ООО "АРП-Дизайн"

ООО "АРП-Дизайн"

ООО "АРП-Дизайн" реализует проект: "Разработка сложно-функциональных микроконтроллерных систем с низким энергопотреблением для электронной аппаратуры".


 

 1.1. Научно-технические разработки в области применения микроконтроллеров.

Микроконтроллер - микропроцессорное устройство с ограниченным набором функций, предназначен для управления электронными устройствами.

Характерной чертой микроконтроллера является то, что вычислительное ядро (запоминающее устройство, содержащее инструкции и данные устройства ввода-вывода) набор встроенных периферийных устройств, располагаются на кристалле. Чаше всего микроконтроллеры применяются во встроенных системах управления и контроля.

Основным преимуществом микроконтроллера является то, что его можно назвать почти самостоятельным вычислительным устройством. Для работы ему не требуется дополнительное оборудование.

Применение одной микросхемы, вместо целого набора, как в обычных процессорах, находящихся в персональных компьютерах, позволяет значительно снизить размеры готового устройства, уменьшить энергопотребление, снизить стоимость.

Интернет вещей и автоматизированные системы управления.

В данной отрасли применение микроконтроллеров очень обширно. Они применяются на всех технологических стадиях от сбора и предварительной обработки информации с датчиков до формирования цифрового кода для передачи по беспроводному протоколу во всех контрольно-измерительных приборах, как показано на рис.1.

Рис. 1. Использование МК в сфере интернет вещей и АСУ

Рассмотрим два варианта применения микроконтроллеров:

• использование микроконтроллера в сфере "интернет вещей", основной элемент в сборе и обработки аналоговых величин с различных датчиков таких, как температуры, давления, влажности, задымленности и т.д. В данном применении ключевой особенностью микроконтроллера является его сверх низкое энергопотребление, т.е. возможность работать от пальчиковой батарейки в течении 5-10 лет.

использование микроконтроллера, как основного элемента управления, в АСУ ТП. Микроконтроллер является ядром распределенной АСУ ТП и управляет системами автоматического управления, компрессорами и турбодетандером. Благодаря высокой производительности и возможностям резервирования микроконтроллера, реализуются противоаварийные защиты и блокировки, автоматическое регулирование параметров, дистанционное управление исполнительными механизмами (насосы, отсекатели, АВО);

• использование микроконтроллера в гидрофицированный, автоматизированный привод штангового глубинного насоса. Электронная система управления (ЭСУ) позволяет на месте и дистанционно настраивать и отслеживать качество работы оборудования. Она точно регулирует плавность и эффективность работы привода и позволяет делать высокоточную настройку цикла. ЭСУ дает большую результативность на низкодебитовых скважинах. Электронная система основана на бесконтактных элементах и микроконтроллерах. Количество реле сведено к минимуму. Программы микроконтроллеров позволяют продолжать работу даже при заклинивании штанг глубинного насоса.

 

Автомобильная электроника.

Применение микроконтроллеров более наглядно можно рассмотреть на примере легкового автомобиля. На рисунке 2 показаны системы автомобиля, где используются микроконтроллеры.

Рис.2. Применение МК в автомобильной промышленности.

Данная область применения с каждым годом все больше и больше использует электронную начинку, тем самым уваливается количество используемых МК. В данной области наблюдаются следующие тенденции и проблемы, которые данный проект сможет решить.

Тенденция -> Проблема -> Решение.

Мировые тенденции автомобильной промышленности:

Ø Совместимость программного обеспечения между автомобилем и смартфоном. Использование удобных многофункциональных интерфейсов с выводом информации на центральный дисплей на основе интеграции программного обеспечения, разработанного ведущими софтверными компаниями в автомобильной мультимедиа. На сегодняшний день есть яркие примеры: Ford - Microsoft, Volvo - IOS, VW - Android.

 

Ø Системы помощи водителю, например, такие,как ADAS, система помощи при парковке, поддержание полосы и т.д., увеличение функций умного автомобиля. Тенденция увеличения числа датчиков, RF-систем считывания информации, интегрирование камер в единую систему распознавания объектов и положения.

Ø Повышение уровня безопасности. Разработка новых концепций и технологий общения между автомобилями и специализированной инфраструктуры - V2V (Vehicle-to-Vehicle) и V2I (Автомобиль-к-инфраструктура).

Ø Гибриды. Разработка новых высокопроизводительных систем управления трансмиссии и питания автомобиля. Мониторинг уровня заряда батареи.

