5.0 Prehľad mikropočítačov a mikroprocesorov
V nasledujúcich kapitolách sú uvedené nové trendy vo vývoji mikroprocesorovej techniky ukazujúc na možné cesty zlepšovania parametrov mikroprocesorov a zvyšovania ich výkonu. Nasleduje kapitola s detailnejším prehľadom niektorých známych mikropočítačov spolu s bližším uvedením ich parametrov. V poslednej kapitole je stručný prehľad výrobcov mikroprocesorovej techniky spolu s ich produktmi.
ISP – In System Programming – umožňuje danému obvodu, ktorý disponuje touto funkciu programovanie priamo v zapojení bez nutnosti umiestniť programovaný mikropočítač do špeciálneho programátora.
JTAG
– je technológiou
slúžiacou na testovanie elektronických súčiastok a to priamo
zapojených v elektronickom systéme. Pomocou JTAG rozhrania je možné
testovať spoľahlivosť prepojenia jednotlivých komponentov elektronického
systému vybavených týmto rozhraním vzhľadom na skraty, rozpojené spoje
alebo iné poruchy pripojenia. V kombinácii s JTAG je možné
realizovať ISP spomenuté vyššie. JTAG rozhranie je podporované od rôznych
mikrokontrolérov až po FPGA (hradlové polia) obvody.
Bližšie informácie a detaily ohľadom JTAG sú na: http://www.xjtag.com/
Integrácia DSP blokov – do klasických mikropočítačov určených skôr na riadenie a nenáročné výpočtové úlohy je implementovaná špecializovaná MAC – (Multiply And Cumulate – vynásob a pričítaj) jednotka obsiahnutá v signálových procesoroch optimalizovaných pre spracovanie signálov ako je číslicová filtrácia a FFT. Ďalšou jednotkou je obvykle Barrel Shifter – posúvač, schopný vykonať posun slova procesora o určitý počet bitov doprava a doľava počas jedného inštrukčného cyklu. Rozsah posunutia je zvyčajne dvojnásobok slova procesora, čiže pri 8-bitových mikropočítačoch je to o 16 bitov
Znižovanie spotreby – nástup mikroprocesorovej techniky do mobilných zariadení vyžaduje čo najdlhšiu dobu prevádzky, čiže nízky odber zo zdroja – batérie. Trend znižovania spotreby pri súčasnom zvyšovaní výkonu mikroprocesorov je možný iba vďaka znižovaniu napájacieho napätia a zmenšovaniu štruktúr integrovaných obvodov, čiže použitím vyššieho stupňa integrácie súčiastok na čipe.Priamo z toho vyplýva aj zvyšovanie ekologickosti zariadenia, keď je v jednom obvode integrovaný väčší celok zariadenia a tým sa šetria náklady na výrobu. Takéto zariadenie vyžaduje nižší príkon, tým pádom je predĺžený životný cyklus batérie
Watchdog – plní funkciu dohliadacieho obvodu. Kontroluje správnu činnosť chodu mikropočítača, pri „zablúdení programu“ spôsobeného poruchami ako je napríklad rušenie inými súčiastkami a podobne, inicializuje signál RESET a tým zabezpečí reštart programu. Watchdog zvykne byť doplnený o obvod monitorujúci napájacie napätie. Pri poklese napájania zabezpečí vyvolanie prerušenia a odloženie dôležitých údajov do EEPROM
Nové typy pamätí a zväčšovanie ich kapacít – FRAM, MRAM a iné nové technológie, umožňujú integráciu pamäte s väčšou kapacitou, rýchlosťou priamo na čip. Eliminuje sa tak nutnosť pripájať externú pamäť s dlhšou dobou prístupu oproti internej a súčastne aj s väčšou spotrebou
Integrácia periférnych zariadení – integrovaním nových súčastí priamo na čip mikropočítača odpadá nutnosť ich pripojiť externe, čím šetríme prostriedky aj miesto a tým celkové rozmery zariadenia čo má priamy vplyv na spotrebu a náklady na zariadenie. Z pohľadu konštruktéra tento trend navyše znamená zjednodušený vývin aplikácie, pretože integrované zariadenie disponuje možnosťou konfigurácie a pristupu k nemu prostredníctvom jeho SFR umiestnených v pamäti mikropočítača. Odpadá nutnosť hľadať spôsob riešenia komunikácie mikropočítača a externej periférie pripojenej cez niektorú zo štandardných vstupne/výstupných brán. Príkladom sú AD, DA prevodníky, PWM regulátory, teplotné senzory a iné
Integrácia štandardných rozhraní – mikropočítač je vybavený niektorým zo štandardných rozhraní umožňujúcich podľa potreby jednoduché pripojenie rozširujúcich periférnych zariadení. Rozhrania podporujú štandardizovaný komunikačný protokol čo uľahčí realizáciu komunikácie s pripojeným zariadením. Ďalšou výhodou je možnosť prepojenia viacerých mikopočítačových systémov navzájom alebo možnosť pripojiť ich k PC. Príkladom rozhraní sú SPI, I2C, SMBus, CAN, USB a iné
Taktovacie impulzy odvodené pomocou PLL – integrácia PLL – (Phase Locked Loop) umožňuje na základe externe pripojeného kryštálu s veľmi nízkou frekvenciou rádovo desiatky kHz generovať omnoho vyššiu (niekoľko MHz až desiatok MHz) taktovaciu frekvenciu pre jadro mikropočítača a jeho bloky. Výhodou je zníženie emisie elektromagnetického vyžarovania – EMI (Electro Magnetic Interference) do okolia a tým rušenie okolitých obvodov alebo zariadení, rovnako ako aj elimináciu možnosti rušenia od ostatných elektronických komponentov v systéme
SOC (System On the Chip) – technológia zlučujúca na jednom čipe jadro mikropočítača so štandardnými perifériami spolu s PLD (Programmable Logic Device). PLD umožňuje vytvárať a konfigurovať vlastné zariadenia (čítače, dekódery a podobne) čím odpadá nutnosť pripojenia týchto obvodov externe k mikropočítaču
Iné
trendy:
- Vylepšenia architektúry – architektúra mikropočítača je navrhnutá vzhľadom na možnosť využitia niektorého z vyšších programovacích jazykov (jazyk C, BASIC a pod.) pre tvorbu programu. Vo vyššom programovacom jazyku je vývoj programu jednoduchší, čím sa skracuje doba nutná na vývoj aplikácie s mikropočítačom. Pri podpore vyšších programovacích jazykov mikropočítačom dosiahneme lepšiu efektivitu výsledného kódu programu
- Skrátenie strojového cyklu - vnútorná konštrukcia jadra mikropočítača umožňuje skrátenie strojového cyklu na jeden taktovací impulz, čím sa dosiahne zvýšenie výkonu mikropočítača bez nutnosti zvyšovania taktovacej frekvencie a tým aj zvýšenia príkonu
- Zmenšovanie štruktúr – používaním čoraz tenších technológií sú zmenšované rozmery čipu. Bezprostredne s tým súvisí pokles napájacieho napätia a možnosť zvýšenia taktovacej frekvencie pri zachovaní, respektíve znížení celkovej spotreby systému
- Využitie architektonických prvkov použitých v „superpočítačoch“ – do architektúr bežných mikroprocesorov sú zavádzané architektonické prvky umožňujúce zvýšiť výkon mikroprocesora inou cestou ako je zvyšovanie frekvencie. Možnosťou je paralelné spracovanie, zreťazenie jednotiek (pipelining) a podobne
Sú to RISC procesory s jednoduchou inštrukčnou sadou s malým počtom inštrukcií a Harvardskou architektúrou organizácie pamäťového systému, čiže pamäť dát a programu sú navzájom oddelené. Inštrukčný cyklus trvá zvyčajne 4 hodinové impulzy. Architektúra daných mikrokontrolérov je plne statická s možnosťou taktovania od nulovej frekvencie až po maximálnu frekvenciu danú v závislosti od konkrétneho typu. Podľa šírky dátovej zbernice je možné rozčleniť na 8-bitové a na 16-bitové.
