Микросхема предназначенная для управления электронными устройствами. Программирование микроконтроллеров

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом микропроцессорных: микропроцессора или микроконтроллера.

Микропроцессором (МП) называется программно-управляемое устройство («обработчик»), осуществляющее выполнение арифметических, логических операций, процесс цифровой обработки информации и управления им, на одной большой интегральной схеме (БИС) или комплекта из нескольких специализированных микросхем.

Микроконтроллер (МК)– это микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. сочетает на одном кристалле функции процессора и различных периферийных устройств, содержит ОЗУ или ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

микропроцессорное устройство (МПУ), представляет собой функционально и конструктивно законченное изделие, состоящее из нескольких микросхем, в состав которых входит микропроцессор; оно предназначено для выполнения определенного набора функций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление.

По функциональному признаку микропроцессоры делятся на МП общего назначения и специализированные МП. Последние, подразделяются на микроконтроллеры и цифровые процессоры сигналов (ЦПС, англ. Digital Signal Processor – DSP). МК бывают 8-, 16- и 32-разрядными, а ЦПС – с фиксированной точкой (16- и 24-разрядные) и с плавающей точкой (32-разрядные). Характерной особенностью структуры микроконтроллеров является размещение на одном кристалле с центральным процессором внутренней памяти и большого набора периферийных устройств.

Архитектурой процессора называется комплекс его аппаратных и программных средств, предоставляемых пользователю. В это общее понятие входит набор программно-доступных регистров и исполнительных (операционных) устройств, система основных команд и способов адресации, объем и структура адресуемой памяти, виды и способы обработки прерываний.

CISC – архитектура реализована во многих типах микропроцессоров, выполняющих большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации. RISC – архитектура отличается использованием ограниченного набора команд фиксированного формата. VLIW – эта архитектура появилась в 1990-х годах. Ее особенностью является использование очень длинных команд (до 128 бит и более), отдельные поля которых содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций.

Принстонская архитектура (Фон-Неймана), характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ, данных, а также для организации стека. Для обращения к этой памяти используется общая системная шина, по которой в процессор поступают и команды, и данные. Наличие общей памяти позволяет оперативно перераспределять ее объем для хранения отдельных массивов команд, данных и реализации стека в зависимости от решаемых задач. Гарвардская - физическое разделением памяти команд (программ) и памяти данных. В ее оригинальном варианте использовался также отдельный стек. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении текущей команды производить выборку и декодирование следующей команды. более высокая производительность, чем при использовании Принстонской архитектуры.

Конструирование программ. проектируется программа удовлетворяющая требованиям постановки задачи. После того, как задача в целом поставлена, выполняется этап конструирования программы который традиционно связывается с составлением блок схемы программы, однако на этапе разработки программы полезно применять и следующие методы проектирования:

Модульным программированием называется метод, при котором длинные программы разбиваются на более короткие программы (модули).

Нисходящим программированием называется метод, при котором разрабатываемая задача расчленяется на несколько обобщенных задач, которые затем детализируются далее. Этот процесс продолжается сверху вниз до тех пор, пока получаемые подзадачи не оказываются поставленными в таком виде, что их можно просто реализовать на ЭВМ. Структурным программированием называется метод, при котором программы пишут по специально разработанным правилам (в них используются только определенные типы программных операторов) и каждый блок программы имеет только один вход и один выход.

Организация памяти микроконтроллера

Порты ввода-вывода

Таймеры-счетчики

Прерывания

Аналого-цифровой преобразователь

Интерфейсы связи

Универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик USART

Видеокурс по программированию микроконтроллеров STM32

Микропроцессором называется программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управление им. Микропроцессор реализуется в виде большой (БИС) или сверхбольшой (СБИС) интегральной микросхемы. Микропроцессор выполняет роль процессора в цифровых системах различного назначения.

Главной особенностью микропроцессора является возможность программирования логики работы.

Микроконтроллер (MCU) – микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом микропроцессорных: микропроцессора и/или микроконтроллера.

Микропроцессорное устройство (МПУ) представляет собой функционально и конструктивно законченное изделие, состоящее из нескольких микросхем, в состав которых входит микропроцессор; оно предназначено для выполнения определенного набора функций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление.

Основные преимущества микропроцессорных систем по сравнению с цифровыми системами на «жесткой логике».

Многофункциональность: большее количество функций может быть реализовано на одной элементной базе.
Гибкость: возможность исправления и модификации программы микропроцессора для реализации различных режимов работы системы.
Компактность: миниатюрные габариты микросхем и уменьшения их количества по сравнению с реализацией на «жесткой логике» позволяют уменьшить габариты устройств.
Повышение помехоустойчивости: меньшее количество соединительных проводников способствует повышению надежности устройств.
Производительность: возможность применения больших рабочих частот и более сложных алгоритмов обработки информации.
Защита информации: возможность защитить программу микропроцессора от считывания позволяет защитить авторские права разработчиков.

