1 МИКРОНТРОЛЛЕРЫ FUJITSUMB-90
1.1 Общая характеристика и применение
Серия MB90385 – 16-разрядные высокопроизводительныемикроконтроллеры общего назначения, которые разработаны для выполнения функцийуправления в пользовательской электронике, где требуется высокобыстродействующая обработка информации в реальном времени. Микроконтроллерыэтой серии содержат встроенный интерфейс />.
За счет наследования архитектуры F2MC данные микроконтроллерыхарактеризуются готовностью к выполнению инструкций языков высокого уровня,расширенным режимом адресации, расширенными инструкциями умножения/деления и богатымнабором инструкций битовой обработки. Кроме того, использование 32-разрядногоаккумулятора позволяет выполнять обработку длинных слов данных (32-разр.).
Основные особенности микроконтроллеров данной серии:
Адресное пространство CPU 16 Мбайт (24-разрядная внутренняя адресация)
Произведен по />-технологии
Память
Флэш-ПЗУ: 64 кбайт
Емкость ОЗУ: 2 кбайт
32-битный аккумулятор
Обработка команд с использованием 4х-байтной очереди
Мощная таймерная подсистема (сторожевой таймер, перезагружемыйтаймер, многофункциональный таймер ввода/вывода)
Мощная функция обработки прерывания с 8 уровнями и 32 факторами.
1CAN (англ. Controller Area Network — сеть контроллеров) —стандарт промышленной сети, ориентированный прежде всего на объединение вединую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Режим передачи —последовательный, широковещательный, пакетный.
2КМОП-структура[CMOS, Complementary Metal-Oхide-Semiconductor] — усовершенствованная(комплиментарная) структура построения микроэлектронных схем на трехслойной(МОП) основе метал-окисел-полупроводник. Используется для производствамикропроцессоров; оперативных запоминающих устройств (ОЗУ); CMOS RAM;микросхем, реализующих функцию часов реального времени (RTC, Real Time Clock) — RTC CMOS RAM; фоточувствительных точечных датчиков для цифровой фотографии — CMOS APS (Active Piхel Sensor) и др.
Функция автоматической передачи данных независимо от ЦПУ
8 входов внешних прерываний, программируемых на вход фронта илиуровня
Субтактирование на частоте 32,768 кГц (тактирование часовымкварцем)
Малое энергопотребление (до 40 мА)
Режимы остановки CPU, спящий режим (энергопотребление до 10 мкА)
Малый уровень электромагнитных помех
Температурный диапазон -40…+85
Корпус: 48-выводной plastic-LQFP
1.2 Внутренняя архитектура
Внутренняя архитектура микроконтроллеров семейства MB90 представленная на рис. 1(серия MB90385).
/>
Рис. 1 Внутренняя архитектура микроконтроллеров серии MB90385
В микроконтроллер встроена схема умножения тактовой частоты сФАПЧ, которая дает возможность выбора источника тактирования поделенной на 2 иумноженной на 1-4 основного тактового генератора (при частоте генератора 4 МГцдоступны опции: 2, 4, 8, 12, 16 МГц). Возможна работа с дополнительной тактовойчастотой (8,192 кГц). Минимальное время выполнения команды: 62,5 нс (при частотетактового генератора 4 МГц и умножении на 4 схемой ФАПЧ).
ЦПУ имеет 16 Мб пространство памяти. Все входные и выходные данныепрограммы, управляемый ЦПУ размещены в этом 16 Мб пространстве памяти. ЦПУобращается к ресурсам, указывая их адреса, используя 24-разрядную адреснуюшину. Память не разделена на память программ и память данных, используется однавнутренняя шина. Данный тип микроконтроллеров основан на архитектуре фонНеймана.
Регистры MB90385 можно разделить на два типа: специальные регистрыв ЦПУ и регистрах общего назначения в памяти. Специальные регистры этовыделенные внутренние аппаратные средства ЦПУ, и они имеют специфическое использование,определенное архитектурой ЦПУ. Регистры общего назначения (РОН) совместноиспользуют адресное пространство ЦПУ с ОЗУ. РОН — те же самые, что испециальные регистры, в которые они могут обращаться без использования адреса.Применение РОН может быть определено пользователем, как обыкновенноепространство памяти.
