Микроконтроллеры общего назначения для встраиваемых приложений производства ATMEL Corporation

Министерство  образования и науки РФ

Казанский Государственный Технический Университет  имени А.Н. Туполева

______________________________________ 

Кафедра компьютерных систем 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат  

Микроконтроллеры  общего назначения для  встраиваемых приложений производства ATMEL Corporation 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Казань 2009

Содержание 

Введение 

     Термин "микроконтроллер" обычно означает отдельную микросхему, содержащую процессорное ядро и все необходимые периферийные устройства на одном кристалле для того, чтобы реализовать специализированный микрокомпьютер для задач контроля / управления. Современные микроконтроллеры, как правило, содержат целый арсенал развитых цифровых и аналоговых периферийных блоков и модулей. Некоторые их них имеют обширный набор инструкций и относительно медленно выполняют помещенные в них программы (обычно с архитектурой CISC - Complex Instruction Set Computers). Другие работают очень быстро (обычно с архитектурой RISC - Reduced Instruction Set Computers), но имеют ограниченный набор исполняемых команд. Массовое производство микроконтроллеров привело к их значительному удешевлению и, как следствие, к широчайшему использованию в разнообразном промышленном и бытовом оборудовании, особенно в 4-разрядном и 8-разрядном исполнении. Ассортимент предлагаемых микроконтроллеров на мировом рынке постоянно растет, появляются новые, более совершенные и технологичные изделия повышенной степени интеграции, новые полупроводниковые структуры, новые идеологические решения. Количество фирм-производителей также неуклонно растет при одновременном повышении их уровня технической и технологической оснащенности. Проиллюстрировать вышесказанное можно, анализируя, например, развитие микроконтроллеров, выпускаемых Atmel Corp.  

     Atmel Corporation — изготовитель полупроводниковых  электронных компонентов. Компания  основана в 1984 году в США. Корпорация Atmel хорошо известна как на мировом, так и на российском рынках электронных компонентов и является одним из признанных мировых лидеров в разработке и производстве сложных изделий современной микроэлектроники - устройств энергонезависимой памяти высокого быстродействия и минимального удельного энергопотребления, микроконтроллеров общего назначения и микросхем программируемой логики. Первый микроконтроллер Atmel появился в 1993 году и был основан на классическом микроконтроллере Intel 8051. Продукция Atmel включает микроконтроллеры MCS-51, AT91SAM и AT91CAP (основаны на ядре ARM), микроконтроллеры на их собственных ядрах Atmel AVR и AVR32, радиочастотные (RF) устройства, микросхемы памяти типов EEPROM и флеш (включая память, основанную на DataFlash), и некоторое количество других продуктов этой же отрасли. Сейчас Atmel удерживает первое место в мире по производству микросхем параллельной и последовательной EEPROM, лидирует в производстве Flash - микроконтроллеров общего назначения и входит в первую пятерку по производству EPROM, микросхем Flash - памяти и заказных СБИС класса ASIC. Возможность комбинирования нескольких типов электронных ячеек на одном кремниевом кристалле вывела Atmel на новый качественный уровень, позволив целенаправленно ориентировать свою продукцию на требуемые сегменты рынка.  

     В данном реферате представлены наиболее интересные и доступные в России линии микроконтроллеров, выпускаемых Atmel Corp. Совершенно сознательно вне рассмотрения оставлены микропроцессоры и микроконтроллеры для специальных применений, аэрокосмического назначения, микроконтроллеры для изделий класса Smart Cards а также некоторые узкоспециализированные семейства (USB, DVD, Bluetooth, WIreless LAN, энергосчетчики и др.)  

     Все микроконтроллеры общего назначения Atmel можно разделить на четыре большие группы:

• С архитектурой С51
• MARC4
• ARM Thumb
• AVR 8-bit RISC

       Поскольку разрядность, объемы массивов памяти, набор периферийных узлов и построение схем тактирования существенно различаются как между группами, так и между микроконтроллерами внутри каждой группы, то приведенное здесь описание основных возможностей кристаллов не будет полным. Конкретные детали, подробные описания структуры микроконтроллеров, особенности построения и функционирования периферийных блоков приводятся в оригинальной технической документации Atmel Corp.  

Архитектура С51 

     8-разрядные  микроконтроллеры архитектуры С51, разработанной фирмой Intel, уже много лет лидируют на мировом рынке как по количеству разновидностей, так и по количеству выпускающих их фирм. Основными производителями "семейств" С51 являются Philips, Atmel, Siemens, Intel, Winbond, Dallas, OKI, Cygnal и ряд других.  

