Устройство микрокрнтроллеров AVR

⇐ ПредыдущаяСтр 24 из 24

Микроконтроллер AVR содержит: быстрый RISK-процессор, два типа энергонезависимой памяти (Flash-память программ и память данных EEPROM), оперативную память RAM, порты ввода/вывода и различные периферийные интерфейсные схемы.

Рис. 8.27. Устройство микроконтроллера AVR

Источник: http: //myrobot.ru/stepbystep/images/sch_avr.gif

Процессор

По числу команд микропроцессоры подразделяют на CISC (Complex Instruction Set Computer) и RISC (Reduced Instruction Set Computer). Термин CISC обозначает сложную систему команд, RISC - сокращенную.
Идея RISC - это тщательный подбор команд, которые можно было бы выполнить за один такт. Т. о. упрощается аппаратная реализация процессора, сокращается число транзисторов, снижается потребляемая мощность и цена.
Очевидно, что в общем случае одной CISC-команде должны соответствовать несколько RISC-команд. Однако обычно выигрыш в быстродействии у RISC перекрывает потери. Так, самая быстрая команда у 8051 выполняется за 12 тактов. Даже если для каждой CISC-инструкции потребуется выполнить три RISC-инструкции, то в итоге RISC-архитектура будет в 4 раза производительней.
В настоящее время грань между RISC и CISC стирается. Например, AVR имеют 133 команды, что соответствует CISC, но большинство из них выполняется за один такт, что является признаком RISC. Поэтому основным признаком RISC стало принято считать выполнение команд за один такт.

Ядро и память

Сердцем микроконтроллеров AVR является 8-битное микропроцессорное ядро или центральное процессорное устройство (ЦПУ), построенное на принципах RISK-архитектуры. Основой этого блока служит арифметико-логическое устройство (АЛУ). По системному тактовому сигналу из памяти программ в соответствии с содержимым счетчика команд (Program Counter - PC) выбирается очередная команда и выполняется АЛУ. Во время выбора команды из памяти программ происходит выполнение предыдущей выбранной команды, что и позволяет достичь быстродействия 1 MIPS на 1 МГц.
АЛУ подключено к регистрам общего назначения РОН (General Purpose Registers - GPR). Регистров общего назначения всего 32, они имеют байтовый формат, то есть каждый из них состоит из восьми бит. РОН находятся в начале адресного пространства оперативной памяти, но физически не являются ее частью. Поэтому к ним можно обращаться двумя способами (как к регистрам и как к памяти). Такое решение является особенностью AVR и повышает эффективность работы и производительность микроконтроллера.
Отличие между регистрами и оперативной памятью состоит в том, что с регистрами можно производить любые операции (арифметические, логические, битовые), а в оперативную память можно лишь записывать данные из регистров.

В микроконтроллерах AVR реализована Гарвардская архитектура, в соответствии с которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но и шины доступа к ним. Каждая из областей памяти данных (оперативная память и EEPROM) также расположена в своем адресном пространстве.

Память программ (Flash ROM или Flash ПЗУ) предназначена для хранения последовательности команд, управляющих функционированием микроконтроллера, и имеет 16-ти битную организацию. Все AVR имеют Flash-память программ, которая может быть различного размера - от 1 до 256 КБайт. Ее главное достоинство в том, что она построена на принципе электрической перепрограммируемости, т. е. допускает многократное стирание и запись информации. Программа заносится во Flash-память AVR как с помощью обычного программатора, так и с помощью SPI-интерфейса, в том числе непосредственно на собранной плате. Возможностью внутрисхемного программирования (функция ISP) через коммуникационный интерфейс SPI обладают все микроконтроллеры AVR, кроме Tiny11 и Tiny28.

Все микроконтроллеры семейства Mega имеют возможность самопрограммирования, т. е. самостоятельного изменения содержимого своей памяти программ. Эта особенность позволяет создавать на их основе очень гибкие системы, алгоритм работы которых будет меняться самим микроконтроллером в зависимости от каких-либо внутренних условий или внешних событий.

