Descrivere le caratteristiche dei sistemi di calcolo e controllo a microprocessore. Sistemi a microprocessore. Garantire l'immunità al rumore dei sistemi a microprocessore

sistema a microprocessore(MPS) è un sistema che comprende almeno 1 microprocessore (MP), un dispositivo di archiviazione (RAM), dispositivi di input/output (I/O), dispositivi di interfaccia del bus di sistema con dispositivi di input/output (controller), bus di sistema.

Questo sistema può essere considerato un esempio di un sistema elettronico progettato per elaborare segnali di ingresso ed emettere segnali di uscita. Nel ruolo di segnali di ingresso e uscita, è possibile utilizzare segnali analogici, singoli segnali digitali, codici digitali, una sequenza di codici digitali. In questo sistema, come in qualsiasi sistema digitale, i segnali analogici in ingresso vengono convertiti in sequenze di codici utilizzando convertitori analogico-digitale (ADC) e i segnali analogici in uscita sono formati dalla sequenza di codici utilizzando convertitori analogico digitale (DAC) . Le informazioni vengono elaborate e archiviate in forma digitale.

Informazioni generali sui sistemi a microprocessore

A causa delle numerose aree di applicazione di MP e microcomputer, MPS può essere classificato a livello di sistema. Possono essere presentati:

• sistemi integrati di monitoraggio e controllo;
• sistemi locali di accumulazione ed elaborazione delle informazioni;
• sistemi di controllo distribuiti per oggetti complessi;
• sistemi di calcolo parallelo distribuiti ad alte prestazioni.

Sulla base di quanto sopra, nel nostro tempo sono state individuate le seguenti aree prioritarie in cui si applica MPS:

• Tecnologia della comunicazione;
• sistemi di controllo;
• attrezzature domestiche e commerciali;
• apparecchiature di controllo e misurazione;
• equipaggiamento militare;
• computer, sistemi, complessi e reti;
• trasporto.

Il processo di introduzione di MPS nel campo delle apparecchiature di controllo e misura ha permesso di migliorare notevolmente l'accuratezza delle misurazioni e l'affidabilità, nonché ampliato la funzionalità dei dispositivi e fornito le seguenti funzioni: calibrazione, correzione e compensazione della temperatura, controllo e gestione del complesso di misura, decisionale ed elaborazione dati, diagnosi dei guasti, indicazioni, prove e controlli dei dispositivi.

L'introduzione di MPS nei sistemi di comunicazione ha portato a un crescente spostamento dei metodi analogici da quelli digitali, che ha portato al loro uso diffuso in convertitori di codice, multiplexer, dispositivi di controllo degli errori, unità di controllo di apparecchiature di ricezione e trasmissione.

Osservazione 1

MPS è sempre più utilizzato in dispositivi come terminali e registratori di cassa delle banche, terminali di cassa dei centri commerciali, ecc. L'uso di MP e MPS negli elettrodomestici consente di aprire le sue ampie possibilità nel campo dell'efficienza, del miglioramento dell'affidabilità e di varie applicazioni.

Applicazione di MPS in diverse aree equipaggiamento militare cresce ogni anno - dai sistemi di navigazione aereo per controllare il movimento dei robot di trasporto.

Principali tipologie di sistemi a microprocessore

Ci sono i seguenti principali tipi di MPS:

• i microcontrollori sono il tipo più semplice, in cui tutti o la maggior parte dei nodi del sistema sono rappresentati come un unico microcircuito;
• i controllori sono MPS di controllo, realizzati sotto forma di moduli separati;
• microcomputer: MPS più potenti con mezzi avanzati di interfacciamento con dispositivi esterni;
• i computer di qualsiasi tipo rappresentano le IPU più potenti e versatili.

A volte è abbastanza difficile tracciare un confine netto tra questi tipi, poiché la velocità di tutti i tipi di MP è in costante crescita e capita che un nuovo microcontrollore possa essere più veloce, ad esempio, di un computer obsoleto. Ma esistono ancora differenze fondamentali tra loro.

I microcontrollori sono dispositivi universali, quasi sempre utilizzati come parte di dispositivi più complessi, inclusi i controller. Il bus di sistema del microcontrollore si trova all'interno del chip. Le possibilità di collegare dispositivi esterni al microcontrollore sono limitate. I dispositivi basati su microcontrollori vengono solitamente utilizzati per eseguire un'attività.

I controller vengono generalmente creati per risolvere una singola attività o un gruppo di attività correlate. Non hanno la possibilità di collegare nodi e dispositivi aggiuntivi (grande memoria, strutture di input / output). Il loro bus di sistema è solitamente inaccessibile all'utente. La struttura del controller è semplice e ottimizzata per le massime prestazioni. Fondamentalmente, i programmi che esegue sono memorizzati nella memoria permanente e non cambiano. Strutturalmente, i controllori sono realizzati sotto forma di un'unica scheda.