Хотя микропроцессор является универсальным средством для цифровой обработки информации, однако отдельные области применения требуют реализации определенных специфических вариантов их структуры и архитектуры. Поэтому по функциональному признаку выделяются два класса: микропроцессоры общего назначения и специализированные микропроцессоры. Среди специализированных микропроцессоров наиболее широкое распространение получили микроконтроллеры, предназначенные для выполнения функций управления различными объектами, и цифровые сигнальные процессоры (DSP – Digital Signal Processor), которые ориентированы на реализацию процедур, обеспечивающих необходимое преобразование аналоговых сигналов, представленных в цифровой форме.

Неполный список периферии, которая может присутствовать в микроконтроллерах, включает в себя:

различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I²C, SPI, CAN, USB, ETHERNET;
аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
компараторы;
широтно-импульсные модуляторы;
таймеры-счетчики;
генератор тактовой частоты;
контроллеры дисплеев и клавиатур;
массивы встроенной флэш-памяти.

Идея размещения на одном кристалле микропроцессора и периферийных устройств принадлежит инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам Texas Instruments. Первым микроконтроллером был 4-х разрядный TMS1000 от Texas Instruments, который содержал ОЗУ (32 байта), ПЗУ (1 кбайт), часы и поддержку ввода-вывода. Выпущенный в 1972 году, он имел новую по тем временам возможность – добавление новых инструкций.

В 1976 году (через 5 лет после создания первого микропроцессора) на свет появился первый микроконтроллер фирмы Intel, получивший имя 8048. Помимо центрального процессора, на кристалле находились 1 килобайт памяти программ, 64 байта памяти данных, два восьмибитных таймера, генератор часов и 27 линий портов ввода-вывода. Микроконтроллеры семейства 8048 использовались в игровых консольных приставках Magnavox Odyssey, в клавиатурах первых IBM PC и в ряде других устройств.

На сегодняшний день среди крупных производителей микроконтроллеров следовало бы упомянуть Atmel, Microchip, ST Microelectronics, Texas Instruments, Freescale Semiconductor, NXP и др.

Микроконтроллер - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять относительно простые задачи.

С появлением однокристальных микро-ЭВМ связывают начало эры массового применения компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому, это обстоятельство и определило термин «контроллер».

В связи со спадом отечественного производства и возросшим импортом техники, в том числе вычислительной, термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микро-ЭВМ».

Первый патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам американской Texas Instruments. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только процессор, но и память с устройствами ввода-вывода.

В 1976 году американская фирма Intel выпускает микроконтроллер i8048. В 1978 году фирма Motorola выпустила свой первый микроконтроллер MC6801, совместимый по системе команд с выпущенным ранее микропроцессором MC6800. Через 4 года, в 1980 году, Intel выпускает следующий микроконтроллер: i8051. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер i8051 являлся для своего времени очень сложным изделием - в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре i8086.

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. Несмотря на популярность в России микроконтроллеров упомянутых выше, по данным Gartner Grup от 2009 года мировой рейтинг по объёму продаж выглядит иначе: первое место с большим отрывом занимает Renesas Electronics на втором Freescale, на третьем

Микропроцессорная система - это вычислительная, контрольно-измерительная или управляющая система, основным устройством обработки информации в которой является МП. Микропроцессорная система строится из набора микропроцессорных больших интегральных схем(БИС).

Характерные особенности микропроцессорных информационно-управляющих систем, предназначенных для автоматизации технологических процессов:наличие ограниченного набора четко сформулированных задач,работа в реальном масштабе времени, наличие развитой системы внешних устройств, высокие требования по надежности с учетом большой продолжительности непрерывной работы, сложные условия эксплуатации;обеспечение автоматического режима работы или режима с участием оператора как элемента системы.

Использование в современном микроконтроллере достаточного мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств. Используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:

В вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков, CD и DVD;

В электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления - стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах;

В автомобилях: бортовые компьютеры, системы управления двигателем и т.д.;

В промышленности: устройств промышленной автоматики - от программируемого реле и встраиваемых систем до ПЛК,систем управления станками.

В настоящее время существует огромная номенклатура (более 10000) различных микроконтроллеров, различающихся сферой применения, параметрами, встроенными в кристалл периферийными узлами. Выпуском микроконтроллеров занимается более десятка производителей.

