Vi mạch được thiết kế để điều khiển các thiết bị điện tử. Lập trình vi điều khiển

Hệ thống vi xử lý(MPS) là một sản phẩm hoàn chỉnh về mặt chức năng bao gồm một hoặc nhiều thiết bị, chủ yếu dựa trên vi xử lý: vi xử lý hoặc vi điều khiển.

Bộ vi xử lý(MP) là một thiết bị được điều khiển bằng phần mềm ("bộ xử lý") thực hiện các phép toán số học, logic, xử lý và điều khiển thông tin kỹ thuật số trên một mạch tích hợp lớn (LSI) hoặc một bộ vi mạch chuyên dụng.

Vi điều khiển(MK) là một vi mạch được thiết kế để điều khiển các thiết bị điện tử. kết hợp các chức năng của bộ vi xử lý và các thiết bị ngoại vi khác nhau trên một chip, chứa RAM hoặc ROM. Về cơ bản, nó là một máy tính chip đơn có khả năng thực hiện các tác vụ đơn giản.

thiết bị vi xử lý(MPU), là một sản phẩm hoàn chỉnh về mặt chức năng và cấu trúc, bao gồm một số vi mạch, trong đó bao gồm một bộ vi xử lý; nó được thiết kế để thực hiện một số chức năng nhất định: nhận, xử lý, truyền, chuyển đổi thông tin và quản lý.

Theo đặc điểm chức năng của chúng, bộ vi xử lý được chia thành MP đa năng và MP chuyên dụng. Sau này được chia thành bộ vi điều khiển và bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP). MCU có sẵn ở 8, 16 và 32-bit, và DSP là điểm cố định (16 và 24-bit) và dấu phẩy động (32-bit). Một đặc điểm đặc trưng trong cấu trúc của vi điều khiển là việc bố trí bộ nhớ trong và một tập hợp lớn các thiết bị ngoại vi trên cùng một chip với bộ xử lý trung tâm.

Ngành kiến ​​trúc bộ xử lý là một tổ hợp phần cứng và phần mềm của nó được cung cấp cho người dùng. Khái niệm chung này bao gồm một tập hợp các thanh ghi có thể truy cập phần mềm và các thiết bị điều hành (hoạt động), một hệ thống các lệnh cơ bản và các phương pháp định địa chỉ, số lượng và cấu trúc của bộ nhớ được định địa chỉ, các loại và phương pháp xử lý ngắt.

CISC- kiến ​​trúc được thực hiện trong nhiều loại bộ vi xử lý thực thi một tập hợp lớn các lệnh đa định dạng bằng cách sử dụng nhiều phương pháp định địa chỉ. RISC- Kiến trúc được phân biệt bởi việc sử dụng một tập hợp các lệnh giới hạn trong một định dạng cố định. VLIW- kiến ​​trúc này xuất hiện vào những năm 1990. Tính đặc thù của nó là sử dụng các lệnh rất dài (lên đến 128 bit hoặc hơn), các trường riêng lẻ chứa các mã đảm bảo thực hiện các hoạt động khác nhau.

Kiến trúc Princeton(Von Neumann), được đặc trưng bởi việc sử dụng RAM dùng chung để lưu trữ các chương trình, dữ liệu và để tổ chức ngăn xếp. Để truy cập bộ nhớ này, một bus hệ thống chung được sử dụng, qua đó cả lệnh và dữ liệu đều được gửi đến bộ xử lý. Sự hiện diện của bộ nhớ dùng chung cho phép bạn nhanh chóng phân phối lại dung lượng của nó để lưu trữ các mảng hướng dẫn, dữ liệu và triển khai ngăn xếp riêng biệt, tùy thuộc vào các nhiệm vụ cần giải quyết. Harvard- tách biệt vật lý của bộ nhớ lệnh (chương trình) và bộ nhớ dữ liệu. Phiên bản ban đầu của nó cũng sử dụng một ngăn xếp riêng biệt. Mỗi bộ nhớ được kết nối với bộ xử lý bằng một bus riêng biệt, cho phép đồng thời đọc và ghi dữ liệu trong khi thực hiện lệnh hiện tại, tìm nạp và giải mã lệnh tiếp theo. hiệu suất tốt hơn so với sử dụng kiến ​​trúc Princeton.