РОН расположены от адресов 000180H до 00037FH (максимальнаяконфигурация) оперативной памяти. Указатель банкового регистра (RP) показывает,какие из вышеупомянутых адресов в настоящее время используются как банковыйрегистр (используются при банковой адресации). Каждый банк имеет три следующихтипа регистров:
R0…R7: 8-битный РОН
RW0…RW7: 16-битный РОН
RL0…RL3: 32-битный РОН
Также данное семейство процессоров характеризуют повышеннойпроизводительностью за счет улучшения высокоточных вычислений с помощьюприменения 32-битного аккумулятора и расширенного набора командумножения/деления.
1.3 Состав встроенныхустройств
Выходной компаратор 16 разрядов на 8 каналов
16 разрядное устройство захвата фронтов: 8 каналов
Таймеры
•Таймер интервалов времени, таймер синхронизации, сторожевойтаймер: 1 канал
•8/16 – битный таймер программируемого генератора импульсов: 8 битна 4 канала или 16 бит на 2 канала
•16-битный таймер перезагрузки: 2 канала
•16-битный таймер ввода/вывода
— 16-битный циклический таймер: 1 канал
— 16-битный вывод при захвате фронта (ICU): 4 канала
— Запрос прерывания происходит во время фиксирования значения16-битного циклического таймера при обнаружении фронта сигнала на входномконтакте
АЦП: 8 каналов
— Выборочная разрешающая способность: 8 или 10 разрядов
— Возможность активизации внешним триггерным входом
— Время преобразования: 6.125 мкс (при тактовой частоте 16 МГц, вт.ч. время выборки)
8/16-разрядныйпрограммируемый генератор импульсов: 8 каналов 16-разр./ 16каналов 8-разр.
PLL-синтезатор(x1/2; x2; x3; x4) (возможность применения различных кварцевых резонаторов)
1.4 Способы адресации
Контроллеры семейства MB90 поддерживают 23 режима адресации, вчастности непосредственную, косвенную, индексную, регистровую адресации, атакже банковую адресацию (восемь старших битов адреса определенысоответствующим банковым регистром, а оставшиеся 16 битов младшего разрядаопределены командой).
1.5 Система команд
Система команд MB90 считается очень удобной. Она относится кархитектуре CISC по соответствующим признакам. Однако есть некоторые отличия.Набор команд содержит, помимо стандартных арифметических, логических команд икоманд перехода и условного перехода, команды, работающие со строками, состеком, изменяющие флаги, команды доступа I/O, управления прерываниями, командыциклического сдвига и работы с указателями. Число РОН сравнительно не велико,за счет увеличения объема памяти, но есть большое количество способов адресации,поэтому можно сказать, что микроконтроллеры Fujitsu достаточно соответствуютклассической CISC-архитектуре.
1.6 Работа с внутренними и внешними устройствами
Порты ввода/вывода:
Порты ввода/вывода общего назначения (КМОП выходы): 34 порта (MB90F387) (в т.ч. 4 порта с мощным выходам).На микроконтроллерах MB90F387S, если вспомогательный источник тактирования не используется,возможно расширение до 36 портов.
Интерфейсы:
Полный CAN, версии 2.0a и 2.0b
8 входов DTP (механизм пересылки данных внешней периферии позапросу DMA/прерываний с активацией сервиса EI2OS — расширенная функцияинтеллектуального ввода-вывода)
Полный дуплекс UART на скорость до 2 Мбит
Возможность подключения внешней памяти объёмом до 16 Мбайт
Встроенный интерфейс I2C (не во всех моделях)
2. МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ INTEL296
2.1 Общая характеристика и применение
В семейство MCS-196 фирмы Intel (иногда используется и название80C196) входит более 30 разновидностей микроконтроллеров. Это 16-разрядные,быстродействующие ИС высокой степени интеграции, ориентированные на решениезадач управления процессами в реальном масштабе времени. Типичные областиприменения для этих микроконтроллеров — управление двигателями, модемы,безюзовые тормозные системы, контроллеры жестких дисков, медицинское оборудование.