ВВЕДЕНИЕ

1.1 Классификация и структура микроконтроллеров
1.2 Структура процессорного ядра микроконтроллера
2. Специальная часть
2.1 CISC и RISC архитектура процессора
2.2 RISC-архитектура.
2.3 Микроконтроллер с RISC архитектурой
Заключение
Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ Микроконтроллер (MCU) - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров. Микроконтроллеры являются основой для построения встраиваемых систем, их можно встретить во многих современных приборах, таких, как телефоны, стиральные машины и т.п. Термин "микроконтроллер" (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин "однокристальная микро-ЭВМ". Первый же патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам Texas Instruments. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только микропроцессор, но и память, устройства ввода-вывода. С появлением однокристальных микро-ЭВМ связывают начало эры компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому, это обстоятельство и определило термин "микроконтроллер" (control - управление). В 1979 году НИИ ТТ разработали однокристальную 16-разрядную ЭВМ К1801ВЕ1, архитектура которой называлась "Электроника НЦ". В 1980 году фирма Intel выпускает микроконтроллер i8048. Чуть позже в этом же году Intel выпускает следующий микроконтроллер: i8051. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер i8051 являлся для своего времени очень сложным изделием - в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре i8086.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, шестнадцатибитные MSP430 фирмы TI, а также ARM, архитектуру которых разрабатывает фирма ARM и продаёт лицензии другим фирмам для их производства, процессоров - микроконтроллеры.При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т.д.

