MIKROŘADIČE A JEDNOČIPOVÉ MIKROPOČÍTAČE

Transkript

1 MIKROŘADIČE A JEDNOČIPOVÉ MIKROPOČÍTAČE

2 MIKROŘADIČE MIKROKONTROLÉRY Jednočipové řadiče mikrokontroléry jsou takové prvky, které konstrukčně soustřeďují na čipu základní funkce mikropočítačové struktury : mikroprocesor, paměť programu, paměť dat, obvody rozhraní aj. Tyto typy řadičů reagují na digitální nebo analogové signály přiváděné na jejich vstupy a produkují digitální nebo analogové signály na svých výstupech. Pro signály na vstupech je předpokládána jen minimální předřazená úprava - zesílení, převod na napětí, úprava úrovní nebo hran řídících sognálů, výstupy jsou běžně schopné přímo ovládat indikační prvky, jako diody LED a panely LCD a/nebo produkovat řídící signály pro výkonové prvky relé nebo tyristory.

3 ÚVOD oménou jednočipových mikrořadičů jsou hromadně vyráběné ůzné typy řídících obvodů např. v zabezpečovací technice, elekomunikacích, ale i řídící obvody pro domácí spotřebiče, udio-vizuální techniku. Typické aplikace vznikly při obsluze stupních a výstupních zařízení počítačů (klávesnice, yši,apod.) řízení zobrazovacích panelů v automobilech a etadlech, zpracování signálů v inteligentních senzorech nebo ři jednoúčelovém řízení motorů v průmyslové automatizaci. zhledem k nízké ceně jsou i vhodnou alternativou k logickým bvodům tam, kde není vyžadována velká rychlost. rvé jednočipové řadiče byly vyráběny jako čtiřbitové, oučasně jsou nejvíce aplikovány osmibitové a začal nástup estnáctibitových i 32-bitových mikrořadičů.

4 Úvod I Na rozdíl od klasických jednočipových mikropočítačů nezpřístupňují jednočipové řadiče na svých vývodech signály sběrnice mezi mikroprocesorem, pamětmi a obvody rozhraní. Není také možné prakticky rozšiřovat rozsah programu nad jistou mez, která je dána kapacitou vnitřní paměti a připojování přídavných vnějších obvodů rozhraní je limitováno počtem I/O vývodů. Nemožnost připojit vnější obvody rozhraní paralelně lze eliminovat vytvořením sériové sběrnice, která je pro pomalejší obvody rozhraní dostačující. Některé jednočipové řadiče rozhraní sériové sběrnice zahrnují (některé prvky řady Motorola 6805 resp. 68HC05 mají řadič SPI, řadič Philips 83C752 má rozhraní I2C ), na ostatních lze obsluhu sériového rozhraní realizovat programově.

5 Úvod II Hranice mezi jednočipovými řadiči a jednočipovými mikropočítači není moc ostrá a jednotlivé produkty ji překrývají. Jednočipové mikropočítače, schopné vytvářet vnější sběrnici, se mohou často omezit na vnitřní paměť programu i dat a mohou tak být použity (při vyšší ceně Koncepce jednočipových mikropočítačů a jednočipových řadičů - mikrokontrolérů

6 Úvod III Někteří výrobci dokonce dodávají levné varianty jednočipových mikrořadičů v pouzdrech s malým počtem vývodů, u kterých je vnější rozšíření vyloučeno. Jako příklad lze uvést jednočipový řadič Philips 83C752, či jeho varianta 87C572, v pouzdře DIL28 (PLCC28), který je modifikací jednočipového mikropočítače Philips 83C552. Na druhou stranu, řady jednočipových řadičů jsou rozšiřovány o prvky dovolující vytvořit vnější sběrnici. Takovéto modifikace mohou podstatně zjednodušovat vývoj programového vybavení, které se musí jinak opírat pouze o programové simulátory a opakované programování vnitřní paměti EPROM nebo EEPROM,

7 Úvod IV Jako příklad rozšíření řady jednočipových řadičů směrem k jednočipovým mikropočítačům je možno uvést prvek Microchip 16C71, který rozšiřuje řadu řadičů Microchip 16C5x. Podobně tomu je u řady řadičů Motorola 6805, kde lze nalézt prvek 6805E0

8 Příklady jednočipových řadičů K nejzajímavějším patří: Motorola 68HC05 Signetics-Thompson ST62 Microchip 10C5x

9 Řadič Motorola MC68HC05 Tyto řadiče 6805 byly původně vyráběny technologií HMOS. Dnešní varianty 68HCO5 se vyrábějí technologií HCMOS a jsou plně statické. Mohou pracovat od nulového kmitočtu hodin až po 2-4 MHz na vnitřní sběrnici. Struktura jádra vychází z historického mikroprocesoru 6800 a staršího jednočipového mikropočítače Jádro řadiče 68HC05 bylo proti mikropočítači 6801 poněkud zjednodušeno- chybí druhý střadač a šestnáctibitové instrukce. Na druhé straně bylo doplněno o instrukce pro práci s bity v paměti RAM a v registrech periferií. Procesor je doplňován periferiemi tak, aby co nejlépe vyhovoval požadavkům konkrétní aplikace. Současná nabídka fy Motorola zahrnuje více než 100 variant v pouzdrech s 16 až 160 vývody, řada modifikací je vytvářena na základě požadavků zákazníků jako obvody CSIC (Consumer Specified Integrated Circuit) z knihovních modulů

10 Motorola MC68HC05 Procesor pracuje s osmibitovým střadačem A, podporou pro adresaci je osmibitový indexregistr X. Vnitřní zásobník je adresován šesti- až jedenáctibitovým registrem SP, programový čítač PC je jedenácti- až šestnáctibitový.