История MCS-196 насчитывает более 12 лет. За это время специалистыфирмы Intel увеличили адресное пространство с 64 КБайт до 6 Мбайт, повысилитактовую частоту с 10 до 50 МГц, улучшили быстродействие в 16 раз.
Микроконтроллеры 80C196 фактически стали индустриальным стандартомдля 16-разрядных встроенных систем управления, обеспечивая сочетание высокихтехнических показателей и экономической эффективности. Например, именноблагодаря этим микроконтроллерам, установленным в системе управления зажиганием,специалистам концерна Ford удалось существенно снизить потребление топлива,уменьшить выбросы вредных веществ и одновременно повысить скоростныехарактеристики своих машин.
Серия MCS-296 это последнее обновление семейства MCS-96. Микроконтроллеры 80296SA имеют повышенную производительность, по сравнению с наиболеепроизводительными контроллерами 196 серии (8xC196NP и 8xC196NU).
Основные особенности серии MCS-96
ü80C196 имеет всего одно адресное пространство, в котором находятсяи инструкции, и данные.
80C196содержит больше периферийных узлов, чем более простые, 8-разрядныемикроконтроллеры. Однако каждый из этих узлов не является более сложным.
80С196 имеет существенно более высокое быстродействие, чем8-разрядные микроконтроллеры, и потребляет больше. Но кристаллы 80C196изготавливаются по КМОП-технологии. А это значит, что при понижении тактовойчастоты энергопотребление снижается по практически линейному закону. Итак, еслинекоторая прикладная задача может быть решена при помощи 8-разрядного микроконтроллера,то ее можно решить и при помощи 80C196, работающего на пониженной тактовойчастоте. При этом энергопотребление 80C196 будет слабо отличаться отпотребления 8-разрядного микроконтроллера, работающего на своей номинальнойчастоте, и может быть даже меньшим.
У 80C196 можно использовать 16-разрядную внешнюю шину. Кроме того,цикл шины 80C196 в 3-4 раза короче, чем у 8051. В результате, 80C196 в 6-8 разбыстрее работает с внешней памятью.
80C196 имеет полноценный набор 16-разрядных арифметических инструкций.
Стек 80C196 имеет размер до 64 КБайт, а в качестве указателя можноиспользовать любое из 116 слов встроенной регистровой памяти.
Рассмотрим технические характеристики кристалла MCS-296 – 80C296SA:
Частота процессора 40, 50 МГц.
Адресное пространство 6 Мбайт.
16-разрядная шина памяти, может расширяться до 16/24-разрядной(адреса/данных).
Память ОЗУ 2 кбайт (+512 байт регистровой ОЗУ памяти), ПЗУ 2кбайт.
40-разрядный аккумулятор, с возможностями цифровой обработкисигналов и выполнений операций умножения и накопления за 80 нс.
Прерывания:
19 источников прерываний, из них 14 – с программируемымприоритетом.
Энергопотребление:
Общее потребление — не более 150 мА на частоте 50 МГц. Имеютсярежимы с пониженным энергопотреблением: IDLE и POWER DOWN.
Температурный диапазон, корпуса:
Существует четыре разновидности по температурному диапазонуработы: коммерческий (0...+70 градусов), расширенный (-40...+85), автомобильный(-40...+125) и военный. Кроме того, микроконтроллеры могут быть подвергнутыдинамической электротермотренировке.
ИС устанавливаются в 100-выводные корпуса типов QFP или SQFP.
2.2 Внутренняя архитектура
Внутренняя архитектура контроллеров серии 296 показана на рис. 2(на примере 80296SA). Очевидно, что данные микроконтроллеры спроектированы наоснове принстонской архитектуры (основанной на принципах фон Неймана), т.к.память для хранения данных и команд не разделена (единое адресноепространство), а микроконтроллер содержит две шины: данных и адреса.