Osservazione 2

I microcomputer si distinguono dai controller per una struttura più aperta, poiché consentono di collegare diversi dispositivi aggiuntivi al bus di sistema. I microcomputer sono prodotti in un telaio, una custodia con connettori di sistema accessibili all'utente. I microcomputer dispongono di mezzi di memorizzazione delle informazioni su supporti magnetici (dischi magnetici) e mezzi avanzati di comunicazione con l'utente (monitor video, tastiera). I microcomputer sono progettati per risolvere una gamma più ampia di attività rispetto ai controller, ma devono essere adattati a ogni nuova attività. I programmi eseguiti dal microcomputer possono essere facilmente sostituiti.

I computer, compresi quelli personali, sono i più versatili degli MPS. Offrono la possibilità di miglioramento, nonché ampie opportunità per il collegamento di nuovi dispositivi. Il bus di sistema dei computer è a disposizione dell'utente. Inoltre, i dispositivi esterni (VU) hanno la possibilità di connettersi a un computer tramite diverse porte di comunicazione integrate (il numero di porte può essere fino a 10). Il computer dispone di mezzi di comunicazione altamente sviluppati con l'utente, mezzi di memorizzazione a lungo termine di informazioni di grandi volumi, mezzi di comunicazione con altri computer tramite reti di informazioni. Le aree di applicazione dei computer sono molto diverse: dai calcoli matematici e dal mantenimento dell'accesso ai database al controllo del funzionamento di sistemi elettronici complessi, giochi per computer, ecc.

Figura 1. Schema logico dell'MPS

dove D - sensori, OS - oggetto di controllo, IM - attuatori, BSD - unità di interfaccia con sensori, IR - controller di informazioni, BSIK - unità di interfaccia con controller di informazioni, OP - memoria principale, DP - memoria aggiuntiva A seconda del campo di applicazione di gli MPS ne esistono specializzati e universali, integrati e autonomi.

Architettura di Von Neumann

In accordo con l'organizzazione dei processi di selezione ed esecuzione dei comandi nei moderni MPS, viene utilizzata una delle due architetture: von Neumann (Princeton) o Harvard.

La caratteristica principale dell'architettura Von Neumann è l'uso memoria condivisa per la memorizzazione di programmi e dati.

Figura 2. Struttura MPS di Von Neumann

Il vantaggio principale di questa architettura è la semplificazione del dispositivo MPS, poiché si accede ad una sola memoria condivisa. Inoltre, l'utilizzo di un'unica area di memoria ha permesso di ridistribuire rapidamente le risorse tra le aree dei programmi e dei dati, il che ha notevolmente aumentato la flessibilità dell'MPS dal lato Software. Posizionare lo stack nella memoria condivisa ha reso più facile l'accesso ai suoi contenuti. Pertanto, questo tipo di architettura è diventata la principale per i computer universali, compresi quelli personali.

Architettura di Harvard

La caratteristica principale dell'architettura di Harvard è l'uso di spazi di indirizzi separati per la memorizzazione di istruzioni e dati, come mostrato in Fig. 3.

Figura 3. La struttura del MPS con l'architettura di Harvard

L'architettura di Harvard fornisce una velocità di esecuzione del programma potenzialmente più elevata rispetto all'architettura von Neumann grazie alla capacità di implementare operazioni parallele. Il processo di recupero dell'istruzione successiva può essere eseguito in parallelo con l'esecuzione della precedente. Questo metodo di implementazione delle operazioni consente di garantire l'esecuzione di varie istruzioni per lo stesso numero di cicli, il che consente di determinare più semplicemente il tempo di esecuzione dei cicli e delle sezioni critiche del programma.

Microprocessore (MP) - un processore per computer funzionalmente completo implementato sotto forma di uno o più LSI ed è progettato per elaborare informazioni digitali secondo programmi specificati.

Il controller a microprocessore (MPC) è un microcomputer funzionalmente completo progettato per scopi di monitoraggio e controllo.

IPC può essere implementato sulla seguente base di elementi:

microprocessori a chip singolo (SMP);

MP sezionale (multi-chip);

microcontrollori a chip singolo (OMC);

Circuiti logici programmabili a matrice complessa (FPGA, PLD, CPLD, ecc.).

L'effetto maggiore dell'introduzione dei microprocessori si ottiene in dispositivi e sistemi di automazione locale, misurazione, sistemi di controllo e altre aree in cui l'uso dell'elaborazione digitale dei dati prima dell'avvento dei microprocessori non era redditizio. Il costo relativamente basso, le dimensioni e il consumo energetico ridotti, l'elevata affidabilità e l'eccezionale flessibilità, non tipiche di altri metodi di elaborazione dati, danno priorità ai microprocessori rispetto ad altri strumenti di elaborazione dati. Il microprocessore è anche uno strumento utile per costruire controllori progettati per controllare e gestire processi tecnologici in vari settori dell'economia.

Il massimo effetto dell'uso dei microprocessori si ottiene con una versione embedded del suo utilizzo, quando il microprocessore è integrato in strumenti, dispositivi o macchine. In questo caso d'uso, al microprocessore sono richieste non tanto le prestazioni computazionali (moltiplicazione, divisione, ecc.) inerenti ai computer convenzionali quanto l'efficienza logica, che è così necessaria nelle attività di controllo.