11 Motorola MC68HC05 Jak je vidět z obrázku je do jediného paměťového prostoru mapovaná paměť ROM, RAM i periferie. Paměť RAM mívá podle typu kapacitu od 2 KB do 32 kb, existují také modifikace s pamětí programu EPROM (označené jako 68HC705) v pouzdře s mazacím okénkem pro vývoj a modifikace OTP v pouzdře bez mazacího okénka pro malé a ověřovací série. U některých typů jsou k dispozici i verze s pamětí programu EEPROM- 68HC805.

12 Motorola MC68HC05 II Instrukční repertoár je tvořen 59 instrukcemi a využívají řadu adresačních módů. Operandem může být implicitní registr (označení Inherent Mode), přímý operand (Immediate Mode), operand adresovaný osmibitovou (Direct Mode) nebo 16-ti bitovou (Extended Mode) adresou. Operand může být adresován registrem X (Indexed Mode) s případným osmibitovým nebo šestnáctibitovým doplňkem. Instrukce podmíněného skoku používají relativní adresaci (Relative Mode) v rozsahu 128 B. U bitových operací lze adresovat ± libovolný bit v prvých 128 B paměti (Bit Mode). Provádění aritmetických operací potřebuje 2 cykly, přídavné cykly jsou nutné pro čtení dalších operandů, nepřímou adresaci, apod. Instrukční repertoár řadiče 68HC05 je do

13 Motorola 68HC05 III Řadič 68HC05 je vybavován širokou škálou periferií. Téměř standardním vybavením je šestnáctibitový čítač s jedním komparačním a jedním záchytným registrem. U jednodušších modelů najdeme jednoduchý osmibitový čítač/časovač se sedmibitovým předřazeným programovatelným děličem. Běžným vybavením řadičů 68HC05 je i hlídací časovač Watchdog, asynchronní sériové rozhraní SCI (případně univerzální sériové rozhraní SIOP) a čtyř- nebo osmivstupový osmibitový A/D převodník s postupnou aproximací (bez analogové paměti). (tzv.sample/hold). Řadiče určené pro speciální aplikace jsou doplňovány pamětmi EEPROM, sériovými sběrnicemi I2C, obvody PWM, obvody dvoutónové volby DTFM, řadiči panelů LCD, generátory televizního signálu OSD (On Screen Display), fázovými závěsy PLL a jiné.

14 Motorola MC68HC05 IV Prioritní přerušovací systém řadičů 68HC05 vychází z koncepce procesoru 6800, zdrojem přerušení může být vnější nemaskovatelný signál (NMI), vnější maskovatelný signál (INT), přetečení vnitřního čítače nebo programové přerušení (instrukce SWI).

15 Řadiče Motorola V - varianty TYP ROM RAM E 2 SIO A/D PMW I/O POUZDRO 68HC05B4 4K 176 SCI B, 52FN 68HC05B8 8K SCI B, 52FN 68HC05C4 4K 176 SCI,SPI 31 40P, 44FN 68HC05D9 16K 352 SCI P, 44FN 68HC05F6 4K B, 44FB DTFM 68HC05G8 8K FT PC chip 68HC05H2 2K 96 SIOP P, 44DW 68HC05J1 1K P, 20DW 68HC05K P, 16DW 68HC05P4 4K 176 SIOP, 21 28P, 28DW 68HC05T7 5K 320 I 2 C B 68HC05X4 4K DW CAN 68HC05X16 16K SCI FN,64FB CAN

16 Řadič SGS Thompson ST62 smibitové řadiče ST6210, ST6215, ST6220 a ST6225 fy SGS hompson jsou přechodem mezi klasickými jednočipovými ikropočítači a jednočipovými řadiči. ádro řadiče ST62 je tvořeno osmibitovým procesorem arwardského typu s malým počtem instrukcí, ale s dobrými dresačními možnostmi. Procesor je schopen pracovat na mitočtu až 8 MHz typická instrukce trvá 4 cykly. Procesor e programově zastavit (Stop Mode). Součástí jádra je malá nitřní datová paměť RAM o kapacitě 64 B a vnitřní paměť rogramu ROM o kapacitě 2 4 kb. Existují modifikace ybavené pamětí EPROM v klasickém provedení určené pro ývoj a modifikace vybavené pamětí EPROM v provedení OTP ro malé série.

