Procesory jednoukładowe

Procesory
jednoukładowe
Inne nazwy: mikrokontrolery
jednoukładowe, mikrokomputery
jednoukładowe
Czym jest procesor jednoukładowy?
Istotą tego określenia jest to, że w jednej kości układu
scalonego zawarte są wszystkie elementy niezbędne do działania
komputera (systemu procesorowego).
Oczywiście nie chodzi to o komputer w potocznym
rozumieniu tego słowa (z monitorem i klawiaturą) lecz o
„urządzenie do automatycznego przetwarzania informacji
w sposób określony przez program”.
Komputer jednoukładowy będzie zastępować złożone
układy kombinacyjne i sekwencyjne, dając potencjalną możliwość
zmiany działania urządzenia poprzez zmianę programu.


Mikrokontroler stanowi użyteczny i całkowicie
autonomiczny system mikroprocesorowy, który
z reguły do swej pracy nie potrzebuje
dodatkowych układów, może bezpośrednio
współpracować z różnymi urządzeniami
zewnętrznymi.
Mikrokontrolery wykorzystuje się powszechnie
w sprzęcie AGD, układach kontrolnopomiarowych, w przemysłowych układach
automatyki, w telekomunikacji itp.
Podstawowe własności każdego procesora jednoukładowego:
• jednostka arytmetyczno-logiczna 8 bitowa (lista rozkazów zawsze
taka sama)
• pamięć RAM 128 B (danych)
• pamięć ROM 2 kB (programu)
• możliwość adresowania 64 kB pamięci programu i 64 kB pamięci
danych.
• cztery 8-bitowe porty wejścia-wyjścia
• układ przerwań priorytetowych
• układ wejścia-wyjścia szeregowego
• dwa układy czasowo-licznikowe
• układ resetu (wymagający elementów zewnętrznych)
• układ generacji przebiegu zegarowego (wymagający zewnętrznego
rezonatora kwarcowego)
Jak zmieniały się procesory jednoukładowe?
Historyczny już procesor 8051 był wyposażony w 2
kB pamięci ROM programowanej przez producenta.
Aby projektant mógł decydować o zawartości pamięci
ROM bez udziału producenta wprowadzono model
8751, w którym pamięć programu była zrealizowana w
oparciu o pamięć EPROM. Wadą takiego rozwiązania
była wysoka cena. Z tego powodu każdy komputer
jednoukładowy (również z pamięcią ROM) miał
możliwość zablokowania wewnętrznej pamięci ROM i
podłączenia pamięci zewnętrznej.
Takie rozwiązanie powodowało utratę dwóch
portów wejścia-wyjścia oraz rozbudowę układu.
Rozwój układów pamięci spowodował jednak, że na dzień dzisiejszy pamięć
jest zrealizowana w oparciu o układy typu Flash, i nie ma to znaczącego
wpływu na cenę. Na bazie cech powyższych produkowana jest ogromna ilość
odmian z takim cechami jak:
• zwiększenie pojemności pamięci wewnętrznej (ROM i RAM)
• zwiększenie ilości układów czasowo-licznikowych
• zwiększenie ilości układów wejścia-wyjścia szeregowego
• sprzętowe kodowanie RAS
• układ interfejsu radiowego
• przetwornik(i) analogowo-cyfrowe
• dekoder mp3
• magistrale I2C, CANBUS
• komparator analogowy
• nieulotna pamięć danych EEPROM
• watchdog
• całkowicie wewnętrzny generator sygnału zegarowego
• układy w mniejszych obudowach (po rezygnacji z części portów)
• interfejs ISP
Na szczególną uwagę zasługuje interfrejs ISP (In
System Programming). Aby zaprogramować
standardowy układ rodziny 8051 należy użyć
programatora równoległego, którego wartość
niejednokrotnie przekracza wartość konstruowanego
układu.
Aby rozwiązać ten problem wprowadzono interfrejs
ISP charakteryzujący się tym że:
1. Aby zaprogramować układ nie trzeba go wyciągać
(wylutowywać) z układu
2. Programator podłączany do LPT komputera można
zrobić samemu po minimalnych kosztach
Wśród wbudowanych w mikrokontroler
bloków funkcjonalnych można znaleźć:







jednostkę obliczeniową (ALU) - 8-bitową, ale także 16 i 32-bit,
pamięć danych (RAM, EEPROM) i programu (EPROM,
EEPROM, Flash, ROM),
liczniki,
kontrolery przerwań,
kontrolery transmisji szeregowej lub równoległej (UART, SPI,
I2C, USB, CAN, 1-Wire itp.),
przetworniki analogowo-cyfrowe lub cyfrowo-analogowe,
zegar czasu rzeczywistego RTC.
Zegar procesora mikrokontrolerów może
być taktowany zewnętrznie (poprzez układ
oscylatora kwarcowego i dwóch kondensatorów
lub poprzez generator) lub wewnętrznie (wiele
nowoczesnych mikrokontrolerów ma
wbudowane układy taktujące, również w
bardziej rozbudowanej wersji z syntezą
częstotliwości przy pomocy pętli synchronizacji
fazowej). Zegary współczesnych
mikrokontrolerów osiągają częstotliwości do
kilkuset MHz.
Oprogramowanie mikrokontrolerów może być
zapisane do układu na etapie produkcji (pamięć ROM)
lub do zaprogramowania przez użytkownika: w pamięci
do jednokrotnego programowania (OTP - one time
programmable), do wielokrotnego programowania (w
pamięci EPROM, EEPROM, FLASH EEPROM itp.)
lub do programowania w zmontowanym urządzeniu
(ISP - in-system programmable, programowanie
mikrokontrolera bez wyjmowania go z układu,
najczęściej poprzez wydzielone wyjścia mikrokontrolera
za pomocą komputera osobistego).
Do programowania mikrokontrolerów
najczęściej używane są asemblery, język C oraz
dialekty BASICa. Istnieją również specjalizowane
narzędzia umożliwiające zaprogramowanie
mikrokontrolera w oparciu o schemat blokowy
algorytmu, schemat automatu skończonego lub
układ połączeń bloków operacyjnych (np.
Actum Realizer).
Rozwój technologii, oprócz wzrostu niezawodności,
zasobów i poprawy parametrów, umożliwił także zmiany w
architekturze tych układów.
Wprowadza się rozbudowane układy peryferyjne
(sterownik wyświetlacza LCD, dekoder MP3, sterownik
magistrali ATA, radiomodem i inne).
Oprócz klasycznych rozwiązań ośmio- i
szesnastobitowych, pojawiają się układy ze słowem 32bitowym.
Jeden z kierunków rozwojowych oferuje sprzętowe
wsparcie języków wysokiego poziomu takich, jak Java.
Niektóre firmy produkują również wersje uproszczone
mikrokontrolerów, w niewielkich obudowach (począwszy
od trzech wyprowadzeń), co zapewnia zminimalizowanie
kosztów dla układów stosowanych w prostych aplikacjach.
Do najbardziej popularnych mikrokontrolerów
należą układy takich firm jak Atmel, Intel, Freescale
Semiconductor (dawniej Motorola), Infineon, Analog
Devices, Philips, ST, Hitachi i wielu innych.
Niekwestionowany standard dla rynku masowego
narzuciła firma Intel, która wprowadziła na rynek
mikrokontroler 8051. Obecnie wielu producentów stara
się zachować zgodność wstecz z rodziną 8051
(oznaczaną także jako S51 lub x51).
Bardzo popularne są również mikrokontrolery AVR
firmy Atmel oraz PIC firmy Microchip Technology.
4-bitowy Intel 4004 - pierwszy na świecie (1971r. )
komercyjny jednoukładowy procesor komputerowy.
Dziękuję za uwagę 