OMK è un MPC funzionalmente completo implementato come un VLSI (super-LSI). OMK include: processore, RAM, ROM, porte di ingresso/uscita per il collegamento di dispositivi esterni, moduli di ingresso del segnale analogico ADC, timer, controller di interrupt, controller per varie interfacce, ecc.

L'OMK più semplice è un LSI con un'area non superiore a 1 e con solo otto conclusioni.

2. Classificazione dei sistemi a microprocessore (per scopo, per capacità, per metodo di controllo, per design e caratteristiche tecnologiche);

Distinguere:

1) Periferica (interfaccia) OMK progettato per implementare i più semplici sistemi di controllo MP. Hanno una bassa produttività e un ingombro ridotto. In particolare, può essere utilizzato dalle periferiche del computer (tastiera, mouse, ecc.) Tra queste: PIC - Micro Chip, VPS - 42 (Intel).

2) OMK universale a 8 bit progettato per l'implementazione di sistemi MP di bassa e media produttività. Hanno un semplice sistema di comando e una vasta gamma di dispositivi integrati. Tipi principali: MSC - 51 (Intel) Motorola HC05 - HC012, ecc.

3) OMK universale a 16 bit. Progettato per implementare sistemi in tempo reale di prestazioni medie. La struttura e il sistema di comandi mirano alla reazione più rapida agli eventi esterni. L'utilizzo maggiore è nei sistemi di controllo di motori elettrici (sistemi meccatronici).

4) OMK specializzato a 32 bit implementano un'architettura ARM ad alte prestazioni e sono progettati per la telefonia, la trasmissione di informazioni, la televisione e altri sistemi che richiedono l'elaborazione di informazioni ad alta velocità. I tipici OMC a 16 bit includono: MSC96 / 196/296 (Intel), C161-C167 (Siemens, Infineon), HC16 Motorola, ecc.

5) Processori di segnale digitale (DSP - Processore di segnale digitale) progettato per complesse elaborazioni matematiche di segnali misurati in tempo reale. Ampiamente usato nella telefonia e nelle comunicazioni. Le principali differenze di DSP: maggiore profondità di bit delle parole elaborate (16,32,64 bit) e alta velocità in formato a virgola mobile (16flop) Produttori: Texas Instruments (TMS320, ecc.), Analog Device (ADSP 2181, ecc.) ).

Di Aree di utilizzo Sono state definite tre direzioni di sviluppo dei microprocessori:

microcontrollori

microprocessori universali

microprocessori di segnale

Di struttura interna Esistono due principi di base per la costruzione di microprocessori:

Architettura di Harvard

Architettura di Von Neumann

Di sistema di comando i microprocessori sono molto diversi, a seconda del produttore. Tuttavia, è possibile definire due politiche estreme di progettazione del microprocessore:

Microprocessori a batteria

Microprocessori con registri di uso generale

3. Applicazione di sistemi a microprocessore (a scelta dello studente);

L'MPS stesso, essendo dotato di una varietà di dispositivi di input-output (I/O) di informazioni, può essere utilizzato come prodotto finito. Tuttavia, è spesso necessario inviare segnali all'MPS da una pluralità di sensori di misura e attuatori di qualche oggetto di controllo complesso o processo tecnologico. In questo caso, è già formato un complesso sistema informatico, il cui centro è l'MP. Microprocessori architettonicamente semplici vengono utilizzati per misurare intervalli di tempo, controllare le operazioni computazionali più semplici (nelle calcolatrici), il funzionamento di apparecchiature cinematografiche, fotografiche, radiofoniche e televisive. Sono utilizzati nei sistemi di sicurezza e di allarme sonoro, negli elettrodomestici e negli elettrodomestici.

La produzione di giochi elettronici che utilizzano microprocessori si sta sviluppando rapidamente. Generano non solo interessanti mezzi di intrattenimento, ma offrono anche l'opportunità di testare e sviluppare le tecniche di conclusioni logiche, destrezza e velocità di reazione.

I videogiochi possono essere classificati come applicazioni che richiedono l'uso di computer con un insieme limitato di funzioni. Oggi, le console di gioco consumano di più

ad eccezione dei PC, microprocessori a 32 bit. I parlamentari Intel e Motorola hanno ricevuto la più grande applicazione qui. La PlayStation di Sony utilizza un processore MIPS a 32 bit e il Nintendo 64 utilizza persino un chip a 64 bit8 dello stesso produttore. I prodotti per videogiochi Saturn e Genesis di Sega hanno spinto i processori RISC della serie SH di Hitachi al terzo posto al mondo in termini di vendite tra i sistemi a 32 bit.

Buone prospettive promettono processori a 32 bit nel mercato delle segretarie elettroniche personali (PDA) e degli organizzatori elettronici. I moderni organizzatori elettronici sono un ottimo esempio di applicazioni integrate, perché non esistono praticamente fornitori di software indipendenti per loro. D'altra parte, il PDA di tipo Newton di Apple non è, in realtà, altro che una nuova piattaforma informatica, il cui futuro dipende dagli sviluppatori di software.