1. Общая часть

1.1 Классификация и структура микроконтроллеров В настоящее время выпускается целый ряд типов МК. Все эти приборы можно условно разделить на три основных класса:8-разрядные МК для встраиваемых приложений;16 - и 32-разрядные МК;цифровые сигнальные процессоры (DSP).Наиболее распространенным представителем семейства МК являются 8-разрядные приборы, широко используемые в промышленности, бытовой и компьютерной технике. Они прошли в своем развитии путь от простейших приборов с относительно слаборазвитой периферией до современных многофункциональных контроллеров, обеспечивающих реализацию сложных алгоритмов управления в реальном масштабе времени. Причиной жизнеспособности 8-разрядных МК является использование их для управления реальными объектами, где применяются, в основном, алгоритмы с преобладанием логических операций, скорость обработки которых практически не зависит от разрядности процессора.Росту популярности 8-разрядных МК способствует постоянное расширение номенклатуры изделий, выпускаемых такими известными фирмами, как Motorola, Microchip, Intel, Zilog, Atmel и многими другими. Современные 8-разрядные МК обладают, как правило, рядом отличительных признаков. Перечислим основные из них:модульная организация, при которой на базе одного процессорного ядра (центрального процессора) проектируется ряд (линейка) МК, различающихся объемом и типом памяти программ, объемом памяти данных, набором периферийных модулей, частотой синхронизации;использование закрытой архитектуры МК, которая характеризуется отсутствием линий магистралей адреса и данных на выводах корпуса МК. Таким образом, МК представляет собой законченную систему обработки данных, наращивание возможностей которой с использованием параллельных магистралей адреса и данных не предполагается;использование типовых функциональных периферийных модулей (таймеры, процессоры событий, контроллеры последовательных интерфейсов, аналого-цифровые преобразователи и др.), имеющих незначительные отличия в алгоритмах работы в МК различных производителей;расширение числа режимов работы периферийных модулей, которые задаются в процессе инициализации регистров специальных функций МК.При модульном принципе построения все МК одного семейства содержат процессорное ядро, одинаковое для всех МК данного семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК разных моделей. Процессорное ядро включает в себя: центральный процессор; внутреннюю контроллерную магистраль (ВКМ) в составе шин адреса, данных и управления; схему синхронизации МК; схему управления режимами работы МК, включая поддержку режимов пониженного энергопотребления, начального запуска (сброса) и т.д.Изменяемый функциональный блок включает в себя модули памяти различного типа и объема, порты ввода/вывода, модули тактовых генераторов (Г), таймеры. В относительно простых МК модуль обработки прерываний входит в состав процессорного ядра. В более сложных МК он представляет собой отдельный модуль с развитыми возможностями. В состав изменяемого функционального блока могут входить и такие дополнительные модули как компараторы напряжения, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и другие. Каждый модуль проектируется для работы в составе МК с учетом протокола ВКМ. Данный подход позволяет создавать разнообразные по структуре МК в пределах одного семейства.1.2 Структура процессорного ядра микроконтроллера Основными характеристиками, определяющими производительность процессорного ядра МК, являются:набор регистров для хранения промежуточных данных;система команд процессора;способы адресации операндов в пространстве памяти;организация процессов выборки и исполнения команды.С точки зрения системы команд и способов адресации операндов процессорное ядро современных 8-разрядных МК реализует один из двух принципов построения процессоров:процессоры с CISC-архитектурой, реализующие так называемую полную систему команд (Complicated Instruction Set Computer);процессоры с RISC-архитектурой, реализующие сокращенную систему команд (Reduced Instruction Set Computer).CISC-процессоры выполняют большой набор команд с развитыми возможностями адресации, давая разработчику возможность выбрать в наибольшей мереподходящую команду для выполнения необходимой операции. В применении к 8-разрядным МК процессор с CISC-архитектурой может иметь однобайтовый, двухбайтовый и трехбайтовый (редко четырехбайтовый) формат команд. Время выполнения команды может составлять от 1 до 12 циклов. К МК с CISC-архитектурой относятся МК фирмы Intel с ядром MCS-51, которые поддерживаются сегодня целым рядом производителей, МК семейств НС05, НС08 и НС11 фирмы Motorola и ряд других.В процессорах с RISC-архитектурой набор исполняемых команд сокращен до минимума. Для реализации более сложных операций приходится комбинировать команды. При этом все команды имеют формат фиксированной длины (например, 12, 14 или 16 бит), выборка команды из памяти и ее исполнение осуществляется за один цикл (такт) синхронизации. Система команд RISC-процессора предполагает возможность равноправного использования всех регистров процессора. Это обеспечивает дополнительную гибкость при выполнении ряда операций. К МК с RISC-процессором относятся МК AVR фирмы Atmel, МК PIC16 и PIC17 фирмы Microchip и другие.На первый взгляд, МК с RISC-процессором должны иметь более высокую производительность по сравнению с CISC МК при одной и той же тактовой частоте внутренней магистрали. При этом на практике вопрос о производительности более сложен и неоднозначен.С точки зрения организации процессов выборки и исполнения команды в современных 8-разрядных МК применяется одна из двух уже упоминавшихся архитектур МПС: фон-неймановская (принстонская) или гарвардская.Основное преимущество архитектуры Фон-Неймана - упрощение устройства МПС, так как реализуется обращение только к одной общей памяти. Кроме того, использование единой области памяти позволяло оперативно перераспределять ресурсы между областями программ и данных, что существенно повышало гибкость МПС с точки зрения разработчика программного обеспечения. Размещение стека в общей памяти облегчало доступ к его содержимому. Неслучайно поэтому фон-неймановская архитектура стала основной архитектурой универсальных компьютеров, включая персональные компьютеры.Гарвардская архитектура почти не использовалась до конца 70-х годов, пока производители МК не поняли, что она дает определенные преимущества разработчикам автономных систем управления.Дело в том, что, судя по опыту использования МПС для управления различными объектами, для реализации большинства алгоритмов управления такие преимущества фон-неймановской архитектуры как гибкость и универсальность не имеют большого значения. Анализ реальных программ управления показал, что необходимый объем памяти данных МК, используемый для хранения промежуточных результатов, как правило, на порядок меньше требуемого объема памяти программ. В этих условиях использование единого адресного пространства приводило к увеличению формата команд за счет увеличения числа разрядов для адресации операндов. Применение отдельной небольшой по объему памяти данных способствовало сокращению длины команд и ускорению поиска информации в памяти данных.Кроме того, гарвардская архитектура обеспечивает потенциально более высокую скорость выполнения программы по сравнению с фон-неймановской за счет возможности реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды. Этот метод реализации операций позволяет обеспечивать выполнение различных команд за одинаковое число тактов, что дает возможность более просто определить время выполнения циклов и критичных участков программы.Большинство производителей современных 8-разрядных МК используют гарвардскую архитектуру. При этом гарвардская архитектура является недостаточно гибкой для реализации некоторых программных процедур. Поэтому сравнение МК, выполненных по разным архитектурам, следует проводить применительно к конкретному приложению.В настоящее время в наибольшей мереяркими представителями микроконтроллеров SISC и RISC, имеющих соответственно фон-неймановскую и гарвардскую архитектуры являются микроконтроллеры i8051 и AVR - микроконтроллеры фирмы Atmel, которые по ряду характеристик превзошли очень известные PIC - микроконтроллеры. Поэтому рассмотрим организацию и устройство вышеперечисленных представителей.2. Специальная часть 2.1 CISC и RISC архитектура процессора Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники, являются архитектуры CISC и RISC. Основоположником CISC-архитектуры - архитектуры с полным набором команд (CISC - Complete Instruction Set Computer) можно считать фирму IBM с ее базовой архитектурой IBM/360, ядро которой используется с 1964 г. и дошло до наших дней, например, в таких современных мейнфреймах, как IBM ES/9000.Лидером в разработке микропроцессоров с полным набором команд считается компания Intel с микропроцессорами X86 и Pentium. Это практически стандарт для рынка микропроцессоров. Простота архитектуры RISC-процессора обеспечивает его компактность, практическое отсутствие проблем с охлаждением кристалла, чего нет в процессорах фирмы Intel, упорно придерживающейся пути развития архитектуры CISC. Формирование стратегии CISC-архитектуры произошло за счет технологической возможности перенесения "центра тяжести" обработки данных с программного уровня системы на аппаратный, так как основной путь повышения эффективности для CISC-компьютера виделся, в первую очередь, в упрощении компиляторов и минимизации исполняемого модуля. На сегодняшний день CISC-процессоры почти монопольно занимают на компьютерном рынке сектор персональных компьютеров, однако RISC-процессорам нет равных в секторе высокопроизводительных серверов и рабочих станций. Основные черты RISC-архитектуры с аналогичными по характеру чертами CISC-архитектуры отображаются следующим образом (табл.1):Таблица 1. Основные черты архитектуры

Одним из важных преимуществ RISC-архитектуры является высокая скорость арифметических вычислений. RISC-процессоры первыми достигли планки в наибольшей мерераспространенного стандарта IEEE 754, устанавливающего 32-разрядный формат для представления чисел с фиксированной точкой и 64-разрядный формат "полной точности" для чисел с плавающей точкой. Высокая скорость выполнения арифметических операций в сочетании с высокой точностью вычислений обеспечивает RISC-процессорам безусловное лидерство по быстродействию в сравнении с CISC-процессорами.