Гарантированное число циклов перезаписи Flash-памяти у микроконтроллеров AVR второго поколения составляет не менее 10 тыс. циклов при типовом значении 100 тыс. циклов. (В официальной технической документации Atmel Corp. указывается значение 10 тыс. циклов.)

Память данных разделена на три части:

1. регистровая память;

2. оперативная память (ОЗУ - оперативное запоминающее устройство или RAM);

3. энергонезависимая память (ЭСППЗУ или EEPROM).

Регистровая память (РОН и РВВ) включает 32 регистра общего назначения (РОН или GPR), объединенных в файл, и служебные регистры ввода/вывода (РВВ). И те и другие расположены в адресном пространстве ОЗУ, но не являются его частью.

Оперативные регистры общего назначения РОН. Доступ к этим ячейкам самый быстрый, а число операций с их содержимым наиболее богатое. В ассемблере регистры эти называются просто R0, R1, R2... R31. Причем делятся они на три группы:

Младшие R0..R15. Обычные регистры общего назначения, но какие то ущербные. С ними не работают многие команды, например, такие как загрузка непосредственного числа. Т.е. нельзя, например, взять и присвоить регистру число. Зато можно скопировать число из любого другого регистра.

Старшие R16..R31. Полноценные регистры, работающие со всеми командами без исключения.

Индексные R26...R31. Шесть последних регистров из старшей группы особенные. В принципе, их можно использовать и как обычные регистры общего назначения. Но, кроме этого, они могут образовывать регистровые пары X(R26: R27), Y(R28, R29), Z(R30: R31) которые используются как указатели при работе с памятью.

В области регистров ввода/вывода расположены различные служебные регистры (регистры управления микроконтроллером, регистры состояния и т. п.), а также регистры управления периферийными устройствами, входящими в состав микроконтроллера. По сути, управление микроконтроллером заключается в управлении этими регистрами.

Энергонезависимая память данных (EEPROM) используется для долговременного хранения различной информации, которая может изменяться в процессе функционирования микроконтроллерной системы. Все AVR имеют блок энергонезависимой электрически перезаписываемой памяти данных EEPROM от 64 Байт до 4 КБайт. Этот тип памяти, доступный программе микроконтроллера непосредственно в ходе ее выполнения, удобен для хранения промежуточных данных, различных констант, коэффициентов, серийных номеров, ключей и т.п. EEPROM может быть загружена извне как через SPI интерфейс, так и с помощью обычного программатора. Число циклов стирание/запись - не менее 100 тыс.

Оперативная память (ОЗУ или RAM). Внутренняя оперативная статическая память Static RAM (SRAM) имеет байтовый формат и используется для оперативного хранения данных.

Размер оперативной памяти может варьироваться у различных чипов от 64 Байт до 4 КБайт. Число циклов чтения и записи в RAM не ограничено, но при отключении питающего напряжения вся информация теряется.

Для некоторых микроконтроллеров возможна организация подключения внешнего статического ОЗУ объемом до 64К.

Интерфейсы

Последовательный периферийный трехпроводный интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface) предназначен для организации обмена данными между двумя устройствами. С его помощью может осуществляться обмен данными между микроконтроллером и различными устройствами, такими, как цифровые потенциометры, ЦАП/АЦП, FLASH-ПЗУ и др. С помощью этого интерфейса удобно производить обмен данными между несколькими микроконтроллерами AVR. Кроме того, через интерфейс SPI может осуществляться программирование микроконтроллера.

Двухпроводной последовательный интерфейс TWI(Two-wire Serial Interface) является полным аналогом базовой версии интерфейса I2C (двухпроводная двунаправленная шина) фирмы Philips. Этот интерфейс позволяет объединить вместе до 128 различных устройств с помощью двунаправленной шины, состоящей из линии тактового сигнала (SCL) и линии данных (SDA).

