Отдельный класс МС представляют однокристальные микроЭВМ. Интеграция всех составных частей МС (ЦП, памяти, подсистемы ВВ, средств поддержки режима реального времени) привела к ряду ограничений на принципы ее организации, потребовала развития архитектуры в направлении, не свойственном для многокристальных компоновок.
Организация однокристальных микроЭВМ ориентирована на применение встраиваемых в изделие недорогих управляющих МС реального времени, рабочая программа которых расположена в ПЗУ системы. По этой причине находящаяся на кристалле физическая память микроЭВМ делится на постоянную для записи программ и оперативную для хранения различных переменных, а сами приборы называются однокристальными микроконтроллерами. Такому делению физической памяти способствовали и технологические ограничения, свойственные системам на одном кристалле.
Развитие интегральной технологии и расширение области применения однокристальных МК привели к дальнейшему совершенствованию архитектурных и структурных принципов их организации. Современные однокристальные МС обладают такими вычислительными ресурсами и возможностями управления в режиме реального времени, для получения которых раньше необходимы были более дорогие многокристальные компоновки. Применение МК на одном кристалле особенно эффективно в системах, где наряду с небольшой памятью требуются интенсивно используемые средства ВВ в реальном масштабе времени.
Периодом становления архитектуры 8-разрядных однокристальных МК считают 1977—1979 гг., когда появились первые приборы этого класса: 8048 фирмы Intel, 3870 фирмы Mostek и 9940 фирмы Texas Instruments Inc. Приборы 3870, 9940 были программно совместимы с многокристальными системами и во многом дублировали их архитектурные признаки, МК 8048 имели оригинальную организацию.
В течение четырех лет, начиная с 1976 г., фирмой Intel было разработано семейство 8-разрядных однокристальных МК iMCS-48 [41], получившее широкое распространение, в основе которого лежит МК 8048 (табл. 4.1). В составе семейства 12 микроЭВМ с единой базовой архитектурой, но различными функциональными возможностями, реализованными непосредственно на кристалле. Семейство включает также ряд расширителей, согласованных с базовой архитектурой микроЭВМ и содержащих те части памяти программ и данных, а также средств ВВ, которые не включены в состав основного кристалла.
Таблица 4.1. Состав однокристальных микроконтроллеров фирмы Intel
Базовая вычислительная среда iMCS-48 включает до 4К байт программного ПЗУ, формируемого как внутренними, так и внешними по отношению к микроЭВМ средствами, 64/128/256 байт внутренней и 256 байт внешней памяти данных, до 27 внутренних и 16 внешних линий ВВ, 8-разрядный таймер/счетчик, а также одноуровневую систему прерываний с двумя источниками запросов. Микроконтроллер 8021 является младшей моделью семейства, в которой отсутствуют средства подключения внешней памяти и система прерываний. На его основе создан простой прибор 8022 [31], в котором предусмотрен 8-разрядныи аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с двумя коммутируемыми аналоговыми входами. В отличие от остальных БИС 8041 [62] имеет встроенный системный адаптер (СА) для его подключения к шине более мощных систем в качестве программно-управляемого контроллера. Становление архитектуры МК было завершено к 1980 г., когда весь набор однокристальных МК и расширителей к ним был полностью освоен промышленностью. Сегодня элементы семейства iMCS-48 рассматриваются как стандартные компоненты для проектирования микропроцессорных средств и систем.
В 1980 г. фирмой Intel было разработано новое семейство однокристальных МК iMCS-51 [32, 57], базовым представителем которого является прибор 8051 (см. табл 4.1). Новое семейство обеспечивает совместимость с архитектурой iMCS-48, но обладает более обширными адресными пространствами памяти программ и данных, усовершенствованными средствами ВВ и поддержки режима реального времени. В архитектуре предусмотрено до 64К байт ПЗУ, часть которого реализуется на кристалле, 128/256 байт внутреннего ОЗУ, до 64К байт внешнего ОЗУ, 32 линии физического ВВ, программируемый последовательный интерфейс, два или три 16-разрядных таймера/счетчика и двухуровневая система прерываний с пятью или шестью источниками запросов. Дальнейшее развитие получила система команд и способы доступа к отдельным элементам данных. В состав системы введены команды умножения и деления, реализован булев подпроцессор. Сейчас в семействе iMCS-51 более восьми однокристальных микроЭВМ с различными физическими возможностями. Развитие семейства продолжается.
В 1983 г., когда появилась возможность интеграции на одном кристалле кремния более чем 100 тыс. транзисторов, фирмой Intel было предложено семейство 16-разрядных однокристальных МК iMCS-96 [57]. В основе семейства лежит БИС 8096 (см. табл. 4.1), содержащая 120 тыс. транзисторов на одном кристалле, что позволило разместить на нем 16-разрядный ЦП, 8К байт программной памяти, 232 байт памяти данных, а также подсистему аналогового и цифрового ВВ с развитыми средствами поддержки режима реального времени, вкчючая скоростной ВВ (СВВ). Практическое освоение перспективных 16-разрядных МК семейства iMCS-96, ориентированных на применение в 90-х гг., находится в начальной стадии. Областью их использования будут сложные управляющие устройства с повышенными арифметическими возможностями.
Микроконтроллерные БИС (рис. 4.1) отличаются друг от друга, но общим для них является 8- или 16-разрядный ЦП, ПЗУ емкостью (1—8) К байт, ОЗУ емкостью 64—256 байт, значительное число линий цифрового ВВ (18—32). Все системы имеют достаточно эффективные наборы команд, содержащие до 70 и более различных кодов, в том числе мощные средства организации вычислений в режиме реального времени.
Имеется два типа памяти программ МК, обеспечивающих гибкость при переходе от проекта к промышленному изделию. Микроконтроллеры с ультрафиолетом стираемыми программируемыми ПЗУ (УСППЗУ) очень экономичны при разработке и отладке исходной системы. Их память команд может быть запрограммирована с помощью обычных программирующих систем [15]. При необходимости память можно полностью очистить засветкой ультрафиолетом через прозрачное окошко на верхней крышке корпуса БИС и ввести в нее новую программу.
4.1. Вводные замечания