Другой особенностью RISC-процессоров является комплекс средств, обеспечивающих безостановочную работу арифметических устройств: механизм динамического прогнозирования ветвлений, большое количество оперативных регистров, многоуровневая встроенная кэш-память.

Организация регистровой структуры - основное достоинство и основная проблема RISC. Практически любая реализация RISC-архитектуры использует трехместные операции обработки, в которых результат и два операнда имеют самостоятельную адресацию - R1: = R2, R3. Это позволяет без существенных затрат времени выбрать операнды из адресуемых оперативных регистров и записать в регистр результат операции. Кроме того, трехместные операции дают компилятору большую гибкость по сравнению с типовыми двухместными операциями формата "регистр - память" архитектуры CISC. В сочетании с быстродействующей арифметикой RISC-операции типа "регистр - регистр" становятся очень мощным средством повышения производительности процессора.

Вместе с тем опора на регистры является ахиллесовой пятой RISC-архитектуры. Проблема в том, что в процессе выполнения задачи RISC-система неоднократно вынуждена обновлять содержимое регистров процессора, причем за минимальное время, чтобы не вызывать длительных простоев арифметического устройства. Для CISC-систем подобной проблемы не существует, поскольку модификация регистров может происходить на фоне обработки команд формата "память - память".

Существуют два подхода к решению проблемы модификации регистров в RISC-архитектуре: аппаратный, предложенный в проектах RISC-1 и RISC-2, и программный, разработанный специалистами IВМ и Стэндфордского университета. Принципиальная разница между ними заключается в том, что аппаратное решение основано на стремлении уменьшить время вызова процедур за счет установки дополнительного оборудования процессора, тогда как программное решение базируется на возможностях компилятора и является более экономичным с точки зрения аппаратуры процессора.