17 Řadiče Thompson ST62 struktura řadiče

18 Řadiče Thompson ST62 Mikropočítačové jádro je doplněno o jednoduchý 8 bitový časovač/čítač s předřazeným programovatelným děličem, obvod Watchdog a 8 bitový A/D převodník s 8 - vstupovým (ST6210,15) nebo 16 vstupovým(st6220,25) multiplexorem. Celkový počet I/O špiček, které mohou být použity jako digitální vstupy/výstupy je 12 (ST6210,15) nebo 20 (ST6220,25). Čtyři z nich jsou bez posílení schopné ovládat diody LED nebo spínače TRIAC dokáží sepnout až 20 ma. Základní řada je doplňována o typy ST6240, 50 a 60 s řadiči zobrazovačů LCD, se sériovým rozhraním, s většími paměťovými prostory, s pamětí EEPROM.

19 Řadiče Thompson ST62 Řadiče mají dobře řešené programování funkce vstupně/výstupních vývodů. Pro každý vývod lze samostatně definovat směr přenosu (vstup/výstup). U vývodů naprogramovaných jako vstupy lze programově připojit zvyšovací odpor, napojit je na přerušovací systém nebo je využít jako vstupů A/D převodníku. U výstupů lze volit mezi otevřeným kolektorem a výstupem Push-Pull. Časovač/čítač je tvořen osmibitovým čítačem a sedmibitovým programovatelným děličem. Vstupem je buď signál oscilátoru (vydělený 12) nebo signál přivedený na pin TIMER. Tento vývod může být alternativně využit pro hradlování vnitřního hodinového signálu, nebo jako vstup, který bude nastaven na naprogramovanou hodnotu při nulové hodnotě čítače. Watchdog lze naprogramovat v pracovním intervalu mezi 384

20 Řadiče Thompson ST62 smibitový A/D řevodník pracuje s ostupnou aproximací s asem převodu 70 µs. egistry procesoru ahrnují osmibitový kumulátor, dva omocné registry (V, W), va registry pro epřímou adresaci (X, Y) 2-ti bitový čítač strukcí a estiúrovňový zásobník.

21 Řadiče Thompson ST62 Pro každý ze tří režimů práce procesoru normální výpočet, přerušení, nemaskovatelné přerušení je používána samostatně dvojice příznaků C, Z. Příznak C ukládá přenosový bit (Carry) a příznak Z informaci o nulovém výsledku (Zero) poslední aritmetické nebo logické operace. Přepnutí na odpovídající dvojici příznaků je spojené se vstupem do přerušovací rutiny a návratem z ní. Registry V, W, X, Y jsou součástí paměti RAM (64 B). Ta je spolu s akumulátorem a registry periferií mapována do datového paměťového prostoru o rozsahu 256 B. Zajímavostí je okénko o délce 64 B, do kterého lze mapovat zvolenou oblast paměťového prostoru programu (jedná se o jedinou možnost, jak zpřístupnit konstanty v paměti ROM). Paměťový prostor programu má rozsah 4 kb, s možností rozšíření o stránky o délce 2 kb stránkování dovoluje i paměť dat.

22 Řadiče SGS - Thompson ST62

23 Řadiče Thompson ST62 Instrukční soubor Instrukční repertoár procesoru je poměrně malý, malé délky kódu procesor dosahuje použitím 9 adresačních módů. Operandem instrukcí jsou 8 bitové konstanty (Immediate), 8 bity přímo adresovaná paměť (Direct), dvěma bity určený registr X, Y, V nebo W (Short Direct), 12 bitové adresy skoku nebo podprogramu (Extended), 5 bitové relativní adresy pro podmíněné skoky (Relative), 11 bity přímo adresovaný bit v datové paměti (Bit Direct), datová paměť adresovaná hodnotou v registru X nebo Y (Indirect), implicitní operand operace (Inherent). Procesor je poměrně pomalý, provedení jedné aritmetické operace (např.add) vyžaduje 6,5 µs.

24 Řadiče Thompson ST62 Příklad aritmetických a logických operací Instrukce Adresace Délka Příznak ADD A,(X) Indirect 1 Z, C ADD A,(Y) Indirect 1 Z, C ADD A,rr Direct 2 Z, C ADDI A, n Immediate 2 Z, C AND A,(X) Indirect 1 Z AND A,(Y) Indirect 1 Z AND A,rr Direct 2 Z ANDI A, n Immediate 2 Z CLR A Short 2 Z, C CLR r Direct 3 COM A Inherent 1 Z, C CP A,(X) Indirect 1 Z, C CP A,(Y) Indirect 1 Z, C CP A,rr Direct 2 Z, C

25 Mikrořadiče PIC fy Microchip Mikrokontroléry PIC jsou programovatelné polovodičové součástky - jednočipové mikropočítače (mikrořadiče, mikrokontroléry) vyráběné firmou Microchip Technology sídlící v USA. Jsou založeny na harvardské architektuře, tj. paměti pro data a pro program jsou navzájem oddělené. Programová paměť a datová paměť nemají stejně dlouhá slova. Tyto programovatelné součástky jsou určeny pro nejrůznější kontrolní a řídící úlohy v průmyslových oborech, pro realizaci měřicích a řídicích systémů atd. Díky své univerzálnosti, malé velikosti, nízké ceně a spotřebě nacházejí své uplatnění ve velkém množství aplikací. Lze je nalézt v mnoha současných elektronických zařízeních.