/>/>/>
Рис.2 Внутренняя архитектура кристалла 80296SA
На частоте 50 МГц ЦПУ выполняет до 16 млн. оп/с на стандартномнаборе команд и до 12,5 млн. оп/с при использовании специальных команд цифровойобработки сигналов. Память ЦПУ имеет одно адресное пространство размером 6Мбайт, в котором находятся регистры общего назначения, регистры специальногоназначения, встроенная программная память, внешняя память для программы иданных. ПЗУ имеет объем 2 кбайт и оснащено защитой от несанкционированногодоступа. Контроллер памяти работает с 16- и 24-разрядной внешней шиной, причемширина шины может динамически переключаться, можно вводить циклы ожидания.
Основные компоненты CPU во всех микроконтроллерах семейства MCS-96— это Регистровый Файл (Register File) и Регистровое Арифметико-ЛогическоеУстройство (Register/Arithmetic Logic Unit — RALU). Регистровый файл — этоадресуемое пространство регистров процессора. Ячейки от 00h до 17h — этоуправляющие регистры ввода-вывода или регистры cпециальных функций (SpecialFunction Registers — SFR). Ячейки 18h и 19h содержат указатель стека, они могутиспользоваться как обычная RAM-память, когда не выполняются стековые операции.Остальные байты регистрового файла служат как обычная RAM-память, доступная какбайт, слово или как двойное слово. CPU выполняет вычисления в RALU. RALUсодержит 17-битное арифметико-логическое устройство (ALU), слово состоянияпрограммы (PSW), счетчик команд (PC), счетчик циклов и три временных регистра.RALU работает напрямую с регистровым файлом, таким образом, устраняютсяпересылки через аккумулятор, и обеспечивается прямое управление операциямиввода/вывода через SFR.
Другие составные микропроцессора рассмотрим в пункте 2.3
2.3 Состав встроенных устройств
Таймеры:
Два 16-разрядных таймера TIMER1 и TIMER2 обеспечиваютсинхронизацию работы устройства ввода-вывода импульсных сигналов с реальнымвременем и внешними событиями. TIMER1 синхронизируется изнутри, тогда какTIMER2 синхронизируется снаружи.
ГенераторсигналовCHIPSELECT (CHIP SELECT UNIT):
Этот узел появился ещё у кристалла 8XC196NP, имеется у 8XC296SA.Он позволяет существенно упростить аппаратуру, необходимую для подключениявнешней памяти к процессору, и, тем самым, удешевить систему. Он можетгенерировать до 6-ти сигналов выборки (Chip Select), с независимоустанавливаемыми циклами ожидания и шириной шины. Кроме того, кристаллы,имеющие Chip Select Unit, имеют демультиплексированную шину, что позволяетотказаться от внешних регистров-защелок и использовать медленную и дешевуюпамять, сохранив при этом быстродействие системы.
Импульсныйввод/выводEPA (EVENTPROCESSOR ARRAY):
Данный узел пришел на смену HSIO, начиная с кристалла 8XC196KR.EPA имеет более простую архитектуру, чем HSIO, обладая при этом лучшейразрешающей способностью. В HSIO, все входные каналы имеют общую память,7-уровневое FIFO (first in/first out), в которой запоминаются временные отметки, соответствующиесобытиям на входах. То же касается выходных линий HSIO — все они имеют общуюпамять (8 ячеек), в которую процессор записывает команды для всех выходныхканалов HSIO. Поэтому за один такт HSIO может обработать только один входной иодин выходной канал. В EPA, каждый канал имеет свой собственный буфер, а выдачаи прием сигналов производятся одновременно по всем каналам. Поэтому разрешающаяспособность EPA выше, чем у HSIO, в 4 раза. Кроме того, EPA — более гибкийузел: каждый его канал может служить и входом, и выходом, тогда как HSIO имеет4 выходных, 2 входных, и 2 двунаправленных линии.
Дополнительное ОЗУ (CodeRAM):
Это дополнительное ОЗУ, в котором можно размещать исполняемый код.Этот код будет выполняться очень быстро, так как Code RAM имеет 16-разрядныйинтерфейс с нулевым циклом ожидания. Code RAM может принести существеннуюпользу в задачах, где требуется максимально быстрое выполнение только небольшихфрагментов кода, позволяя при этом использовать сравнительно медленное идешевое 8-битное ПЗУ для хранения остальной части программы. Конечно, этупамять можно использовать и для размещения данных или стека.
