Какие преимущества дает модульная организация микроконтроллера

Модульная организация микроконтроллера

МК представляют собой законченную МП-систему обработки информации, которая реализована в виде одной большой интегральной микросхемы. МК объединяет в пределах одного полупроводникового кристалла основные функциональные блоки МП управляющей системы: центральный процессор, постоянное запоминающее устройство ( ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), периферийные устройства для ввода и вывода информации. При модульном принципе построения все МК одного семейства содержат в себе базовый функциональный блок, который одинаков для всех МК семейства, и изменяемый функциональный блок, который отличает МК разных моделей в пределах одного семейства (рис. 1).

Базовый функциональный блок включает:

• внутренние магистрали адреса, данных и управления;

• схему формирования многофазной импульсной последовательности для тактирования ЦП и межмодульных магистралей;

• устройство управления режимами работы МК.

Базовый функциональный блок микроконтроллера

Базовый функциональный блок принято называть процессорным ядром МК. Процессорное ядро обозначают именем семейства МК, основой которого оно является. Например, ядро PIC16 – процессорное ядро Microchip PIC16.

Базовый функциональный блок включает:

• внутренние магистрали адреса, данных и управления;

• устройство управления режимами работы МК.

Ядро современных 8-разрядных МК реализует один из двух принципов построения МП:

• МП с CISC-архитектурой – МП с полной системой команд

• МП с RISC-архитектурой – МП с сокращенной системой команд

Производительность МП, и МК в том числе, принято оценивать числом операций пересылки «регистр-регистр», которые могут быть выполнены в течение одной секунды. Для МК с RISC-архитектурой время выполнения любой операции составляет 1/f BUS. Следовательно, их производительность равна fBUS оп/с.

В МК с CISC-архитектурой число циклов выполнения операции «регистр-регистр» составляет от 1 до 3, что снижает производительность.

С точки зрения организации процессов выборки и исполнения команды в современных 8-разрядных МК применяется одна из двух уже упоминавшихся архитектур МПС: фон-неймановская (принстонская) или гарвардская.

Основной особенностью фон-неймановской архитектуры является использование общей памяти для хранения программ и данных. Основное преимущество архитектуры Фон-Неймана – упрощение устройства МПС, так как реализуется обращение только к одной общей памяти.. Основной особенностью гарвардской архитектуры является использование раздельных адресных пространств для хранения команд и данных. Кроме того, гарвардская архитектура обеспечивает потенциально более высокую скорость выполнения программы по сравнению с фон-неймановской за счет возможности реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды.

Какие преимущества дает модульная организация микроконтроллера?

Какие команды исполняет булевый или битовый процессор микроконтроллера?

Какие ошибки измерения позволяет исключить использование режима входного захвата таймера/счетчика микроконтроллера?

Что называется «вектором прерывания» микроконтроллера?

Что используется в качестве простейшего ЦАП на выходе микроконтроллера?

Что не входит в состав процессорного ядра микроконтроллера?

Как зависит ток потребления микроконтроллера от напряжения питания?

Что происходит при переполнении сторожевого таймера микроконтроллера?

Что включает в себя понятие «закрытая архитектура» микроконтроллера?

Микроконтроллеры SIMATIC S7-1200 – совершенно новый уровень интеграции

Рассматриваются новая серия микроконтроллеров SIMATIC S7-1200, разработанных компанией SIEMENS, их особенности и преимущества, а также инновационное ПО STEP7 Basic, используемое для их параметрирования и программирования.