2.2 RISC-архитектура. В 70-е годы XX века ученые выдвинули революционную по тем временам идею создания микропроцессора, "понимающего" только минимально возможное количество команд.Замысел RISC - процессора (Reduced Instruction Set Computer, компьютер с сокращенным набором команд) родился в результате практических исследований частоты использования команд программистами, проведенных в 70-х годах в США и Англии. Их непосредственный итог - известное "правило 80/20": в 80% кода типичной прикладной программы используется лишь 20% простейших машинных команд из всего доступного набора.Первый "настоящий" RISC-процессор с 31 командой был создан под руководством Дэвида Паттерсона из Университета Беркли, затем последовал процессор с набором из 39 команд. Они включали в себя 20-50 тыс. транзисторов. Плодами трудов Паттерсона воспользовалась компания Sun Microsystems, разработавшая архитектуру SPARC с 75 командами в конце 70-х годов. В 1981 г. в Станфордском университете стартовал проект MIPS по выпуску RISC-процессора с 39 командами. В итоге была основана корпорация Mips Computer в середине 80-х годов и сконструирован следующий процессор уже с 74 командами.По данным независимой компании IDC, в 1992 году архитектура SPARC занимала 56% рынка, далее следовали MIPS - 15% и PA-RISC - 12,2%Примерно в то же время Intel разработала серию 80386, последних "истинных" CISC-процессоров в семействе IA-32. В последний раз повышение производительности было достигнуто только за счет усложнения архитектуры процессора: из 16-разрядной она превратилась в 32-разрядную, дополнительные аппаратные компоненты поддерживали виртуальную память, и добавился целый ряд новых команд.Основные особенности RISC-процессоров:Сокращенный набор команд (от 80 до 150 команд).Большинство команд выполняется за 1 такт.Большое количество регистров общего назначения.Наличие жестких многоступенчатых конвейеров.Все команды имеют простой формат, и используются немногие способы адресации.Наличие вместительной раздельной кэш-памяти.Применение оптимизирующих компиляторов, которые анализируют исходный код и частично меняют порядок следования команд.RISC-процессоры 3-го поколенияСамыми крупными разработчиками RISC-процессоров считаются Sun Microsystems (архитектура SPARC - Ultra SPARC), IBM (многокристальные процессоры Power, однокристальные PowerPC - PowerPC 620), Digital Equipment (Alpha - Alpha 21164), Mips Technologies (семейство Rxx00 - R 10000), а также Hewlett-Packard (архитектура PA-RISC - PA-8000).Все RISC-процессоры третьего поколения:являются 64-х разрядными и суперскалярными (запускаются не менее 4-х команд за такт);имеют встроенные конвейерные блоки арифметики с плавающей точкой;имеют многоуровневую кэш-память. Большинство RISC-процессоров кэшируют предварительно дешифрованные команды;изготавливаются по КМОП-технологии с 4 слоями металлизации.Для обработки данных применяется алгоритм динамического прогнозирования ветвлений и метод переназначения регистров, что позволяет реализовать внеочередное выполнение команд.Повышение производительности RISC-процессоров достигается за счет повышения тактовой частоты и усложнения схемы кристалла. Представителями первого направления являются процессоры Alpha фирмы DEC, в наибольшей мересложными остаются процессоры компании Hewlett-Packard.Уменьшение набора машинных команд в RISC-архитектуре позволило разместить на кристалле вычислительного ядра большое количество регистров общего назначения. Увеличение количества регистров общего назначения позволило минимизировать обращения к медленной оперативной памяти, оставив для работы с RAM только операции чтения данных из оперативной памяти в регистр и запись данных из регистра в оперативную память, все остальные машинные команды используют в качестве операндов регистры общего назначения.Основными преимуществами RISC-архитектуры является наличие следующих свойств:Большое число регистров общего назначения.Универсальный формат всех микроопераций.Равное время выполнения всех машинных команд.Практически все операции пересылки данных осуществляются по маршруту регистр - регистр.Равное время выполнения всех машинных команд позволяют обрабатывать поток командных инструкций по конвейерному принципу, т.е. выполняется синхронизация аппаратных частей с учетом последовательной передачи управления от одного аппаратного блока к другому.Аппаратные блоки в RISC-архитектуре:Блок загрузки инструкций включает в себя следующие составные части: блок выборки инструкций из памяти инструкций, регистр инструкций, куда помещается инструкция после ее выборки и блок декодирования инструкций. Эта ступень называется ступенью выборки инструкций.Регистры общего назначения совместно с блоками управления регистрами образуют вторую ступень конвейера, отвечающую за чтение операндов инструкций. Операнды могут храниться в самой инструкции или в одном из регистров общего назначения. Эта ступень называется ступенью выборки операндов.Арифметико-логическое устройство и, если в этой архитектуре реализован, аккумулятор, вместе с логикой управления, которая, исходя из содержимого регистра инструкций, определяет тип выполняемой микрооперации. Источником данных помимо регистра инструкций может быть счетчик команд, при выполнении микроопераций условного или безусловного перехода. Данная ступень называется исполнительной ступенью конвейера.Набор состоящий из регистров общего назначения, логики записи и иногда из RAM образуют ступень сохранения данных. На этой ступени результат выполнения инструкций записываются в регистры общего назначения или в основную память.