Микроконтроллеры для чайников

Южно-Российский государственный политехнический
университет имени М.И. Платова (НПИ)
Разработали:
доцент кафедры АУТПП, к.т.н. К.И. Юренко
профессор кафедры АУТПП, д.т.н. Е.И. Фандеев
Выполнено при поддержке гранта Министерства образования и науки РФ
(соглашение № 14.В37.21.0289)
Новочеркасск 2013
Микропроцессор это программно-управляемое устройство, предназначенное
для обработки цифровой или аналоговой информации –
ввода исходных данных, выполнения арифметических,
логических и других операций, выдачи результатов в
соответствии с командами, которые он считывает из
памяти, а также для управления процессом этой обработки.
Последовательность команд, исполняемых микропроцессором, называется программой.
Внешний вид микропроцессора
История создания
микропроцессоров
В 1970 году Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel (США) сконструировал
интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному
процессору большой ЭВМ - первый 4-разрядный микропроцессор Intel-4004,
который был выпущен уже в 1971 году в ходе разработки программируемого
калькулятора. Он состоял из 4 больших интегральных микросхем (БИС), мог
адресовать 4,5 кбайт памяти, работал на частоте 740 кГц и имел 45
инструкций со временем выполнения 10-20 мкс. За ним в 1974 последовал
8-разрядный МП, а в 1976 насчитывалось уже более 50 разных типов МП. К
1989 разрядность МП увеличилась до 16-32 бит, частота увеличилась до 33
МГц, а время выполнения инструкций снизилось до 0,1-2 мкс. Объём
адресуемой памяти увеличился до десятков Мбайт. Такие микропроцессоры
могли выполнять до 25 миллионов операций в секунду.
Современные микропроцессоры
Современные 64-х разрядные процессоры Intel Core i7
работают на частоте до 4 ГГц , имеют 4 ядра и могут
выполнять одновременно до восьми потоков команд.
Их производительность превышает
30 миллиардов операций в секунду.
Эти микросхемы содержат более
миллиарда транзисторов
на кристалле площадью
100-200 мм²
Отечественный микропроцессор
«Эльбрус»
В нашей стране разработан микропроцессор
Эльбрус на основе оригинальной архитектуры
так называемого длинного командного слова.
Это позволяет за один такт его работы
обрабатывать больше данных и при меньшей
по сравнению с импортными аналогами тактовой
частоте достигать сравнимой с ними производительности (до 23,7
миллиардов операций в секунду при рабочей тактовой частоте 300
МГц). В настоящее время ведётся опытно-конструкторская работы по
созданию к 2015 году многоядерного процессора Эльбрус-8С с
максимальной производительностью более 150 миллиардов операций в
секунду, предназначенного для создания многопроцессорных
высокопроизводительных компьютеров.
Устройство микропроцессора
Микропроцессор включает:
- Арифметико-логическое устройство (АЛУ) для выполнения
арифметических и логических операций;
- Устройство управления, вырабатывающее управляющие
сигналы для всех блоков микропроцессора в соответствии с
кодами команд;
- Блок регистров - ячеек для хранения команд, данных и адресов;
- Устройство сопряжения для чтения/записи команд и данных из
памяти и устройств ввода вывода, формирования команд
управления внешней шиной.
Шина – это информационный канал,
который объединяет все блоки
вычислительной системы и обеспечивает
обмен данными между ними
Основные
характеристики
микропроцессоров
 Разрядность – максимальный объем одновременно
обрабатываемых данных (битовых разрядов). В настоящее
время существуют 8/16/32/64-х разрядные микропроцессоры
 Тактовая частота – количество тактов (элементарных
операций), которые может выполнить процессор в единицу
времени. Каждая команда требует от одного до нескольких
тактов процессора. Например, при частоте процессора
10 МГц он выполняет 10 миллионов элементарных
операций в секунду.
Какие бывают микропроцессоры?
Универсальные - предназначены
для решения широкого класса задач
вычисления, обработки информации
и управления. Они, например
используются в составе
персональных компьютеров и
ноутбуков.
Специализированные предназначены для решения
задач определенного класса. К их
числу относятся: сигнальные,
мультимедийные, транспьютеры,
нейропроцессоры и другие.
Процессоры цифровой обработки сигналов (ЦОС, Digital Signal
Processing – DSP), называемые также цифровыми сигнальными
процессорами, предназначены, как следует из названия, для цифровой
обработки сигналов (например, для фильтрации сигналов, вычисления
свертки, корреляционной функции, ограничения и преобразования сигнала,
выполнения прямого и обратного преобразований Фурье).
Процессоры ЦОС строятся на основе
«Гарвардской
архитектуры»,
отличительной
особенностью которой является то, что программы
и данные хранятся в различных устройствах
памяти - программ и данных.
Примерами ЦОС являются TMS320Cхххх
(Texas Instruments, США), ADSP-21XX (Analog
Device, США), DSP568xx (Motorola, США), а также
российские процессоры «МУЛЬТИКОР», созданные
На рисунке:
научно-производственным центром «Электронные
ША – шина адреса;
вычислительно-информационные системы» (ОАО
ШД –шина данных
НПЦ «ЭЛВИС») и превосходящие по некотором
характеристикам зарубежных конкурентов.
Мультимедийные процессоры предназначены
для обработки аудиосигналов, графической информации
видеоизображений. Могут использоваться в мультимедиасистемах, игровых приставках, бытовой технике, системах
цифрового телевидения и видеонаблюдения). Имеют
общие черты с процессорами ЦОС. Так, к мультимедийным
процессорам можно отнести семейство «Мультикор».
Процессор семейства
«Мультикор»,
ОАО НПЦ "ЭЛВИС“,
г. Зеленоград
Транспьютеры служат для организации массовых параллельных
вычислений и передачи больших объемов данных между узлами
многопроцессорной вычислительной системы. Для них характерно наличие
внутренней памяти и межпроцессорного интерфейса.
Термин транспьютер происходит от слов Транзистор и Компьютер.
Это определение, по мнению разработчиков, подчёркивать возможность
построения сложных вычислительных комплексов на базе транспьютеров,
где их роль уподоблялась бы роли транзисторов, выступающих основным
элементом при проектировании электронных схем.
Нейропроцессор – это микропроцессор, который работает по
алгоритму искусственной нейронной сети. Относится к массовопараллельным системам, для которых характерны параллельные
потоки одинаковых команд и множество параллельно обрабатываемых
в соответствии с ними потоков данных. Подразделяются на цифровые,
аналоговые и гибридные.
Нейропроцессоры выпускают
практически все основные производители
микроэлектроники (Intel, IBM, Siemens,
Micro Devices, Philips и другие).
Отечественный нейропроцессор
NeuroMatrix, созданный в компании НТЦ «Модуль» является
достойным конкурентом зарубежным аналогам.
Микропроцессорная система это специализированная вычислительная,
информационная, управляющая или
контрольно-измерительная система,
основным устройством обработки
информации в котором является
микропроцессор [1,2]. Типовая структура микропроцессорной
системы (МПС) включает в себя центральный процессор, в
качестве которого может выступать один из рассмотренных
выше типов микропроцессоров в зависимости от задач МПС,
память программ и данных, порты ввода вывода и системную
шину для подключения внешних устройств. Примером МПС
может служить персональный компьютер.
Типовая структура МПС [2]
Микроконтроллером (МК) или
однокристальной микро-ЭВМ
называется устройство, конструктивно
выполненное в одном модуле БИС, содержащее
все компоненты микропроцессорной системы:
процессор, память программ и данных, порты
ввода вывода. Современные МК дополняются
также большим количеством дополнительных
программируемых периферийных устройств и
коммуникационных интерфейсов. Обычно МК
является ядром устройства управления и
контроля, называемого контроллером
(от англ. controller - регулятор, управляющее Микропроцессорное
устройство на базе
устройство), микропроцессорным
процессора
контроллером или микропроцессорным
«Мультикор»
управляющим устройством.
В настоящее время существует огромное
количество типов микроконтроллеров, отличающихся
архитектурой процессора, размером и типом
встроенной памяти, набором периферийных устройств,
Микроконтроллер
типом корпуса и т. д.
российской компании
Программирование микроконтроллеров обычно ЗАО "ПКК Миландр"
осуществляется на языке ассемблера или С/С++, хотя
существуют компиляторы для других языков.
Для отладки программ используются программные симуляторы
(специальные программы для персональных компьютеров,
имитирующие работу микроконтроллера), внутрисхемные эмуляторы
(электронные устройства, имитирующие микроконтроллер, которые
можно подключить вместо него к разрабатываемому встроенному
устройству) и интерфейс JTAG.
Периферийные устройства МК
 универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как