Fino ad ora, i dispositivi con un insieme limitato di funzioni hanno avuto successo tra gli organizzatori elettronici. Tuttavia, ulteriori miglioramenti nella tecnologia potrebbero

portare questi computer "manuali" ai leader assoluti, che in termini di vendite in termini fisici dovrebbero bypassare il PC.

Una funzione importante dell'MP è l'elaborazione preliminare delle informazioni da dispositivi esterni (ED), la conversione di formati di dati, controller di dispositivi esterni elettromeccanici. Nelle apparecchiature, MP consente di eseguire il controllo degli errori, la codifica - decodifica delle informazioni e il controllo dei ricetrasmettitori. Il loro utilizzo consente più volte di ridurre la larghezza richiesta dei canali televisivi e telefonici, per creare una nuova generazione di apparecchiature di comunicazione. L'uso di MP negli strumenti di controllo e misura e come mezzo di controllo dei sistemi radioelettronici consente di calibrare, testare e verificare gli strumenti, correggere e compensare la temperatura, monitorare e controllare i sistemi di misura, convertire ed elaborare, visualizzare e presentare dati, diagnosticare e localizzare i guasti.

Con l'ausilio di strumenti a microprocessore, è possibile risolvere problemi tecnici complessi nello sviluppo di vari sistemi per la raccolta e l'elaborazione delle informazioni, in cui le funzioni comuni sono ridotte alla trasmissione di più segnali a un centro per la valutazione e il processo decisionale. Ad esempio, nei sistemi di bordo degli aeromobili durante il volo, viene accumulata una grande quantità di informazioni provenienti da varie fonti, che spesso richiedono un'elaborazione immediata. Questo viene fatto centralmente con l'aiuto di un sistema informatico basato sull'MPS di bordo.

Il campo di applicazione della tecnologia a microprocessore è ora molto ampio, i requisiti per i sistemi a microprocessore sono molto diversi. Sono stati quindi realizzati diversi tipi di sistemi a microprocessore, diversi per potenza, versatilità, velocità e differenze strutturali. I tipi principali sono:

• microcontrollori: il tipo più semplice di sistemi a microprocessore in cui tutti o la maggior parte dei nodi del sistema sono realizzati sotto forma di un singolo microcircuito;
• controller - controllano i sistemi a microprocessore, realizzati sotto forma di moduli separati;
• microcomputer: sistemi a microprocessore più potenti con mezzi avanzati di interfacciamento con dispositivi esterni.
• i computer (compresi quelli personali) sono i sistemi a microprocessore più potenti e versatili.

A volte è difficile tracciare una linea netta tra questi tipi. La velocità di tutti i tipi di microprocessori è in costante crescita e non è raro che un nuovo microcontrollore sia più veloce, ad esempio, di un personal computer obsoleto. Ma ci sono ancora alcune differenze fondamentali.

I microcontrollori sono dispositivi universali che vengono quasi sempre utilizzati non da soli, ma come parte di dispositivi più complessi, inclusi i controller. Il bus di sistema del microcontrollore è nascosto all'utente all'interno del chip. Le possibilità di collegare dispositivi esterni al microcontrollore sono limitate. I dispositivi basati su microcontrollori sono generalmente progettati per risolvere un problema.

I controller, di norma, vengono creati per risolvere un'attività specifica o un gruppo di attività correlate. Di solito non hanno la possibilità di collegare nodi e dispositivi aggiuntivi, ad esempio memoria di grandi dimensioni, strutture I / O. Il loro bus di sistema è spesso inaccessibile all'utente. La struttura del controller è semplice e ottimizzata per le massime prestazioni. Nella maggior parte dei casi, i programmi eseguibili vengono archiviati nella memoria permanente e non cambiano. Strutturalmente i controllori sono prodotti in versione monoscheda.

I microcomputer differiscono dai controller in una struttura più aperta, consentono di collegare diversi dispositivi aggiuntivi al bus di sistema. I microcomputer sono prodotti in un telaio, una custodia con connettori di sistema a disposizione dell'utente. I microcomputer possono avere mezzi per memorizzare informazioni su supporti magnetici (ad esempio dischi magnetici) e mezzi di comunicazione abbastanza avanzati con l'utente (monitor video, tastiera). I microcomputer sono progettati per un'ampia gamma di attività, ma a differenza dei controller, devono essere adattati di nuovo per ogni nuova attività. I programmi eseguiti dal microcomputer possono essere facilmente modificati.

Infine, i computer e il più comune di essi - i personal computer - sono i più versatili dei sistemi a microprocessore. Prevedono necessariamente la possibilità di modernizzazione, nonché ampie opportunità per il collegamento di nuovi dispositivi. Il loro bus di sistema è, ovviamente, a disposizione dell'utente. Inoltre, i dispositivi esterni possono essere collegati al computer tramite diverse porte di comunicazione integrate (il numero di porte a volte raggiunge 10). Un computer ha sempre mezzi di comunicazione altamente sviluppati con l'utente, mezzi di archiviazione a lungo termine di grandi volumi di informazioni, mezzi di comunicazione con altri computer tramite reti di informazioni. Le aree di applicazione dei computer possono essere molto diverse: calcoli matematici, manutenzione dell'accesso a banche dati, controllo del funzionamento di sistemi elettronici complessi, giochi per computer, preparazione di documenti, ecc.