Ø Повышение надежности. Увеличение числа возможностей обслуживания электроники в автомобиле требует повышения микроконтроллерной функциональной безопасности. Передача информации, как персональной, системной (управление), положение (GPS, Глонасс) и т.д. Увеличение числа электронных объектов приводит к требованию по повышению уровня электромагнитной совместимости электронных компонент и модулей.

Ø Развитие беспроводных решений (wireless). Мировая тенденция в снижение веса автомобиля требует увеличить производительность микроконтроллеров, позволяющих обрабатывать данные и сократить число жгутов.

 

Выше перечисленные тенденции приводят к следующим главным проблемам:

- увеличение разрядности и производительности МК ядра;

- увеличение используемого объема памяти для обработки и хранения информации;

- наличие требуемого от задачи аналого-цифровой периферии;

- наличие высокоскоростных автомобильных интерфейсов передачи данных;

- увеличение стойкости МК к воздействию электромагнитных помех;

- снижение энергопотребления;

- интегрирование на кристалле блоков и функций не требующих внешних компонент для снижения массогабаритных показателей;

- обеспечение требуемого функционала МК, без наличия дополнительных функций.

Медицинская электроника, smart карты.

К сегментам которые за последние 3-5 лет быстро набирают обороты можно отнести сегменты медицинской электроники и "умных" карт. Медицинская применение в основном - это внедрение МК в новые поколения устройств, от домашних применений до применений в больницах и госпиталях. Основная тенденция в применении МК - это удаленный мониторинг показателей пациента и анализ данных по средствам специализированного ПО и возможностью передачи данных по беспроводному протоколу, например, LPWAN.

Рис. 3. Применение МК в сфере медицинской электроники и

идентификации (smart карты)

Спектр применения микроконтроллеров чрезвычайно широк, но наиболее перспективно их использование в удаленных системах сбора телеметрической информации, портативных измерительных приборах, PDA, электронных кассовых аппаратах, рекордерах данных, системах разграничения доступа и других интеллектуальных приложениях.

Во всех компьютерах, мобильных телефонах, GPS-навигаторах, рациях, игровых приставках, офисной технике используются подобного рода микроконтроллеры, без которых функционирование вышеперечисленных продуктах было бы невозможно.

Из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что микроконтроллер это устройство, без которого не может обойтись ни один современный электронный предмет, поскольку все оборудование направлено на электронизацию и компьютеризацию.

1.2. Основные архитектуры мирового производства современных микроконтроллеров.

На сегодняшний день существует несколько основных архитектур микроконтроллеров, которые широко распространены по всему миру, а так же находят широкое применение в электронной аппаратуре.

К основным архитектурам относятся:

1. AVR (Advanced Virtual RISC) микроконтроллеры имеют гарвардскую архитектуру (программа и данные находятся в разных адресных пространствах) и систему команд, близкую к идеологии RISC. Архитектура AVR разработана в 1995 году в Norwegian University of Science and Technology (NTNU).

2. 8051 (Intel 8051) - это однокристальный микроконтроллер гарвардской архитектуры, который был впервые произведен Intel в 1980 году, для использования во встраиваемых системах.

3. ARM архитектура (ранее Advanced RISC Machine — усовершенствованная RISC-машина, предшественник — Acorn RISC Machine) — 32-битная микропроцессорная архитектура с сокращённым набором команд (RISC), разрабатываемая ARM Limited.

4. RISC MSP430 архитектура – это семейство микроконтроллеров фирмы Texas Instruments. Первый контроллер с аббревиатурой MSP430 появился в 1999 году.

5. PIC - микроконтроллеры Гарвардской архитектуры, производимые американской компанией Microchip Technology Inc. Название PIC является сокращением от Peripheral Interface Controller, что означает «периферийный интерфейсный контроллер».

 

Рассмотрим их более подробно.

Одна из перспективных архитектур является AVR, так как она за относительно короткое время стала популярной и широко применимой.

Разработка нового RISC-ядра принадлежит двум студентам Norwegian University of Science and Technology (NTNU) из норвежского города Тронхейма (Trondheim) — Альфу Богену (Alf-Egil Bogen) и Вегарду Воллену (Vegard Wollen). В 1995 году Боген и Воллен решили предложить американской корпорации Atmel, которая была известна своими чипами с Flash-памятью, выпускать новый 8-битный RISC-микроконтроллер и снабдить его Flash-памятью для программ на одном кристалле с вычислительным ядром.

Идея была одобрена Atmel Corp., и было принято решение незамедлительно инвестировать в данную разработку. В конце 1996 года был выпущен опытный микроконтроллер AT90S1200, а во второй половине 1997-го корпорация Atmel приступила к серийному производству нового семейства микроконтроллеров, к их рекламной и технической поддержке.