26 Mikrořadiče PIC fy Microchip pecifika mikrokontrolérů PIC oddělené paměti programu a dat (Harvardská architektura) malá množství strojových instrukcí pevné délky (RISC) vykonání většiny instrukcí v jediném cyklu (4 hodinové takty) jediný klíčový registr (W) přes který jsou realizovány všechny aritmetické a logické operace rozsáhlá banka datových registrů hardwarový zásobník paměťově mapované periferie a konfigurační registry volně přístupný programový čítač mapovaný do datové pamět Na rozdíl od mnoha jiných procesorů, u mikrokontrolérů PIC není rozdíl mezi "pamětí" a vnitřními registry, protože jako RAM slouží oba druhy této paměti. Většinou je na RAM

27 Mikrořadiče PIC fy Microchip ady mikrokontrolérů ikrokontroléry PIC jsou vyráběny ve 3 základních provedeních: Jednorázově programovatelné (OTP) součástky - písmeno C v názvu typu Vícenásobně programovatelné s EPROM pamětí Vícenásobně programovatelné s FLASH pamětí - písmeno F v názvu typu odle šířky datového slova rozlišujeme 8/16bitové PIC Mikroprocesory. Dále PIC dělíme podle šířky programového slova, tj. 10 až 32 bitů. Z toho vychází tyto základní řady procesorů PIC: - bitové Microcontroléry: PIC10, PIC12, PIC14, PIC16, PIC17, PIC bitové Microcontroléry: PIC bitové Digitální Signálové Microcontroléry: dspic30, dspic33f 2 - bitové Microcontroléry: PIC32 (MIPS)

28 Mikrořadiče PIC fy Microchip nstrukční soubor nstrukční soubor mikrořadičů PIC je typu RISC a obsahuje 35 strojových instrukcí u základních modelů a asi 70 u vyšších modelových řad. Tyto instrukce se dělí na: ytově orientované pro práce s konstantami a řídící instrukce nstrukční soubor je ortogonální neboli symetrický, to znamená, že jakákoliv instrukce se dá provádět na jakémkoliv registru. aměť (RAM) IC kontroléry implementují množinu registrů, které slouží jako dočasná aměť pro data, mají tedy charakter RAM paměti. Dále obsahují registry, teré konfigurují a řídí různé speciální funkce, parametry nebo periférie ikrokontroléru. Adresace paměti závisí na rodině zvoleného kontroléru, le v zásadě každá série PICů implementuje systém bank, který umožňue rozšířit adresovatelný prostor. Novější verze procesorů jsou schopny dresovat celý prostor registrů v jednom okamžiku (nezávisle na zvolené ance), starší a základní verze umožňují přístup ke všem registrům jen

29 Mikrořadiče PIC fy Microchip Pro implementaci nepřímého adresování se používají registry file select register" (FSR) a "indirect data file" (INDF). Systém epřímého adresování obecně funguje tak, že pro zápis nebo čtení do egistru INDF používáme registr FSR, který obsahuje adresu na egistr INDF. Novější verze procesorů zavádějí systém před/po nkrementaci a dekrementaci registru FSR pro lepší efektivitu apisování a čtení sekvenčních dat(např. polí a řetězců). Toto možňuje zacházet s FSR registrem jako s ukazatelem na zásobník. nější paměti (externí EEPROM, Flash...) nejsou obecně přímo adreovatelné, což je dáno zejména nízkým počtem signálových vývodů kromě high-end čipů z rodiny PIC18 v pouzdrech s velkým množtvím vývodů). élka slova (instrukce) šechny PICy (až do PIC18 včetně) pracují a adresují data po 8- itových balících, i když adresovací prostor procesoru není obecně tejně velký jako prostor pro data.

30 Mikrořadiče PIC fy Microchip apříklad PICy v základních ("baseline": PIC12, PIC14) a středních adách ("mid-range": PIC16) mají programovou paměť adresovatelnou tejným počtem bitů jako je velikost instrukce, tedy 12 bitů pro baselines" a 14 bitů pro "mid-range" procesory. Naproti tomu u rocesorů v řadě 18 (PIC18) je programová paměť adresována 8 bity, což e liší od velikosti instrukce, která je 16-bitová. Pro doplnění, kapacita rogramové paměti je často udávána v počtu ("jednoslovných") nstrukcí, které se do ni vejdou. dezva přerušení elmi užitečná a unikátní vlastnost PICů je, že jejich odezva na přerušení e konstantní (a rychlá), konkrétně tři instrukční cykly. Je konstantní i avzdory instrukcím s různým počtem instrukčních cyklů, v případě rátkých instrukcí se vkládá prázdný instrukční cyklus, který zaručí, že ude dosaženo opět konstantní prodlevy po vyvolání přerušení. Externí řerušení musejí být synchronizovány s instrukcemi, které zaberou čtyři nstrukční cykly, jinak může docházet k nežádoucímu posunu o jeden