     Высокая популярность микроконтроллеров архитектуры  С51 производства Atmel была обусловлена  удачным стратегическим решением корпорации. Объединив передовую Flash-технологию энергонезависимой памяти с популярным процессорным ядром, Atmel Corp. первой в мире реализовала электрически стираемые и программируемые Flash- 8х51 как современную альтернативу масочным версиям и дорогим микроконтроллерам С51 с ультрафиолетовым стиранием, потеснив на рынке таких лидеров как Philips, Siemens, Intel и Motorola. Агрессивная ценовая политика компании довершила процесс вытеснения EPROM- микроконтроллеров с рынка. Начиная с 1995 года, Atmel ежегодно удваивала объемы продаж своих кристаллов 8х51. Лишь к 2000 году положение выровнялось, когда остальные производители тоже освоили серийный выпуск Flash-микроконтроллеров 8х51. Но до сих пор семейство AT89C/S Atmel Corp. пользуется заслуженной популярностью у разработчиков и производителей электронной аппаратуры. Спрос на микросхемы этого класса остается стабильным. За последние годы объем их производства у корпорации постоянно увеличивается, причем основной прирост наблюдается для однократно программируемых и QuickFlash кристаллов - 87F5x и 80F5x.  

     Основная  новость 2002 года - окончательное приобретение Atmel Corp. фирмы Temic. Процесс интеграции производственных мощностей и каналов распространения конечной продукции был полностью завершен к марту 2002. Компания с логотипом "Atmel Wireless & uControllers", как и ранее компания "Temic", прекратила свое существование. Все выпускавшиеся ранее кристаллы Temic - Atmel W&uC, включая микроконтроллеры общего назначения, перешли к Atmel Corp. Это существенно расширило спектр продукции Atmel в группе микроконтроллеров С51. Добавилась многочисленная группа высоконадежных масочных (ROM), однократно программируемых (OTP), работающих с внешней памятью программ (ROMless) и Flash-микроконтроллеров семейства С51, имеющих развитую структуру и обширный набор периферийных блоков. По сути, количество разнообразных кристаллов 8х51, предлагаемых Atmel Corp., выросло со 2-го квартала 2002 года почти втрое.  

     Основные  изменения коснулись объемов  памяти на кристалле, специализированных периферийных модулей, систем "жизнеобеспечения", типов предлагаемых корпусов микроконтроллеров  и количества линий ввода/вывода. Появилась возможность оптимального выбора микроконтроллера с небольшим количеством внешних выводов, энергонезависимой памятью данных EEPROM, аналого-цифровым преобразователем, модулем таймеров/счетчиков с функцией "захват/сравнение", коммуникационными интерфейсами I2C/uWire/SPI/UART, клавиатурным интерфейсом, массивом памяти программ до 64К и памяти данных SRAM до 1280 байт, а также использовать различные комбинации этих и других параметров. Из оригинальных разработок Atmel отметим кристаллы, ориентированные на специальные сегменты рынка и содержащие блоки CAN - интерфейса 2.0A/2.0B, MP3 - декодера и мультимедийного интерфейса MMC для аудиоприложений, интерфейса ISO7816-3 для построения считывателей Smart Cards, а также специальные контроллеры для систем сбора/обработки данных.  

     Многие  микроконтроллеры С51 производства Atmel поддерживают режим скоростного  внутрисхемного программирования Flash-памяти программ в системе (ISP), в том числе  и на целевой плате. Процесс программирования может осуществляться через различные коммуникационные каналы (SPI, UART, I2C, CAN), при этом используется рабочее напряжение питания микросхемы. Это позволяет обновлять содержимое памяти программ в ходе жизни конечного изделия. Некоторые микроконтроллеры имеют специальное скоростное ядро (обозначение Х2), что означает возможность удвоения внутренней тактовой частоты процессора и/или периферийных блоков по сравнению с частотой, задаваемой внешним источником. Снижается уровень электромагнитных помех, создаваемый кристаллом, и его энергопотребление, так как для получения той же производительности требуется меньшее значение внешней опорной частоты. Кроме того, это заметно снижает стоимость микросхем. Для отдельных кристаллов с функцией Х2 реализована интересная возможность "самопрограммирования" памяти программ (SPM). Это означает, что микроконтроллер способен самостоятельно, без внешнего программатора переписывать содержимое ячеек во Flash-памяти программ, т.е. изменять алгоритм своего функционирования и далее работать уже по новой программе. Например, можно написать и сохранить несколько рабочих версий программы для конкретного приложения в микросхеме внешней памяти, а затем по мере необходимости или по реакции на какие-нибудь события перегружать рабочие программы в тот же самый микроконтроллер через выбранный коммуникационный канал, не извлекая его из печатной платы.  

     Корпорация Atmel также предлагает высокопроизводительные 8/16 разрядные микроконтроллеры, базирующиеся на С251-архитектуре Intel. Микроконтроллеры семейства С251 при полной совместимости с их 8051-прототипами обеспечивают значительное повышение быстродействия.  

     Atmel Corp. постоянно совершенствует микроконтроллеры  семейства С51, планомерно переводя  их производство на проектные  нормы 0,35 мкм. Так, с июня 2002 года серийно выпускаются две новых микросхемы - AT89S51 и AT89S52. Эти микроконтроллеры полностью совместимы с хорошо известными версиями AT89C51/52 и снабжены функцией программирования в системе.  

