mikrokontrolery.pdf

Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydział Transportu Politechniki Warszawskiej

MIKROKONTROLERY

1. Wstęp

Mikrokontrolery należą dziś do najbardziej rozpowszechnionych scalonych

układów cyfrowych. Od lat stosowane są niemal w każdym zakątku olbrzymiego

obszaru elektroniki, zarówno w sprzęcie powszechnego użytku, jak i aparaturze

kontrolno-pomiarowej, systemach automatyki przemysłowej, telekomunikacji ,

przemyśle samochodowym i lotniczym, a także w technice wojskowej. Ich niezwykle

dynamiczna ekspansja sprawiła, że właściwie trudno doszukać się zagadnień

elektroniki cyfrowej na które nie wywarłyby swojego wpływu. Stały się przy tym tak

powszechne, że większość osób nie związanych czynnie z elektroniką nie zdaje sobie

sprawy z ich istnienia, a nawet ich wykorzystywania w życiu codziennym. Są one

bowiem obecne niemal w każdym domu, poczynając od bardziej rozbudowanych

aparatów telefonicznych, odkurzaczy i regulatorów oświetlenia, poprzez lodówki i

kuchenki mikrofalowe, aż do typowego sprzętu RTV. Szybka ekspansja

mikrokontrolerów w przeróżnych dziedzinach techniki doprowadziła do sytuacji, w

której olbrzymie rzesze techników i inżynierów przeróżnych specjalności

wykorzystują je w swojej codziennej pracy zawodowej. Dla wielu z nich stały się nie

tylko narzędziem pracy, ale także nową drogą rozwoju, oferując całe bogactwo

nowych zastosowań.

Celem niniejszego wprowadzenia jest prezentacja mikrokontrolerów, ich budowy

i sposobu działania oraz możliwości zastosowań. Jednak nie mniej istotnym

zamiarem jest poznanie na ich przykładzie podstawowych zagadnień techniki

mikroprocesorowej, pojęć, mechanizmów i praw rządzących systemem

mikroprocesorowym, stanowiącym dziś fundament każdego systemu sterowania,

kontroli i telekomunikacji.

Mikrokontrolery – wprowadzenie, str. 1

Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydział Transportu Politechniki Warszawskiej

2. Mikroprocesor, czy mikrokontroler

Powszechność komputerów klasy PC sprawiła, że pojęcie mikroprocesora

znane jest chyba wszystkich. Kojarzy się on na ogół z sercem komputera, bez którego

nie jest on w stanie funkcjonować. Jego wysoka cena sugeruje dalej jego duże

możliwości i potencjalną tkwiącą w nim siłę. Wszystko są to skojarzenia jak

najbardziej prawidłowe, dotykające sedna zagadnienia. W przypadku jednak

mikrokontrolera na ogół pojawia się już zdziwienie, wykazujące nie tylko

nieznajomość przedmiotu, ale nawet samego określenia. Pierwsze myśli biegną

zwykle w kierunku mikroprocesora i podświadomie doszukują się pomyłki w

nazewnictwie.

W najprostszym ujęciu mikroprocesor jest specjalizowanym układem

scalonym bardzo wysokiej skali integracji, zdolnym do realizowania operacji

arytmetyczno-logicznych. W budowie samego układu zawarto mechanizmy reakcji

na polecenia zewnętrzne, tzw. listę rozkazów, na które układ reaguje w określony

sposób. Przykładem może być tutaj elementarne polecenie dodania dwóch liczb i

umieszczenie wyniku we wskazanym obszarze pamięci. Sam jednak mikroprocesor,

bez względu na cenę i możliwości, nie jest zdolny do wykonania nawet najprostszego

zadania. Pozbawiony jest bowiem wszystkiego, co służy bezpośredniej komunikacji

ze światem zewnętrznym i pozbawiony reszty systemu mikroprocesorowego staje się

niemy i głuchy. Wśród jego wyprowadzeń znajdują się linie służące do adresowania

(wybierania określonego fragmentu) zewnętrznej pamięci oraz linie przesyłania

danych. Linie te noszą odpowiednio nazwę magistrali adresowej i magistrali

danych . W pamięci zewnętrznej mogą się znaleźć dane przesłane celem

przetworzenia przez mikroprocesor, jak i będące wynikiem takiego przetworzenia -

mówimy w tym przypadku o pamięci danych . W pamięci zewnętrznej może się

jednak znaleźć ciąg instrukcji i poleceń wykonania przez mikroprocesor określonych