31 Řadiče e Microchip PIC16C5X Osmibitové řadiče PIC16C5X jsou zajímavé svou vnitřní strukturou, vysokým výkonem, nízkou spotřebou. Jádrem řadičů je plně statický osmibitový procesor, schopný pracovat s hodinovou frekvencí 20 MHz. Při tomto kmitočtu se provede instrukce (s vyjímkou instrukcí skoku, které potřebují 2 cykly) za 200 ns. Procesor využívá překrývání cyklů FETCH a EXECUTE, tedy během zpracování jedné instrukce je další instrukce čtena z paměti programu. Instrukční soubor je tvořen pouze 33 instrukcemi. Má typickou harvardskou architekturu s odlišnou délku slova dat a instrukce data mají délku 8 bitů a délka instrukce je 12 bitů. Programová paměť je typu EPROM s kapacitou 512 B až 2 kb, řadiče jsou dodávány v keramickém pouzdře.

32 Řadiče Microchip PIC16C5X Přehled řadičů řady PIC16C5X TYP EPROM RAM I/O Pouzdro PIC16C DIP18, SOIC18, SSOP20 PIC16C DIP28, SOIC28, SSOP28 PIC16C56 1K DIP18, SOIC18, SSOP20 PIC16C57 2K DIP28, SOIC28, SSOP28 Poznámka: Kapacita paměti RAM zahrnuje i registry Mezi I/O vývody je zahrnut i vývod RTCC Real Time Clock/Counter 8 bitový čítač/časovač

33 Řadiče Microchip PIC16C5X Řadiče PIC jsou schopné pracovat v rozsahu napájecích napětí 2,5 až 6 V při teplotách -55 C až +125 C. Hodinový generátor může být řízen krystalem nebo obvodem RC, lze použít i vnější hodinový generátor volba se provádí při programování EPROM. Zapsaný program v EPROM lze chránit proti čtení a přepsání. Při kmitočtu krystalu 4 MHz řadič má spotřebu pod 2 ma, při kmitočtu 32 khz 15 µa a ve stavu STANDBY pouze 3 µa. Jsou vyráběny v pouzdrech DIP-18 (DIP 28), SOIC-18 (SOIC 28) a SSOP-20 (SSOP-28). Struktura registrů je na dalším obrázku. Adresní prostor paměti RAM má rozsah 32 až 80 B a zahrnuje i registry. Je rozdělen na 16 přímo adresovatelných registrů, dalších 16 buněk je adresovatelných pouze nepřímo, stejně jako doplňkových 48 buněk u řadiče 16C57. Do počátku paměťového prostoru RAM jsou mapovány registry

34 Struktura registrů(paměti RAM)

35 Řadiče Microchip PIC16C5X - Aplikace registrů Buňky nepřímo adresované zóny jsou dostupné zapsáním jejich adresy do registru F04 H (FSR File Select Reg.) a použitím adresy F00 H (Indirect Adress) v příslušné instrukci. Poznámka: F00 H není však registr, ale adresa buňky 00 H označuiící pouze nepřímou adresaci. Adresa F01 H (RTCC Real Time Clock/Counter) zpřístupňuje osmibitový čítač/časovač, kterému lze přiřadit osmibitový přeřazený dělič (nastavení příslušných bitů v konfiguračním registru OPTION). Čítač programu (PC Program Counter, přesněji řečeno jeho méně významných 8 bitů) je dostupný na adrese F02 H. Zápisem na adresu F02 H lze také realizovat skok. Návratové adresy při volání podprogramu jsou ukládány do

36 Řadiče Microchip PIC16C5X Aplikace registrů Registr F03 H (STATUS) zpřístupňuje příznaky Z (Zero), C (Carry/Borrow) a DC (Digit Carry/Borrow přenos mezi čtvrtým a pátým bitem při operacích sčítání a odčítání). Bit TO (Time-Out) je nastavován při startu procesoru. Bit PD (Power- Down) je též nastavován též při startu procesoru. Bity PA0 a PA1 registru STATUS dovolují pracovat s pamětí do 2 kb, přednastavují adresu stránky programu (512 B) pro instrukce skoku a volání podprogramu, bit PA2 lze volně použít (je rezervou pro další budoucí rozšíření paměti). Adresa F05 H zpřístupňuje čtyřbitový port A. Registry F08 H F1F H jsou volně použitelné buňky.

37 Řadiče Microchip PIC16C5X Aplikace registrů Kromě adresovatelných registrů F00 H F1F H resp. F00 H F7F H procesor pracuje s registry W, TRISA, TRISB a TRISC. Pro zápis do registrů TRIS je k dispozici zvláštní instrukce TRIS. Registr OPTION nastavovaný instrukcí OPTION konfiguruje čítač/časovač. Bit RTS volí vstupní signál (0 vnitřní hodiny, 1 vnější hodiny), bit RTE volí aktivní hranu, bit PSA zařazuje programovatelný dělič před čítač/časovač nebo za generátor signálu pro Watchdog. Bity PS2, PS1 a PS0

38 Jednočipové mikropočítače

39 Osmibitové jednočipové mikropočítače ytvoření osmibitové multiplexované sběrnice je naznačeno na brázku pro mikropočítače nejběžnějších řad osmibitových ikropočítačů Intel 8051 (8052) a Motorola MC68HC11.

40 Vytvořením vnější sběrnice (na úkor vstupů a výstupů aplikace) lze připojit rozšiřující paměť programu a/nebo dat a doplňkové obvody rozhraní. V některých případech (Motorola MC68HC11) lze ztrátu vývodů použitých pro vytvoření vnější sběrnice kompenzovat připojením speciálního vnějšího obvodu (Motorola MC6824), který původní vývody plně nahrazuje (bez modifikace programu). V řadě případů (např. Philips 83C451 nebo 83C552) je však počet I/O vývodů mikropočítače dostatečně vysoký a ztráta dvou osmibitových bran pro vytvoření sběrnice nám tak ani nemusí v mnoha aplikacích vadit. Většina jednočipových mikropočítačů vznikla postupným doplňováním vnitřních pamětí a obvodů rozhraní k starším, široce používaným mikroprocesorům. Typickým případem jsou řady Motorola 6801/02, 6805/68HC05, 68HC11 a 68HC16 vycházející z architektury procesoru 6800.

41 Jednočipové mikropočítače Výhodou tohoto přístupu je programová kompatibilita se staršími mikroprocesory a možnost využít jejich vývojové prostředky a akumulované zkušenosti. Ještě dnes je stále úspěšný mikropočítač Intel 8051 (nezávislý na procesoru 8080 jako některé předchozí typy 8035 aj.), který je modifikovaný dalšími firmami (Siemens, Philips). Podobně, nezávislou architekturou se vyznačuje i procesor řady šestnáctibitových jednočipových mikropočítačů Intel 8096/80C196. Většina realizovaných mikropočítačů je na bázi architektury CISC, pouze v některých případech se setkáváme s rysy architektury RISC jako např. řada procesorů Hitachi H8/330.

42 Jednočipové mikropočítače Intel 8051 Základní typ mikropočítače 8051 zahrnuje vedle procesoru a vnitřních pamětí čtveřici I/O portů P0, P1, P2 a P3, dvojici univerzálních šetnáctibitových čítačů/časovačů T0 a T1 (další čítač T2 je u typu 8052) Přerušovací systém 8051 reaguje na tři vnitřní (dva čítače/časovače a sériové rozhraní) a dva vnější zdroje přerušení, genegruje 5 vektorů, z nichž každý lze maskovat a definovat pro něj jednu ze dvou úrovní priority. Procesor mikropočítače 8051 je harwardského typu s oddělenou pamětí programu a dat. Program může být umístěn ve vnitřní paměti o kapacitě 4 kb (8 kb u 8052), nebo ve vnější paměti. Jsou vyráběny modifikace s programovatelnou vnitřní pamětí programu typu EPROM (8751,8752) a modifikace bez vnitřní

43 Jednočipové mikropočítač Intel 8051(8052) Struktura jednočipového mikropočítače 8051/8052

44 Jednočipové mikropočítače Intel

45 Jednočipové mikropočítače Intel Část vnitřní paměti RAM má specializované využití. Prvých 32 B paměti (adresy 00 H 1F H ) lze využít jako čtyř skupin pracovních registrů R0 R7. Výběr právě aktivní skupiny je řízen bity RS0 a RS1 SFR registru PSW, přepínání je užitečné pro programování přerušovacích rutin a Pro data má procesor k dispozici dva paměťové prostory vnitřní a vnější paměť. Vnitřní datový prostor má rozsah 256 B, je využit pro přístup k vnitřní paměti RAM o kapacitě 128 B (256 B u 8052) a pro přístup k registrům procesoru a periferií. Ty jsou označovány jako funkční registry (SFR Special Function Register) a jsou mapovány na adresy 80 H až FF H. Přístup k vnitřní paměti RAM nad 128 B (u 8052 a řady odvozených typů) je od přístupu k registrům SFR odlišen adresací; přímou adresací se dostaneme k registrům SFR a nepřímou adresací získáme přístup k paměti RAM v rozsahu 80 H až FF H.

