Теоретическая часть. Практически любое инженерное устройство имеет целью своего функционирования то или

5.1 Введение

Практически любое инженерное устройство имеет целью своего функционирования то или иное преобразование энергии или преобразование информации. Задачей любой системы управления в самом общем смысле является обработка информации о текущем режиме работы управляемого объекта и выработка на основе этого управляющих сигналов с целью приближения текущего режима работы объекта к заданному. Под обработкой информации в данном случае подразумевается решение тем или иным способом уравнений состояния системы. В последние годы, для обработки информации, очень широко применяют микроконтроллеры.

Микроконтроллеры используются практически во всех сферах жизнедеятельности человека, устройствах, которые окружают его. Микроконтроллеры являются весьма универсальным средством, могут применяться и применяются для решения самых разнородных задач. Примером назначения этого устройства может быть управление различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой. В отличие от микропроцессоров, используемых в персональных компьютерах, микроконтроллеры содержат встроенные дополнительные устройства. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Большая часть выпускаемых в современном мире процессоров – микроконтроллеры.

В современной преобразовательной технике микроконтроллеры выполняют не только роль непосредственного управления полупроводниковым преобразователем за счет встроенных специализированных периферийных устройств, но и роль цифрового регулятора, системы защиты и диагностики, а также системы связи с технологической сетью высшего уровня.

За редким исключением программы для МК из-за содержащихся в них ошибок не начинают работать с первого раза и требуют отладки. К вопросам отладки разработчики относятся по-разному. Некоторые из них считают, что достаточно внимательно проанализировать исходный текст, посмотреть с помощью осциллографа, что происходит на выводах МК, и можно исправить все ошибки. Такой способ применим, если разработчик имеет большой опыт, отлично знает применяемый МК и располагает транслятором, который всегда генерирует правильный код и достаточным временем.

Отладка программ заключается в проверке правильности работы программы и аппаратуры. Программа, не содержащая синтаксических ошибок тем не менее может содержать логические ошибки, не позволяющие программе выполнять заложенные в ней функции. Логические ошибки могут быть связаны с алгоритмом программы или с неправильным пониманием работы аппаратуры, подключённой к портам микроконтроллера.

Другие используют в своей практике самодельные отладочные мониторы – наборы специальных подпрограмм, загружаемых в МК вместе с основной программой. Последняя вызывает в контрольных точках подпрограммы монитора, а те выдают информацию о состоянии ресурсов МК. Таким способом можно отладить практически любую программу, но у него есть недостатки, которые могут оказаться существенными. Во-первых, отладочному монитору необходимо предоставить для работы часть ресурсов МК: как минимум – часть адресного пространства кода и некоторое число ячеек стека, а как максимум – ещё часть ОЗУ и периферийные устройства МК, используемые монитором для отображения информации. Выделить ресурсы отладочному монитору бывает непросто, если основная программа сама активно загружает МК. Например, у МК PIC16C5x (Microchip) всего две ячейки стека, и использовать вызовы подпрограмм отладочного монитора затруднительно. Во-вторых, вызовы монитора отнимают время у основной программы и, следовательно, его нельзя вызывать из критичных ко времени частей программы. В-третьих, создание отладочного монитора, само по себе, требует времени.

В настоящий момент на рынке отладочных средств, представлено огромное количество программаторов, внутрисхемных эмуляторов, программных симуляторов и оценочно-демонстрационных плат отечественного и зарубежного производства. Поэтому в итоге выбор отладочного средства определяется лишь необходимыми функциональными возможностями и его стоимостью. Компромиссным решением являются так называемые внутрисхемные программаторы, отладчики. Этот класс устройств выполняет сразу несколько функций: внутрисхемного программатора и внутрисхемного отладчика.

5.2 Микроконтроллер

Микроконтроллер - это специальная микросхема, предназначенная для управления различными электронными устройствами. Микроконтроллеры впервые появились в том же году, что и микропроцессоры общего назначения (1971).

Разработчики микроконтроллеров придумали остроумную идею – объединить процессор, память, ПЗУ и периферию внутри одного корпуса, внешне похожего на обычную микросхему. С тех пор производство микроконтроллеров ежегодно во много раз превышает производство процессоров, а потребность в них не снижается.

Микроконтроллеры выпускают десятки компаний, причем производятся не только современные 32-битные микроконтроллеры, но и 16, и даже 8-битные (как i8051 и аналоги). Внутри каждого семейства часто можно встретить почти одинаковые модели, различающиеся скоростью работы ЦПУ и объемом памяти.

