяет, в случае необходимости, дополнительно подключать внешнюю память команд и данных, объемом до 64…256 килобайт. Микроконтроллеры этой группы обычно выполняют относительно небольшой набор команд (30-100), использующих наиболее простые способы адресации. Такие микроконтроллеры обеспечивают выполнение большинства команд за один такт машинного времени.
16-разрядные микроконтроллеры во многих случаях являются усовершенствованной модификацией своих 8-разрядных прототипов. Они характеризуются не только увеличенной разрядностью обрабатываемых данных, но и расширенной системой команд и способов адресации, увеличенным набором регистров и объемом адресуемой памяти, а также рядом других дополнительных возможностей. Обычно эти микроконтроллеры позволяют расширить объем памяти программ и данных до нескольких мегабайт путем подключения внешних микросхем памяти. Во многих случаях реализуется их программная совместимость с более младшими 8-разрядными моделями. Основная сфера применения таких микроконтроллеров – сложная промышленная автоматика, телекоммуникационная аппаратура, медицинская и измерительная техника.
32-разрядные микроконтроллеры содержат высокопроизводительный процессор, соответствующий по своим возможностям младшим моделям микропроцессоров общего назначения. В ряде случаев процессор, используемый в этих микроконтроллерах, аналогичен CISC- или RISC-процессорам, которые выпускаются или выпускались ранее в качестве микропроцессоров общего назначения. Например, в 32-разрядных микроконтроллерах компании Intel используется процессор i386, в микроконтроллерах компании Motorola широко применяется процессор 68020, в ряде других микроконтроллеров в качестве процессорного ядра служат RISC-процессоры типа PowerPC. На базе данных процессоров были реализованы различные модели персональных компьютеров. Введение этих процессоров в состав микроконтроллеров позволяет использовать в соответствующих системах управления огромный объем прикладного и системного программного обеспечения, созданный ранее для соответствующих персональных компьютеров. Кроме 32-разрядного процессора на кристалле микроконтроллера размещается внутренняя память команд емкостью до десятков килобайт, память данных емкостью до нескольких килобайт, а также сложно-функциональные периферийные устройства – таймерный процессор, коммуникационный процессор, модуль последовательного обмена и ряд других. Микроконтроллеры работают с внешней памятью объемом до 16 Мбайт и выше. Они находят широкое применение в системах управления сложными объектами промышленной автоматики (двигатели, робототехнические устройства, средства комплексной автоматизации производства), в контрольно-измерительной аппаратуре и телекоммуникационном оборудовании. Во внутренней структуре этих микроконтроллеров реализуется Принстонская или Гарвардская архитектура. Входящие в их состав процессоры могут иметь CISC- или RISC-архитектуру, а некоторые из них содержат несколько исполнительных конвейеров, образующих суперскалярную структуру.
Цифровые сигнальные процессоры (ЦСП, DSP) представляют особый класс специализированных микропроцессоров, ориентированных на цифровую обработку поступающих аналоговых сигналов. Специфической особенностью алгоритмов обработки аналоговых сигналов является необходимость последовательного выполнения ряда команд умножения-сложения с накоплением промежуточного результата в регистре-аккумуляторе. Поэтому архитектура ЦСП ориентирована на реализацию быстрого выполнения операций такого рода. Набор команд этих процессоров содержит специальные команды MAC (Multiplication with Accumlation), реализующие эти операции. Значения поступившего аналогового сигнала может быть представлено в виде числа с фиксированной или с “плавающей” точкой. В соответствии с этим ЦСП делятся на процессоры, обрабатывающие числа с фиксированной или плавающей точкой. Более простые и дешевые ЦСП с фиксированной точкой обычно обрабатывают 16-разрядные операнды, представленные в виде правильной дроби. Однако ограниченная разрядность в ряде случаев не позволяет обеспечить необходимую точность преобразования. Поэтому в ЦСП с фиксированной точкой, выпускаемых компанией Motorola, принято 24-разрядное представление операндов. Наиболее высокая точность обработки обеспечивается в случае представления данных в формате с «плавающей» точкой. В ЦСП, обрабатывающих данные с «плавающей» точкой, обычно используется 32-разрядный формат их представления. Для повышения производительности при выполнении специфических операций обработки сигналов в большинстве ЦПС реализуется Гарвардская архитектура с использованием нескольких шин для передачи адресов, команд и данных. В ряде ЦПС нашли применение также некоторые черты VLIW-архитектуры: совмещение в одной команде нескольких операций, обеспечивающих обработку имеющихся данных и одновременную загрузку в исполнительный конвейер новых данных для последующей обработки.