46 Jednočipové mikropočítače Intel Paměť RAM v rozsahu 20 H 2F H je adresovatelná po jednotlivých bitech (konkrétně instrukcemi pro práci s bity), celkově je zde k dispozici 128 jednotlivých buněk (bitové adresy 00 H 7F H ). Zbývajících 128 adres (80 H FF H ) je využito pro přímý přístup k bitů SFRna adresách 80 H, 90 H, F0 H. Na adresy jsou mapovány některé vnitřní registry procesoru(a, B, PSW) a registry vnějších portů. Vnější paměť dat má kapacitu 64 kb a je adresovatelná pouze nepřímo prostřednictvím 16-ti bitového SFR registru DTPR nebo prostřednictvím osmibitových registrů R0 a R1(to dovoluje adresovat v rozsahu stránky 256 B). Rozšířenou vnitřní paměť (má např. Philips 80C592 určený pro automobilovou elektroni-ku) lze adresovat pouze nepřímo, stejně jako vnější paměť dat. Přístup k vnější paměti programu a dat vyžaduje vytvoření

47 Jednočipové mikropočítače Intel obětovat I/O porty P0, P2 a případně ještě dva bity portu P3. Struktura procesoru 8051 je poměrně jednoduchá : Aritmetickologická jednotka pracuje s osmibitovým střadačem A (nebo ACC). Registr B je využíván pro násobení a dělení, jinak je k dispozici jako pomocný registr. Příznakový registr PSW ukládá příznaky přenosu (C Carry) a pomocného přenosu (AC Auxiliary Carry, přenos mezi čtveřicemi bitů při 8 bitové operaci, příznak přeplnění (OV Overflow) a příznak parity (P Parity). Bity RS0 a RS1 dovolují volit skupinu pracovních registrů (Register Bank), příznak F0 a nepoužitý bit č.1 jsou k dispozici uživateli.

48 Jednočipové mikropočítače Intel Osmibitový registr SP adresuje vnitřní zásobník, na který jsou ukládány návratové adresy a který využívají instrukce PUSH a POP. Šestnáctibitový PC adresuje paměť programu, další 16-ti bitový registr DPTR zpřístupňuje vnější paměť dat. Pro nepřímou adresaci vnitřní paměti RAM a vnější datové paměti v rozsahu stránky 256 B lze použít registry R0 a R1. Jednočipové mikropočítače 8051(8052) jsou vyráběny technologií HMOS, nyní se ale používá technologie CHMOS a procesory jsou značené jako 80C51 (87C51, 80C31, 80C52, 87C52, 80C32). Všechny základní typy pracují s krystalem do 12 MHz, některé modifikace dovolují až do 40 MHz. CHMOS varianty mohou pracovat v rozsahu napájecích napětí 2 6 V, jejich typická spotřeba při 5V je 12 ma a pro krystal 12 MHz. U CHMOS verzí lze programově pozastavit procesor (Idle Mode nastavením bitu IDL v SFR registru PCON) nebo vypnout hodinový generátor (nastave-ním bitu PD v SFR registru PCON).

49 Jednočipové mikropočítače Intel Strojový cyklus procesoru je tvořen posloupností 6 stavů (S1 S6), v každém stavu procesor setrvá po dobu dvou period hodinového signálu. Pro krystal 12 MHz má tedy strojový cyklus délku 1 µs.

50 Jednočipové mikropočítače Intel ednomu strojovému cyklu odpovídají dva přístupy do paměti rogramu. Pokud procesor druhý z bytů ne-potřebuje, ignoruje jej a eho čtení opakuje v následu-jícím strojovém cyklu. oba pro přístup do paměti programu je poměrně krátká (500 ns pro rystal 12 MHz) a procesor neumo-žňuje její prodloužení (bez snížení odinového kmitočtu). Výjimkou z naprosto pravidelného režimu ráce pro-cesoru jsou instrukce pro práci s vnější pamětí, které ěnují celý strojový cyklus na přístup k (pomalejší) vnější paměti ebo periferii. nstrukční soubor procesoru 8051 zahrnuje 111 instrukcí, pro dresaci je využíváno 5 adresačních módů.

51 Jednočipové mikropočítače Motorola MC68HC11 ento systém je velmi podobný mikrořadiči MC68HC05. šechny zahrnují soubor periferií, který postačí pro většinu ěžných aplikací, odlišnosti jsou hlavně v kapacitách pamětí. ákladem struktury této řady mikrpočítačů je osmibitový ikroprocesor, který vznikl postupným vývojem z historického ypu MC6800. Procesor je doplněn o malou vnitřní paměť RAM paměť ROM, EPROM ( v provedení s mazacím okénkem nebo levném provedení OTP) a/nebo EEPROM, časovač se kupinou záchytných a komparačních registrů, jednoduchý ítač událostí (PACC), periodický generátor přerušení, enerátor PWM, hlídací obvod Watchdog (COP), firemní ériovou sběrnici SPI, běžné synchronní sériové rozhraní SCI, smivstupový osmibitový A/D převodník a prioritní přerušovací ystém.

52 Jednočipové mikropočítače Motorola

53 Jednočipové mikropočítače Motorola Nejpoužívanější systémy řady: Řadu E lze považovat za standard, který nahrazuje starší řadu A řada D neobsahuje A/D převodník je vhodná pro jednodušší aplikace, u nichž je podstat-ná nízká cena.