Qualsiasi attività, in linea di principio, può essere eseguita utilizzando ciascuno dei tipi elencati di sistemi a microprocessore. Ma quando si sceglie un tipo, è necessario evitare il più possibile la ridondanza e prevedere la flessibilità del sistema necessaria per un determinato compito.

Attualmente, quando si sviluppano nuovi sistemi a microprocessore, viene spesso scelto il percorso di utilizzo dei microcontrollori (in circa l'80% dei casi). Allo stesso tempo, i microcontrollori vengono utilizzati in modo indipendente, con apparecchiature aggiuntive minime, o come parte di controllori più complessi con funzionalità avanzate di input/output.

I classici sistemi a microprocessore basati su chip di microprocessore e kit di microprocessori sono ormai piuttosto rari, principalmente a causa della complessità dello sviluppo e del debug di questi sistemi. Questo tipo di sistemi a microprocessore viene scelto principalmente quando i microcontrollori non possono fornire le caratteristiche richieste.

Infine, un posto di rilievo è oggi occupato dai sistemi a microprocessore basati su personal computer. In questo caso, lo sviluppatore deve solo dotare il personal computer di dispositivi di interfaccia aggiuntivi e il nucleo del sistema a microprocessore è già pronto. Il personal computer dispone di strumenti di programmazione avanzati, che semplificano notevolmente il compito dello sviluppatore. Inoltre, può fornire gli algoritmi di elaborazione delle informazioni più complessi. I principali svantaggi di un personal computer sono le grandi dimensioni del case e la ridondanza hardware per compiti semplici. Lo svantaggio è l'incapacità della maggior parte dei personal computer di lavorare in condizioni difficili (polvere, elevata umidità, vibrazioni, alte temperature, ecc.). Tuttavia, personal computer speciali adattati a condizioni diverse operazione.

FSF. "MK e MP" Dispense n. 1.1
Introduzione: microprocessori, sistemi a microprocessore,
microcontrollori
Piano delle lezioni:

Microprocessori, sistemi a microprocessore, microcontrollori

Aree di utilizzo

Famiglie di microcontrollori

1.Microprocessori, sistemi a microprocessore, microcontrollori
Durante l'esistenza e l'uso dei computer elettronici (computer), i loro parametri più importanti - velocità, consumo energetico, affidabilità sono stati determinati, prima di tutto, dalla base di elementi utilizzata, cioè quei "mattoni" elettronici da cui un grande e complesso "edificio" è costruito - esso stesso COMPUTER. Nelle macchine di prima generazione venivano utilizzati dispositivi elettrici a vuoto (tubi radio) che garantivano al computer una velocità di centinaia o migliaia di operazioni al secondo. Queste macchine erano ingombranti, spesso si guastavano e per assicurarle operazione normale richiedeva un complesso sistema di raffreddamento.

L'invenzione del transistor ha permesso di aumentare la velocità del computer a decine e centinaia di migliaia di operazioni al secondo con un aumento significativo della densità di impacchettamento (disposizione) degli elementi: transistor, diodi, resistori, condensatori. Tali computer appartenevano alle macchine della seconda generazione.

La comparsa di circuiti integrati, comprendenti un gran numero di elementi elettronici, e il loro utilizzo nei computer della terza e delle successive generazioni, ha ulteriormente aumentato la velocità di quest'ultima, ha permesso di semplificare la procedura di comunicazione tra una persona e un computer, e lo ha avvicinato il più possibile all'oggetto del controllo e del controllo.

Un microprocessore (MP) è un dispositivo che riceve, elabora ed emette informazioni. Strutturalmente, l'MP contiene uno o più circuiti integrati ed esegue le azioni definite dal programma memorizzato.

Gli Universal MT sono tali MT il cui sistema di comando si basa sulla versatilità algoritmica. Quest'ultimo significa che la composizione dei comandi eseguiti dalla macchina consente di ottenere la trasformazione delle informazioni secondo un dato algoritmo.

MP specializzato: progettato per risolvere una certa classe di problemi e talvolta solo per risolvere un problema specifico. Le loro caratteristiche essenziali sono la facilità di controllo, la compattezza dell'hardware, il basso costo e il basso consumo energetico.

Un sistema a microprocessore è un sistema di calcolo, strumentazione o controllo, in cui il principale dispositivo di elaborazione delle informazioni è l'MP. Il sistema a microprocessore è costituito da un insieme di microprocessori LSI.

Una proprietà notevole dei sistemi a microprocessore è la loro elevata flessibilità, la capacità di riconfigurare rapidamente, se necessario, anche cambiamenti significativi negli algoritmi di controllo. La riconfigurazione viene eseguita a livello di programmazione senza costi di produzione significativi. La creazione di microprocessori consente di ridurre i costi e le dimensioni mezzi tecnici elaborazione delle informazioni, aumentare la loro velocità, ridurre il consumo energetico.

