Современное состояние и перспективы развития микроконтроллеров
Общие сведения
Тенденция развития микропроцессоров нашла отражение и в развитии микроконтроллеров – особого класса вычислительных устройств, применяемого в качестве основы для построения различных контроллеров. Структурная организация, упрощенный набор команд, методы адресации команд и данных, а также специфическая организация ввода/вывода информации предопределяют область их использования в качестве специализированных вычислителей, включенных в контур управления объектом или процессом. Микроконтроллеры не являются машинами классического «фон Неймановского» типа, поскольку физическое и логическое разделение памяти программ и памяти данных исключают возможность модификации и/или перегрузки прикладных программ микроконтроллеров во время их работы.
Развитие архитектуры микропроцессоров и микроконтроллеров прошло путь от CISC-микропроцессоров до RISC-микропроцессоров. Венцом развития микроконтроллеров, на сегодняшний день, явилась архитектура ARM, объединившая мощное вычислительное ядро 32-разрядного процессора с RISC-архитектурой и сопроцессором, а также модуль цифровой обработки сигналов DSP.
Сокращение ARM происходит от названия английской компании Advanced RISC Machines, основанной в 1999 г. В результате сотрудничества компаний Acorn и Apple Computers. Компания не занимается непосредственным производством микросхем, а предоставляет свои разработки в электронном виде, на основе которых клиенты конструируют свои собственные микропроцессоры и микроконтроллеры.
CISC – это аббревиатура от Complete Instruction Set Computer (компьютер с полным набором команд). Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.
RISC – это аббревиатура от Reduced Instruction Set Computer (компьютер с сокращенным набором команд). Зачатки этой архитектуры уходят своими корнями к компьютерам CDC6600, разработчики которых (Торнтон, Крэй и др.) осознали важность упрощения набора команд для построения быстрых вычислительных машин. Эту традицию упрощения архитектуры С. Крэй с успехом применил при создании широко известной серии суперкомпьютеров компании Cray Research. Однако окончательно понятие RISC в современном его понимании сформировалось на базе трех исследовательских проектов компьютеров: процессора 801 компании IBM, процессора RISC университета Беркли и процессора MIPS Стэнфордского университета. Система команд разрабатывалась таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт). Сама логика выполнения команд с целью повышения производи-тельности ориентировалась на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию. Чтобы упростить логику декодирования команд использовались команды фиксированной длины и фиксированного формата. Таким образом, RISC-архитектура подразумевает ограниченный набор команд, очередь выборки инструкции и ограниченный доступ к памяти.
В настоящее время архитектура ARM занимает лидирующее положение и охватывает 75% рынка 32-разрядных встраиваемых RISC-микропроцессоров.
Среди цифровых интегральных микросхем микроконтроллеры (МК) сегодня, занимают примерно такое же место, как операционные усилители среди аналоговых. Это – универсальные приборы и их применение в электронных устройствах самого различного назначения постоянно расширяется. Разработкой и производством МК занимаются почти все крупные и многие средние фирмы, специализирующиеся в области полупроводниковой электроники. Современные МК (ранее их называли однокристальными микро-ЭВМ) объединяют в своем корпусе мощное процессорное ядро, запоминающие устройства для хранения выполняемой программы и данных, устройства приема входных и формирования выходных сигналов, многочисленные вспомогательные узлы. Общая тенденция развития современного «микроконтроллеростроения» – уменьшение числа внешних элементов, необходимых для нормальной работы. На кристалле микросхемы размещают не только компараторы, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, но и всевозможные нагрузочные и «подтягивающие» резисторы, цепи сброса и др.
Выходные буферы МК рассчитывают на непосредственное подключение наиболее типичных нагрузок, например, светодиодных индикаторов. Почти любой из выводов МК (за исключением, конечно, выводов общего и питания) разработчик может использовать по своему усмотрению в качестве входа или выхода. В результате довольно сложный по выполняемым функциям прибор нередко удается выполнить всего на одной микросхеме.
Постоянное удешевление МК и расширение их функциональных возможностей снизило порог сложности устройств, которые целесообразно строить на их основе. Сегодня имеет смысл конструировать на МК даже такие приборы, для реализации которых традиционными методами потребовалось бы менее десятка логических микросхем средней и малой степени интеграции.
Стратегия развития сегодняшнего рынка микроконтроллеров направлена на предоставление разработчикам электронной аппаратуры микросхем с большей производительностью, широким набором периферии и малым энергопотреблением.
«Патриарх» микроконтроллерного мира Intel 8051, появившийся в конце 1970-х годов использовал 12 циклов для выполнения одной инструкции.
Через 20 лет Dallas Semiconductor снизила эти «затраты» до 4-х циклов.
В 2006 г. компанией Atmel были представлены шесть новых микроконтроллеров (AT89LP214, AT89LP213, AT89LP414, AT89LP413, AT89LP216, AT89LP416) на основе архитектуры Atmel 8051 Single Cycle Core, которая обеспечивает исполнение 70% инструкций за один цикл. Производительность новых микросхем достигла 20 MIPS на тактовой частоте 20 МГц.
Область применения для 8-битных микроконтроллеров существенно расширилась за счет развития коммуникационных интерфейсов. Автомобильные системы широко используют CAN, портативная бытовая электроника нуждается в USB, телекоммуникационные устройства все активнее опираются на Ethernet.
Новинкой продуктовой линейки компании Microchip Technology является семейство 8-разрядных микроконтроллеров PIC18F97J60, поддерживающих интерфейс IEEE 802.3 Ethernet. Производительность вычислительного ядра 10 MIPS, 128 Кб флэш-памяти программ и 4 Кб памяти данных RAM позволяют использовать данную микросхему в системах мониторинга серверного оборудования.
Рынок 8-разрядных микроконтроллеров успешно развивается. Но несомненным фактом является возрастание роли 32-разрядных процессоров в поддержке встраиваемых приложений. В настоящее время около трети новых разработок встроенных систем в мире основаны на 32-разрядных процессорных платформах. Применение новых технологических процессов позволяет снизить площадь кристаллов и повысить выход годных с одной кремниевой пластины до уровня, обеспечивающего сравнимость цен 8- и 32-разрядных микросхем.
Для создания микроконтроллеров уже применяются 90-нанометровые технологии, на базе которых производится, например, семейство 32-разрядных микроконтроллеров LPC-3000 с архитектурой ARM926EJ-S с тактовой частотой 200 МГц.