czynności. Jest to pamięć programu , która jak łatwo zauważyć może być dowolnie

modyfikowana w zależności od potrzeb. Dane i wyniki owego przetwarzania

umieszczane są w podręcznej pamięci mikroprocesora, zwanej rejestrami . Tam też

przechowywana jest informacja o aktualnym stanie układu. Wszelkie operacje

Mikrokontrolery – wprowadzenie, str. 2

Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydział Transportu Politechniki Warszawskiej

wykonywane są w sumatorze i jednostce arytmetyczno-logicznej , tzw. ALU.

Przychodzące z pamięci programu instrukcje tłumaczone są w dekoderze instrukcji ,

zawartym w dodatkowym układzie sterującym . Razem z układem obsługi

przerwań tworzą one Centralną Jednostkę Procesora CPU (ang . central

processing unit ), która steruje pracą całego systemu mikroprocesorowego. Widać

tutaj, że wcześniejsze odniesienie do serca układu powinno raczej zostać zastąpione

określeniem mózg - CPU rządzi bowiem wszystkim, odbiera i przetwarza dane, ale

robi to w chwilach w których jest do tego zdolny. Oznacza to, że przychodzące z

zewnątrz polecenie zostanie wykonane po zakończeniu aktualnie wykonywanej

czynności. Trochę inaczej przedstawia się sytuacja w przypadku wspomnianego

wyżej układu obsługi przerwań. Przerwanie należy do najistotniejszych zagadnień

systemów mikroprocesorowych, bez którego żaden rozbudowany system nie mógłby

funkcjonować. W najprostszym ujęciu przerwanie jest sygnalizacją sytuacji

wyjątkowej – coś się stało i trzeba na to zareagować. Przykładem może być przyjście

znaku (pojedynczej danej) na łączu transmisji szeregowej , który trafia do pamięci

wejściowej, zwanej buforem odbiornika . Bufor ten może mieć pojemność zaledwie

jednego znaku, na tylko jedną daną. Przyjście kolejnego znaku spowoduje zapisanie

go w miejscu gdzie przechowywany jest odebrany wcześniej znak, co doprowadzi do

jego straty i błędnego działania systemu. Przyjście znaku musi być zatem

sygnalizowane, by układ kosztem zawieszenia mniej istotnych czynności odebrał

znak i przepisał go do podręcznej pamięci danych. Taka sygnalizacja nosi właśnie

nazwę przerwania, przerywa bowiem normalny cykl pracy i wymusza określone

działanie. Ponieważ istnieje wiele źródeł przerwań, to każde z nich ma określony

priorytet, by ich jednoczesne wystąpienie prowadziło do obsługi wg określonej

hierarchii ważności.

Termin mikrokontroler pojawił się w literaturze dopiero w latach

osiemdziesiątych XX w. i oznacza także układ scalony, ale taki który spełnia dwa

podstawowe założenia:

- jest zdolny do autonomicznej pracy, czyli w najprostszych zastosowaniach nie

wymaga ŻADNYCH dodatkowych układów pomocniczych, np. pamięci

Mikrokontrolery – wprowadzenie, str. 3

Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydział Transportu Politechniki Warszawskiej

- ma rozbudowany system komunikacji z otoczeniem, zarówno przy użyciu

sygnałów cyfrowych, jak i analogowych.

Jak widać mikrokontroler nie jest ani głuchy, ani niemy. Z założenia bowiem

musi dysponować układami do komunikacji ze światem zewnętrznym i wewnętrzną

pamięcią danych oraz programu. Najważniejsze jest jednak to, że mikrokontroler

zawiera w sobie CPU, stając się jakby jego wyższą formą elektronicznego życia.

