Mikrovaldiklių apibrėzimas ir savybės

Mikrovaldiklių apibrėzimas ir savybės.

Galimi tokie mikroprocesorinių sistemų funkcinių elementų (CPU, atmintis, LCD kontroleris, ROM, RAM, taimeris, USART, TKA kontroleris, pertraukimų kontroleris ir kt.) realizavimo būdai:

vieno elemento funkcijas realizuoja keletas IS;

kiekvieną funkcinį elementą atitinka atskira didelės integracijos schema, realizuojanti jo funkcijas;

keli (arba visi) funkciniai elementai realizuoti viename DIS (mikrovaldilkis).

Jeigu visi MPS funkciniai elementai yra vienoje DIS, ji vadinama vienkristaliu mikrokompiuteriu, arba mikrovaldikliu (microcontroller).

Mikrovaldikliai naudojami skaitmeninėje elektronikoje, kur nereikia atlikti itin sudėtingų skaičiavimų realiame laike. Jie itin patogūs ir lankstūs dėl įvairios periferijos integracijos, galimybės suderinti analogines ir skaitmenines grandines, galimybės atnaujinti projektą, neatliekant pakeitimų schemoje, bei sąlyginai nedidelės kainos.

Pirmieji kontroleriai buvo gaminami is loginių komponentų. Tęsiantis miniatiūrizacijos procesui, visi komponentai reikalingi kontroleriui buvo įdiegti tiesiai į vieną integrinę schemą (kristalą). Tokiu būdu issivystė taip vadinamas vienkristalis kompiuteris, arba mikrovaldiklis. Mikrovaldiklis yra didelio integracijos lygio mikroschema, kurioje yra visos kontroleriui reikalingos dalys. Pagrindinės yra sios:

Centrinis procesorius (CPU);

Operatyvinė atmintis (RAM);

Istrinama programuojama pastovioji atmintis (EPROM/PROM/ROM);

Nuoseklus ir lygiagretus įėjimo/isėjimo prievadai (I/O ports);

LCD kontroleriai;

Taimeriai;

Pertraukimų kontroleris.

Įdiegus savybes, specifines tam tikrai uzduočiai atlikti, mikrovaldiklio kaina yra santykinai maza. Tipiskas mikrovaldiklis turi bito valdymo instrukcijas, tiesioginį įėjimo/isėjimo prievadų isrinkimą, taip pat greitą ir efektyvų pertraukimų apdorojimą. Mikrovaldiklį galima vadinti "vieno kristalo sprendimu". Tokia konstrukcija sumazina dalių skaičių ir kainą.

Mikrovaldiklių rinka labai plati ir rinktis tikrai yra is ko. Nesunku susirasti projekto reikalavimus geriausiai atitinkantį produktą. Mikrovaldikliai pagal architektūrą skiriami į dvi grupes, Harvard ir von Neumonn. Harvard būdingos dvi skirtingos magistralės, duomenų ir programos, tuo tarpu von Neumonn architektūroje ji yra bendra. Dėl sios priezasties Harvard architektūra pranasesnė greitaveikos atzvilgiu.

Pagrindiniai mikrovaldiklių pasirinkimo kriterijai:

1) Procesoriaus architektūra. Mikrovaldikliai gaminami su 4, 8, 16 ir 32 bitų duomenų magistrale.

2) Maksimalus taktinis daznis. Paprastai mikrovaldiklių greitaveika pateikiama kaip atliekamų operacijų skaičiumi per sekundę, kuris gali būti mazesnis arba lygus taktiniam dazniui.

3) Atminties tipas ir kiekis. Siuolaikiniuose mikrovaldikliuose plačiausiai taikoma Flash ir EEPROM tipo atmintys kadangi joms programuoti uztenka nedidelės įtampos. ROM tipo atmintis turintys mikrovaldikliai naudojama masinėje gamyboje. Atminties kiekis gali svyruoti nuo 0,5 kB iki 2MB ar daugiau.

4) Periferija - tai papildomi moduliai, integruoti į tą patį kristalą. Tai gali būti blokai palaikantys įvairius komunikacijos standartus (RS232, RS485, CAN, USB, I2C), analoginių signalų keitikliai (ASK, SAK), kontroleriai palengvinantys LCD displėjų valdymą ir t.t.