Thiết kế chương trình. một chương trình được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu của câu lệnh vấn đề. Sau khi nhiệm vụ tổng thể được đặt ra, giai đoạn thiết kế chương trình được thực hiện, theo truyền thống được kết hợp với việc vẽ sơ đồ khối chương trình, tuy nhiên, ở giai đoạn phát triển chương trình, rất hữu ích nếu áp dụng các phương pháp thiết kế sau:

Lập trình mô-đunđược gọi là một phương pháp trong đó các chương trình dài được tách thành các chương trình ngắn hơn (mô-đun).

Lập trình từ trên xuốngđược gọi là một phương pháp trong đó nhiệm vụ đã phát triển được chia thành nhiều nhiệm vụ tổng quát, sau đó được chi tiết hóa thêm. Quá trình này tiếp tục từ trên xuống dưới cho đến khi các nhiệm vụ con kết quả được thực hiện theo cách mà chúng có thể được thực hiện một cách đơn giản trên máy tính. Lập trình có cấu trúcđược gọi là một phương thức trong đó các chương trình được viết theo các quy tắc được phát triển đặc biệt (chúng chỉ sử dụng một số loại toán tử chương trình nhất định) và mỗi khối chương trình chỉ có một đầu vào và một đầu ra.

Tổ chức bộ nhớ vi điều khiển

Cổng I / O

Bộ đếm thời gian

Ngắt

Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số

Giao diện truyền thông

• Bộ thu phát đồng bộ-không đồng bộ đa năng USART

Video khóa học lập trình vi điều khiển STM32

Bộ vi xử lýđược gọi là thiết bị điều khiển bằng phần mềm thực hiện quá trình xử lý và điều khiển thông tin số. Bộ vi xử lý được thực hiện dưới dạng mạch tích hợp lớn (LSI) hoặc cực lớn (VLSI). Bộ vi xử lý đóng vai trò của một bộ xử lý trong các hệ thống kỹ thuật số cho nhiều mục đích khác nhau.

Tính năng chính của bộ vi xử lý là khả năng lập trình logic hoạt động.

Bộ vi điều khiển (MCU)- một vi mạch được thiết kế để điều khiển các thiết bị điện tử. Một bộ vi điều khiển điển hình kết hợp các chức năng của bộ xử lý và các thiết bị ngoại vi, đồng thời có thể chứa RAM và ROM. Về cơ bản, nó là một máy tính chip đơn có khả năng thực hiện các tác vụ đơn giản. Việc sử dụng một vi mạch duy nhất thay vì cả bộ, như trong trường hợp các bộ xử lý thông thường được sử dụng trong máy tính cá nhân, làm giảm đáng kể kích thước, mức tiêu thụ điện năng và chi phí của các thiết bị dựa trên vi điều khiển.

Hệ thống vi xử lý (MPS) là một sản phẩm hoàn chỉnh về mặt chức năng bao gồm một hoặc nhiều thiết bị, chủ yếu dựa trên bộ vi xử lý: bộ vi xử lý và / hoặc bộ vi điều khiển.

Thiết bị vi xử lý (MPU) là một sản phẩm hoàn chỉnh về mặt chức năng và cấu trúc bao gồm một số vi mạch, trong đó bao gồm một bộ vi xử lý; nó được thiết kế để thực hiện một số chức năng nhất định: nhận, xử lý, truyền, chuyển đổi thông tin và quản lý.

Những ưu điểm chính của hệ thống vi xử lý so với các hệ thống kỹ thuật số dựa trên "logic cứng".

• Đa chức năng: nhiều chức năng hơn có thể được thực hiện trên một cơ sở phần tử.
• Tính linh hoạt: khả năng hiệu chỉnh và sửa đổi chương trình vi xử lý để thực hiện các chế độ hoạt động khác nhau của hệ thống.
• Tính nhỏ gọn: kích thước thu nhỏ của vi mạch và việc giảm số lượng của chúng so với việc thực hiện trên "logic cứng" cho phép giảm kích thước của thiết bị.
• Cải thiện khả năng chống nhiễu: Ít dây dẫn kết nối hơn làm tăng độ tin cậy của thiết bị.
• Hiệu suất: khả năng sử dụng tần số hoạt động cao hơn và các thuật toán xử lý thông tin phức tạp hơn.
• Bảo vệ thông tin: khả năng bảo vệ chương trình vi xử lý khỏi bị đọc cho phép bạn bảo vệ bản quyền của các nhà phát triển.

