Якщо представити всі типи сучасних мікроконтролерів (МК), то можна дивуватися величезною кількістю різноманітних приладів цього класу, доступних споживачеві. Проте всі ці пріори можна розділити на наступні основні типи:
- Вбудовувані (embedded) 8-розрядні МК;
- 16 і 32-розрядні МК;
- Цифрові сигнальні процесори.
Промисловістю випускаються дуже широка номенклатура вбудованих МК. У них всі необхідні ресурси (пам'ять, пристрої введення-виведення і т.д.) розташовуються на одному кристалі з процесорним ядром. Якщо подати харчування і тактові імпульси на відповідні входи МК, то можна сказати, що він як би «оживе» і з ним можна буде працювати. Зазвичай МК містять значну кількість допоміжних пристроїв, завдяки чому забезпечується їх включення в реальну систему з використанням мінімальної кількості додаткових компонентів. До складу цих МК входять:
- Схема початкового запуску процесора (Reset);
- Генератор тактових імпульсів;
- Центральний процесор;
- Пам'ять програм (E(E)PROM) і програмний інтерфейс;
- Засоби введення/виводу даних;
- Таймери, що фіксують кількість командних циклів.
Загальна структура МК показана на мал. 1.1. Ця структура дає уявлення про те, як МК зв'язується з зовнішнім світом.
Більш складні вбудовувані МК можуть додатково реалізовувати наступні можливості:
- Вбудований монітор/налагодження програм;
- Внутрішні засоби програмування пам'яті програм (ROM);
- Обробка переривань від різних джерел;
- Аналоговий введення/виводу;
- Послідовний ввід/вивід (синхронний та асинхронний);
- Паралельний ввід/вивід (включаючи інтерфейс з комп'ютером);
- Підключення зовнішньої пам'яті (мікропроцесорний режим).
Всі ці можливості значно збільшують гнучкість застосування МК і роблять більш простим процес розробки систем на основі.
Деякі МК (особливо 16 - і 32 біт) використовують тільки зовнішню пам'ять, яка включає в себе як пам'ять програм (ROM), так і деякий обсяг пам'яті даних (RAM), необхідний для даного застосування. Вони застосовуються в системах, де потрібен великий обсяг пам'яті і відносне не велика кількість пристроїв (портів введення/виводу. Типовим прикладом застосування такого МК з зовнішньої пам'яттю є котроллер жорсткого диску (HDD) з буферної кеш-пам'яттю, який забезпечує проміжне зберігання і розподіл великих обсягів даних (порядку декількох мегабайт). Зовнішня пам'ять дає можливість такого мікроконтролеру працювати з більш високою швидкістю, ніж вбудований МК.
Цифрові сигнальні процесори (DSP) - відносно нова категорія процесорів. Призначення DSP полягає в тому, щоб отримувати поточні дані від аналогової системи, обробляти дані і формувати відповідний відгук у реальному масштабі часу. Вони зазвичай входять до складу систем, використовуючись як пристроїв керування зовнішнім обладнанням, і не призначені для автономного використання.
Система команд
залежно від кількості використовуваних кодів операцій системи команд МК можна розділити на дві групи: CISC і RISC. Термін CISC означає складну систему команд і є абревіатурою англійської визначення Complex Instruction Set Computer. Аналогічно термін RISC означає скорочену систему команд і походить від англійського Reduce Instruction Set Computer. Систему команд МК 8051 можна віднести до типу CISC. Проте, не дивлячись на широку поширеність цих понять, необхідно визнати, що самі назви не відображають головного відмінності між системами команд CISC і RISC. Основна ідея RISC архітектури - це ретельний підбір таких комбінацій кодів операцій, які можна було б виконати за один такт тактового генератора. Основний виграш від такого підходу - різке спрощення апаратної реалізації ЦП і можливість значно підвищити його продуктивність.
Очевидно, що в загальному випадку одній команді CISC відповідає декілька команд RISC. Проте зазвичай виграш від підвищення швидкодії в рамках RISC перекриває втрати від менш ефективної системи команд, що призводить до більш високої ефективності RISC систем загалом порівняно з CISC.
Проте в даний час грань між CISC і RISC архітектурою стрімко стирається. Наприклад, МК сімейства AVR фірми Atmel мають систему команд з 120 інструкцій, що відповідає типу CISC. Однак більшість з них виконується за один такт, що є ознакою RISC архітектури. Сьогодні прийнято вважати, що ознакою RISC архітектури є виконання команд за один такт тактового генератора. Число команд саме по собі значення вже не має.
Типи пам'яті МК
Можна виділити три основних види пам'яті, що використовується МК:
а) пам'ять програм;
б) пам'ять даних;
) регістри МК.
Пам'ять програм являє собою постійну пам'ять, призначену для зберігання програмного коду і констант. Ця пам'ять не змінює вмісту в процесі виконання програми.
Пам'ять даних призначена для зберігання змінних в ході виконання програми.
Регістри МК - цей вид пам'яті включає внутрішні регістри процесора та регістри, які служать для управління периферійними пристроями.
Для зберігання програм зазвичай служить один з видів постійної пам'яті: ROM (масочные ПЗУ), PROM (одноразово програмовані ПЗУ), EPROM (електрично програмовані ПЗУ з ультрафіолетовим стиранням) або EEPROM (ПЗУ з електричною записом і стиранням, до цього виду також відносяться сучасні мікросхеми пам'яті Flash -). Всі ці види пам'яті є незалежними - це означає, що вміст пам'яті зберігається після вимкнення живлення МК.
Багаторазово програмовані ПЗУ - EPROM, EEPROM (Electrically Erasable Programmable Memory) поділяються на ПЗУ з стиранням ультрафіолетового (УФ) опроміненням (випускаються в корпусах з вікном), та МК з електрично перепрограммируемой пам'яттю, відповідно.
В даний час протоколи програмування сучасної EEPROM пам'яті дозволяють виконувати програмування МК безпосередньо у складі системи, де він працює. Такий спосіб програмування отримав назву - ISP (In System Programming). І тепер можна періодично оновлювати програмне забезпечення МК без видалення з плати. Це дає величезний виграш на початкових етапах розробки систем на базі МК або в процесі їх вивчення, коли маса часу йде на багаторазовий пошук причин непрацездатності системи та виконання наступних циклів стирання-програмування пам'яті програм.
Функціонально Flash пам'ять мало відрізняється від EEPROM. Основна відмінність полягає в здатності стирання записаної інформації. У пам'яті EEPROM стирання проводиться окремо для кожної комірки, а у Flash пам'яті-стирання здійснюється цілими блоками.
ОЗУ (RAM) - оперативне запам'ятовуючий пристрій, що використовується для зберігання даних. Цю пам'ять називають ще пам'яттю даних. Число циклів читання і запису в ОЗУ необмежено, але при відключення живлення вся інформація втрачається.