5) Mikrovaldiklis ar mikroprocesorius?:

a)    Mikrovaldiklyje visi moduliai integruoti į tą patį kristalą. Tai blokai palaikantys įvairius komunikacijos standartus (RS232, RS485 ir kiti.), įtampos keitikliai (ASK, SAK), grandinės lengvinančios LCD displėjų valdymą ir kiti vidiniai įrenginių moduliai.

b)   Mikroprocesorius yra vienas visame kristalo plote.

c)    Prie mikroprocesoriaus yra prijungiami isoriniai moduliai: atminties, analoginis skaitmenis keitiklis ir kiti įrenginiai.

d)   Mikroprocesoriaus greitaveika yra zymiai didesnė.

Priklausomai nuo reikiamo galingumo ir savybių mikrovaldikliai gali apdoroti 4, 8, 16 arba 32 bitų duomenis. 2000 metais buvo atliktas mikrovaldiklių rinkos tyrimas. Tyrimo metu gauti rezultatai pateikiami 1 ir 2 pav.

1 pav. Mikrovaldiklių pardavimai pasauliniu mastu (mln.dol. per metus)

2 pav. Mikrovaldiklių pardavimai pasauliniu mastu (mln.vnt. per metus)

Didziausi ir populiariausi mikrovaldiklių gamintojai yra Microchip, Intel, Atmel, Motorola, Cypress, National, Texas Instrument, Philips, Analog Devices, ST-Microelectronics, Dalas - semiconductors, SGS - Thomson ir kiti maziau zinomi Europoje ir JAV.

Kaip pastebime is grafikų 8-bitų mikrovaldikliai uzima daugiau negu pusę rinkos. Palyginkime desimties didziausių mikrovaldiklių gamintojų pardavimus 1994 ir 1995 metais:

Reitingas:

1994 Gamintojas Pardavimai (milijonais dolerių)

1995 1994

1 1 Motorola 1,781 1,511

2 2 NEC 1,421 1,208

3 4 Mitsubishi 945 708

4 3 Hitachi 899 782

5 5 Intel 835 605

6 6 TI 807 534

7 8 Philips 524 345

8 7 Matsushita 500 413

9 10 Lucent (AT&T) 492 275

9 Toshiba 400 328

Trumpai apzvelkime populiariausių skirtingų firmų mikrovaldiklių savybes.

Intel 8048 Tai pirmasis mikrovaldiklis. Jis vis dar populiarus dėl labai mazos kainos, naudingumo ir plačių tobulinimo galimybių. Modifikuota Harvardo architektūra su pastoviąja atmintimi ROM ir su papildoma 64 - 256 baitų operatyvine atmintimi kristale.

Intel 8051 - antros kartos mikrovaldiklis. Modifikuota Harvardo architektūra su atskira adresų erdve programų atminčiai ir duomenų atminčiai. Programų atmintis gali būti virs 64 KB Mazesnioji dalis (4 ar 8KB priklausomai nuo tipo) gali būti kristale. Sis mikrovaldiklis gali adresuoti virs 64 KB isorinės duomenų atminties, kuri yra prieinama tik esant netiesioginiam adresavimo rezimui. Turi 128 baitus operatyvinės atminties (RAM) ir keletą specialios paskirties registrų (SFRs). Siam mikrovaldikliui yra daug komercinės ir nemokamos programinės įrangos. 8051 mikrovaldiklis daznai naudojamas daugumoje konstrukcinių projektų mėgėjų zurnaluose.

80c196 (MCS-96) Trečioji Intel mikroprocesorių karta. 80c196 yra 16 bitų procesorius. Originaliai suprojektuotas pagal NMOS technologiją, dabar gaminamas CMOS pagrindu.

Intel 80186, 80188. Sie is esmės yra mikroprocesorių 8086 ir 8088 versijos. Juose įdiegti du TKA kanalai, du taimeriai/skaitikliai, programuojamas pertraukimų kontroleris ir dinaminė RAM atmintis. Siuos mikrovaldiklius galima lengvai programuoti standartiniais kompiuterio programiniais įrankiais (C kalbos kompiliatoriumi, asembleriu), kadangi jų architektūra yra tokia pati  kaip ir originalaus 8088 mikroprocesoriaus, naudojamo IBM asmeniniame kompiuteryje.

