Микроконтроллеры семейства MCS-96

Микроконтроллеры фирмы Intel предназначены для использования в контрольно-измерительных системах и приборах в качестве встраиваемых микропроцессорных устройств. Основными достоинствами микроконтроллеров семейства MCS-96, является:

1. Расширенная разрядная сетка, позволяющая выполнять операции с данными, представленными в формате "байт" (8 бит) и формате "слово" (16 бит), а некоторые операции - в формате "двойное слово" (32 бита);

2. Улучшенная система операций, содержащая операции умножения и деления для чисел со знаком и без знака при разных форматах представления данных, операции сдвига на заданное число разрядов, операции групповой пересылки;

3. Совершенная система команд, имеющая в своем составе двухадресные и трехадресные команды арифметических и логических операций с различными способами адресации, что позволяет создавать компактные и быстродействующие программы;

4. Многообразие расположенных на кристалле периферийных устройств, выполняющих функции ввода и вывода данных, событий и аналоговых сигналов, обслуживания запросов прерывания без прерывания текущей программы, контроля правильности функционирования микроконтроллера, что позволяет разрабатывать малогабаритные и надежные устройства с минимальным числом дополнительных микросхем;

5. Наличие большого число программных и программно-аппаратных средств поддержки разработки аппаратуры на базе микроконтроллеров семейства MCS-96.

2.4 Микроконтроллеры INTEL MCS 196/296

- высокопроизводительные 16-разрядные микроконтроллеры для решения задач встроенного управления оборудованием: от изделий бытовой техники, периферийных устройств ЭВМ до автомобильной и самолетной электроники.

В семейство MCS-196 фирмы Intel (иногда используется и название 80C196) входит более 30 разновидностей микроконтроллеров. Это 16-разрядные, быстродействующие ИС высокой степени интеграции, ориентированные на решение задач управления процессами в реальном масштабе времени. Типичные области применения для этих микроконтроллеров - управление двигателями, модемы, тормозные системы, контроллеры жестких дисков, медицинское оборудование.

История MCS-196 насчитывает более 12 лет. За это время специалисты фирмы Intel увеличили адресное пространство с 64 КБайт до 6 Мбайт, повысили тактовую частоту с 10 до 50 МГц, улучшили быстродействие в 16 раз и добились понижения цены на кристалл примерно в 4 раза.

Микроконтроллеры 80C196 фактически стали индустриальным стандартом для 16-разрядных встроенных систем управления, обеспечивая сочетание высоких технических показателей и экономической эффективности. Например, именно благодаря этим микроконтроллерам, установленным в системе управления зажиганием, специалистам концерна Ford удалось существенно снизить потребление топлива, уменьшить выбросы вредных веществ и одновременно повысить скоростные характеристики своих машин.

Особенности микроконтроллеров семейства MCS-196 фирмы INTEL:

80C196 имеет всего одно адресное пространство, в котором находятся и инструкции, и данные.

Система команд существенно проще и удобнее, чем, например, у 8051 или PIC-контроллеров.

Конечно, 80C196 содержит больше периферийных узлов, чем более простые, 8-разрядные микроконтроллеры. Однако каждый из этих узлов не является более сложным. Более того, большое количество встроенных периферийных узлов придает кристаллу 80C196 дополнительную гибкость, а гибкость - ключ к решению сложных задач простыми средствами.

80C196 имеет существенно более высокое быстродействие, чем 8-разрядные микроконтроллеры и потребляет больше энергии. Но кристаллы 80C196 изготавливаются по КМОП-технологии. А это значит, что при понижении тактовой частоты энергопотребление снижается по практически линейному закону. Итак, если некоторая прикладная задача может быть решена при помощи 8-разрядного микроконтроллера, то ее можно решить и при помощи 80C196, работающего на пониженной тактовой частоте. При этом энергопотребление 80C196 будет слабо отличаться от потребления 8-разрядного микроконтроллера, работающего на своей номинальной частоте, и может быть даже меньшим.

Почему 80C196 быстрее, чем 8051?

Все 32 внутренних регистра 80C196 имеют статус "аккумуляторов" - к ним можно непосредственно применять все необходимые арифметические и логические операции. У 8051 для достижения тех же результатов зачастую необходимо выполнять дополнительные пересылки в аккумулятор и из него.

У 80C196 можно использовать 16-разрядную внешнюю шину. Кроме того, цикл шины 80C196 в 3-4 раза короче, чем у 8051. В результате, 80C196 в 6-8 раз быстрее работает с внешней памятью. Отметим, что, для того, чтобы снизить стоимость изделий, можно вводить в шину циклы ожидания и сократить ее ширину до 8-ми бит; но даже в этом случае 80C196 будет иметь преимущество в -3 раза.