Дело в том, что микроконтроллеры применяются преимущественно во встроенных системах, в игрушках, в станках, в массовой домашней технике, в домашней автоматике – там, где нужна не мощность процессора, а, скорее, баланс между ценой и достаточной функциональностью.

Именно поэтому самые старые типы микроконтроллеров еще до сих пор в ходу – они многое могут: от автоматического открывания дверей и включения полива газонов до интеграции в систему «умный дом». При этом существуют и более мощные микроконтроллеры, способные выполнять сотни миллионов операций в секунду и обвязанные периферией «до зубов». У них и задачи соответствующие. Таким образом, разработчик сначала оценивает задачу, а уж потом выбирает под нее подходящее «железо».

На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов. Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, 16-битные MSP430 фирмы TI, а также 32-битные микроконтроллеры, архитектуры ARM, которую разрабатывает фирма ARM Limited и продаёт лицензии другим фирмам для их производства.

Микроконтроллер характеризуется большим числом параметров, поскольку он одновременно является сложным программно-управляемым устройством и электронным прибором (микросхемой). Приставка "микро" в названии микроконтроллера означает, что выполняется он по микроэлектронной технологии.

В ходе работы микрконтроллер считывает команды из памяти или порта ввода и исполняет их. Что означает каждая команда, определяется системой команд микроконтроллера. Сиситема команд заложена в архитектуре микрконтроллера и выполнение кода команды выражается в проведении внутренними элементами микросхемы определенных микроопераций.

Микроконтроллеры позволяют гибко управлять различными электронными и электрическими устройствами. Некоторые модели микроконтроллеров настолько мощны, что могут непосредственно переключать реле (к примеру, на елочных гирляндах).

Микроконтроллеры, как правило, не работает в одиночку, а запаивается в схему, где, кроме него, подключаются экраны, клавиатурные входы, различные датчики и т.д.

Софт для микроконтроллеров может привлечь внимание тех, кто обожает «гоняться за битами», так как обычно память в микроконтроллерах составляет от 2 до 128 Кб. Если меньше, то писать приходится на ассемблере или Форте, если есть возможность, то используют специальные версии Бейсика, Паскаля, но в основном – Си. Прежде чем окончательно запрограммировать микроконтроллер, его тестируют в эмуляторах – программных или аппаратных.

Тут может возникнуть вопрос: микропроцессор и микроконтроллер это просто разное название одного и того же устройства, или это все-таки разные вещи?

Микропроцессор это центральное устройство любой ЭВМ, выполненный по интегральной технологии. Само название говорит о том, что именно в нем происходят вычислительные процессы. Чтобы из него получилась ЭВМ, пусть даже не очень современная и мощная (вспомните любительские конструкции Радио-86 или Синклер), его надо дополнить внешними устройствами. В первую очередь это оперативная память и порты ввода вывода информации.

Микроконтроллер имеет внутри себя процессор, оперативную память, память программ, а кроме этого целый набор периферийных устройств, которые превращают процессор в полнофункциональную ЭВМ. По старой терминологии советских времен подобные устройства назывались Однокристальными Микро ЭВМ. Но советская вычислительная техника, как известно, зашла в тупик, а вместе с ней и ОМЭВМ.

Зарубежная же вычислительная техника на месте не стояла, поэтому ОМЭВМ стали называться контроллерами (от англ. Control – управлять, управление). И в самом деле, контроллеры оказались весьма пригодны для управления различной техникой, даже не очень сложной.

МИКРОКОНТРОЛЛЕР - это уже не процессор, но ещё и не компьютер.

Центральный процессор, имеющийся в каждом компьютере - главный вычислитель. Хотя компьютер и не предназначен исключительно для вычислительной нагрузки, процессор является в нём головным элементом. Но не только в компьютере имеется процессор.

Если вдуматься и присмотреться, то можно обнаружить, что процессоры применяются в большинстве приборов бытового предназначения. Только там используются не такие процессоры как в компьютере, а микропроцессоры и даже микроконтроллеры.

Большие интегральные микросхемы или микросхемы с большой степенью интеграции и есть процессоры. Микропроцессоры, по сути те же процессоры, но из-за приставки «микро» определяется их суть, что они миниатюрнее своих «больших» собратьев. В своё историческое время процессор со своим размером мог занимать не одну комнату, впору их назвать как вымерших динозавров макропроцессорами, чтобы и их как-то упорядочить в современном представлении об электронике.

5.3 Структура микроконтроллеров.