При этом к моменту разработки RISC-архитектуры, промышленным стандартом микропроцессоров де-факто стала архитектура Intel x86, выполненная по принципу CISC-архитектуры. Наличие большого числа программ, написанных под архитектуру Intel x86, сделала невозможным массовый переход ЭВМ на RISC-архитектуру. По этой причине основной сферой использования RISC-архитектуры явились микроконтроллеры, благодаря тому, что они не были привязаны к существующему программному обеспечению. Кроме того некоторые производители ЭВМ во главе с IBM так же начали выпускать ЭВМ, построенные по RISC-архитектуре, однако несовместимость программного обеспечения между Intel x86 и RISC-архитектурой в значительной степени ограничивала распространение последних.При этом, преимущества RISC-архитектуры были столь существенны, что инженеры нашли способ перейти на вычислители, выполненные по RISC-архитектуре, при всём этом не отказываясь от существующего программного обеспечения. Ядра большинство современных микропроцессоров, поддерживающих архитектуру Intel x86, выполнены по RISC-архитектуре с поддержкой мультискалярной конвейерной обработки. Микропроцессор получает на вход инструкцию в формате Intel x86, заменяем ее несколькими (до 4-х) RISC-инструкциями.Таким образом, ядра большинства современных микропроцессоров, начиная с Intel 486DX, выполнены по RISC-архитектуре с поддержкой внешнего Intel x86 интерфейса. Кроме того, подавляющее большинство микроконтроллеров, а так же некоторые микропроцессоры выпускаются по RISC-архитектуре.В современном RISC-процессоре используется не менее 32 регистров, частоболее 100, в то время, как в классических ЦВМ обычно 8-16 регистров общегоназначения. В результате процессор на 20% -30% реже обращается коперативной памяти, что также повысило скорость обработки данных. Крометого, наличие большого количества регистров упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные. Упростилась топология процессора, выполняемого в виде одной интегральной схемы, сократились сроки ее разработки, она стала дешевле.После появления RISC-процессоров традиционные процессоры получилиобозначение CISC - то есть с полным набором команд (Complete Instruction Set Computer).В настоящее время RISC-процессоры получили широкое распространение. Современные RISC-процессоры характеризуютсяследующим:упрощенным набором команд;используются команды фиксированной длины и фиксированного формата,простые способы адресации, что позволяет упростить логику декодирования команд;большинство команд выполняются за один цикл процессора;логика выполнения команд с целью повышения производительностиориентирована на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию,отсутствуют макрокоманды, усложняющие структуру процессора иуменьшающие скорость его работы;взаимодействие с оперативной памятью ограничивается операциямипересылки данных;для обработки, как правило, используются трехадресные команды, чтопомимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большеечисло переменных в регистрах без их последующей перезагрузки;создан конвейер команд, позволяющий обрабатывать несколько из ниходновременно;наличие большого количества регистров;используется высокоскоростная память.В RISC-процессорах обработка машинной команды разделена нанесколько ступеней, каждую ступень обслуживают отдельные аппаратныесредства и организована передача данных от одной ступени к следующей.Производительность при всём этом возрастает благодаря тому, что одновременно на различных ступенях конвейера выполняются несколько команд.Выполнение типичной команды можно разделить на следующие этапы:выборка команды IF - по адресу, заданному счетчиком команд, из памяти извлекается команда;2) декодирование команды ID - выяснение ее смысла, выборка операндов из регистров;3) выполнение операции EX, при необходимости обращения к памяти - вычисление физического адреса;4) обращение к памяти ME;5) запоминание результата WBВ процессорах с RISC-архитектурой набор исполняемых команд сокращен до минимума. Для реализации более сложных операций приходится комбинировать команды. При этом все команды имеют формат фиксированной длины (например, 12, 14 или 16 бит), выборка команды из памяти и ее исполнение осуществляется за один цикл (такт) синхронизации. Система команд RISC-процессора предполагает возможность равноправного использования всех регистров процессора. Это обеспечивает дополнительную гибкость при выполнении ряда операций. К МК с RISC-процессором относятся МК AVR фирмы Atmel, МК PIC16 и PIC17 фирмы Microchip и другие.На первый взгляд, МК с RISC-процессором должны иметь более высокую производительность по сравнению с CISC МК при одной и той же тактовой частоте внутренней магистрали. При этом на практике вопрос о производительности более сложен и неоднозначен.Рис.2 Структура МК с RISC архитектуройГарвардская архитектура почти не использовалась до конца 70-х годов, пока производители МК не поняли, что она дает определенные преимущества разработчикам автономных систем управления.Дело в том, что, судя по опыту использования МПС для управления различными объектами, для реализации большинства алгоритмов управления такие преимущества фон-неймановской архитектуры как гибкость и универсальность не имеют большого значения. Анализ реальных программ управления показал, что необходимый объем памяти данных МК, используемый для хранения промежуточных результатов, как правило, на порядок меньше требуемого объема памяти программ. В этих условиях использование единого адресного пространства приводило к увеличению формата команд за счет увеличения числа разрядов для адресации оперрандов. Применение отдельной небольшой по объему памяти данных способствовало сокращению длины команд и ускорению поиска информации в памяти данных.Кроме того, гарвардская архитектура обеспечивает потенциально более высокую скорость выполнения программы по сравнению с фон-неймановской за счет возможности реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды. Этот метод реализации операций позволяет обеспечивать выполнение различных команд за одинаковое число тактов, что дает возможность более просто определить время выполнения циклов и критичных участков программы.