Architektura mikrokontrolérů pro vestavné systémy

rozdělení mikrokontrolerů (dvě hlavní architektury - von Neumannova, Harvardská architektura, podle souboru instrukcí - CISC, RISC, DSP), paměti ve vestavných systémech (s libovolným přístupem, se sekvenčním přístupem, semipermanentní paměť)

V dnešní době existuje několik typů/rodin mikrokontrolérů které se používají v embedded systémech, uvedeme si ty nejvíce používané společně se základními parametry a příklady vývojových desek, na kterých se používají.

Mikrokontrolér vs Mikropočítač

  • mikrokontrolér je CPU společně s registry a řadiči + základní periferie
  • mikropočítač je vývojová deska na které se nachází mikrokontrolér společně s dalšími periferiemi

Základní používané mikrokontroléry:

  • PIC
    • používá RISC instrukce (RISC architektura) -> lepší modely mají přidané DSP instrukce
    • jedná se o Harvardskou architekturu
    • klasicky je 16 - bitový, dělají se i 32 - bitové verze
    • obsahuje JTAG sběrnici
    • používá se v samostatných embedded systémech jako jsou například alarmy, telefony nebo senzorika (jsou velmi malé)
    • základní adresní módy (přímý, nepřímý, relativní)
  • ARM
    • používá RISC instrukční sadu
    • umožňuje velké množství adresních módů
    • mají menší spotřebu el. energie
    • v základu 32 bitová architektura (může být i 64 bitová)
    • v embedded systémech se tyto procesory využívají převážně v telefonech, televizích, nebo GPS navigacích
  • 8051
    • používá lehce upravenou CISC instrukční sadu
    • je 8 bitový s 16 bitovou adresní sběrnicí
    • jedná se o Harvardskou architekturu
    • jeho využití je pro základní aplikace, které nejsou paměťově náročné -> hodí se pro výukové účely
  • AVR
    • používá upravenou RISC sadu instrukcí -> Advanced Virtual RISC
    • jedná se o Harvardskou architekturu
    • dělí se na 3 kategorie:
      • TinyAVR (ATtiny): malá paměť, zabírá málo místa (fyzicky), hodí se pro jednoduché úkony
      • MegaAVR (ATmega): nejpoužívanější, dostatečná paměť, velké množství zabudovaných periferií
      • XMegaAVR: používaný komerčně pro komplexní projekty, kde je potřeba velká paměť a rychlost
    • podporuje proudové zpracování instrukcí
  • MSP
    • 16 bitový
    • RISC architektura
    • malá spotřeba, malá velikost -> stejně jako všechny ostatní

Instrukční soubor

Instrukční soubory RISC a CISC jso u popsaný v otázce Instrukční soubor.

DSP (Digital SignaL Processing)

Jedná se procesory, které jsou optimalizované pro pro zpracování signálu. Tyto procesory používají speciální sadu instrukcí -> DSP instrukcí. Tyto procesory nepodporují přerušení. Používají nestandardní paměť a jsou tím pádem obtížnější na programování.

Platí, že:

  • pokud chceme zpracovávat zvuk, video, rychle řídit motory, nebo cokoliv co vyžaduje zpracovávání proudu dat velkou rychlostí, tak použijeme DSP procesor
  • pokud chceme kontrolovat tlačítka, měřit teplotu nebo ovládat LCD display, použijeme klasický mikrokontrolér DSP slouží ke zpracování signálu tím, že signál se převede na digitální, zpracuje se a převede se opět na analogový
Princip fungování DSP
obr. 1: Princip fungování DSP
zdroj: https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_signal_processor#/media/File:DSP_block_diagram.svg

Paměti

Máme 3 druhy pamětí:

  • paměť s libovolným přístupem: RAM, rychlost získání dat nezávisí na tom, kde jsou data v paměti uložena. Používá řadič paměti k nalezení buňky s daty na základě adresy poskytnuté procesorem.
  • paměť se sekvenčním přístupem: Paměť lze přečíst jen postupně, například posuvný registr, nebo paměti typu FIFO/LIFO. Magnetická páska je příklad paměti se sekvenčním přístupem.
  • semipermanentní paměť: Jedná se o nevolatilní druh paměti. Tato paměť si udržuje v ní uložené hodnoty i bez nutnosti stále připojení k elektrické síti. Dřívější druhy těchto pamětí nemohli byt vymazány bez toho, aniž by byl nutná fyzický zásah (vyjmutí paměti, posvícení UV světlem v případě EPROM).
    • Dnes se využívá EEPROM -> elektricky vymazatelná paměť pouze pro čtení. Tato paměť dokáže i zapisovat a klasicky vydrží přes 200 tisíc zápisů. V embedded zařízeních je tento druh paměti využit k uchování dat po odpojení zařízené od elektrické sítě.
    • Princip spočívá v tom, že každá paměťová buňka se skládá z tranzistorů NMOS. Je složena ze dvou vrstev, jedna je z nitridu křemíku a druhá z oxidu křemičitého. Mezi těmito vrstvami je náboj uložen.
    • Při zápisu se přivede na příslušný adresový vodič (buňku) záporné napětí a datový vodič buňky se uzemní. Tranzistor se otevře a vznikne v něm prahové napětí.
    • Při čtení se přivede na adresový vodič záporný impuls. Tranzistor s malým prahovým napětím se otevře a vyvede proud na datový vodič. V případě velkého prahového napětí zůstává otevřen.
    • Dalším druhem paměti je Flash paměť. Je také nevolatilní, ale na rozdíl od EEPROM je rozdělena do jednotlivých sekcí, které lze zvlášť mazat. Tento druh paměti (resp. jeho NAND varianta) je využíván v SSD.

Více o těchto druzích pamětí se lze dočíst v otázce Paměťový podsystém počítače.

Zdroje