Caratteristiche caratteristiche dei sistemi di informazione e controllo a microprocessore progettati per automatizzare i processi tecnologici:

La presenza di un insieme limitato di compiti chiaramente definiti;

Lavora in tempo reale, ad es. garantire un tempo minimo di risposta ai cambiamenti delle condizioni esterne;

La presenza di un sistema sviluppato di dispositivi esterni, la loro grande varietà;

Differenza significativa nei compiti funzionali;

Elevati requisiti di affidabilità, tenendo conto della lunga durata del funzionamento continuo;

Condizioni operative difficili;

Fornire una modalità di funzionamento automatica o una modalità con la partecipazione dell'operatore come elemento del sistema.

Un ulteriore aumento del grado di integrazione ha permesso di collocare in un chip di microcircuito non singoli nodi semplici o frammenti di dispositivi informatici, ma interi dispositivi e persino interi computer. Ciò ha portato alla creazione di un microcontrollore (MC), un prodotto di microelettronica e tecnologia informatica di una classe fondamentalmente nuova, in grado di elaborare e memorizzare informazioni in uno o più pacchetti di microcircuiti.

L'utilizzo di microcontrollori nei prodotti non solo porta ad un aumento degli indicatori tecnici ed economici (costo, affidabilità, consumo energetico, ingombro), ma riduce anche i tempi di sviluppo dei prodotti e li rende modificabili e adattivi. L'utilizzo di microcontrollori nei sistemi di controllo garantisce il raggiungimento di alta efficienza a basso costo.

I microcontrollori lo sono rimedio efficace automazione di vari oggetti e processi.

Possiamo presumere che un microcontrollore sia un computer situato in un singolo microcircuito. Da qui le sue principali qualità attrattive: piccole dimensioni; alte prestazioni, affidabilità e capacità di adattarsi per eseguire un'ampia varietà di compiti.

Un microcontrollore a chip singolo è un dispositivo realizzato strutturalmente in un pacchetto LSI e contenente tutti i componenti principali del set di microprocessori.

Il microcontrollore, oltre all'unità centrale di elaborazione (CPU), contiene memoria e numerosi dispositivi di input/output:

Porte digitali universali che possono essere configurate sia per l'ingresso che per l'uscita;

Varie interfacce I/O come UART, I²C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet;

Convertitori analogico-digitale e digitale-analogico;

Comparatori;

Modulatori di ampiezza d'impulso;

Timer;

Controllori per motori brushless;

Controller per display e tastiera;

Ricevitori e trasmettitori RF;

Array di memoria flash incorporati;

Generatore di clock integrato e timer watchdog;

^ 2.Campi di applicazione
IN mondo modernoè difficile trovare un campo della tecnologia in cui i microprocessori non verrebbero utilizzati. Sono utilizzati nei calcoli, svolgono funzioni di controllo, sono utilizzati nell'elaborazione di suoni e immagini. A seconda del campo di applicazione del microprocessore, i requisiti per esso cambiano. Ciò lascia un'impronta sulla struttura interna del microprocessore. Attualmente sono state identificate tre direzioni per lo sviluppo dei microprocessori:

Microprocessori per uso generico

Microcontrollori

CON
Supercomputer
microprocessori di segnale

I microprocessori universali vengono utilizzati per costruire computer. Utilizzano le soluzioni più avanzate per migliorare le prestazioni, senza prestare molta attenzione a dimensioni, costi e consumi energetici. Nell'ingegneria delle comunicazioni, i computer vengono utilizzati per controllare sistemi di comunicazione o dispositivi di comunicazione grandi e costosi. Tali computer sono chiamati controllori.

^C
Dispositivi mobili
I processori di segnale vengono utilizzati per risolvere problemi tradizionalmente gestiti dai circuiti analogici. I processori di segnale hanno requisiti specifici. Richiedono la massima velocità, dimensioni ridotte, facile aggancio con convertitori analogico-digitale e digitale-analogico, grande profondità di bit dei dati elaborati e un piccolo insieme di operazioni matematiche, che include necessariamente l'operazione di moltiplicazione-accumulo e l'organizzazione hardware di cicli. In questi processori sono importanti anche parametri come costo, dimensioni e consumo energetico, ma qui bisogna fare i conti grandi valori queste caratteristiche rispetto ai microcontrollori.

I microcontrollori vengono utilizzati per controllare dispositivi di comunicazione piccoli ed economici, prima erano chiamati microcomputer a chip singolo. Nei microcontrollori, a differenza dei microprocessori universali, viene prestata la massima attenzione alle dimensioni, al costo e al consumo energetico.

E
Elettrodomestici
l'uso di un dispositivo informatico sufficientemente potente con ampie capacità in un moderno microcontrollore, costruito su un singolo chip anziché su un intero set, riduce significativamente le dimensioni, il consumo energetico e il costo dei dispositivi costruiti sulla base. Utilizzato per controllare vari dispositivi e le loro singole unità:

Nella tecnologia informatica: schede madri, controller per unità disco rigido e floppy, CD e DVD;

Elettronica e dispositivi vari elettrodomestici, che utilizza sistemi di controllo elettronici - lavatrici, forni a microonde, lavastoviglie, telefoni ed elettrodomestici moderni;

Nell'industria:

Dispositivi di automazione industriale - da relè programmabili e sistemi integrati a PLC,

Sistemi di controllo della macchina.

