mikrokontrolery - - podstawowe architektury
DESCRIPTION
Mikrokontrolery - - podstawowe architektury. Mariusz NOWAK. Wprowadzenie. Architektura mikrokontrolera to zespół atrybutów widzianych przez programistę. Wprowadzenie – typy architektur. W zależności od typu struktury pamięci wyróżniamy architektury: harwardzką - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (1)
Mikrokontrolery - - podstawowe architektury
Mariusz NOWAK
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (2)
Wprowadzenie
Architektura mikrokontrolera to zespół atrybutów widzianych przez programistę.
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (3)
Wprowadzenie – typy architektur
W zależności od typu struktury pamięci wyróżniamy architektury:• harwardzką• zmodyfikowaną harwardzką• von-Neumanna
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (4)
Wprowadzenie – typy architektur
W zależności od typu listy instrukcji wyróżniamy architektury:• RISC (ang. Reduced Instruction Set Computer)• CISC (ang. Complex Instruction Set Computer)
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (5)
Wprowadzenie - definicja
Mikrokontrolerem nazywamy układ scalony z wyspecjalizowanym mikroprocesorem, spełniający dwa kryteria:
• jest zdolny do autonomicznej pracy• został zaprojektowany do pracy w systemach
kontrolno - pomiarowych
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (6)
Schemat blokowy mikrokontrolera
Dane ProgramUrządzeniaperyferyjne
Jednostkacentralna
Szyna adresowa
Pamięć
Szyna danych
Szyna sterująca
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (7)
Cechy mikrokontrolera
• zamknięcie magistrali danych i adresowej wewnątrz układu scalonego• stała struktura pamięci ROM/RAM• stałość programu sterującego• dostęp do rejestrów procesora i układów we/wy przez mechanizm adresowania pamięci RAM• rejestrowa struktura jednostki centralnej• bogaty zestaw urządzeń we/wy• rozbudowane układy przerwań• różnorodne tryby i środki redukcji poboru mocy
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (8)
Cechy mikrokontrolera cd.
• rozbudowane mechanizmy kontroli i detekcji nieprawidłowych stanów mikrokontrolera• umieszczenie w jednej strukturze układów cyfrowych i analogowych
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (9)
Standardowa architektura mikrokontrolera
Układy we/wy
Układy Peryferyjne
Rejestryspecjalne
Szyna adresowa
Pamięć danych (wewnętrzna)
Bufor szyny danych
Pamięć programu (wewnętrzna)
Układzasilania
Zegar
Akumulator
Rejestrprzejściowy
Rejestrwskaźników
Rejestrrozkazów
……
Wskaźnik stosu
Rn-1Rn-2
R1R0
Rejestr adresowy
Licznik programuUkładsterowania
Dekoderrozkazów
Bufor adresowy
Zewnętrzna szyna danych
Wewnętrzna szyna danych
Szynasterowania
We/Wy
ALU
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (10)
Jednostka centralna
Najważniejszym elementem mikrokontrolera jest jednostka centralna zwana procesorem.
Właściwości jednostki centralnej:• należy do grupy układów synchronicznych i sekwencyjnych• posiada własną pamięć (rejestry)
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (11)
Zadania układów sterowania i wykonawczego
Zadaniem układu sterowania jest:• koordynacja pracy bloków mikrokontrolera• wystawianie sygnałów sterujących na szynę sterującą
Zadaniem układu wykonawczego jest:• realizacja operacji określonych przez sygnały sterujące
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (12)
Układ wykonawczy
W skład układu wykonawczego wchodzi:• jednostka arytmetyczno-logiczna ALU• akumulator• rejestr przejściowy• rejestr wskaźników (rejestr stanu)
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (13)
Podsystem sterowania
W skład podsystemu sterowania wchodzi:• rejestr rozkazów IR (ang. Instruction Register)• dekoder rozkazów• wskaźnik instrukcji IP (ang. Instruction Pointer)• wybrane rejestry specjalne SFR (ang. Special Function Registers) • wskaźnik stosu SP (ang. Stack Pointer)• kontrolery szyn• układy transmisyjne• kontroler przerwań
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (14)
Wykonywanie rozkazów
Cykl wykonania rozkazu odbywa się w dwóch fazach:• pobranie kodu rozkazu z pamięci programu do rejestru
rozkazów• wykonanie odpowiedniej sekwencji operacji
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (15)
Pamięć
W zależności od typu, mikrokontroler wyposażony jest w różne typy wbudowanej pamięci wewnętrznej:• pamięć RAM (ang. Random Access Memory)• pamięć ROM (ang. Read-Only Memory)• pamięć EPROM (ang. Erasable Programmable ROM)• pamięć OTP (ang. One Time Programmable)• pamięć EEPROM (ang. Electrically Erasable PROM)• pamięć FLASH (ang. bulk erasable non-volatile memory)