Как говорилось выше, микроконтроллеры AVR имеют гарвардскую архитектуру (программа и данные находятся в разных адресных пространствах) и систему команд, близкую к идеологии RISC. Процессор AVR имеет 32 8-битных регистра общего назначения, объединённых в регистровый файл.

Система команд микроконтроллеров AVR весьма развита и насчитывает в различных моделях от 90 до 133 различных инструкций. Большинство команд занимает только 1 ячейку памяти (16 бит). Большинство команд выполняется за 1 такт.

Всё множество команд микроконтроллеров AVR можно разбить на несколько групп:

• команды логических операций;

• команды арифметических операций и команды сдвига;

• команды операции с битами;

• команды пересылки данных;

• команды передачи управления;

• команды управления системой.

 

Управление периферийными устройствами осуществляется через адресное пространство данных. Для удобства существуют «сокращённые команды» IN/OUT.

Архитектура ARM.

Данные процессоры имеют низкое энергопотребление, поэтому находят широкое применение во встраиваемых системах и доминируют на рынке мобильных устройств, для которых важно низкое энергопотребление.

В 2014 году около 98% из более чем миллиарда мобильных телефонов, продаваемых ежегодно, были оснащены, по крайней мере, одним процессором ARM . По состоянию на 2009 на процессоры ARM приходится до 90 % всех встроенных 32-разрядных RISC процессоров. Процессоры ARM широко используются в потребительской электронике — в том числе КПК, мобильных телефонах, цифровых носителях и плеерах, портативных игровых консолях, калькуляторах и компьютерных периферийных устройствах, таких как жесткие диски или маршрутизаторы.

По лицензии британской корпорации ARM микропроцессоры производят Atmel, Cirrus Logic, Intel, Marvell, NXP, STMicroelectronics, Samsung, Qualcomm, Sony Ericsson, Texas Instruments, nVidia, Freescale.

ARM процессоры разрабатываются компанией ARM и ее лицензиатами. Выдающиеся примеры семейств процессоров компании ARM Holdings: ARM7, ARM9, ARM11 и Cortex. Примеры процессоров разработанных основными лицензиатами: DEC StrongARM, Freescale i.MX, Marvell (ранее Intel) XScale, NVIDIA Tegra, ST-Ericsson Nomadik, QualcommSnapdragon, и Texas Instruments OMAP.

Процессор может находиться в одном из следующих операционных режимов:

• User mode — обычный режим выполнения программ. В этом режиме выполняется большинство программ;

• Fast Interrupt (FIQ) — режим быстрого прерывания (меньшее время срабатывания);

• Interrupt (IRQ) —основной режим прерывания;

• Supervisor mode — защищённый режим для использования операционной системой;

• Abort mode — режим, в который процессор переходит при возникновении ошибки доступа к памяти (доступ к данным или к инструкции на этапе prefetch конвейера);

• System mode — привилегированный пользовательский режим;

• Undefined mode — режим, в который процессор входит при попытке выполнить неизвестную ему инструкцию.

 

Переключение режима процессора происходит при возникновении соответствующего исключения, или же модификацией регистра статуса.

Архитектура ARM содержит следующие особенности RISC:

• архитектура загрузки/хранения;

• нет поддержки нелинейного доступа к памяти (теперь поддерживается в процессорах ARMv6 за некоторыми исключениями);

• равномерный 16х32-битный файл регистра;

 

фиксированная длина команд (32 бита) для упрощения декодирования за счет снижения плотности кода (позднее режим Thumb повысил плотность кода);

• одноцикловое исполнение;

• чтобы компенсировать простой дизайн, в сравнении с современными процессорами вроде Intel 80286 или Motorola 68020 были использованы некоторые особенности дизайна;

• арифметические инструкции заменяют условные коды только когда это необходимо;

• 32-битное многорегистровое циклическое сдвиговое устройство, которое может быть использовано без потерь производительности в большинстве арифметических инструкций и адресных расчетов;

• мощные индексированные адресные режимы;

• регистр ссылок для быстрого вызова функций листьев;

• простые, но быстрые, с двумя уровнями приоритетов подсистемы прерываний с включенными банками регистров.

 

Архитектура Intel 8051.

В течение 1980-х и начале 1990-х годов был чрезвычайно популярен Intel 8051. Однако, в настоящее время устарел и был вытеснен более современными устройствами, с 8051-совместимыми ядрами, производимыми более чем 20-ю независимыми производителями, такими как Atmel, Maxim IC (дочерняя компания Dallas Semiconductor), NXP (ранее Philips Semiconductor), Winbond, Silicon Laboratories, Texas Instruments и Cypress Semiconductor.