Skoro jest czymś więcej niż mikroprocesor, to pozostaje już tylko wyjaśnić dlaczego

cena mikrokontrolerów jest o jeden lub dwa rzędy wielkości mniejsza niż

mikroprocesorów. Odpowiedź jest prosta i tkwi w tzw. mocy obliczeniowej , czyli

zdolności do przetwarzania danych. W większości zastosowań mikrokontrolerów ich

głównym atutem jest ich uniwersalność i łatwość implementacji, a sama wydajność

pozostaje na drugim miejscu. W przypadku mikroprocesorów sytuacja jest odwrotna,

bowiem to właśnie wydajność decyduje o ich możliwościach, a o konkretnym

zastosowaniu decyduje reszta systemu mikroprocesorowego.

Zanim wprowadzono pojęcie mikrokontrolera układy o ich budowie i

możliwościach nazywano mikrokomputerami jednoukładowymi (ang. Single-Chip

Microcomputer ). Powstały one bezpośrednio jako rezultat postępów

technologicznych mikroelektroniki, które umożliwiły na umieszczenie w jednym

układzie scalonym mikroprocesora i omówionych wcześniej układów dodatkowych.

W naturalny sposób były one rozwinięciem samych mikroprocesorów,

doprowadzając do powstania w firmie Intel układu 8085, którego CPU ma strukturę

opartą na popularnym mikroprocesorze 8080, opracowanym już w 1974 roku.

Podobny początek miał inny popularny układ 6801 firmy Motorola, wywodzący się z

mikroprocesora 6800, zaprojektowanego w 1975 r. Początek lat 80-tych XX w. to

prawdziwy początek ery komputerów osobistych, co było przyczyną, że pojęcie

mikrokomputer jednoukładowy stało się dosyć mylące. Zastąpiono je więc

definitywnie określeniem mikrokontroler i pod taką nazwą układy te funkcjonują do

dnia dzisiejszego.

Mikrokontrolery – wprowadzenie, str. 4

Zakład Telekomunikacji w Transporcie Wydział Transportu Politechniki Warszawskiej

Mikrokontrolery, które początkowo zawierały proste jednostki CPU operujące

na 8-bitowym słowie danych oraz pamięci o pojemności zaledwie setek bajtów,

zaczęły się gwałtownie rozwijać. Częstotliwość zegara wzrosła do dziesiątek, a

nawet setek megaherców, a pojemności wbudowanej pamięci osiągnęły dziesiątki

kilobajtów. Równocześnie wzrastała liczba bitów danych oraz pojawiły się nowe

układy wejścia / wyjścia, np. transmisji szeregowej oraz liczniki impulsów i

przetworniki analogowo-cyfrowe. Obecnie występuje kilkadziesiąt podstawowych

typów mikrokontrolerów z 8-, 16- i 32-bitową szyną danych, a kompletna lista

wszystkich ich wersji oraz odmian liczy setki pozycji. Wśród ich producentów od lat

czołową pozycję zajmują firmy Intel i Motorola. Jednak ich pozycja została mocno

osłabiona przez cały szereg innych firm, oferujących mikrokontrolery będące nie

tylko kopiami pierwowzorów, ale ich znacznie bardziej rozbudowanymi wersjami.

Wśród nich należy wymienić takie firmy jak Philips, Hitachi, Atmel, Siemens, SGS-

Thomson, Microchip, Mitsubishi, National Semiconductors, Dallas Semiconductors,

Zilog. Niektóre z firm uczyniły z mikrokontrolerów swój sztandarowy produkt,

powstały dzięki nim i dzięki nim odniosły swój sukces. Należy jednak pamiętać, że

prekursorem wszystkich działań była firma Intel, której układ 8-bitowego

mikrokontrolera 8051 wywołał prawdziwą rewolucję, ustanawiając w elektronice

nowy standard „ 51 ”, zwany w żargonie „ pięćdziesiątką jedynką ”. Pierwszymi, które

zdołały im zagrozić były układy firmy Motorola 68HC05, 68HC08 i 68HC11, które

stały się standardem przemysłowym w niektórych zastosowaniach, np.

telekomunikacji.

3. Budowa i zasada działania mikrokontrolerów

3.1 Model uproszczony

Uproszczony schemat mikrokontrolera został przedstawiony na rys. 1, gdzie

wyraźnie dają się rozróżnić jego najważniejsze zespoły funkcjonalne. Skupiają się

one wokół jednostki centralnej CPU, która realizuje ciąg rozkazów (program)

zapisany w pamięci programu.

Mikrokontrolery – wprowadzenie, str. 5

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: