Общее устройство микроконтроллера

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “Радиолюбитель“

Общее устройство микроконтроллеров: основа микроконтроллера, периферийные устройства

Ну вот, уважаемые читатели, мы и подошли к одному из главных вопросов в деле изучения микроконтроллеров – устройству микроконтроллеров.

Микроконтроллеры фирмы ATMEL

Для начала давайте условимся, что слово микроконтроллер в тексте будет прописываться двумя заглавными буквами – МК, так проще и удобнее.

Немножко истории.
Фирма ATMEL была создана в 1984 году, ее полное название – Advanced Technologi Memory and Logic.
Первый МК фирма выпустила в 1993 году.
В 1995 году была придумана новая архитектура процессорного ядра для МК, так называемое RISС-ядро (что это за диво, вы при желании можете ознакомиться в любой популярной литературе, а мы отвлекаться не будем).
Новую архитектуру МК назвали AVR. Идея новой архитектуры ядра оказалась очень удачной, и уже с 1997 года ATMEL начала серийный выпуск МК на основе RISC-ядра.

В настоящее время ATMEL выпускает в год несколько миллиардов МК разнообразных типов. Из всего этого множества мы выделим два семейств восьмиразрядных МК:

- TINY AVR
– MEGA AVR

Семейство Tiny – более простые, менее навороченные и, соответственно,  более дешевые.
Семейство Mega – более навороченные, но и стоят дороже.
В каждом семействе большое разнообразие различных МК, что позволяет нам выбрать для создаваемой конструкции наиболее оптимальный вариант МК как по его возможностям, так и по цене.

Почему эти семейства МК называются восьмиразрядными (заодно узнаем что такое шины).

МК – сложная штука, в нем (в одном корпусе) размещено много разных устройств, которые, естественно, должны общаться между собой – передавать или принимать данные (нули и единички), передавать и принимать различные сигналы управления, записывать данные в память или считывать их из памяти. Общение устройств между собой а также с «внешним миром» происходит с помощью шин.
Шину можно представить как жгут с несколькими проводами с помощью которых все устройства соединены между собой и по которым передаются цифровые сигналы – логические нули и логические единицы.

В МК имеется три шины:
1. Шина данных (Data Bus – по английски).
Шина данных — шина, предназначенная для передачи информации.
Эта шина служит только для передачи различных данных между устройствами. Эта шина двунаправленная: по ней устройство может как передавать, так и принимать данные. МК семейства Tiny и Mega могут за один раз передать или принять восемь бит информации (бит – наименьшая единица измерения данных в цифровой технике, одна логическая единица или один логический ноль – это один бит информации) . Такая шина называется восьмиразрядной (иногда встречается название – восьмибитовая), а отсюда и сами МК – восьмиразрядными (если грубо, то можно сказать, что все устройства соединены жгутами из восьми проводов).
Минимальная разрядность шины данных – 8 бит (меньше не бывает). Современные компьютеры имеют 64-разрядную шину данных. Разрядность шины данных всегда кратна 8 (восьмиразрядная, шестнадцатиразрядная, тридцатидвухразрядная…)
2. Шина адреса (Addr Bus – по английски).
Шина адреса — шина, на которой в ходе выполнения программы выставляется адрес ячейки памяти, к которой в данный момент времени должен обратиться МК чтобы считать или следующую команду, или данные, или в которую необходимо записать данные.
3. Шина управления (Control Bus – по английски).
Шина управления – шина, а точнее набор линий (проводников) по которым передаются управляющие сигналы с помощью которых определяется как будет происходить обмен информацией – или ее считывание из памяти, или запись в память, а также некоторые специальные сигналы – сигнал готовности, сигнал сброса.
Небольшой пример работы шин.
Необходимо записать число 60 в ячейку памяти:
– на шине адреса выставляется адрес ячейки памяти в которую необходимо записать число
– на шине управления выставляется сигнал записи
– по шине данных передается число 60, которое записывается в выбранную ячейку памяти.
Ну вот, как общаются устройства в МК между собой, мы вроде-бы разобрались. Идем дальше.

В современном МК много различных устройств, в каком-то типе больше, а в каком-то меньше, а кроме того, в разных МК эти устройства могут различаться по своим характеристикам. Но в МК есть то, что составляет его основу и присутствует во всех типах – процессорное ядро (микропроцессорная система – по аналогии с компьютером), которое состоит из трех основных устройств:
1. АЛУ – арифметико-логическое устройство (микропроцессор) которое выполняет все вычисления (выполняет нашу программу).
2. Память -предназначена для хранения программ, данных, а также любой другой нужной нам информации.
3. Порты ввода – вывода. Это выводы МК с помощью которых он общается с «внешним миром». При передаче информации МК выставляет на своих выводах соответствующие логические уровни (0 или 1). При приеме информации МК считывает с этих выводов логические уровни, которые выставлены внешним устройством.
Это трио – основа МК:

Эту основу МК мы с вами рассмотрим очень подробно, но в следующей статье, как и то, что вы прочтете ниже.

В зависимости от модели МК в нем могут присутствовать дополнительные или, как еще говорят – периферийные устройства. Все периферийные устройства работают сами по себе, т.е. отдельно от процессора МК и не мешают выполнению программы. Когда периферийное устройство выполнит свою работу, оно может об этом сообщить процессору, а может и не сообщать – зависит от нашего желания, сами потом посмотрим на результаты.

1. Аналоговый компаратор
Присутствует во всех моделях МК
Аналоговый компаратор – устройство сравнения. Основная задача компаратора – это сравнение двух напряжений: одно из них – образцовое (с чем сравниваем), а второе – измеряемое (сравниваемое). Если сравниваемое напряжение больше образцового – компаратор вырабатывает сигнал логической единицы. Если сравниваемое напряжение меньше образцового – компаратор формирует на своем выходе логический ноль. 
С помощью компаратора можно, к примеру, контролировать напряжение на заряжаемом аккумуляторе. Пока напряжение не достигнет нужного уровня, на выходе компаратора – логический ноль, как только напряжение аккумулятора достигло уровня нужного нам, компаратор вырабатывает логическую единицу, и значит можно завершить зарядку аккумулятора.

2. АЦП – аналогово-цифровой преобразователь.
Имеют не все МК.
АЦП – преобразователь аналогового напряжения в цифровую форму.
Аналоговое напряжение – это напряжение которое изменяется по напряжению во времени. Например – синусоидальный сигнал с выхода генератора частоты, напряжение в бытовой розетке, звуковой сигнал на колонках.
АЦП постоянно анализирует на своем входе величину напряжения и выдает на своем выходе цифровой код, соответствующий входному напряжению.
Примеры применения:
– цифровой вольтметр или амперметр
– процессорный стабилизатор напряжения
МК, которые имеют АЦП, также имеют раздельное питание для цифровой и для аналоговой частей.

3. Таймер/счетчик
Присутствует во всех моделях МК, но в разных количествах – от 1 до 4, и с разными возможностями.
Таймер/счетчик – это как бы два устройства в одном флаконе: таймер + счетчик.
Таймер – устройство, которое позволяет формировать временные интервалы. Таймер представляет собой цифровой счетчик который считает импульсы или от внутреннего генератора частоты, или от внешнего источника сигнала.
С помощью таймера/счетчика можно:
– отсчитывать и измерять временные интервалы
– подсчитывать количество внешних импульсов
– формировать ШИМ-сигналы
К примеру, мы хотим создать прибор позволяющий измерять частоту входного сигнала (частотомер). В этом случае мы можем использовать два счетчика/таймера. Первый будет отсчитывать временные интервалы равные 1 секунде, а второй будет считать количество импульсов за промежуток времени в 1 секунду которые отсчитывает первый таймер. Количество импульсов подсчитанное вторым таймером/счетчиком за 1 секунду будет равно частоте входного сигнала.
ШИМ- широтно-импульсный модулятор, предназначен для управления средним значением напряжения на нагрузке.
ШИМ – один из вариантов работы таймера/счетчика, позволяющий генерировать на выходе МК прямоугольное импульсное напряжение с регулируемой длительностью между импульсами (скважностью), которое применяется в различных устройствах:
– регулирование частоты вращения электродвигателя
– осветительные приборы
– нагревательные элементы