на ввод, так и на вывод;
различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I²C, SPI,
CAN, USB, IEEE1394, Ethernet , SpaceWire и другие ;
аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
компараторы;
широтно-импульсные модуляторы;
таймеры;
контроллеры двигателей;
контроллеры дисплеев и клавиатур;
радиочастотные приемники и передатчики;
массивы встроенной флэш-памяти;
встроенный тактовый генератор и сторожевой таймер и другие.
Заключение
В настоящее время микропроцессоры и микроконтроллеры используются в
компьютерах и ноутбуках, автомобилях и поездах, самолетах и космических
аппаратах, кораблях и подводных лодках, при управлении технологическими
процессами и производствами, в телекоммуникационных системах и устройствах,
медицинской техники, научных исследованиях, бытовых приборах – телевизорах,
холодильниках, мобильных телефонах, стиральных машинах и даже кофеварках.
Сфера их применения поистине безгранична. В настоящее время
возрождающаяся отечественная электронная промышленность способна
предоставить разработчикам конкурентоспособную элементную базу для решения
широкого круга задач, включая создание систем и устройств для жестких условий
эксплуатации с критическими требованиями по надежности и безопасности.
Литература и ссылки
 Бойко В.И. Схемотехника электронных систем. Микропроцессоры и





микроконтроллеры / В.И. Бойко, А.Н. Гуржий, В.Я. Жуйков, А.А. Зори,
В.М. Спивак, Т.А. Терещенко, Ю.С. Петергеря // СПб.: БХВ-Петербург,
2004. – 464 с.
Б.В. Костров, В.Н. Ручкин Архитектура микропроцессорных систем /
М.: Диалог-МИФИ, 2007. – 304 с.
Ключев, А.О. Аппаратные и программные средства встраиваемых
систем. Учебное пособие / А.О. Ключев, П.В. Кустарев, А.Е. Платунов.
– СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. – 290 с.
http://www.multicore.ru
http://www.milandr.ru/
http://www.module.ru
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы благодарят Министерство науки и
образования Российской Федерации за
поддержку работы в виде предоставления
гранта в рамках Федеральной целевой
программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России
на 2009-2013 годы»
(соглашение № 14.B37.21.0289)