Rada 8-bitových sa ďalej delí na podskupiny podľa šírky inštrukcie:
-
PIC12Cxxx/12Fxxx
– 12-bitová a 14-bitová inštrukcia, sú základnou
najjednoduchšou (inštrukčná sada pozostáva iba z 33 inštrukcií )
radou v púzdre výlučne s 8 vývodmi. Malé rozmery s nízkym
napájacím napätím od 2,5 V predstavujú dobré riešenie pre nenáročné nízkopríkonové
miniatúrne aplikácie
Charakteristické
znaky tejto rady:
- dátová pamäť RAM 25 až 128 bajtov
- programová pamäť ( Flash, OTP – raz programovateľná) od 768 bajtov do 3584 bajtov organizovaná do 12-bitových alebo 14-bitových slov
- taktovacia frekvencia je od 0 po 4 MHz
- čítač/časovač je 1 x 8-bitový alebo aj 1 x 16-bitový, pričom každý obsahuje WDT (Watch Dog Timer) – časovač dohliadacieho obvodu
-
periférie:
AD prevodník obsahujú iba niektoré typy s 8-bitovým alebo 10-bitovým rozlíšením
- PIC16Cxxx/16Fxxx – 14-bitová inštrukcia, modifikácie tejto rady ponúkajú široké spektrum vybavenia rôznymi perifériami priamo na čipe ako sú AD prevodníky, čítače/časovače, sériové zbernice (USART, I2C, SPI), čo predurčuje nasadenie tejto rady v zložitejších aplikáciách.
V závislosti od typu sú v púzdrach od 12 až do 68 vývodov.
Charakteristické
znaky tejto rady:
-
dátová pamäť RAM 25 bajtov až 328 bajtov
- programová pamäť (Flash, OTP) od 768 bajtov do 14336 bajtov organizovaná po 14-bitových slovách
- taktovacia frekvencia je 0 až 40 MHz
-
periférie:
- AD prevodník s analógovým multiplexorom od 4 x 8 bitov až po 10 x 12 bitov (alebo iná konfigurácia)
- napäťové komprátory – 1 alebo 2
- sériové rozhrania USART, SPI, I2C
- PWM – pulzne šírkový modulátor s 10-bitovým rozlíšením v počte od 1 po 3
- PIC18Cxxx/18Fxxx – 16-bitová inštrukcia, je najvyššou radou 8-bitových mikrokontrolérov tohto výrobcu. Inštrukčná sada obsahuje 77 inštrukcií o dĺžke 16 bitov. Architektonické inovácie tejto rady umožňujú dosiahnuť výkon až 10 MIPS (Mega Instruction Per Seccond – milión inštrukcií za sekundu). Integrácia mnohých periférií predurčuje túto radu pre nasadenie v zložitejších aplikáciách, kde znižuje potrebu externých periférií a tým cenu a spotrebu zariadenia. Podľa konkrétneho typu a vybavenia perifériami sú v púzdrach od 18 do 80 vývodov.
Charakteristické
znaky tejto rady:
- dátová pamäť RAM od 256 bajtov až do 3840 bajtov
- programová pamäť (Flash, OTP) od 4096 bajtov do 131072 bajtov organizovaná po 16-bitových slovách
- taktovacia frekvencia je 0 až 40 MHz
-
periférie:
- AD prevodník s analógovým multiplexorom od 5 x 10 bitov až do 16 x 10bitov
- napäťové komprátory – variabilne 2
- sériové rozhrania USART, SPI, I2C, CAN 2.B
- PWM – pulzne šírkový modulátor s 10-bitovým rozlíšením v počte od 1 do 14 alebo 8 – 14-bitových PWM
Rada 16-bitových mikrokontrolérov je označovaná ako dsPIC30F. Jedná sa o rýchly 16-bitový mikrokontrolér rozšírený o DSP engine. DSP engine predstavuje rozšírenie o bloky charakteristické pre signálové procesory. Obsahuje 17 x 17-bitovú násobičku, 40-bitovú ALU so 40-bitovým saturačným akumulátorom a 40-bitový barel shifter umožňujúci v jednom cykle posunúť 16-bitový operand o 15 bitov doľava alebo o 16 bitov doprava. Implementované sú rýchle AD prevodníky, sériové rozhrania SPI, I2C, UART a CAN, PWM výstup. Charakteristickou aplikáciou je nasadenie v riadení elektromotorov, v senzorových systémoch, pri spracovaní a vyhodnocovaní rôznych zdrojov signálov.
