МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ

Микроконтроллеры (МК) представляют собой законченную микропроцессорную сис­тему обработки информации, которая реализована в виде одной большой интегральной микросхемы. МК объединяет в пределах одного полупроводникового кристалла основ­ные функциональные блоки МП управляющей системы: центральный процессор (ЦПУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), периферийные устройства для ввода и вывода информации (УВВ).

Широкое разнообразие моделей МК, возможность разработки и производства новых моделей в короткие сроки обеспечивает модульный принцип построения МК. При модуль­ном принципе построения все МК одного семейства содержат в себе базовый функцио­нальный блок, который одинаков для всех МК семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК разных моделей в пределах одного семейства (рис. 4.1). Базовый функциональный блок включает:

• центральный процессор;

• внутренние магистрали адреса, данных и управления;

• схему формирования многофазной импульсной последовательности для тактирова­ния центрального процессора и межмодульных магистралей;

• устройство управления режимами работы МК, такими как активный режим, в котором МК выполняет прикладную программу, режимы пониженного энергопотребления, в один из которых МК переходит, если по условиям работы выполнение программы может быть приостановлено, состояния начального запуска (сброса) и прерывания.

Базовый функциональный блок принято называть процессорным ядром МК. Процессор­ное ядро обозначают именем семейства МК, основой которого оно является. Например, ядро НС08 - процессорное ядро семейства Motorola МС68НС08, ядро MCS-51 - ядро семейства МК Intel 8хС51, ядро PIC16 - процессорное ядро Microchip PIC 16.

Изменяемый функциональный блок включает модули различных типов памяти, мо­дули периферийных устройств, модули генераторов синхронизации и некоторые до­полнительные модули специальных режимов работы МК. Представленный на уровне схемы электрической принципиальной, каждый модуль имеет выводы для подключе­ния его к магистралям процессорного ядра. Это позволяет на уровне функционального проектирования новой модели МК «подсоединять» те или иные модули к магистралям процессорного ядра, создавая, таким образом, разнообразные по структуре МК в пре­делах одного семейства. На уровне топологического проектирования ИС МК, объеди­ненные в составе МК, модули размещают на одном полупроводниковом кристалле. Отсюда появилось выражение «интегрированные на кристалл» периферийные моду­ли. Совокупность модулей, которые разработаны для определенного процессорного ядра, принято называть библиотекой периферийных модулей. Библиотека каждого со­временного семейства МК включает модули пяти функциональных групп:

1) модули памяти;

2) модули периферийных устройств;

3) модули встроенных генераторов синхронизации;

4) модули контроля за напряжением питания и ходом выполнения программы;

5) модули внутрисхемной отладки и программирования.

Термин «модуль памяти» в применении к МК стал использоваться на этапе перехода к новым технологиям резидентной памяти программ и данных. Энергонезависимая па­мять типа FLASH и EEPROM имеет не только режимы хранения и чтения информации, которая была в нее записана до начала эксплуатации изделия на этапе программирова­ния, но и режимы стирания и программирования под управлением прикладной програм­мы. Вследствие этого энергонезависимая память типа FLASH и EEPROM требует управ­ления режимами работы, для чего снабжена дополнительными схемами управления. Мас­сив ячеек памяти, доступных для чтения, стирания и записи информации, дополнитель­ные аналоговые и цифровые схемы управления, а также регистры специальных функций для задания режимов работы объединены в функциональный блок, который и носит на­звание модуля памяти. В настоящее время термин «модуль памяти» используется в рав­ной мере для всех типов резидентной памяти: ОЗУ и ПЗУ.

В направлениях развития 8-разрядной элементной базы МК отчетливо прослеживает­ся тенденция к закрытой архитектуре, при которой линии внутренних магистралей адреса и данных отсутствуют на выводах корпуса МК. И, как следствие, не представляется воз­можность использования внешних по отношению к МК БИС запоминающих устройств. В этом случае разработчик изделия на МК при выборе элементной базы должен позаботить­ся о том, чтобы предполагаемый алгоритм управления, реализованный в виде прикладной программы, сумел разместиться в резидентной (внутренней) памяти МК. В противном слу­чае придется сменить элементную базу и перейти к МК с большим объемом внутреннего ПЗУ. Для подобных случаев разработчики элементной базы МК обычно предлагают ряд модификаций МК с одним и тем же набором периферийных модулей и различающимся объемом резидентной памяти программ и данных.

Группа модулей периферийных устройств включает следующие основные типы:

• параллельные порты ввода/вывода;

• таймеры-счетчики, таймеры периодических прерываний, процессоры событий;

• контроллеры последовательного интерфейса связи нескольких типов (UART, SCI, SPI, PC, CAN, USB);

• аналого-цифровые преобразователи (АЦП);

• цифроаналоговые преобразователи (ЦАП);

• контроллеры ЖК индикаторов и светодиодной матрицы.

Возможны также некоторые другие типы модулей, например, модуль прямого доступа к памяти, модуль управления ключами силовых инверторов напряжения, модуль генератора DTMF для тонального набора номера в телефонии и т. п.

Существенное изменение претерпели в настоящее время генераторы синхронизации 8-разрядных МК. Произошло функциональное разделение собственно генератора синхронизации, который выделился в отдельный модуль, и схемы формирования многофазной последовательности импульсов для тактирования центрального процессора и межмодульных магистралей, которая является неотъемлемой частью процессорного ядра. Появилась возможность выбора внешнего времязадающего элемента: кварцевый или керамический резонатор, RC-цепь. Поскольку схемотехника выполнения усилителей с положительной обратной связью определяется типом времязадающего элемента, то для одного и того же МК появились разные модификации модулей встроенного генератора синхронизации. Повышение производительности процессорного ядра МК связано с повышением частоты тактирования центрального процессора и межмодульных магистралей. Однако применение высокочастотных кварцевых резонаторов в качестве времязадающего элемента повышает уровень электромагнитного излучения, т. е. возрастает интенсивность генерации помех. Поэтому все чаще генераторы синхронизации имеют в своем составе умножитель частоты с программно-настраиваемым коэффициентом. Умножитель частоты часто выполняется по схеме синтезатора с контуром фазовой автоподстройки (англо-язычная аббревиатура PLL- Phase Loop Lock). Цепи синтезатора частоты и регистры специальных функций для управления режимами его работы объединены в один из модулей генератора синхронизации.

Относительно новыми для 8-разрядных МК являются две последние группы модулей. Модули контроля за напряжением питания и ходом выполнения программы осуществляют диагностику некоторых подсистем МК и позволяют восстановить работоспособность устройства на основе МК при нарушениях программного характера, сбоях в системе синхронизации, снижении напряжения питания.

Модули внутрисхемной отладки и программирования являются аппаратной основой режимов отладки и программирования в системе, которые позволяют отлаживать прикладную программу и заносить коды программы в энергонезависимую память МК прямо на плате конечного изделия, без использования дополнительных аппаратных средств отладки и программирования.