Mặc dù bộ vi xử lý là một phương tiện phổ biến để xử lý thông tin kỹ thuật số, một số lĩnh vực ứng dụng yêu cầu thực hiện các tùy chọn cụ thể nhất định cho cấu trúc và kiến ​​trúc của chúng. Do đó, theo đặc tính chức năng, người ta phân biệt hai lớp: bộ vi xử lý đa năng và bộ vi xử lý chuyên dụng. Trong số các bộ vi xử lý chuyên dụng, phổ biến nhất là các bộ vi điều khiển được thiết kế để thực hiện các chức năng điều khiển cho các đối tượng khác nhau và bộ xử lý tín hiệu số (DSP - Digital Signal Processor), tập trung vào việc thực hiện các thủ tục cung cấp chuyển đổi cần thiết các tín hiệu tương tự được trình bày ở dạng kỹ thuật số.

Danh sách không đầy đủ các thiết bị ngoại vi có thể có trong vi điều khiển bao gồm:

• các giao diện I / O khác nhau như UART, I²C, SPI, CAN, USB, ETHERNET;
• bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số và kỹ thuật số sang tương tự;
• bộ so sánh;
• bộ điều biến độ rộng xung;
• bộ đếm thời gian;
• máy phát đồng hồ;
• bộ điều khiển màn hình và bàn phím;
• mảng bộ nhớ flash tích hợp.

Ý tưởng đặt một bộ vi xử lý và các thiết bị ngoại vi trên một con chip duy nhất thuộc về hai kỹ sư M. Kochren và G. Boone, nhân viên của Texas Instruments. Bộ vi điều khiển đầu tiên là TMS1000 4-bit của Texas Instruments, chứa RAM (32 byte), ROM (1 KB), xung nhịp và hỗ trợ I / O. Được phát hành vào năm 1972, nó có một tính năng mới cho những thời điểm đó - việc bổ sung các hướng dẫn mới.

Năm 1976 (5 năm sau khi tạo ra bộ vi xử lý đầu tiên) bộ vi điều khiển đầu tiên của Intel, tên là 8048, ra đời. Ngoài bộ xử lý trung tâm, con chip này còn chứa 1 kilobyte bộ nhớ chương trình, 64 byte bộ nhớ dữ liệu, hai tám- bộ định thời bit, bộ tạo xung nhịp và 27 cổng vào-ra. Các bộ vi điều khiển thuộc họ 8048 đã được sử dụng trong bảng điều khiển trò chơi Magnavox Odyssey, trong bàn phím của các PC IBM đầu tiên và trong một số thiết bị khác.

Ngày nay, trong số các nhà sản xuất vi điều khiển lớn phải kể đến Atmel, Microchip, ST Microelectronics, Texas Instruments, Freescale Semiconductor, NXP,….

Vi điều khiển - một vi mạch được thiết kế để điều khiển các thiết bị điện tử. Một bộ vi điều khiển điển hình kết hợp các chức năng của bộ xử lý và các thiết bị ngoại vi trên một chip duy nhất, chứa RAM và / hoặc ROM. Về cơ bản, nó là một máy tính chip đơn có khả năng thực hiện các tác vụ tương đối đơn giản.

Sự ra đời của vi máy tính một chip gắn liền với sự khởi đầu của kỷ nguyên ứng dụng hàng loạt tự động hóa máy tính trong lĩnh vực điều khiển. Rõ ràng, tình huống này đã xác định thuật ngữ "người điều khiển".

Do sản xuất trong nước suy giảm và nhập khẩu thiết bị tăng lên, bao gồm cả máy tính, thuật ngữ "vi điều khiển" (MC) đã thay thế thuật ngữ "máy tính vi mạch một chip" được sử dụng trước đây.