Motorola 68HC05. Sis taip pat ir ankstesnis 6805 mikrovaldikliai yra isleisti 6800 mikrovaldiklio pagrindu. Pagaminti pagal Von-Neuman architektūrą, kurioje instrukcijos, duomenys, I/O ir taimeriai visi dalinasi ta pačia atminties erdve.

Motorola ir Toshiba 68hc11. Populiarusis 68hc11 yra galingas 8-bitų duomenų ir 16-bitų adresų magistralės mikrovaldiklis, savo instrukcijų rinkiniu panasus į ankstesnius 68xx seimos mikrovaldiklius (6801, 6805, 6809). Mikrovaldiklis turi bendrą atminties architektūrą, integruotus EEPROM/OTPROM, RAM, I/O, taimerius, A/S keitiklį, PWM generatorių, nuoseklaus rysio kanalą.

Motorola 683xx. Sios serijos mikrovaldikliai gali būti vadinami "integruotais procesoriais". Turi didelį nasumą, gali adresuoti didelį kiekį atminties. Vienas is pavyzdzių būtų Motorola 68331, galingumu prilygstantis Intel 80386 mikroprocesoriui.

MicroChip PIC. PIC mikrovaldikliai yra pirmieji RISC architektūros mikrovaldikliai. RISC architektūra reiskia, kad konstrukcijos paprastumas leidzia suteikti daugiau savybių mazesne kaina ir sie mikrovaldikliai nėra isimtis. Skirtingos magistralės instrukcijoms ir duomenims (Harvardo architektūra) leidzia programos ir duomenų isrinkimą tuo pačiu metu. Konstrukcijos paprastumo privalumai yra labai mazas kristalas, mazas isvadų skaičius ir labai mazas energijos suvartojimas. PIC mikrovaldikliai sparčiai populiarėja, daznai naudojami įvairiems projektams. Isskiriamos kelios sių mikrovaldiklių seimos: PIC16C5x, PIC16Cxx ir PIC17Cxx.

Kiti populiarių mikrovaldiklių gamintojai: National Semiconductor (COP400 serija, COP800 serija, HPC serija), Zilog (Z8), Hitachi (HD64180).

1 lentelė. Mikrovaldiklių pagrindiniai techniniai parametrai

2 lentelė. Mikrovaldiklių pagrindiniai techniniai parametrai (2 dalis)

Is lentelių matoma, kad MSP430 issiskiria is kitų mikrovaldiklių tuo, jog turi integruotą LCD valdymo bloką. Kaip buvo minėta anksčiau 430 serija pasizymi puikiomis energijos taupymo savybėmis.

Mikrovaldiklių taikymo sritys

3 pav. Mikrovaldiklių MSP430 taikymo sritys

Mikrovaldikliai (MCU) plačiai naudojami matavimo prietaisuose, skaitmeniniame variklių valdyme, medicininėje technikoje, automobilių pramonėje, rysių technikoje ir daugelyje kitų sričių. Plačiausiai mikrovaldikliai naudojami autonominėse valdymo sistemose, kai pagal uzduotą algoritmą seka kontroliuojamo objekto parametrus (matuojant analoginius signalus) ir jei yra poreikis juos koreguoja. Daznai MCU naudojami bei duomenų surinkimo technikoje. Mikrovaldiklių MSP430 taikymo pavyzdziai:

Mikrovaldiklis gali dirbti kaip laikrodis. Dėl labai mazo srovės suvartojimo (1,52mA) su vienu ličio elementu gali dirbti apie 10 metų

a)

Mikrovaldiklį galima panaudoti termometro valdymo schemoje. Tam puikiai tinka skystųjų kristalų indikatorius.

b)

Mikrovaldikliai gali būti panaudoti vienfazio elektros skaitiklio schemoje. Naudodamas 14 bitų ASK, analoginius įtampos ir srovės signalus keičia į skaitmeninę reiksmę. Procesorius suskaičiuoja sunaudotą energijos kiekį ir tiesiogiai isveda į LCD.

c)

4 pav. Mikrovaldiklių MSP430 taikymo pavyzdziai