Mentre i processori per uso generico a 8 bit sono stati completamente sostituiti da modelli con prestazioni più elevate, i microcontrollori a 8 bit continuano ad essere ampiamente utilizzati. Questo perché ci sono molte applicazioni in cui non sono richieste alte prestazioni ma è importante il basso costo. Allo stesso tempo, ci sono microcontrollori che hanno più potenza di calcolo, come i processori di segnali digitali.

Attualmente esiste una vasta gamma (più di 10.000) di vari microcontrollori che differiscono per portata, parametri e unità periferiche integrate nel cristallo. Più di una dozzina di produttori sono impegnati nella produzione di microcontrollori.

^ 3. Famiglie di microcontrollori
I microcontrollori sono raggruppati in famiglie. Una famiglia comprende prodotti che hanno lo stesso nucleo: un insieme di concetti come un sistema di comando, un diagramma della sequenza operativa della CPU, l'organizzazione della memoria del programma e della memoria dei dati, un sistema di interruzione e un set base di dispositivi periferici. Le differenze tra i diversi rappresentanti della stessa famiglia sono principalmente nella composizione dei dispositivi periferici e nella quantità di programma o memoria dati. La caratteristica più importante della famiglia è la compatibilità software a livello di codice binario di tutti i MK inclusi in essa.

^ Famiglie conosciute:

L'Intel 8051 è un microcontrollore a chip singolo con architettura Harvard (da non confondere con un processore) prodotto per la prima volta da Intel nel 1980 per l'utilizzo in sistemi embedded. Durante gli anni '80 e l'inizio degli anni '90 era estremamente popolare. Tuttavia, ora è stato obsoleto e sostituito da dispositivi più moderni, con 8051 core compatibili prodotti da più di 20 produttori indipendenti come Atmel, Maxim IC (una sussidiaria di Dallas Semiconductor), NXP (ex Philips Semiconductor), Winbond, Silicon Laboratories , Texas Instruments e Cypress Semiconductor. Esiste anche un clone sovietico di questo chip, KR1816BE51. Il nome ufficiale della famiglia 8051 di microcontrollori Intel è MCS-51.

PIC (microchip)

I PIC sono microcontrollori con architettura Harvard prodotti dalla società americana Microchip Technology Inc. Il nome PIC è l'abbreviazione di Peripheral Interface Controller, che significa "Peripheral Interface Controller".

Il concetto PIC, uguale per tutte le famiglie prodotte, era basato sull'architettura RISC (Reduced Instruction Set Computer - architettura con un set di istruzioni ridotto) con un sistema di comandi semplici di una sola parola, l'utilizzo di programmi incorporati e memoria dati e basso consumo energetico.

L'architettura RISC si basa sui principi fondamentali:

Qualsiasi operazione viene eseguita in un ciclo;

Il set di istruzioni deve contenere un numero minimo di istruzioni della stessa lunghezza;

Le operazioni di trattamento dei dati sono effettuate solo nel formato registro-registro;

I risultati devono essere generati alla velocità di una parola per clock.

Nella nomenclatura di Microchip Technology Inc. viene presentata un'ampia gamma di microcontrollori a 8, 16 e 32 bit e controllori di segnali digitali sotto il marchio PIC. Una caratteristica distintiva dei controllori PIC è la buona continuità delle diverse famiglie. Si tratta sia di compatibilità software (un unico ambiente di sviluppo libero MPLAB IDE), sia di compatibilità per pin, per periferiche, per tensioni di alimentazione, per tool di sviluppo, per librerie e stack dei più diffusi protocolli di comunicazione. La nomenclatura include più di 500 controller diversi con tutti i tipi di variazioni di periferiche, memoria, numero di pin, prestazioni, intervalli di potenza e temperatura, ecc.

AVR (Atmel)

Il concetto di nuovi microcontrollori ad alta velocità è stato sviluppato dal team di sviluppo del centro di ricerca ATMEL in Norvegia, le cui iniziali hanno poi formato il marchio AVR (Alf Bogen/Vergard Wolan/Risc architecture). I primi microcontrollori AVR AT90S1200 apparvero a metà del 1997 e conquistarono rapidamente il favore dei consumatori.

L'architettura AVR su cui sono costruiti i microcontrollori AT90S combina un potente processore RISC Harvard con accesso separato alla memoria di programma e dati, 32 registri per uso generico, ciascuno dei quali può funzionare come registro accumulatore e un set di istruzioni fisso avanzato a 16 bit lunghezza. La maggior parte delle istruzioni viene eseguita in un singolo ciclo di clock, con l'istruzione corrente eseguita e l'istruzione successiva recuperata contemporaneamente, il che fornisce prestazioni fino a 1 MIPS per MHz di frequenza di clock.

Vantaggi:

Alte prestazioni/consumo energetico;

Comode modalità di programmazione;

Ampia nomenclatura;

Disponibilità di supporto software e hardware;

Elevata capacità di carico delle uscite.