Микроконтроллер состоит из трех структурных частей: ядра, периферийных и специальных модулей. Ядро микроконтроллера обеспечивает обработку данных. Периферийные модули обеспечивают ввод и вывод данных из ядра микроконтроллера. Специальные модули выполняют дополнительное обслуживание ядра микроконтроллера. Структурный состав микроконтроллера изображен на рис. 1.

Рис.1. Структура микроконтроллера

Рис.2. Классификация микроконтроллеров

Микроконтроллеры классифицируются по трем признакам: по типу памяти, по диапазону питающего напряжения и по типу корпуса (рис.2.)

Тип памяти микроконтроллера указывается в его маркировке. Для памяти типа EPROM используется символ «С» (например,PIC16C84). Для масочной памяти используются сочетания символов «CR» (например, PIC16CR84). Электрически программируемая память обозначается символом «F» (например, PIC16F84).

Вид корпуса определяет назначение микроконтроллера. Керамический корпус с окном (для стирания памяти) удобно использовать при разработке устройств на микроконтроллерах. Бескорпусный вариант микроконтроллера необходим для минимизации устройства.

5.4 Генератор тактовых сигналов.

Генератор тактовых сигналов (ГТС) предназначен для формирования тактовых сигналов, по которым происходит выполнение инструкций МК. Сигналы ГТС так же используются для управления периферийными модулями. Существуют два режима работы ГТС (рис.3). Первый режим реализуется на базе кварцевого резонатора. Второй режим – на базе RC цепочки. Кварцевый резонатор позволяет получить высокую стабильность работы ГТС, а значит, и высокую точность работы прибора, построенного на базе микроконтроллера. Генератор на RC-цепочке не обладает высокой стабильностью, но дает выигрыш в стоимости всего прибора. Для резонаторного генератора существует три режима работы: низкочастотный (LP), стандартный (XT), и высокочастотный (HS). При высокочастотном режиме ГТС потребляет большее количество энергии, чем в других режимах с кварцевым резонатором. Для построения RC-генератора может использоваться как внешняя RC-цепочка, так и внутренняя. Кроме того, для тактирования микроконтроллера может использоваться внешний генератор. Выбор типа генератора и его режима работы осуществляется с помощью конфигурирующего слова, которое записывается в микроконтроллер при его программировании.

Рис. 3. Режимы работы ГТС

Большинство бытовых микроконтроллерных устройств реализуют функции, не требующие высокой временной точности работы, поэтому в них используется режим работы генератора с встроенной внутренней RC-цепочкой.

Внешние кварцевые генераторы применяются в устройствах, предназначенных для измерения каких-либо величин, поскольку в этом случае,как правило, предъявляются высокие требования к стабильности работы задающего генератора. Значение измеряемой величины в цифровых устройствах часто определяется подсчетом количества импульсов за фиксированный промежуток времени. Так как точность промежутка времени, в течение которого происходит подсчет импульсов, связана, со стабильностью задающего генератора, то точность измерения прибора и будет определяться точностью работы генератора.

5.5 Архитектура микроконтроллеров

Существует два направления построения процессорных систем, которые определяются способами использования памяти. Первое направление подразумевает использование общей памяти и для кода программы, и для данных (Рис. 4). В этом случае когда и данные извлекаются из памяти процессором последовательно друг за другом. Соответственно и выполнение инструкций процессора происходит последовательно друг за другом. Архитектура таких систем носит название Фон-неймановской. Второе направление подразумевает разделение памяти на память кода или память программ и память данных. В этом случае обращение процессора к памяти программ и памяти данных может происходить одновременно. Процессор может исполнять текущую инструкцию и одновременно выбирать из памяти код следующей инструкции. В результате этого удается повысить производительность системы. Архитектура процессорных систем с разделением памяти получила название гарвардской, а процессоры в рамках данной архитектуры - RISC-процессоры. Микроконтроллеры строятся по гарвардской архитектуре.

Рис.4. Архитектура построения процессорных систем

Рис.5. Конвейерная обработка инструкций

В гарвардской архитектуре организован принцип конвейерной обработки инструкций процессора (рис.5). В один машинный цикл происходит выборка текущей инструкции и исполнение предыдущей. При традиционной архитектуре системы эти действия происходят последовательно, поэтому, при прочих равных условиях, RISC-процессоры позволяют проводить обработку данных быстрее.

Архитектура фон Неймана в настоящее время используется для упрощения вычислительных систем. Такая архитектура характеризуется сложностью изменения рабочей программы микропроцессорного устройства.

Перепрограммирование устройств фон-неймановской архитектуры может быть связано с внесением различных изменений в аппаратную часть.