Выбор микроконтроллера
При проектировании цифровой системы необходимо осуществить правильный выбор микроконтроллера. Основная цель – выбрать наименее дорогой микроконтроллер (чтобы снизить общую стоимость системы), но в то же время удовлетворяющий спецификации системы, т. е. требованиям по производительности, надежности, условиям применения и т. д.
Основные критерии выбора микроконтроллера представлены ниже в порядке значимости.
- Пригодность для прикладной системы. Может ли она быть сделана на однокристальном микроконтроллере или ее можно реализовать на основе какой-либо специализированной микросхемы.
- Имеет ли микроконтроллер требуемое число контактов, портов ввода-вывода, поскольку в случае их недостатка он не сможет выполнить работу, а в случае избытка цена будет слишком высокой.
- Имеет ли микроконтроллер все требуемые периферийные устройства, такие как аналого-цифровой, цифро-аналоговый преобразователи, интерфейсы связи и т.д.
- Имеет ли микроконтроллер другие периферийные устройства, которые не потребуются в системе (это зачастую увеличивает стоимость микроконтроллера).
- Обеспечивает ли ядро микроконтроллера необходимую производительность, т. е. вычислительную мощность, позволяющую обрабатывать системные запросы в течение всей жизни системы на выбранном прикладном языке.
- Выделено ли в бюджете проекта достаточно средств, чтобы позволить себе использовать данный микроконтроллер. Для ответа на этот вопрос, обычно требуются расценки поставщика. Если данный микроконтроллер не приемлем для проекта, все остальные вопросы становятся несущественными, и разработчик должен начать поиски другого микроконтроллера.
- Доступность.
- Существует ли устройство в достаточных количествах.
- Производится ли оно сейчас.
- Что ожидается в будущем.
- Поддержка разработчика.
- Ассемблеры.
- Компиляторы.
- Средства отладки.
- Внутрисхемные эмуляторы.
- Информационная поддержка
- Примеры применения.
- Сообщения об ошибках.
- Утилиты, в том числе бесплатные ассемблеры.
- Примеры исходных текстов.
- Поддержка применений у поставщика.
- Квалификация поддерживающего персонала, действительно ли он заинтересован в помощи при решении вашей проблемы.
- Связь с поддерживающим профессионалом.
- Надежность фирмы производителя.
- Компетентность, подтвержденная разработками.
- Надежность производства, т.е. качество продукции.
- Время работы в этой области.
Чтобы заставить микроконтроллер выполнять то, что от него требуется, нужно написать программу для него. Это можно делать на разных языках программирования, но чаще всего используются ассемблер и Си. В результате получается выходной файл с шестнадцатеричным кодом (наиболее распространенный стандарт intel-hex c расширением .hex), который и загружается в микроконтроллер.
Вся информация (электрические параметры, габариты, особенности программирования и т.д.) о микроконтроллерах находится в специальных документах – руководствах по использованию (Data Sheet), которые являются своеобразными подробными руководствами для применения микросхем и других электронных приборов. Руководства по использованию обычно можно бесплатно загружать с сайтов производителей, или со специализированных сайтов.
Для уменьшения количества ошибок в программах существуют так называемые примеры использования (Application Note). Эти документы создают производители микроконтроллеров. В них описывается практическое применение микроконтроллеров, приведены схемы устройств, полные тексты или части кода программ, описание работы устройства.
Перед тем как загрузить программу в микроконтроллер, можно промоделировать ее работу на компьютере, для этого существуют различные симуляторы и эмуляторы. В этих программах инженеры рисуют схему устройства, указывают пути к файлам кода программы и анализируют работу устройства. Если что-то не так, корректируется код программы. Такое виртуальное моделирование значительно ускоряет и облегчает процесс написания программ.
В некоторых компиляторах присутствуют отладчики (Debugger), в которых все не так наглядно, но зато найти ошибки в программе гораздо проще. Эти возможности комбинируются в разных средствах разработки.
Отладчики можно разделить на
- симуляторы
- эмуляторы.
Симуляторы – совокупность программных средств, моделирующих работу других программ или их отдельных частей.
Эмуляторы – совокупность программных и аппаратных средств, позволяющих воспроизвести работу других программ или их отдельных частей.