4. Сторожевой таймер.
Есть во всех моделях МК. Может быть включен или выключен по усмотрению программиста.
У сторожевого таймера только одна задача – производить сброс (перезапускать программу) МК через определенный промежуток времени.
При работе МК могут возникать различные ситуации при которых его нормальная работа будет нарушена (внешние помехи, дурацкая программа, за которую надо голову оторвать программисту). В таких случаях говорят, что МК «завис».
При нормальной работе МК и включенном сторожевом таймере, программа должна периодически производить сброс сторожевого таймера (а периодический сброс мы должны сами предусмотреть в программе) еще до того, как он должен сработать и перезапустить МК. Если программа «зависла», то сброса сторожевого таймера не будет, и через определенный промежуток времени он перезапустит МК.

5. Модуль прерываний.
Прерывание – сигнал, сообщающий процессору о наступлении какого-либо события. При этом выполнение текущей программы приостанавливается и управление передается обработчику прерывания, который реагирует на событие и обслуживает его (выполняется программа, которую должен выполнить МК при наступлении соответствующего события – прерывания), после чего возвращается в прерванную программу.
Прерывания бывают внутренние и внешние.
Внутренние прерывания могут возникать при работе периферийных устройств МК (АЦП, компаратор, таймер и т.д.)
Внешнее прерывание – событие, которое возникает при наличии сигнала на одном из специальных входов МК (таких специальных входов для внешних прерываний у МК может быть несколько).
Пример.
Внутреннее прерывание. Собрали на МК устройство, которое еще обладает и функцией зарядки резервного источника питания. МК выполняет свою основную программу, аналоговый компаратор в это время проверяет напряжение на аккумуляторе. Как только напряжение аккумулятора снизится ниже допустимого, компаратор вырабатывает сигнал процессору – прерывание, процессор останавливает выполнение основной программы и переходит к выполнению программы прерывания, вызванного компаратором – к примеру, включает схему зарядки аккумулятора, а затем возвращается к выполнению прерванной программы.
Внешнее прерывание. Работа МК происходит также, как и при внутреннем прерывании, но вызываться оно может любым устройством, подключенным к специальному входу МК.

6. Интерфейсы и модули для передачи данных. Мы подробно рассматривать их будем только в том случае, если они потребуются для собираемой нами (в будущем) конструкции. Более подробно о них можно прочитать в популярной литературе.
Последовательный периферийный интерфейс SPI
Имеется во всех моделях МК.
Мы его в 99,9 случаях из 100 применяем для программирования МК.
Кроме программирования МК интерфейс SPI позволяет:
– обмениваться данными между МК и внешними устройствами
– обмениваться данными нескольким МК между собой
Универсальный приемопередатчик
Имеют все модели МК, но разных типов:
– USART
– UART
Предназначены для обмена данными по последовательному каналу.
Последовательный двухпроводный интерфейс TWI
Встречается только в серии Mega.
Предназначен для обмена данными по двухпроводной линии. Всего к такой линии можно подключить до 128 устройств.
TWI является полным аналогом интерфейса I2C.

---

Предыдущие статьи:

♦ Микроконтроллер и как его победить
♦ Микроконтроллер и системы счисления
♦ Микроконтроллер и логические операции

Следующие статьи:

♦ Арифметико-логическое устройство и организация памяти – память программ, память данных, энергонезависимая память
♦ Регистры общего назначения, регистры ввода/вывода, стек, счетчик команд
♦ Регистр состояния SREG
♦ Порты ввода/вывода микроконтроллера

---

---