Bằng sáng chế đầu tiên cho máy vi tính một chip được cấp vào năm 1971 cho các kỹ sư M. Kochren và G. Boone, nhân viên của American Texas Instruments. Chính họ đã đề xuất không chỉ đặt bộ xử lý mà còn cả bộ nhớ với các thiết bị đầu vào - đầu ra trên một tinh thể.

Năm 1976, công ty Intel của Mỹ đã phát hành bộ vi điều khiển i8048. Năm 1978, Motorola phát hành bộ vi điều khiển MC6801 đầu tiên của mình, tương thích với bộ vi xử lý MC6800 đã phát hành trước đó. 4 năm sau, vào năm 1980, Intel đã phát hành bộ vi điều khiển sau: i8051. Một bộ thiết bị ngoại vi thành công, sự lựa chọn linh hoạt của bộ nhớ chương trình bên ngoài hoặc bên trong và giá cả hợp lý đã đảm bảo cho bộ vi điều khiển này thành công trên thị trường. Theo quan điểm của công nghệ, bộ vi điều khiển i8051 là một sản phẩm rất phức tạp vào thời đó - 128 nghìn bóng bán dẫn được sử dụng trong tinh thể, nhiều gấp 4 lần số bóng bán dẫn trong bộ vi xử lý 16-bit i8086.

Ngày nay, có hơn 200 sửa đổi của bộ vi điều khiển tương thích với i8051, do hai chục công ty sản xuất và một số lượng lớn các loại vi điều khiển khác. Phổ biến trong số các nhà phát triển là vi điều khiển PIC 8-bit từ Microchip Technology và AVR từ Atmel, 16-bit MSP430 từ TI, cũng như vi điều khiển 32-bit, kiến ​​trúc ARM, được phát triển bởi ARM Limited và bán giấy phép cho các công ty khác để sản xuất . Bất chấp sự phổ biến của các bộ vi điều khiển nói trên ở Nga, theo Gartner Grup từ năm 2009, xếp hạng thế giới về doanh số bán hàng có vẻ khác: Renesas Electronics chiếm vị trí đầu tiên với tỷ lệ lớn trên Freescale thứ hai, thứ ba.

Hệ thống vi xử lý là một hệ thống máy tính, thiết bị đo lường hoặc điều khiển, thiết bị xử lý thông tin chính trong đó là MP. Hệ thống vi xử lý được xây dựng từ một tập hợp các mạch tích hợp lớn dựa trên bộ vi xử lý (LSI).

Các tính năng đặc trưng của hệ thống thông tin và điều khiển dựa trên vi xử lý nhằm mục đích tự động hóa các quy trình công nghệ: sự hiện diện của một nhóm hạn chế các nhiệm vụ được xây dựng rõ ràng, hoạt động trong thời gian thực, sự hiện diện của một hệ thống thiết bị bên ngoài được phát triển, yêu cầu độ tin cậy cao, tính toán thời gian hoạt động liên tục dài, điều kiện vận hành khó khăn; cung cấp chế độ vận hành tự động hoặc chế độ có sự tham gia của người vận hành như một thành phần của hệ thống.

Việc sử dụng trong một bộ vi điều khiển hiện đại của một thiết bị tính toán đủ mạnh với khả năng rộng rãi, được xây dựng trên một vi mạch duy nhất thay vì toàn bộ, làm giảm đáng kể kích thước, mức tiêu thụ điện năng và chi phí của các thiết bị được xây dựng trên cơ sở đó. Được sử dụng để điều khiển các thiết bị khác nhau và các đơn vị riêng lẻ của chúng:

Trong tin học: bo mạch chủ, bộ điều khiển cho ổ đĩa cứng và mềm, đĩa CD và DVD;

Trong lĩnh vực điện tử và các thiết bị gia dụng khác nhau có sử dụng hệ thống điều khiển điện tử - máy giặt, lò vi sóng, máy rửa bát, điện thoại và các thiết bị hiện đại;

Trong ô tô: máy tính trên xe, hệ thống quản lý động cơ, v.v.;

Trong công nghiệp: các thiết bị tự động hóa công nghiệp - từ rơ le lập trình và hệ thống nhúng đến PLC, hệ thống điều khiển máy công cụ.