Четырехпроводной интерфейс JTAG используется для тестирования печатных плат, внутрисхемной отладки, программирования микроконтроллеров. Многие микроконтроллеры семейства Mega имеют совместимый с IEEE Std 1149.1 интерфейс JTAG или debugWIRE для встроенной отладки. Кроме того, все микроконтроллеры Mega с флэш-памятью емкостью 16 кбайт и более могут программироваться через интерфейс JTAG.

Порты ввода/вывода (I/O)

Порты ввода/вывода AVR имеют число независимых линий " вход/выход" от 3 до 53. Каждая линия порта может быть запрограммирована на вход или на выход. Мощные выходные драйверы обеспечивают токовую нагрузочную способность 20 мА на линию порта (втекающий ток) при максимальном значении 40 мА, что позволяет, например, непосредственно подключать к микроконтроллеру светодиоды и биполярные транзисторы. Общая токовая нагрузка на все линии одного порта не должна превышать 80 мА ( значения приведены для напряжения питания 5 В).

Архитектурная особенность построения портов ввода/вывода у AVR заключается в том, что для каждого физического вывода (пина) существует 3 бита контроля/управления, а не 2, как у распространенных 8-разрядных микроконтроллеров (Intel, Microchip, Motorola и т.д.). Это позволяет избежать необходимости иметь копию содержимого порта в памяти для безопасности и повышает скорость работы микроконтроллера при работе с внешними устройствами, особенно в условиях внешних электрических помех.

Питание

AVR функционируют при напряжениях питания от 1, 8 до 6, 0 Вольт. Ток потребления в активном режиме зависит от величины напряжения питания и частоты, на которой работает микроконтроллер, и составляет менее 1 мА для 500 кГц, 5... 6 мА для 5 МГц и 8... 9 мА для частоты 12 МГц.

AVR могут быть переведены программным путем в один из трех режимов пониженного энергопотребления.

Режим холостого хода (IDLE). Прекращает работу только процессор и фиксируется содержимое памяти данных, а внутренний генератор синхросигналов, таймеры, система прерываний и сторожевой таймер продолжают функционировать. Ток потребления не превышает 2, 5 мА на частоте 12 МГц.

Стоповый режим (POWER DOWN). Сохраняется содержимое регистрового файла, но останавливается внутренний генератор синхросигналов, и, следовательно, останавливаются все функции, пока не поступит сигнал внешнего прерывания или аппаратного сброса. При включенном сторожевом таймере ток потребления в этом режиме составляет около 80 мкА, а при выключенном - менее 1 мкА. (приведенные значения справедливы для напряжения питания 5 В).

Экономичный режим (POWER SAVE). Продолжает работать только генератор таймера, что обеспечивает сохранность временной базы. Все остальные функции отключены.

Сброс при снижении напряжения питания (BOD). Схема BOD (Brown-Out Detection) отслеживает напряжение источника питания. Если схема включена, то при снижении питания ниже некоторого значения она переводит микроконтроллер в состояние сброса. Когда напряжение питания вновь увеличится до порогового значения, запускается таймер задержки сброса. После формирования задержки внутренний сигнал сброса снимается и происходит запуск микроконтроллера.

Корпуса

Корпус - это часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов. Корпуса стандартизованы для упрощения технологического процесса изготовления изделий из разных микросхем. Число стандартных корпусов исчисляется сотнями.

Рис.8.28. Корпуса микросхем

Источник: http: //payalo.at.ua/teoriya/2/korpusa.gif

Общая класификация:

DIP (Dual Inline Package): Самый распространненный тип микросхемы - «тараканчик». Количество ножек в корпусе - 8, 14, 16, 20, 24, 28, 32, 40, 48 или 56. Расстояние между выводами (шаг) - 2, 5 мм (отечественный стандарт) или 2, 54 мм (у импортных). Ширина выводов около 0, 5 мм. Чтобы определить нахождение первой ножки, нужно найти на корпусе «ключ».