Существует также советский клон данной микросхемы, КР1816ВЕ51. Официальное название 8051-семейства микроконтроллеров Intel — MCS 51.

Первые из 8051-семейства Intel производились с использованием n-МОП технологии, но следующие версии, содержащие символ «C» в названии, такие как 80C51, использовали КМОП-технологию и потребляли меньшую мощность, чем n-МОП (это облегчало их применение для устройств с питанием от батарей).

Важные особенности и применение их в том, что состоят из процессорного ядра (CPU), ОЗУ, ПЗУ, последовательного порта, параллельного порта, логики управления прерываниями, таймер и т. д.

• шина данных — 8-ми битная шина данных. Возможность обработки 8 бит данных за одну операцию. Обуславливает название 8-битный микропроцессор;

• шина адреса — 16 битная адресная шина. Возможность доступа к 216 адресам памяти, то есть 64 кБ адресное пространство в ОЗУ и ПЗУ;

• встроенное ОЗУ — 128 байт (Памяти данных);

• встроенное ПЗУ — 4 КБ (Памяти программ);

• четыре порта ввода/вывода: один двунаправленный и три квазидвунаправленных;

• последовательный интерфейс UART (Универсальный асинхронный приёмопередатчик);

• два 16-битных таймера;

• два уровня приоритета прерываний;

• энергосберегающий режим.

 

Чрезвычайно полезной особенностью 8051 ядра является обработка булевых данных, что позволило ввести бинарную логику, оперирующую напрямую с битами внутренней ОЗУ (области из 128 прямо-адресуемых битов) и регистров. Данная особенность была востребована в приложениях промышленной автоматики. Еще одна ценная особенность состояла в 4 независимых наборах регистров, которые значительно уменьшали задержки при обработке прерываний, в сравнении с классическим использованием стека, применявшимся ранее.

Универсальный асинхронный приёмопередатчик (УАПП,UART) может быть настроен для использования в режиме 9-бит данных, что делает возможным адресную приемо-передачу в многоточечном подключении на основе RS-485 аппаратного протокола.

8051-совместимые микроконтроллеры обычно имеют один или два УАПП (UART), два или три таймера, 128 или 256 байт встроенной ОЗУ (16 байт которой имеют побитовую адресацию), от 512 байт до 128 Кбайт встроенной памяти программ (ПЗУ), и иногда встречается использование EEPROM, адресуемой через «регистры специального назначения» (SFR = special function register).

Один машинный цикл оригинального 8051 ядра занимает 12 временных тактов, а большинство инструкций выполняется за один или два машинных цикла. При частоте тактового генератора, равной 12 МГц, 8051 ядро может выполнять 1 миллион операций в секунду, выполняемых за один цикл, или 500 тысяч операций в секунду, выполняемых за два цикла.

Улучшенное 8051-совместимое ядро, которое в настоящее время распространено, выполняет машинный цикл за шесть, четыре, два, или даже за один временной такт, и позволяет использовать тактовые генераторы с частотой до 100 МГц, что позволило увеличить количество выполняемых операций в секунду. Все 8051 совместимые устройства, производимые SILabs, некоторые из производимых Dallas и немногие из производимых Atmel имеют ядро с 1 тактом на машинный цикл.

Архитектура PIC

Она изначально предназначалась для расширения возможностей ввода-вывода 16-битных микропроцессоров. В номенклатуре Microchip Technology Inc. представлен широкий спектр 8-и, 16-и и 32-битных микроконтроллеров и цифровых сигнальных контроллеров под маркой PIC. Отличительной особенностью PIC-контроллеров является хорошая преемственность различных семейств. Это и программная совместимость (единая бесплатная среда разработки MPLAB IDE, С-компиляторы от GCC), и совместимость по выводам, по периферии, по напряжениям питания, по средствам разработки, по библиотекам и стекам наиболее популярных коммуникационных протоколов. Номенклатура насчитывает более 500 различных контроллеров со всевозможными вариациями периферии, памяти, количеством выводов, производительностью, диапазонами питания и температуры и т. д.

Данные микроконтроллеры имеют модифицированную Гарвардскую архитектуру и делятся на 2 больших семейства:

• PIC10/12/16;

• PIC18.

 

8-битные микроконтроллеры PIC10/12/16 представлены двумя базовыми архитектурами ядра:

• BASELINE;

• MID-RANGE.

 

Архитектура базового (BASELINE) семейства состоит из контроллеров семейства PIC10 и части контроллеров семейств PIC12 и PIC16. Основываются они на 12-и разрядной архитектуре слова «program» и представлены контроллерами в корпусах от 6 до 28-и выводов.