Výrobca týchto mikrokontrolérov - MICROCHIP (www.microchip.com) taktiež ponúka radu softvérových vývojových prostriedkov MPLAB® xxx pre jednotlivé procesory.
Mikrokontroléry MSP430 sú 16-bitové RISC. Obsahujú hardverovú násobičku s podporou znamienkových, bezznamienkových a MAC operácií pre operandy 16 x 16 bitov. Inštrukčná sada je ortogonálna s 27 inštrukciami. Architektúra pamäťového systému je Von Neumann, so spoločnou dátovou a programovou pamäťou. Taktovacia frekvencia je vytváraná pomocou FLL (Frequency Locked Loop) s možnosťou nastaviť taktovaciu frekvenciu v rozmedzí od 1 MHz do 8 MHz pomocou 32 kHz externe pripojeného kryštálu. V praxi to znamená variabilnú voľbu výkonu spolu s nízkou emisiou vyžarovania elektromagnetického žiarenia.
Procesory vďaka nízkemu napájaciemu napätiu od 1,8V po 3,6V a konštrukčnému vyhotoveniu majú ultra nízky príkon, čo ich predurčuje pre aplikácie napájané z batérií. Napríklad v aktívnom režime pri frekvencii 1 MHz a napájacom napätí 2,2 V je odber 280 mA, v pohotovostnom (standby) režime iba 1,6 mA. Okrem nízkeho príkonu je šetrenie energie realizované pomocou piatich (power-saving) režimov úspory energie.
Vlastnosti
tejto rodiny mikrokontrolérov:
- dátová pamäť RAM od 128 bajtov do 2048 bajtov
- programová pamäť ( ROM, EPROM, OTP alebo FLASH) od 4096 bajtov do 65536 bajtov
- taktovacia frekvencia je od 1 MHz do 8 MHz
- periférie:
- AD prevodník je obvykle s 10-bitovým alebo 14-bitovým rozlíšením s viackanálovým analógovým multiplexorom
- DA prevodník niektoré typy obsahujú 2 x 12-bitový
- analógový komparátor – iba niektoré typy
- časovače – od 2 do 7
- sériové rozhrania – hardverové alebo emulované I2C a USART
Veľká časť obvodov disponuje navyše rozhraním pre riadenie LCD displeja. Niektoré typy na zvýšenie výkonu systému podporujú DMA (Direct Memory Access) – priamy prístup do pamäte.
Bližšie informácie výrobcu, ako aj prípadne možnosti aplikovania mikrokontroléra MSP430 sú na: http://www.ti.com
AVR sú mikrokontroléry s Harvardskou architektúrou a RISC jadrom umožňujúcim výkon inštrukcií počas jedného hodinového cyklu. Konštrukčne sú plne statické, umožňujúc činnosť od nulovej frekvencie po maximálnu v závislosti od daného typu. Inštrukcie sú vytvorené tak, aby minimalizovali veľkosť programu, či už bol písaný v asembleri alebo jazyku C. Tieto mikrokontroléry disponujú navyše funkciou ISP (In System Programming) – čiže možnosť programovania obvodu priamo v aplikácii. Bohatá štruktúra obsiahnutých periférií znižuje nutnosť pripojenia externých obvodov.
Rodinu mikrokontrolérov tvoria AVR ( klasické AVR ), megaAVR a tinyAVR. Rozdiel medzi radami je vo vybavení dodatočnými perifériami a inými možnosťami. TinyAVR predstavujú najjednoduchšie riešenie s minimom dodatočných integrovaných zariadení (AD prevodníky a iné periférie) a malým počtom vývodov hodiace sa tak pre jednoduché aplikácie. Klasické AVR predstavujú medzičlánok medzi TinyAVR a MegaAVR. MegaAVR sú najvyššou radou bohato vybavenou o dodatočnými perifériami. Jednotlivé rodiny mikrokontrolérov sú smerom hore inštrukčne kompatibilné, majú rovnaký pamäťový model, takže prechod medzi typmi navzájom je bezproblémový.
