I Микроконтроллеры

  1.1 Определение микроконтроллера

  Микроконтро́ллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) − микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование в современном микроконтроллере „мощного“ вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление.

  Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь  встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных.

  Микроконтроллеры  обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти.

  Среди производителей микроконтроллеров можно назвать  Intel, Motorola, Hitachi, Microchip, Atmel, Philips, Texas Instruments, Infineon Technologies (бывшая Siemens Semiconductor Group) и многих других.

  2 Обзор современных микроконтроллеров

  На данный момент на рынке полупроводниковых  приборов представлено множество микроконтроллеров  разных производителей. Как правило, производители разрабатывают свои фирменные линейки микроконтроллеров  со специфической архитектурой и  индивидуальной системой команд.

  2.1 Микроконтроллеры  Atmel.

  AVR – самая  обширная производственная линии  среди других флэш-микроконтроллеров корпорации Atmel. Прогресс данной технологии наблюдался в снижении удельного энергопотребления (мА/МГц), увеличении быстродействия до 16 млн. операций в секунду, встройкой реально-временных эмуляторов и отладчиков, реализации функции самопрограммирования, совершенствовании и расширении количества периферийных модулей, встройке специализированных устройств (радиочастотный передатчик, USB-контроллер, драйвер ЖКИ, программируемая логика, контроллер DVD, устройства защиты данных), бесплатно распространяемая документация.

  Другой  особенностью AVR-микроконтроллеров, которая  способствовала их популяризации, являетсяиспользование RISC-архитектуры, которая характеризуются упрощенным набором инструкций, большинство которых выполняются за один машинный цикл. С другой стороны, в рамках одного приложения с заданным быстродействием, AVR-микроконтроллер может тактироваться в 12 (6) раз меньшей тактовой частотой, обеспечивая равное быстродействие, но при этом потребляя гораздо меньшую мощность.

  3 Описание архитектуры  микроконтроллера AT90S2313

  Данный  контроллер наиболее прост в изучении, поскольку не обременен множеством периферийных устройств (как, например, микроконтроллеры ветки Mega), однако в то же время он содержит все основные устройства, описанные выше.

  AT90S2313 является 8-ми разрядным CMOS микроконтроллером  с низким энергопотреблением, основанным  на усовершенствованной AVR RISC архитектуре. 

  Ядро AVR содержит набор инструкций и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра напрямую подключены к арифметико-логическому  устройству (АЛУ), что обеспечивает доступ к двум независимым регистрам  при выполнении одной инструкции за один такт.  Данная архитектура имеет более высокую эффективность кода, при повышении пропускной способности, вплоть до 10 раз, по сравнению с CISC.

   Встроенная  флэш-память с поддержкой внутрисистемного  программирования обеспечивает  возможность перепрограммирования  программного кода в составе  системы, посредством последовательного  интерфейса, или с помощью стандартного  программатора энергонезависимой  памяти.

  3.1 Краткое описание  встроенных устройств микроконтроллера AT90S2313

  3.1.1 8-ми разрядный  таймер- счетчик 0 (8 bit timer- counter 0)

  Все МК AVR имеют в своем активе как минимум 2 таймер/счетчика (Т/С), это Т0 и Т1. Таймер/счетчики отличаются разрядностью, наличием дополнительных функций режимов работы и др.

  Любой Т/С может быть использован для отсчета временных интервалов или подсчета внешних событий. В МК существует сторожевой таймер. Его функция заключается в том, чтобы сбросить программный счетчик в начальный адрес при зацикливании программы. Сторожевой таймер необходимо периодически сбрасывать в исходное положение, либо его попросту отключить.

  При работе таймера-счетчика от внешнего сигнала, внешний сигнал синхронизируется с  тактовым генератором микроконтроллера. Для правильной  обработки внешнего сигнала, минимальное время между  соседними импульсами  должно превышать  период тактовой частоты процессора.

  3.1.2 16-ти разрядный  таймер- счетчик 1 (16 bit timer-counter 1)

  16-ти разрядный  таймер-счетчик обладает теми  же свойствами, что и 8-ми разрядный  таймер-счетчик, но может реализовать  большие интервалы времени.

  Таймер-счетчики поддерживают функцию совпадения, используя регистр совпадения OCR1A в качестве источника для сравнения с содержимым счетчика. Функция совпадения поддерживает очистку счетчика и переключение выхода по совпадению.

  3.1.3 Аналоговый компаратор (Analog comparator)

  Аналоговый  компаратор  сравнивает входные напряжение на  положительном входе PB0 (AIN0) и отрицательном входе PB1(AIN1). Когда напряжение на положительном входе больше напряжения на отрицательном, устанавливается бит ACO (Analog Comparator Output). Выход аналогового компаратора можно установить на работу с функцией захвата таймера-счетчика1.

  3.1.4 Порты ввода-вывода (IO ports)

  Порт B – 8-ми разрядный; D – 7-ми разрядный порт. Порты могут быть настроены на ввод или вывод информации. Для обслуживания портов отведено по три регистра: регистры данных PORTx, регистры направления данных – DDRx и выводы портов PINx. Адреса  ножек портов предназначены только для чтения, в то время как регистры данных и регистры направления данных – для чтения и записи.

  3.1.5 Арифметико-логическое  устройство – АЛУ (ALU)

  АЛУ процессора непосредственно  подключено к 32 регистрам  общего назначения. Команды АЛУ разделены  на три основных  категории –  арифметические, логические и команды  переноса информации.

  3.1.6 Загружаемая память  программ

  AT90S2313 содержит 2 кБ загружаемой флэш-памяти для хранения программ. Поскольку все команды занимают одно или 2 16-разрядных слова, флэш-память организована как 1Kx16. Флэш-память выдерживает не менее 100000 циклов перезаписи.

  3.1.7 Энергонезависимая  память данных (EEPROM)

  AT90S2313 содержит 128 байт электрически стираемой  энергонезависимой памяти (EEPROM). EEPROM организована как отдельная область  данных, каждый байт которой может  быть прочитан и перезаписан. 

  3.1.8 Статическое ОЗУ  данных

  224 ячейки  памяти включают в себя регистровый  файл, память ввода-вывода и статическое  ОЗУ данных. Первые 96 адресов используются  для регистрового файла и памяти  ввода-вывода, следующие 128 – для  ОЗУ данных.

  При обращении  к памяти используются пять различных  режимов адресации: прямой, непосредственный со смещением, непосредственный, непосредственный с предварительным декрементом и непосредственный с постинкрементном.

  3.1.9 Сброс и обработка  прерываний

  В AT90S2313 предусмотрены 10 источников прерываний. Каждому из прерываний присвоен отдельный бит разрешающий данное прерывание при установке бита в 1, если бит I регистра состояния разрешает общее обслуживание прерываний. Полный список векторов прерываний приведен в таблице 1. список определяет и приоритет различных прерываний.