     К сожалению, корпорация Atmel практически  полностью отказалась от производства микроконтроллеров С51 в автомобильном и военном температурных диапазонах. Подавляющее большинство этих микросхем не будет выпускаться для работы при температурах ниже -40С и выше +85С. Исключение составляют лишь отдельные версии микроконтроллеров бывшего Temic (включая представителей семейства С251), способные работать в автомобильном (-40С...+125С) и военном (-55С...+125С) температурных диапазонах. Но это скорее исключение, чем правило. Как минимум, все перепрограммируемые Flash-микроконтроллеры Atmel работают только в коммерческом и индустриальном температурном диапазонах.  

     Средства  поддержки разработок для микроконтроллеров  С51 чрезвычайно развиты и широко распространены. Можно подобрать  набор средств разработки практически любого уровня сложности - от стартового до профессионального. Выпускаются разнообразные компиляторы с языков высокого уровня, ассемблеры, отладчики, операционные системы реального времени, отладочные платы и комплексы, внутрисхемные эмуляторы, программаторы. Многие программные средства доступны в свободных, ограниченных по времени использования / размеру кода или просто бесплатных (GNU) версиях.  

MARC4 

     MARC4 - семейство 4-х разрядных однокристальных  микроконтроллеров, в основу которого  положено 4-х битное стек-ориентированное ядро Гарвардской архитектуры с физически разделенными памятью программ и памятью данных. Микроконтроллеры MARC4 содержат на кристалле до 8К памяти программ ROM, 256 бит статической памяти данных SRAM, параллельные порты ввода/вывода, 8-разрядный многофункциональный таймер/счетчик, супервизор напряжения, интервальный таймер с функциями сторожевого таймера и сложный тактовый генератор. M44Cx92 и T48C89x имеют третий 8-битный таймер/счетчик с функциями захвата/сравнения и модуляции/демодуляции. M44C89х и T48C89х содержат блок энергонезависимой памяти данных EEPROM. Все микроконтроллеры семейства MARC4 (кроме M44C510E и T48C510), имеют синхронный последовательный интерфейс SSI.  

     Три независимые шины (команд, памяти и  ввода/вывода) используются для параллельной связи между ROM, SRAM и узлами периферии. Благодаря одновременной предварительной выборке команд и передаче данных на узлы периферии, архитектура MARC4 позволят увеличить скорость выполнения программы. Сложный контроллер прерываний имеет несколько уровней приоритета и позволяет быстро обслуживать многочисленные источники - запросы на прерывание (до 14). Низкое рабочее напряжение и малое энергопотребление кристаллов MARC4 идеально подходят для портативных и носимых применений, в том числе и с батарейным питанием. Эти микросхемы успешно применяются в различных областях: инфракрасный и радиочастотный обмен данными, удаленный контроль и управление, встраиваемые применения, и т. д. (например, в качестве контроллеров клавиатуры, драйвера жидкокристаллических и светодиодных индикаторов, считывателя Smart Cards и т.д.).  

     Кристаллы T48Cx9x / M44Cx9x семейства MARC4 выпускаются  для работы в расширенных температурных  диапазонах - автомобильном (-40С ...+125С) и индустриальном (-40С ... +85С). Это позволяет использовать MARC4 в электронных блоках управления работой двигателя автомобиля, в системах бортовой электроники (мониторинг давления в шинах, управление вентиляцией, отоплением или интегрированными антеннами), а также для применения в индустриальных датчиках. В подобных системах 4-х битные микроконтроллеры T48Cx9x/ M44Cx9x семейства MARC4 фирмы Atmel имеют ряд преимуществ по сравнению, например, с 8-битными микроконтроллерами : чрезвычайно низкий ток потребления и оптимальную комбинацию нескольких специализированных периферийных узлов на кристалле.  

     Микросхемы T48Cx9x (MTP /Flash версия) рекомендуется использовать для опытного и малосерийного  производства, а микроконтроллеры M44Cx9x-H / M44Cx9x-V (ROM версия) предназначены для  серийного производства. Образцы кристаллов доступны и могут быть заказаны через официальных дистрибьюторов Atmel Corp.  

     MARC4 также используются для построения  считывателей Smart Cards (или чип-карт). Существуют два типа чип-карт: синхронные и асинхронные, различающиеся  типом электронного интерфейса. Синхронные чип-карты могут хранить небольшую информацию, их также называют "карты памяти". Асинхронные карты уже включают в себя микроконтроллер с тактовой частотой от 1 МГц до 5 МГц и ориентированы на специальные применения. Микроконтроллер может, например, обеспечивать процесс кодирования для предотвращения несанкционированного доступа к данным, осуществлять идентификацию владельца карты и т.д. Поскольку в асинхронных картах для передачи данных через порт ввода/вывода необходим системный тактовый генератор, то это может обеспечиваться таймером 1 микроконтроллера семейства MARC4 (например, M44C510). Тактовая частота на входе чип-карты делится для последовательного интерфейса ввода/вывода на целое число F, обычно принимаемое равным 372 и 512. Скорость передачи при этом рассчитывается как fCLK/F, формат данных соответствует интерфейсу V.24.