Rodina AVR, sú medzičlánkom medzi tinyAVR a megaAVR. (príkladom je AT90S1200)
Vlastnosti
tejto rodiny mikrokontrolérov:
- dátová pamäť RAM 128B
- programová pamäť EEPROM od 62 bajtov po 250 bajtov a Flash 1024 bajtov až 4096 bajtov
- taktovacia frekvencia rádovo do 4, 8, 10 a 12 MHz podľa typu
- periférie:
- AD prevodník 6 kanálový s 10-bitovým rozlíšením, iba niektoré typy
- analógový komparátor – iba niektoré typy
- časovače - jeden 8-bitový, variabilne 1 x 16-bitový
- sériové rozhrania –SPI a UART, iba niektoré
- iné možnosti – PWM, ISP, Watchdog, počet prerušení je u interných od 2 do 13 a externé 1 alebo 2
Rodina tinyAVR (príkladom je ATtiny 11-12)
Vlastnosti
tejto rodiny mikrokontrolérov:
- dátová pamäť RAM od 32 bajtov do 128 bajtov
- programová pamäť EEPROM od 62 bajtov do 128 bajtov a FLASH 1024 bajtov alebo 2048 bajtov
- taktovacia frekvencia rádovo do 1, 1.6, 4, 8,16 MHz podľa typu
- periférie:
- AD prevodník 4 alebo 11 kanálový s 10-bitovým rozlíšením, iba niektoré typy
- analógový komparátor – všetky typy
- časovače - 1 alebo 2 8-bitové
- sériové rozhrania –SPI a UART, iba niektoré
- iné možnosti – PWM 1, 2 alebo 4 kanály, ISP iba niektoré, Watchdog, počet prerušení je u interných od 4 do 11 a externé 1, 2 alebo až 6
Rodina megaAVR (príkladom je ATmega128 )je najbohatšou na modely s rôznymi perifériami a možnosťami. Predstavuje najvýkonnejšiu radu AVR mikrokontrolérov s výkonom do 16 MIPS a veľkým počtom interných aj externých prerušení, čo ju predurčuje v nasadení v zložitejších aplikáciách.
Vlastnosti
tejto rodiny mikrokontrolérov:
- dátová pamäť RAM od 512 bajtov do 4096 bajtov
- programová pamäť EEPROM od 500 bajtov do 4096 bajtov a FLASH od 8192 bajtov až 131072 bajtov
- taktovacia frekvencia rádovo do 1, 8 a 16 MHz podľa typu
- periférie:
- AD prevodník 8 kanálový s 10-bitovým rozlíšením, niektoré typy sú bez prevodníka
- analógový komparátor – všetky typy
- časovače - 1 alebo 2 8-bitové, 1 alebo 2 16-bitové
- sériové rozhrania –SPI, UART 1 alebo aj 2
- iné možnosti – PWM 3, 4 alebo 8 kanálov, ISP, Watchdog, počet prerušení je u interných od 23 do 54 a externé 16 až 34, hardverová násobička, JTAG – rozhranie umožňujúce ladenie a diagnostiku aplikácií priamo v systéme
Všetky mikrokontroléry súčasne umožňujú variabilné napájanie, čo zvyšuje ich univerzálnosť v nasadení v systémoch s 3.3V respektíve s 5.0V napájaním.
Výrobca www.atmel.com ponúka k týmto produktom vývojový prostriedok AVR Studio 4.0 pre vývoj aplikácií.
Bližšie detaily sú na adrese http://www.atmel.com/products/avr/ .