MCS-96 содержит полный набор команд, включающий операции с битами,байтами, словами, двойными словами (беззнаковые 32 бит), длинные операции (32бит со знаком), работу с флагами, а также переходы и вызовы подпрограмм. Всестандартные логические и арифметические команды работают как с байтами, так исо словами. Команды перехода по установке бита (Jump Bit Set) и очистке бита(Jump Bit Clear) могут работать с каким-либо регистром SFR или с другимибайтами регистрового файла. Эти быстрые битовые операции позволяют ускоритьфункции ввода/вывода.
2.4 Способы адресации
Система команд MCS-96 содержит следующие типы адресации:регистровая (register — direct), косвенная (indirect), автоинкрементная(indirect with autoincrement), непосредственная (immediate), короткая индексная(short-indexed ) и длинная индексная (long-indexed). Эти типы адресацииувеличивают гибкость и скорость выполнения команд устройствами MCS-96. Каждаякоманда использует по крайней мере один из способов адресации.
Регистровая адресация и непосредственная адресация выполняютсянаиболее быстро. Регистровая адресация обеспечивает доступ к файлу регистров иSFR. Непосредственная адресация использует информацию, следующую за кодом команды,как операнд. Уникальной особенностью микроконтроллера 80296SA является расширениевозможностей оконной адресации внутреннего регистрового ОЗУ на область внешнейпамяти, что позволяет применять быстродействующую прямую регистровую адресациюдля доступа не только к внутренней регистровой памяти, но и к внешней памяти.
Оба режима косвенной адресации используют значение слова врегистре как адрес операнда. Автоинкрементная адресация увеличивает адресноеслово на единицу после операции с байтом, и на два после операции со словом.Этот способ адресации обеспечивает легкий доступ к справочным таблицам.
Длинная индексная адресация обеспечивает прямой доступ к любойячейке 64К адресного пространства. Этот способ формирует адрес операндадобавлением 16-битного значения к регистровому слову. Индексирование с нулевымрегистром позволяет иметь прямую адресацию к любой ячейке. Короткая индекснаяадресация формирует адрес операнда добавлением 8-битного значения крегистровому слову.
Кроме того имеются расширенные версии команд прерываемой инепрерывной передачи блока. Множество способов адресации семейства MCS-96делает легким программирование на языке ассемблера и обеспечивает отличнуювзаимосвязь с языками высокого уровня. Команды ассемблера, состоят измнемоники, за которой следуют адрес или данные.
2.5 Система команд
Система команд MCS-96 содержит более 100 команд различногоназначения: арифметические команды, логические команды, стековые команды,команды работы с данными, команды перехода, команды вызова, команды условногоперехода, команды сдвига, блочные команды, специальные команды, а также прочиекоманды. Арифметические и логические команды могут использовать любой изспособов адресации, доступных в микроконтроллере. Архитектура данной системыкоманд — CISC (архитектура с полным набором команд). Об этом свидетельствуетбольшое количество машинных команд, разнообразие способов адресации, наличиекоманд, где обработка совмещается с обращением к памяти. Однако есть отклонениеот классической CISC-архитектуры: широко используется работа с регистрами,число регистров (регистровое ОЗУ), в зависимости от модели микроконтроллера,варьируется от 232 до 1500 (в частности 80296SA имеет 512 регистров).
2.6 Работа с внешними ивнутренними устройствами
Стандартные I/O порты. 80296SA имеет четыре 8-битных I/Oпорта.
Все порты могут работать на вход и на выход. Порты 1-3 – этостандартные порты ввода/вывода с индивидуальным выбором специальных сигналов.Порт 4 – также является стандартным портом ввода/вывода, но обладает повышеннойпропускной способностью.