Упрощенная архитектура базового семейства предоставляет наиболее дешевое решение из предлагаемых Microchip. Широкий диапазон напряжений питания, возможность работы при низких напряжениях преследует целью возможность применения микроконтроллеров в батарейных устройствах.

• маловыводные и миниатюрные корпуса;

• Flash память программ;

• низкое потребление тока;

• низкая цена;

• легкое освоение (всего 35 команд);

 

Архитектура среднего (MID-RANGE) семейства нашла применение в микроконтроллерах серий PIC12 и PIC16, и имеет ширину слова памяти программ 14 бит.

Эти микроконтроллеры выпускаются в корпусах от 8 до 64 выводов. Микроконтроллеры с Flash памятью работают в диапазоне напряжений питания от 2.0 до 5.5В,

имеют систему прерываний, аппаратный стек и энергонезависимую память данных EEPROM, а также богатый набор периферии, такой как:

• USB, SPI, I²C, USART;

• LCD;

• компараторы;

• АЦП

 

Особенностью данной архитектуры, является:

• различные корпуса: 6 — 64 выводов;

• Flash память программ;

• малый ток потребления;

• богатая периферия;

• производительность 5 MIPS;

• легкое освоение, всего 35 команд;

• расширенное ядро микроконтроллеров среднего семейства.

 

В более новых микроконтроллерах Microchip применяет улучшенную архитектуру

8-битных PIC микроконтроллеров среднего семейства PIC12 и PIC16:

• увеличенный объем памяти программ и данных;

• более глубокий и улучшенный аппаратный стек;

• дополнительные источники сброса;

• расширенная периферия, периферия включает модуль mTouch ™ для создания сенсорных пользовательских интерфейсов;

• уменьшенное время входа в прерывание;

• производительность увеличена на 50%, а размер кода снижен на 40%;

• 14 дополнительных инструкций, оптимизированных под С-компилятор.

 

Высокопроизводительное семейство 8-битных микроконтроллеров PIC18F представлено широкой гаммой микроконтроллеров, включающих большой набор периферийных модулей:

• 10бит АЦП;

• Компараторы;

• ШИМ;

• захват/сравнение;

• драйвер ЖКИ;

• интерфейсы связи USB, CAN, I2C, SPI, USART, Ethernet и т. д.

 

Особенностью данной архитектуры, является:

• быстродействия до 16 MIPS;

• объем памяти программ до 128Кб;

• корпуса от 18 до 100 выводов;

• эффективное кодирование на C;

• NanoWatt технологии;

• встроенный программируемый генератор;

• 3В и 5В семейства;

• продвинутая архитектура (16-и разрядные слова программ);

• гибкость самопрограммирования;

• поддержка широко распространенных протоколов связи (CAN, USB, ZigBee™, TCP/IP);

• программная совместимость и совместимость по выводам и периферийным модулям внутри семейства, а также со старшими (16-битными) семействами, предоставляют возможность расширения и увеличения функциональности при развитии разработок.

 

13

1.3. Сравнительный анализ 8-ми, 16-ти и 32-х разрядных микроконтроллеров. Выбор и обоснование разрядности

Структуры различных типов микроконтроллеров могут существенно различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее важными параметрами являются архитектура, адресное пространство памяти, разрядность шины данных, быстродействие.

Рассмотри три типа разрядности – 8-ми, 16-ти и 32-х.

Микроконтроллеры с 8-разрядной архитектурой используют последовательный принцип выполнения команд, при котором очередная операция начинается только после выполнения предыдущей.

В микроконтроллерах с 16-разрядной архитектурой используется принцип параллельной работы, при котором одновременно с выполнением текущей задачи (команды) производятся дополнительная выборка и хранение последующих команд.

В микроконтроллерах с 32-разрядной архитектурой используется конвейерный метод выполнения команд, при котором несколько внутренних устройств работают параллельно, производя одновременно несколько последовательных команд программы.

Адресное пространство памяти определяется разрядностью адресных регистров и адресной шины.

В 8-разрядных микроконтроллерах адресные регистры обычно составляются из двух 8-разрядных регистров, образуя 16-разрядную шину, адресующую 64 Кбайта памяти.

В 16-разрядных микроконтроллерах, как правило, используются 20-разрядные адресные регистры, адресующие 1 Мбайт памяти.

В 32-разрядных – 24 и 32-разрядные адресные регистры, адресующие от 16 Мбайт до 4 Гбайт памяти.

Генеральный директор: Силаев Алексей Сергеевич.

Возврат к списку


1.png
X

Задать вопрос

CAPTCHA