ARM –(Advanced RISC Machine) -
sú 16/32-bitové mikroprocesory založené na RISC architektúre. Optimalizované
sú pre vysoký výkon, nízku spotrebu energie s nízkou cenou. Dostupné
sú rôzne typy tejto architektúry v rôznych formách:
-
IP
(Intelectual Property) bloky
– k dispozícii sú rôzne
jadrá (ARM7, ARM9, ARM9E, ARM10, StrongARM alebo Intel XScale) ARM
mikroprocesorov určené pre implementáciu
do ASIC (Application-Specific
Integrated Circuit)
alebo FPGA (Field Programmable Gate Array)
-
Štandardný
mikroprocesor
– viac ako 10 svetových výrobcov mikroprocesorov (Intel, Atmel a iné)
vyrába mikroprocesory s touto architektúrou v rôznych obmenách
Charakteristiky
jednotlivých typov:
-
ARM7
a ARM9 –
32-bitové RISC určené pre aplikácie s nízkym príkonom a nízkou
cenou, poskytujúci 32-bitový výkon za cenu porovnateľnú s 8/16-bitovým
systémom
-
ARM9E
–
poskytuje riešenie v prípade potreby mikrokontroléru s podporou DSP
a nízkou spotrebou, obsahuje 32-bitové RISC DSP jadro
-
ARM10
–
je najvýkonnejším z ARM rodín, využitím nových architektonických
prvkov disponuje najlepším pomerom MIPS/MHz zo všetkých ARM mikroprocesorov,
obsahuje koprocesor pre pohyblivú rádovú čiarku kompatibilnú s formátom
IEEE745
-
ARM11
– najnovšia rada ARM mikroprocesorov zlučujúca vysoký výkon, nízku
spotrebu, malé rozmery a výkonný inštrukčný súbor, určená je pre
široký okruh systémov
-
StrongARM
– vysoko
výkonné mikroprocesory určené pre prenosné komunikačné zariadenia a
elektroniku
-
Intel
XScale –
mikroprocesor s DSP podporou určený pre zariadenia napájané z batérií
ako sú digitálne telefóny, PDA (Personal Digital Assistant) a iné
Dodatočné
informácie sú na: www.arm.com
Je to 4-bitová RISC Harvardská architektúra umožňujúca vysoký výkon s nasadením hlavne pre bezdrôtové aplikácie. Inštrukcia je vykonateľná počas 2 hodinových impulzov. Inštrukčná sada je optimalizovaná pre vysoko úrovňový programovací jazyk qFORTH, takže mnohé inštrukcie sú vlastne príkazmi tohto jazyka, čo umožňuje kompileru generovať rýchly a kompaktný programový kód.
Dodatočné informácie sú na: http://www.atmel.com/products/MARC4/.
Je veľmi zaujímavým riešením možnosti realizácie systému s možnosťou konfigurácie periférií a funkcie plne podľa potrieb. FPSLIC systém kombinuje v sebe ako základné stavebné prvky logické obvody, pamäť a mikropočítač, to všetko v jednom monolitickom FPGA ( poľom programovateľné hradlové pole) obvode založenom na SRAM tehnológii.
Variabilne tieto obvody obsahujú od 5000 do 40000 programovateľných hradiel, 20 MIPS AVR 8-bitový RISC procesor s mnohými fixnými perifériami a 36 kB programovej a dátovej SRAM pamäte
Dodatočné informácie sú na: http://www.atmel.com/products/FPSLIC/.
Tento výrobca distribuuje predovšetkým pre vlastnú potrebu 4, 8, 16 a 32-bitové mikrokontroléry určené pre konkrétne nasadenie.
- 4 bitové - LC57 séria - pre ovládanie displejov kalkulačiek, hier
- LC65 séria – pre ovládanie CD a kazetových mechanizmov, teplotné senzory
- LC58 – ovládanie displejov zložitejších zariadení ako sú kamery, CD prehrávače a podobne
- 8 bitové - LC86x/87x - určené pre zložitejšie nasadenie – audio technika, elektronika v domácnosti, výhodou niektorých typov je integrované rozhranie pre riadenie LCD displeja
- LC80 rada je kompatibilná s architektúrou 8051
- 16 bitové - LC5902xx – nasadenie pre LCD displeje do kamier a prehrávačov spojené s ovládaním zariadenia
- 32 bitové - LC67 séria je určená na ovládanie zariadení ako CDR/RW, HDD a iných periférií
Dodatočné
informácie sú na: http://www.sanyo.com/semiconductors/microcontrollers/
5.3.5 Ostatné mikropočítače a mikroprocesory
Informácie
o ďalších mikroprocesoroch a mikropočítačoch je možné nájsť na:
Výrobcovia mikrokontrolérov: http://www.microcontroller.com/embedded/microcontrollers.htm