Большинство производителей современных 8-разрядных МК используют гарвардскую архитектуру. При этом гарвардская архитектура является недостаточно гибкой для реализации некоторых программных процедур. Поэтому сравнение МК, выполненных по разным архитектурам, следует проводить применительно к конкретному приложению.2.3 Микроконтроллер с RISC архитектурой PIC16C71 относится к семейству КМОП микроконтроллеров. Отличается тем, что имеет внутреннее 1K x 14 бит EPROM для программ, 8-битовые данные и 64 - байтовый встроенный аналого-цифровой преобразователь. Отличаются низкой стоимостью и высокой производительностью.Пользователи, которые знакомы с семейством PIC16C5X могут посмотретьподробный список отличий нового от производимых ранее контроллеров.Все команды состоят из одного слова (14 бит шириной) и исполняются за один цикл (200 нс при 20 МГц), кроме команд перехода, которые выполняются за два цикла (400 нс).PIC16C71 имеет прерывание, срабатывающее от четырех источников, ивосьмиуровневый аппаратный стек.Периферия включает в себя 8-битный таймер/счетчик с 8-битнымпрограммируемым предварительным делителем (фактически 16 - битный таймер),13 линий двунаправленного ввода/вывода и восьми битный АЦП. Высокаянагрузочная способность (25 мА макс. втекающий ток,20 мА макс. вытекающийток) линий ввода/вывода упрощают внешние драйверы и, тем самым, уменьшаетсяобщая стоимость системы.АЦП имеет четыре канала, схему выборки и хранения, разрешающую способность 8бит с погрешностью не более одного младшего разряда. Среднее времяпреобразования 30 мкс, включая время выборки.Серия PIC16C71 подходит для широкого спектра приложений от схемвысокоскоростного управления автомобильными и электрическими двигателями до экономичных удаленных приемопередатчиков, показывающих приборов и связныхпроцессоров. Наличие ПЗУ позволяет подстраивать параметры в прикладныхпрограммах (коды передатчика, скорости двигателя, частоты приемника и т.д.).Малые размеры корпусов, как для обычного, так и для поверхностного монтажа, делает эту серию микроконтроллеров пригодной для портативных приложений.Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования и гибкость ввода/вывода делает PIC16C71 привлекательным даже в тех областях, где ранее не применялись микроконтроллеры. Например, таймеры, замена жесткой логики в больших системах, сопроцессоры.Микроконтроллер имеет:только 35 простых команд;все команды выполняются за один цикл (200ns), кроме команд перехода - 2цикла;рабочая частота 0 Гц...20 МГц (min 200 нс цикл команды)14 - битовые команды;8 - битовые данные;36 х 8 регистров общего использования;15 специальных аппаратных регистров SFR;восьмиуровневый аппаратный стек;прямая, косвенная и относительная адресация данных и команд;четыре источника прерывания:внешний вход INTпереполнение таймера RTCCпрерывание при завершении аналого-цифрового преобразованияпрерывание при изменении сигналов на линиях порта B.Периферия, ввод и вывод микроконтроллера имеет:13 линий ввода-вывода с индивидуальной настройкой;втекающий/вытекающий ток для управления светодиодами. макс втекающий ток - 25 мА. макс вытекающий ток - 20 мА8 - битный таймер/счетчик RTCC с 8-битным программируемым предварительным делителем;модуль АЦП:4 мультиплексируемых аналоговых входа, подсоединенных к одномуаналога цифровому преобразователюсхема выборки\хранениявремя преобразования - 20 мкс на каналпреобразователь - 8 бит, с погрешностью +-1 LSBвход для внешнего опорного напряжения Vref (Vref <= Vdd)диапазон входных аналоговых сигналов от Vss до Vrefавтоматический сброс при включении;таймер включения при сбросе;таймер запуска генератора;Watchdog таймер WDT с собственным встроенным генератором, обеспечивающимповышенную надежность;EPROM бит секретности для защиты кода;экономичный режим SLEEP;выбираемые пользователем биты для установки режима возбуждения встроенного генератора:RC генератор RCобычный кварцевый резонатор XTвысокочастотный кварцевый резонатор HSэкономичный низкочастотный кристалл LPвстроенное устройство самопрограммирования EPROM памяти программ,используются только две ножки.Обозначения ножек и их функциональное назначение:RA4/RTCC - Вход через триггерШмидта. Ножка порта ввода/вывода соткрытым стоком или вход частоты длтаймера/счетчика RTCC.RA0/AIN0 - Двунаправленная линия ввода/вывода.Аналоговый вход канала 0.Как цифровой вход имеет уровни ТТЛ.RA1/AIN1 - Двунаправленная линия ввода/вывода.Аналоговый вход канала 1.Как цифровой вход имеет уровни ТТЛ.RA2/AIN2 - Двунаправленная линия ввода/вывода.Аналоговый вход канала 2.Как цифровой вход имеет уровни ТТЛ.RA3/AIN3/Vref - Двунаправленная линия ввода/вывода.RB0/INT - Двунаправленная линия портавывода или внешний вход прерывания.RB1 - RB5 - Двунаправленные линии ввода/вывода.RB6 - Двунаправленные линии ввода/вывода.RB7 - Двунаправленные линии ввода/вывода./MCLR/Vpp - Низкий уровень на этомвходе генерирует сигнал сбросадля контроллера. Активный низкий.Вход через триггер Шмидта.OSC1 - Для подключения кварца, RC или вход внешней тактовой частоты.OSC2 - Генератор, выход тактовойCLKOUT - частоты в режиме RC генератора, в остальных случаях - для подкл. кварцаVdd -Напряжение питания.Vss -Общий (земля).Заключение В данной курсовой работе рассмотрены микроконтроллеры с RISC и CISC архитектурой. RISC архитектура была рассмотрена более углубленно и точнее. Отмечена классификация, структура микроконтроллера, структурапроцессорного ядра микроконтроллера, основные особенности RISC архитектуры.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, шестнадцатибитные MSP430 фирмы TI, а также ARM, архитектуру которых разрабатывает фирма ARM и продаёт лицензии другим фирмам для их производства, процессоров - микроконтроллеры.При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т.д.Список использованной литературы

1. "?????? ????????????????? ???????", ?????? ?.?. ??????? ? ?.?. ????????????.

2. "??????????? ?????????????? ??????". ?????? "????? ? ?????" 1990 ?. ????? ?.?. ???????.

3. "??????????-?????????????? ?????? ? ???????". ?????? "????? ? ?????" 1991 ?. ?????? ?.?. ?????.