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (16)
Przykładowa struktura mapy pamięci mikrokontrolera
0…00h
Rejestry specjalne SFR
Rejestr kontrolerówurządzeń zewnętrznych
Zewnętrzna pamięć danych
Przestrzeń nie wykorzystana
Zewnętrzna pamięć programuAdresy procedur obsługi przerwań
Programy diagnostycznei systemowe (monitor)
Układy wejścia/wyjścia
Pamięć danych i stos
Rejestry
F…FFh
Przestrzeń adresowa pamięci zewnętrznej
Przestrzeń adresowa pamięci wewnętrznej
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (17)
Podstawowe tryby adresowania
Do najważniejszych trybów adresowania zaliczamy:• implikowane (wewnętrzne, rejestrowe)• natychmiastowe• bezpośrednie• indeksowe• pośrednie• względne
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (18)
Rejestry ogólnego przeznaczenia
R08
R09
R10
R11
R12
R13
R14
R15
R4LR4H
R5LR5H
R6LR6H
R7LR7H
R0LR0H
R1LR1H
R2LR2H
R3LR3H
16-bitowe rejestry globalne
8- i 16-bitowe rejestry globalne
4 banki rejestrów 8- i 16-bitowych
Struktura rejestrów ogólnego przeznaczenia w mikrokontrolerze 80C51 XA
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (19)
Porty równoległe
Typy portów:• dwukierunkowe• jednokierunkowe wejściowe• jednokierunkowe wyjściowe
Rodzaje linii portów:• dwukierunkowe• z otwartym obwodem drenu tranzystora• o zwiększonej obciążalności
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (20)
Wewnętrzne urządzenia peryferyjne
Najczęściej spotykane wbudowane urządzenia peryferyjne:• układy licznikowe/czasowe• licznik nadzorcy – watchdog• przetworniki A/C• sterowniki komunikacji szeregowej
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (21)
Wewnętrzne urządzenia peryferyjne cd.
Innymi spotykanymi wbudowanymi urządzeniami peryferyjnymi są:• interfejs równoległy• przetworniki C/A• interfejs wyświetlacza LCD• interfejs klawiatury• PWM (ang. Puls Width Modulation• kontroler CRT (monitora ekranowego)
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (22)
System przerwań
Przerwania dzieli się na cztery kategorie zdarzeń:• sytuacje wyjątkowe (ang. exception interrupts)• maskowalne przerwania sprzętowe (ang. event interrupts)• przerwania programowe (ang. software interrupts)• pułapki (ang. traps)
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (23)
Architektura superskalarna i przetwarzanie potokowe
Architektura superskalarna (ang. superscalar) – zwielokrotnienie układu wykonawczego.
Przetwarzanie potokowe (ang. pipelining) – zamiast jednego rejestru instrukcji stosuje się pamięć typu FIFO (ang. First-In First-Out), która gromadzi kolejkę instrukcji.
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (24)
Mikrosystemy kontrolerów
Koncepcja scalonego, kompletnego mikrosystemu kontrolera o elastycznej strukturze opiera się na następujących założeniach:• oprócz procesora i układów peryferyjnych mikrokontroler posiada wbudowane układy PLD (ang. Programmable Logic Device),• zastosowanie układu DSP, pamięci, urządzeń
peryferyjnych o cechach zdefiniowanych przez projektanta zwiększa możliwości zastosowania mikrosystemu.
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (25)
Struktury mikrosystemów
Ze względu na sposób korzystania z zewnętrznych pamięci możemy wyróżnić mikrokontrolery:• udostępniające szyny systemowe poprzez wyprowadzenia portów,• udostępniające bezpośrednio szyny systemowe,• mikrokontrolery zamknięte (embedded).
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (26)
Problem redukcji poboru mocy
Metody redukcji mocy:• stosowanie dwóch oscylatorów,• sieć dystrybucji,• hibernowanie.
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (27)
Architektura RISC
Architektura RISC (ang. Reduced Instruction Set Computer) (zredukowana lista instrukcji):• oddzielne szyny dla danych i programu,• wykorzystywanie przetwarzania potokowego w celu zwiększenia szybkości wykonywania programu,• ograniczony zbiór realizowanych instrukcji
Systemy wbudowane
Mikrokontrolery – podstawowe architektury (28)
Literatura
Gałka P., Gałka P., Podstawy programowania mikrokontrolerów 8051, MIKOM, Warszawa 2000, wydanie IIDaca W., Mikrokontrolery od układów 8-bitowych do 32-bitowych, MIKOM, Warszawa 2000Pełka R., Mikrokontrolery – architektura, programowanie, zastosowania, WKŁ, Warszawa 2000Niederliński A., Mikroprocesory, mikrokomputery, mikrosystemy, WSiP, Warszawa 1997Asembler – Ćwiczenia praktyczne, Praca zbiorowa pod redakcją Eugeniusza Wróbla, Helion, Gliwice 2002