Микропроцессорная система на основе ОЭВМ КР1816ВЕ51
Система на базе МК51 может быть реализована без использования внешней памяти программ и/или данных. Это наиболее тривиальный случай системы, он не требует дополнительных пояснений для реализации. Наиболее сложным является случай построения системы с использованием внешней памяти программ и внешней памяти данных.
Система, имеющая полный объем внешней памяти программ и данных [6] (рисунок 4.20), может использоваться для решения огромного числа прикладных задач в различных областях.
Рисунок 4.20 - Структурная схема системы с внешней памятью
Буферные усилители (BF) в системе предназначены для усиления сигналов, имеющих слабую нагрузочную способность. Буферный усилитель, формирующий шину данных, должен работать в обоих направлениях. Поэтому для его переключения формируется смесь сигналов чтения PSEN и RD, по каждому из которых буфер включается на передачу сигналов в МК.
Другие буферные усилители стационарно работают в одном направлении. Регистр RG по сигналу ALE записывает младший байт адреса внешней памяти, который вместе со старшим байтом адреса, передаваемого через порт Р2, формирует 16-битную шину адреса.
Микропроцессорная система, не имеющая внешней памяти программ, или внешней памяти данных, будет иметь более простой вид за счет исключения соответствующих компонентов (ПЗУ или ОЗУ) и их сигналов управления.
Развитие архитектуры MCS-51
Микроконтроллеры архитектуры MCS-51 завоевали заслуженное признание во всем мире. Безусловно, данная архитектура не является единственно возможной. Но можно привести ряд факторов, свидетельствующих в пользу ее популярности и современности.
Рассмотрение микроконтроллера МК51 было бы не полным, если не упомянуть о развитии архитектуры MCS-51. Следующим поколением архитектуры фирмы INTEL является архитектура MCS-251.
Новые продукты семейства MCS-251 совместимы по выводам с микросхемами INTEL 80C51 и могут устанавливаться прямо в панельку ОЭВМ. Новые ОЭВМ совместимы по системе команд и двоичному коду с MCS-51. При выполнении кода, написанного для МК51, обеспечивается повышение производительности в 5 раз.
В системе команд MCS-251 появилось много новых команд, учитывающих новые возможности данной архитектуры. Если переписать код программ, используя инструкции новой архитектуры, можно увеличить производительность системы до 15 раз.
Некоторые новые параметры архитектуры MCS-251 указаны ниже:
· машинный цикл состоит из одного состояния и длится 2 такта;
· большинство команд выполняется за 1 машинный цикл;
· процессор имеет 3-уровневую конвейерную архитектуру;
· доступны 16 8-ми разрядных, 16 16-ти разрядных и 10 32-х разрядных регистра общего назначения;
· при одинаковой тактовой частоте рост производительности в сравнении с MCS-51 достигает от 5 до 15 раз;
· внутренняя шина команд содержит 16 бит, 2 байта команды выбираются за одно состояние;
· для адресации внешней памяти программ и данных предусмотрено 24 бита адреса, что расширяет объем внешней памяти данных и программ до 16 Мбайт;
· объем стека увеличен до 64 Кбайт;
· введены новые команды и режимы адресации;
· добавлена 32-х битовая передача данных;
· введена 16-ти и 32-х битовая арифметика и логические операции;
· к традиционным добавлены сдвиговые, относительные и битовые режимы адресации;
· в системе прерываний появилось 2 немаскируемых прерывания с наивысшим приоритетом;
· число источников прерываний достигло 64;
· имеются 4 уровня приоритетов вместо 2, имеющихся ранее.
Фирма Cygnal (США), организованная в 1999 году, в 2001 году выпустила 4 новых семейства микроконтроллеров, совместимых с MCS-51.
Основным в новых микроконтроллерах является высокопроизводительное х8051 - совместимое ядро. 70% инструкций выполняется за 1 или 2 такта. На кристалл интегрирован 12 или 10 битовый Аналогово-Цифровой Преобразователь с входным 8-ми канальным аналоговым мультиплексором и программируемым входным усилителем, имеющим коэффициенты усиления от 0,5 до 16. На кристалле имеется два 12 разрядных Цифро-Аналоговых Преобразователя с временем реакции не более 10 мкс.
Питающее напряжение снижено до 2,7 - 3,6 В. Токи потребления не превышают 10 - 12 мА. Такие характеристики очень полезны для систем на базе ОЭВМ, использующих автономное питание. Тактовая частота ОЭВМ доведена до 25 МГц.
Встроенная аппаратная система отладки программ JTAG обеспечивает простоту разработки и внутрикристальной отладки программ с точками останова, пошаговым режимом, режимом остановки по времени с контролем ячеек памяти и регистров. Предлагается фирменное программное обеспечение процесса отладки.
На кристалле имеется до 32 Кбайт Flash-памяти, программируемой внутрисистемно. Такая память сохраняет данные и при выключении питания. Кроме этого, оперативная память на кристалле увеличена до 1 Кбайт. Есть варианты с 2,25 Кбайт и даже 4,25 Кбайт оперативной памяти на самом кристалле.
Таким образом, описанные микроконтроллеры компании Cygnal являются мощными интегрированными системами сбора и обработки аналоговых сигналов, сочетающие высокопроизводительное «традиционное» ядро семейства MCS-51 с аналогово-цифровыми и цифро-аналоговыми узлами. Микросхемы оснащены большими объемами Flash-памяти и большими объемами внутренней оперативной памяти. Пониженное напряжение питания и низкие токи потребления хорошо сочетаются с высокими тактовыми частотами. Такие микроконтроллеры могут эффективно сочетать задачи управления системой, задачи обслуживания большого числа входных датчиков, часть из которых даже не имеет цифровых выходов, и задачи формирования необходимых управляющих воздействий даже в аналоговой форме.
Наличие энергонезависимой Flash-памяти, запись в которую можно выполнять при работе программ, позволяет протоколировать работу системы управления с целью дальнейшего выявления сбоев и не обслуженных запросов от внешних устройств.