54 Jednočipové mikropočítače Motorola V režimu Single-Chip pracuje mikropočítač pouze s vnitřní pamětí programu a dat (není vytvářena vnější sběrnice), k dispozici aplikací jsou všechny porty mikropočítače. V režimu Expanded Multipexed jsou porty B a C využity pro vytvoření Režimy činnosti mikropočítače: Signálem na vstupech MODA a MODB při resetu (náběžné hraně signálu RESET) lze nastavit počáteční hodnoty bitů SMOD a MDA v konfiguračním registru RESET ($003C) a mikropočítač tak uvést do jednoho ze 4 možných režimů práce.

55 Jednočipové mikropočítače Motorola ata a nižší řády adresy jsou multiplexovány na portu C, pro yšší řády adresy je využit port B. Multiplex je řízen signálem S. V režimu Boostrap je odstartován zaváděcí program z nitřní paměti ROM, který zavede do paměti RAM aplikační rogram ze sériového rozhraní a po zavedení ho spustí. Režim ootstrap je využíván pro diagnostiku a pro procesorem řízené rogramování vnitřní paměti EPROM. Režim Test je určen pro estování výrobcem. oslední řádek tabulky neoznačuje režim práce (nejsou ani vedeny hodnoty bitů SMOD a MDA), nulová úroveň signálů na stupech RESET, MODA a MODB dovolí programovat vnitřní aměť EPROM běžným programátorem tak, jako by se jednalo běžnou paměť EPROM.

56 Jednočipové mikropočítače Motorola ikropočítače řady 68HC11 mají jediný paměťový pro-stor o délce 64 B, do tohoto prostoru je mapována vnitřní paměť ROM/EPROM, aváděč v paměti BOOT ROM (pro režim Boostrap), paměť RAM a ídící a I/O registry.

57 Jednočipové mikropočítače Motorola eobsazené oblasti paměťového prostoru jsou v režimech Extended Multiplexed a Test k dispozici na vnější sběrnici tvořené vývody ortů B a C, kolize jsou řešeny ve prospěch vnitřních oblastí. nitřní paměť ROM/EPROM je umístěna v adresním prostoru pevně, místění paměti RAM a registrů je možné po resetu nastavit podle otřeby aplikace. Pozice oblasti RAM a oblasti registrů (nejvyšší 4 ity) je určena obsahem registru INIT ($003D) a zápisem do tohoto egistru ji lze také změnit. V režimech Boostrap a Test lze s registrem NIT pracovat bez omezení.

58 Jednočipové mikropočítače Motorola rocesor pracuje se dvěma rovnocennými střadači A, a B, teré jsou vyjímečně využívány jako jediný 16-ti bitový registr. Jak bylo uvedeno, procesor pracuje s jediným adresním rostorem o délce 64 kb, programový čítač PC má délku 16 itů, stejně jako ukazatel zásobníku SP. Přístup k datům jednodušují dva 16-ti bitové indexační registry IX a IY, použití rvého z nich je výrazně efektivnější.

59 Jednočipové mikropočítače Motorola Do stavového registru procesoru CCR (Condition Code Register) se ukládají následující příznaky: způsobí, že procesor interpretuje instrukci STOP jako NOP neg. XTRQ a nulován instrukcemi TAP a RTI aritmetické, logické operace nebo bitové operace S - Stop Disable, bit je nastavován programem, nastavený bit X - X Interupt Mask, bit je nastavován signály neg. RESET a H - Half- Carry, přenos mezi bitem, využíván pro BCD aritmetiku I - Interrupt Mask, bit maskující maskovatelná přerušení, vnitřní i vnější N - Negative, indikuje negativní výsledek poslední Z - Zero, indikuje nulový výsledek poslední aritmetické, logické a bitové operace nebo přesunu

60 Jednočipové mikropočítače Motorola V - Overflow, indikuje přetečení při aritmetické operaci C - Carry, indikuje přenos při poslední aritmetické operaci nebo posuvu Procesor je řízen vestavěným oscilátorem s vnějším krystalem, který pracuje na čtyřnásobku kmitočtu sběrnice. Běžný kmitočet krystalu je 8 MHz, a tím pádem kmitočet sběrnice je 2 MHz. Lze použít i vnější hodinový hodinový signál, při nižším hodinovém kmitočtu pochopitelně klesá spotřeba. Ukázka signálů při čtení a zápisu na vnější sběrnici v režimu Extended-Multiplexed je na dalším obrázku :

61 Jednočipové mikropočítače Motorola Procesor lze programem převést do stavu WAIT(čekání na vnější událost, vnitřní aktivity jsou pozastaveny) nebo do stavu STOP. Typická spotřeba v běžném provozu(5 V, 2 MHz, Single-Chip) je 15 Fáze sběrnicového cyklu je indikována signálem E, který je charakteristický pro všechny procesory a mikropočítače Motorola. Multiplex nižších řádů adresy a dat je řízen signálem AS (Adress Strobe).