Последовательный порт имеет одинсинхронный режим (Mode0) и три асинхронных (1, 2 и 3). Асинхронные режимыполностью дуплексные, т.е. они могут передавать и принимать данныеодновременно. Приемник буферизован так, что прием второго байта может начатьсядо считывания первого. Передатчик также дважды буферизован. Наиболее общееиспользование синхронного Режима 0 — расширение возможностей устройствввода-вывода, использующих регистры сдвигов. Режим 1 — стандартный асинхронныйрежим, используемый для нормальных последовательных коммуникаций. Структураданных для режима 1 состоит из 10 бит: стартовый, 8 бит данных (LSB первый) истоповый бит. Если передача бита четности разрешена (PEN=1), бит дополнения дочетности посылается вместо восьмого бита данных. Режимы 2 и 3 — девятибитныережимы общего пользования для межпроцессорных коммуникаций. Структура данных,используемых в этих режимах, состоит из 11 бит: стартовый, 9 бит данных (LSBпервый) и стоповый бит. Устройства, работающие в режиме 2, будут вырабатыватьпрерывание при приеме только тогда, когда девятый информационный бит будетустановлен. Устройства, работающие в режиме 3, всегда будут вырабатыватьпрерывание при приеме. Режим 3 позволяет передавать 8 информационных бит плюс битдополнения до четности.
3 СРАВНЕНИЕМИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ INTEL MCS-296 И FUJITSU MB90
1. Данные микроконтроллеры имеют сходные области применения, однако вFujitsu упор делается на ускорение вычислений, а в Intel — на стабильностьработы устройства.
2. Максимальная частота работы выше у микроконтроллеров Intel 296 – 50 МГц.
3. Fujitsu имеет больший объем памяти, чем Intel: 64 Мб (по сравнениюс 6 Мб у 80296SA), в свою очередь микроконтроллеры Intel имеют гораздо больше РОН.
4. В Fujitsu максимальная скорость выполнения команды — около 68 нспри частоте 4 МГц, его производительность — 3,6 миллиона операций. Это меньше,чем у микроконтроллера Intel, выполняющего максимум 16 миллионов простейшихопераций сложения при частоте 50 МГц.
5. Микроконтроллеры MCS-296 имеют более сложную архитектуру и болеевысокую скорость передачи данных за счет наличия двух шин — адреса и данных, вFujitsu лишь одна внутренняя шина.
6. В Fujitsu предусмотрено больше способов адресации — 23 посравнению с 6 в Intel. Это позволяет найти наиболее подходящий способ адресациив зависимости от поставленной задачи.
7. Fujitsu имеет больше возможностей для работы с внешнимиустройствами, чем Intel (имеет больше портов ввода/вывода, а также интерфейсыCAN, DTP, I2C).
8. Микроконтроллеры Intel 296 не имеют встроенного АЦП, в то время как Fujitsu имеют производительныйвстроенный преобразователь (на обработку тратится 3 мкс).
9. Микроконтроллеры Intel выпускаются в различных конфигурацияхустойчивости к температурам, поэтому их можно применять в более широкомтемпературном диапазоне.
10. Среднее энергопотребление у MB90 ниже, чем у MCS-296 (40 мА и 150мА), но вторые имеют режим POWER DOWN с потреблением 0,1 мкА, в то время каксоответствующий режим Fujitsu имеет потребление 1 мкА.
11.Fujitsu имеют более мощную и функциональную систему таймеров,чем Intel.
Итог: при сравнении оказалось, что,в общем, микроконтроллеры Intel 296 обладают большей производительностью, чем Fujitsu MB90. Кроме того, серия MCS-296 имеет более низкуюстоимость. Поэтому использование микроконтроллеров Intel 296 предпочтительнее.Однако, контроллеры Fujitsu в некоторых случаях удобнее в использовании за счет большогоколичества способов адресации, памяти и встроенного АЦП.
ЛИТЕРАТУРА
1. Fujitsu Semiconductor Datasheet «MB90470 F2MC-16LXMicrocontrollers hardware manual»
2. 80296SA Microcontrollers User’s Manual
3. «Практическое руководство по применению 16-разрядныхмикроконтроллеров Intel MCS-196/296 во встроенных системах управления» Козаченко В.Ф.М.: ЭКОМ, 1997. -500с., илл
4. www.ce.cctpu.edu.ru/msclub/LITERATU/gusev/
5. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/micros/phuton6.htm
6. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Fujitsu/micros/mb90/MB90385.htm