Рис.8.29. Корпус DIP

Источник: http: //www.stchc.ru/images/art/Intel_4004.jpg

SOIC (Small Outline Integral Circuit): Планарная микросхема - ножки припаиваются с той же стороны платы, где находится корпус. При этом, микросхема лежит «брюхом» на плате. Количество ножек и их нумерация - такие же как у DIP. Шаг выводов - 1, 25 мм (отечественный) или 1, 27 мм (импортный). Ширина выводов - 0, 33...0, 51.

Рис.8.30. Корпус SOIC

Источник: http: //dalincom.ru/images/201103/goods_img/1520_P_1300876302424.jpg

PLCC (Plastic J-leaded Chip Carrier): Квадратный или прямоугольный корпус. Ножки расположены по всем четырем сторонам, и имеют J -образную форму (концы ножек загнуты под «брюшко»).

Микросхемы либо запаиваются непосредственно на плату (планарно), либо вставляются в панельку. Последнее - предпочтительней. Количество ножек - 20, 28, 32, 44, 52, 68, 84. Шаг ножек - 1, 27 мм. Ширина выводов - 0, 66...0, 82. Нумерация выводов - первая ножка возле ключа, увеличение номера против часовой стрелки.

Рис.8.31. Корпус PLCC

Источник: http: //www.kosmodrom.com.ua/pic/PLCC20.jpg

TQFP (Thin Quad Flat Package): Нечто среднее между SOIC и PLCC. Квадратный корпус толщиной около 1мм, выводы расположены по всем сторонам. Количество ножек - от 32 до 144. Шаг - 0, 8 мм. Ширина вывода - 0, 3...0, 45 мм. Нумерация - от скошенного угла (верхний левый) против часовой стрелки.

Рис.8.32. Корпус TQFP

Источник: http: //i.eicom.ru: 8080/i/catalog/900/568-44-TQFP.jpg

Адаптеры для программирования микросхем.

Все современные программаторы снабжены 40- или 48-пиновыми колодками с нулевым усилием для работы с микросхемами в корпусе DIP. Для программирования микросхем в других корпусах (PLCC, SOIC, SOP, PSOP, TSOP, TSOPII, TSSOP, QFP, TQFP, VQFP, QFN, SON, BGA, CSP и т. д.) требуются специальные адаптеры под соответствующий тип корпуса. Также адаптеры используются в тех случаях, когда нужно программировать микросхему в корпусе DIP с большим числом выводов или непосредственно в устройстве в режиме внутрисхемного программирования (ISP).

Список адаптеров на рынке на данный момент достигает многих сотен, если не тысяч, и причины этому следующие:

1) Очень многие современные микросхемы выпускаются как минимум в трех-четырех типах корпусов, а зачастую и в семи;

2) Каждый производитель поставляет к своим программаторам свой набор адаптеров. Многие из них являются универсальными (то есть их можно применять с любыми программаторами любых производителей), но существуют и специализированные адаптеры, распайка которых рассчитана под конкретный программатор вследствие различий во внутренней архитектуре программаторов различных производителей (Типы корпусов микросхем).

Рис.8.33. Адаптеры для микросхем

Источники

1. Биполярные транзисторы. Прочитано по адресу http: //siblec.ru/mod/html/content/2sem/course107/t3_1_1.htm

2. Большая Энциклопедия Нефти Газа. Прочитано по адресу http: //www.ngpedia.ru/id156759p1.html

3. Большой Энциклопедический словарь. Прочитано по адресу http: //omop.su/article/10/7737.html

4. Е.И. Бочаров, Г.Б. Гогоберидзе, Ю.М. Першин, К.С. Петров, А.Н. Штагер (2010). Конспект курса «Электронные твердотельные приборы».

5. Виды усилителей. Прочитано по адресу http: //www.club155.ru/amplifiers-types

6. Интегральная микросхема. Прочитано по адресу http: //www.colors7.narod.ru/histor/micro.htm

7. Жидкокристаллический индикатор. Прочитано по адресу http: //www.ravnopravie.kharkov.ua/gidkokristallicheskiyindikator.php

8. Как выбрать процессор?. Прочитано по адресу http: //strana-sovetov.com/computers/hardware/30-cpu-choise.html

9. Микропроцессорная техника. Прочитано по адресу http: //it.fitib.altstu.ru/neud/emt/index.php? doc=teor& module=3

10. Москатов Е. А. (2010). «Электронная техника. Начало». Издательство: Таганрог. Прочитано по адресу

http: //moskatov.narod.ru/Books/The_electronic_technics/Thyristors.html

11. Обратные связи в усилителях. Прочитано по адресу

http: //naf-st.ru/articles/sound/os/

12. Основные электрические параметры. Прочитано по адресу

http: //hotmetal.narod.ru/radio/r2/DET/Tranzistor/th.htm

13. Параметры транзистора как четырехполюсника. Прочитано по адресу

http: //dssp.petrsu.ru/book/chapter5/part17.shtml

14. Параметры жидкокристаллических индикаторов. Прочитано по адресу http: //lib.znate.ru/docs/index-65302.html? page=96

15. Параметры усилителей. Прочитано по адресу

http: //www.club155.ru/amplifiers-params

16. Перспективы развития микросхем. Прочитано по адресу http: //venture-biz.ru/informatsionnye-tekhnologii/78-razvitie-mikroskhem

17. А.Петров (1994). Азбука транзисторной схемотехники. Могилёв: РЛ, 1994, 4..12. Прочитано по адресу http: //zpostbox.ru/fet/fet0.html

18. Петрович В. П. ( 2008). Физические основы электроники. Учебное пособие. Прочитано по адресу http: //kurs.ido.tpu.ru/courses/osn_elec/

19. Повный Андрей (2008). Оптроны. Прочитано по адресу http: //electricalschool.info/main/drugoe/657-optrony.html

20. Полупроводники. Прочитано по адресу http: //www.elektropolus.com/polup/diod.php

21. Понятие архитектуры микропроцессора. Прочитано по адресу http: //my-system.ru/mikroprocesornaya-tehnika/page, 2, 7-klassifikaciya-mikroprocessorov-ponyatie-arxitektury-mikroprocessora.html

22. Предварительные усилители мощности. Прочитано по адресу

http: //pluspuls.net/predvaritelnyi-usilitel.html

23. Принципы работы жидкокристаллических индикаторов. Прочитано по адресу

http: //digteh.ru/digital/LCD.php

24. Ронжин Ю.Н. (1982). Полупроводниковая радиоэлектроника. К.: «Радяньска школа»,.-144 с. ил.

25. Савчук В.Л. Электронные средства сбора, обработки и отображения информации.( 2007), Томск: ТУСУР,. - 174 с. Прочитано по адресу http: //www.ie.tusur.ru/books/COI/page_03.htm

26. Типы корпусов микросхем. Прочитано по адресу http: //selixgroup.spb.ru/tip_korpusa_mikroskhem_3.pdf

27. Транзистор как линейный четырехполюсник. Прочитано по адресу http: //kurs.ido.tpu.ru/courses/osn_elec/chapter_3/glv_3_page_6.html

28. Усилитель мощности. Прочитано по адресу

http: //hifi-profi.ru/statii/36-tipi-akusticheskih-sistem.html

29. Фишер Дж.Э., Гетланд Х.Б. (1980). Электроника - от теории к практике: Пер. с англ. М.: Энергия,. - 400 с. с. ил.

30. Харитонов В. И. (2012) Конспекты лекций " Электроника". Прочитано по адресу http: //www.mami.ru/kaf/aipu/theme3.php

31. Что такое микроконтроллер. Прочитано по адресу http: //easyelectronics.ru/vvodnaya-ili-chto-takoe-mikrokontroller.html

32. Электронные твердотельные приборы. Прочитано по адресу

http: //dvo.sut.ru/libr/eqp/i001eqp1/index.htm

⇐ Предыдущая 15 16 17 18 19 20 21 22 2324