Hiện nay, có một danh pháp khổng lồ (hơn 10.000) bộ vi điều khiển khác nhau, khác nhau về phạm vi ứng dụng, thông số, các nút ngoại vi được tích hợp trong tinh thể. Hơn một chục nhà sản xuất đang tham gia vào việc phát hành vi điều khiển.

• GIỚI THIỆU
• 1.1 Phân loại và cấu trúc của vi điều khiển
• 1.2 Cấu trúc của lõi xử lý của vi điều khiển
• 2. Phần đặc biệt
• 2.1 Kiến trúc bộ xử lý CISC và RISC
• 2.2 Kiến trúc RISC.
• 2.3 Vi điều khiển với kiến ​​trúc RISC
• Sự kết luận
• Danh sách tài liệu đã sử dụng

1. Phần chung

Một trong những ưu điểm quan trọng của kiến ​​trúc RISC là tốc độ tính toán số học cao. Các bộ xử lý RISC là bộ xử lý đầu tiên đạt đến cấp độ của tiêu chuẩn IEEE 754 được sử dụng rộng rãi nhất, thiết lập định dạng 32 bit để biểu diễn các số điểm cố định và định dạng "chính xác đầy đủ" 64 bit cho các số dấu phẩy động. Tốc độ cao của việc thực hiện các phép toán số học kết hợp với độ chính xác tính toán cao cung cấp cho các bộ xử lý RISC một vị trí dẫn đầu vô điều kiện về hiệu suất so với các bộ xử lý CISC.

Một tính năng khác của bộ xử lý RISC là một bộ công cụ đảm bảo hoạt động không ngừng của các thiết bị số học: cơ chế dự đoán nhánh động, số lượng lớn các thanh ghi hoạt động và bộ nhớ đệm tích hợp đa cấp.

Việc tổ chức cấu trúc sổ đăng ký là ưu điểm chính và là vấn đề chính của RISC. Hầu như bất kỳ việc triển khai nào của kiến ​​trúc RISC đều sử dụng các hoạt động xử lý ba nơi, trong đó kết quả và hai toán hạng được tự định địa chỉ - R1: = R2, R3. Điều này cho phép bạn chọn các toán hạng từ các thanh ghi hoạt động có thể định địa chỉ mà không tốn nhiều thời gian và ghi kết quả của hoạt động vào thanh ghi. Ngoài ra, hoạt động ba lần cung cấp cho trình biên dịch tính linh hoạt hơn các hoạt động kép trong bộ nhớ thanh ghi điển hình của kiến ​​trúc CISC. Khi kết hợp với số học tốc độ cao, các hoạt động đăng ký vào thanh ghi RISC rất mạnh mẽ trong việc cải thiện hiệu suất của bộ xử lý.

Đồng thời, sự phụ thuộc vào các thanh ghi là gót chân Achilles của kiến ​​trúc RISC. Vấn đề là trong quá trình thực thi một tác vụ, hệ thống RISC buộc phải cập nhật liên tục nội dung của các thanh ghi bộ xử lý và trong một khoảng thời gian tối thiểu, để không gây ra thời gian chết lâu của đơn vị số học. Đối với hệ thống CISC, vấn đề này không tồn tại, vì việc sửa đổi các thanh ghi có thể xảy ra trong khi xử lý các lệnh từ bộ nhớ sang bộ nhớ.

Có hai cách tiếp cận để giải quyết vấn đề sửa đổi thanh ghi trong kiến ​​trúc RISC: phần cứng, được đề xuất trong các dự án RISC-1 và RISC-2, và phần mềm, được phát triển bởi các chuyên gia từ IBM và Đại học Stanford. Sự khác biệt cơ bản giữa chúng là giải pháp phần cứng dựa trên mong muốn giảm thời gian gọi thủ tục bằng cách cài đặt thêm phần cứng bộ xử lý, trong khi giải pháp phần mềm dựa trên khả năng của trình biên dịch và tiết kiệm hơn về phần cứng bộ xử lý.

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

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

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