Математическая модель, описывающая работу таких вычислительных систем, называется машиной фон Неймана (предложена фон Нейманом в начале 20 века). Согласно принципам машины фон Неймана вычислительная система должна удовлетворять трем основным принципам: система должна иметь оперативную память, в которой хранятся данные и управляющая программа; алгоритм работы системы определяется управляющей программой; код программы хранится вместе с данными, выполнение кода программы происходит последовательно, согласно его линейному расположению в оперативной памяти.

Поскольку скорость работы вычислительных систем с архитектурой фон Неймана была сравнительно низкой, проводились исследования способа ее увеличения. В конце 30-х годов 20 века в Гарвардском университете Говардом Эйкеном была предложена новая архитектура вычислительной системы, которая получила названия гарвардской. Главная идея предложенной архитектуры была оптимизация времени исполнения вычислительных операций и работы памяти системы. Физически это выражалось в разделении памяти на память команд и память данных, что приводило к увеличению стоимости устройства, так как для подключения к памяти процессору требовалось в два раза больше количество линий.

Для решения возникшей проблемы стали использовать принцип мультиплексирования внешних шин данных и адреса, которые в процессоре разделялись шины данных и адреса для памяти данных и памяти команд соответственно (модифицированная гарвардская архитектура). Дальнейшее совершенствование гарвардской архитектуры привело к появлению внутренней памяти процессора (кэш-память), которая используется для хранения инструкций, в результате чего данные могут передаваться одновременно по обеим шинам (расширенная гарвардская архитектура).

5.6 Структурная схема микроконтроллера

Структурная схема микроконтроллера приведена на рис.6. Все арифметико-логические операции выполняются в арифметико-логическом устройстве АЛУ. Основным рабочим регистром при проведении операций является аккумулятор W. Результаты выполнения операций могут сохраняться в аккумуляторе или памяти данных, при этом в зависимости от результата может изменяться регистр состояния STATUS.

Выборка инструкций из памяти программ для исполнения осуществляется по счетчику команд. Команда записывается в регистр инструкций, где из нее выделяется адресная часть, указывающая на память данных, и собственно инструкция для выполнения. Инструкция управляет работой АЛУ и указывает место расположения исходных и конечных данных. Адрес в памяти данных может указываться как непосредственно в команде, так и косвенно через регистр косвенной адресации. При переходе в подпрограмму в стек из счетчика команд записывается адрес возврата, а в счетчик команд помещается адрес начала подпрограмм. При завершении работы подпрограммы в счетчик возвращается адрес из стека. Допустимое количество вложенных подпрограмм определяется размером памяти стека. В случае переполнения стека адрес точки основной программы, из которой была запущена первая подпрограмма, теряется.

Данные для обработки в АЛУ или для записи/чтения в память данных могут быть получены от портов ввода-вывода или периферийных модулей.

Рис.6. Структурная схема микроконтроллера

Каждое такое устройство отображается в адресном пространстве одной или несколькими ячейками памяти.

В некоторых микроконтроллерах часть периферийных устройств не может работать одновременно. При программировании пользователь должен выбрать необходимый модуль и определить его служебной информации (обычно в регистре OPTION).В этом случае определяются функции внешних линий микроконтроллера.

Часть периферийных модулей не имеют линий связи с внешними устройствами и предназначены для формирования внутренних сигналов микроконтроллера. Работа таких модулей так же определяется программно через регистры специального назначения.

Периферийные модули могут формировать сигналы прерывания, согласно которым основная программа должно остановить свою работу и передать управление подпрограмме обработки прерываний.[4]

Заключение

В процессе прохождения производственной практики я ознакомилась со структурой АО «Казахтелеком» и его филиалом «Костанайское ОДТ», а так же с принципами построения телекоммуникационных сетей. Часто затрагивался вопрос микроконтроллерах. Микроконтроллеры развиваются невероятными темпами и их можно встретить в огромном количестве современных промышленных и бытовых приборов: станках, автомобилях, телефонах, телевизорах, холодильниках, стиральных машинах... и даже кофеварках. Среди производителей микроконтроллеров можно назвать Intel, Motorola, Hitachi, Microchip, Atmel, Philips, Texas Instruments, Infineon Technologies (бывшая Siemens Semiconductor Group) и многих других.

Список использованных источников

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Казахтелеком д.о. 16.03.2015

2. http://www.telecom.kz/filial/single/14668 д.о. 16.03.2015

3. http://www.telecom.kz/page/single/organizatsionnaja-struktura-ao-kazahtelekom?lang=ru д.о. 16.03.2015

4. «Устройства на микроконтроллерах» Марченко.М.В Ульяновск 2007 г. 5-17 стр.

Дата добавления: 2015-08-03