В задачах, требующих 16- и 32-разрядных вычислений, 80C196 примерно на порядок быстрее, поскольку имеет полноценный набор 16-разрядных арифметических инструкций.

Одним из самых эффективных способов сокращения времени разработки программ для микроконтроллеров является применение языка Си. Язык Си базируется на широком использовании стека и указателей. Однако для 8051 использование Си затруднено и ведет к большим накладным расходам, и вот почему. Поскольку 8051 имеет небольшой стек, Си-компиляторы для 8051 генерируют дополнительный код, эмулирующий большой стек во внешней памяти данных. Вдобавок 8051 имеет всего один 16-разрядный указатель - DPTR, и компиляторам также приходится генерировать дополнительный код, чтобы компенсировать этот недостаток. Все это приводит к замедлению программ и увеличению их размера. У 80C196 таких проблем нет - стек имеет размер до 64 КБайт, а в качестве указателя можно использовать любое из 116 слов встроенной регистровой памяти.

Рассмотрим технические характеристики "классического" кристалла MCS-196 - 80C196KB:

ЦПУ На частоте 16 МГц ЦПУ выполняет млн. оп/с при выполнении элементарных операций над знаковыми/беззнаковыми данными длиной 1 или байт. Для этих чисел имеются также и операции умножения и деления (быстродействие: 580 тыс. умножений/сек, 330 тыс. делений/сек).

ПАМЯТЬ И ВНЕШНЯЯ ШИНА ЦПУ имеет одно адресное пространство размером 64 Кбайт, в котором находятся регистры общего назначения (232 байт), регистры спец назначения, встроенная программная память (если имеется), внешняя память для программы и данных. У версии со встроенным ПЗУ (87C196KB), ПЗУ имеет объем 8 КБайт и оснащено защитой от несанкционированного доступа. Контроллер памяти работает с 8- и 16-разрядной внешней шиной, причем ширина шины может динамически переключаться, можно вводить циклы ожидания.

ПРЕРЫВАНИЯ 28 источников запросов, 16 векторов и 16 приоритетов.

ТАЙМЕРЫ Два 16-разрядных таймера TIMER1 и TIMER2 обеспечивают синхронизацию работы устройства ввода-вывода импульсных сигналов (HSIO, High Speed In/Out unit) с реальным временем и внешними событиями. TIMER1 синхронизируется изнутри, тогда как TIMER2 синхронизируется снаружи.

ЦИФРОВЫЕ ПОРТЫ Имеется шесть 8-разрядных портов ввода/вывода цифровых сигналов.

ИМПУЛЬСНЫЙ ВЫВОД И ВЫВОД (HSIO) Одно из самых мощных встроенных устройств 80C196 - устройство генерации импульсных сигналов (HSO Unit). Его функция - выполнять различные действия в заранее запрограммированные моменты времени с минимальным контролем со стороны ЦПУ. От ЦПУ требуется только указать, что сделать, и в какой момент времени (время отсчитывается по т.н. ссылочному таймеру - TIMER1 или TIMER2). Помимо генерации сигналов, HSO одновременно может выполнять функции 4-х дополнительных таймеров.

Устройство ввода импульсных сигналов (HSI Unit) фиксирует моменты времени, в которые произошли какие-либо внешние события, например переход из 0 в 1. HSI имеет 4 входа, а HSO - 6.

АЦП Встроенный 10-разрядный АЦП имеет 8 входов, диапазон входного напряжения - 0...5 В. На частоте 16 МГц время преобразования - 19,5 мкс. Имеется схема выборки/хранения и отдельные входы опорного напряжения и аналоговой земли.

ГЕНЕРАТОР ШИМ-СИГНАЛА Генератор ШИМ имеет один выход. Диапазон изменения скважности импульсов - 56 градаций. Период импульсов может быть равен 56 или 512 тактам (31,25 или 15,625 кГц соответственно, для частоты 16 МГц).

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ПОРТ На ОЭВМ имеется универсальный последовательный синхроннно-асинхронный дуплексный порт связи (SIO, Serial In/Out). Максимальная скорость обмена (на частоте 16 МГц): в асинхронном режиме - 1 Мбод; в синхронном режиме - 4 Мбод.

ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ Общее потребление - не более 75 мА на частоте 16 МГц. Имеются режимы с пониженным энергопотреблением: IDLE (30 мА) и POWER DOWN (0,1 мА).

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДИАПАЗОН, КОРПУСА Существует четыре разновидности по температурному диапазону работы: коммерческий (0...+70 градусов), расширенный (-40...+85), автомобильный (-40...+125) и военный. Кроме того, микроконтроллеры могут быть подвергнуты динамической электротермотренировке. ИС устанавливаются в корпуса типов: PLCC-68, QFP-80, керамический LCC-68, и керамический PGA-68.