ARM (ARM limitato)

L'architettura ARM (Advanced RISC Machine, Acorn RISC Machine, advanced RISC machine) è una famiglia di core di microprocessori a 32 e 64 bit con licenza sviluppati da ARM Limited. L'azienda è impegnata esclusivamente nello sviluppo di kernel e strumenti per essi (compilatori, strumenti di debug, ecc.), Guadagnando dalla licenza dell'architettura a produttori di terze parti.

Nel 2007, circa il 98% degli oltre un miliardo di telefoni cellulari venduti ogni anno era dotato di almeno un processore ARM. A partire dal 2009, i processori ARM rappresentano fino al 90% di tutti i processori embedded a 32 bit. I processori ARM sono ampiamente utilizzati nell'elettronica di consumo, inclusi PDA, cellulari, supporti e lettori digitali, console di gioco portatili, calcolatrici e periferiche per computer come dischi rigidi o router.

Questi processori hanno un basso consumo energetico, quindi sono ampiamente utilizzati nei sistemi embedded e dominano il mercato. dispositivi mobili per i quali è importante un basso consumo energetico.

I licenziatari includono: Analog Devices, Atmel, Xilinx, Altera, Cirrus Logic (inglese), Intel (fino al 27 giugno 2006), Marvell (inglese), NXP, STMicroelectronics, Samsung, MediaTek, MStar, Qualcomm, Sony Ericsson, Texas Instruments, nVidia, Freescale, Milandr.

Domande di controllo
Cos'è un microprocessore? Il suo appuntamento?

Cosa sono i microprocessori?

Cos'è un sistema a microprocessore?

Cos'è un microcontrollore? Il suo appuntamento?

In che modo un microprocessore è diverso da un microcontrollore?

Famiglie di microcontrollori.

Argomenti per i messaggi
elementi logici.

Decodificatore.

Registro a scrocco.

Chip di memoria RAM di tipo statico.

Chip di memoria ROM.

Un microprocessore è un dispositivo di informazione che, secondo un programma specificato da segnali di controllo, elabora queste informazioni, cioè implementa input, output, informazioni di memorizzazione ed esegue operazioni aritmetiche e logiche.

Uno schema a blocchi semplificato di uno dei microprocessori è mostrato in Fig. 10.37 ed è costituito da un'unità di controllo (CU), un'unità logica aritmetica a otto bit (ALU) e un insieme di n registri paralleli di m bit di uso generale (POH ), progettato per memorizzare numeri binari utilizzati nel corso dei calcoli. Il microprocessore include anche due registri buffer paralleli (BR) progettati per la memorizzazione a breve termine dei numeri (A) e (B) durante il funzionamento (ALU).

Il dispositivo di controllo (CU) con firmware per le singole operazioni imposta le modalità operative in tutti gli elementi del microprocessore. Durante il funzionamento del microprocessore, i numeri (A) e (B) su cui viene eseguita l'operazione vengono trasferiti via autostrada dai registri (RON) ai registri buffer (BRA) e (BRV). Quindi, al comando dell'unità di controllo (CU), l'unità logica aritmetica (ALU) esegue l'operazione specificata e il suo risultato (F) secondo

l'autostrada viene trasferita ai registri (RON), in cui viene cancellato il numero precedentemente registrato. Ad esempio, l'addizione di tre numeri viene eseguita in questo modo: prima vengono sommati i primi due numeri e il risultato viene registrato in RON. Quindi il dispositivo (ALU) riceve il risultato dell'addizione e il terzo numero, come risultato della loro addizione, il risultato finale viene scritto nei registri (RON).

Fig.10.37. Schema a blocchi semplificato di un microprocessore

Affinché il microprocessore (MP) possa svolgere le sue funzioni, sono necessari dispositivi aggiuntivi, che sono mostrati in Fig. 10.38 e costituiscono un sistema a microprocessore o microcomputer.

Fig.10.38. sistema a microprocessore

Il sistema a microprocessore contiene una memoria (ROM) e (RAM) progettate per memorizzare le informazioni. (ROM) sono memorie di sola lettura contenenti informazioni permanenti che possono essere lette solo utilizzando i comandi (K). (RAM) è una memoria ad accesso casuale che memorizza i programmi, cioè informazioni che possono essere ripetutamente scritte e lette durante l'esecuzione del programma, sotto forma di scambio di dati (D). Le informazioni in memoria si trovano in celle, ognuna delle quali ha il proprio indirizzo (A). I dati (D) vengono inviati agli ingressi del dispositivo di input delle informazioni (IUV) e le informazioni vengono lette dal dispositivo di output (Alas). Il microprocessore (MP) è collegato dagli indirizzi (A) con (ROM) e (UVV). L'immissione di informazioni nei sistemi a microprocessore viene effettuata da tastiera, sensori di parametri tecnologici con uscite digitali, da fotolettori e l'emissione di informazioni viene effettuata mediante registri. I dispositivi di input-output sono una combinazione di registri, amplificatori e chiavi. L'interazione dei sistemi a microprocessore tra loro e con dispositivi esterni viene effettuata utilizzando hardware speciale che obbedisce ai comandi del processore centrale.