ООО «Сименс», сектор индустрии,
департамент «Промышленная автоматизация»

Специалисты в области промышленной автоматизации, а также разработчики систем автоматизированного управления зачастую сталкиваются с проблемой оптимального подбора необходимого оборудования. Выбор может определяться сложностью проектируемой системы, необходимым функционалом, расширяемостью и гибкостью. Важным фактором помимо самого оборудования является функциональность и удобство программной среды разработки. Обычно предлагается использовать отдельные программные пакеты для программирования контроллеров, средств операторского интерфейса и сетевого обмена данными. Этап объединения проектов всех компонентов системы для совместной их работы является достаточно трудоемким. При дальнейшей отладке системы внесение изменений в проект одного устройства может повлечь за собой необходимость изменения программы всех других, работающих совместно. На такие изменения обычно уходит достаточно много времени, а в процессе изменений легко допустить ошибки. Одной из таких комплексных задач является автоматизация инженерных и вспомогательных систем здания. Инфраструктура современного здания становится сложнее с каждым днем, и проектировщики все чаще вынуждены искать новые энерго- и ресурсосберегающие решения. Учитывая, все вышеперечисленные задачи и проблемы, специалисты департамента «Промышленная автоматизация» концерна Siemens разработали новую серию микроконтроллеров SIMATIC S7-1200. Применение контроллеров SIMATIC S7-1200 позволяет не только автоматизировать управление климатом, освещением, водоснабжением и др. как отдельными системами, но и организовать централизованный сбор данных, сигналов о неисправностях, осуществлять удаленное управление, тем самым повысить их надежность и существенно оптимизировать энергопотребление. Благодаря инновационным технологиям новый контроллер обладает большими функциональными возможностями, высокой производительностью и компактностью. Совершенно новый подход был применен и при создании программного пакета SIMATIC STEP 7 Basic, который является мощной средой разработки для систем автоматизации на основе S7-1200. Данное ПО позволяет создавать конфигурации как для микроконтроллеров, так и для панелей серии Basic Line. Такая интеграция значительно упрощает и ускоряет процесс программирования устройств, конфигурирования сетей, ввод в эксплуатацию и диагностику всей системы.

Рис. 1. Встроенный коммуникационный порт с интерфейсом Ethernet

Таким образом, новый контроллер SIMATIC S7-1200, панели серии Basic Line, а также новая среда разработки представляют собой комплексное решение как для простых, так и для сложных задач уровня малой автоматизации (Micro Automation).

SIMATIC S7-1200 – новый модульный контроллер, который имеет современный дизайн, высокую производительность, широкий набор возможностей и предназначен для решения задач с числом дискретных входов/выходов до 284 ед. и аналоговых – до 51 ед. Максимальная конфигурация по числу входов/выходов возможна при подключении дополнительных модулей расширения. В зависимости от модели центрального процессора (CPU) таких модулей можно использовать до 8 ед. Самая младшая модель CPU 1221 не поддерживает подключение модулей входов/выходов. Одной из самых важных особенностей нового контроллера является встроенный коммуникационный порт с интерфейсом Ethernet (рис. 1). Этот интерфейс, получивший широкое применение в системах промышленной автоматизации, дает несомненное преимущество при организации связи как между контроллерами данной серии, так и при подключении других устройств, которые также имеют данный вид коммуникаций. Для повышения функциональности и более тесной интеграции S7-1200 с другими сериями контроллеров SIMATIC разработчиками планируется добавить поддержку протокола PROFINET для данного коммуникационного интерфейса. Помимо того, существует возможность использования дополнительных коммуникационных модулей с интерфейсами RS-485/232 для коммуникаций «точка-к-точке» и поддержки различных протоколов, таких, как MODBUS и USS. Следующей отличительной чертой контроллеров SIMATIC S7‑1200 можно назвать наличие двух встроенных в каждую модель CPU аналоговых входов. А если к этому добавить еще использование специальной платы Signal Board (рис. 2), которая монтируется непосредственно на переднюю панель контроллера и может содержать либо дополнительные дискретные входы/выходы, либо аналоговый выход, то данную компактную и недорогую конфигурацию можно использовать для простых задач аналогового регулирования. При этом нет необходимости задействовать дополнительные модули, весь функционал уже встроен в CPU. В таблице приведены характеристики доступных на данный момент моделей S7-1200.

Рис. 2. Сменная специальная плата Signal Board для монтажа
на переднюю панель контроллера

Наличие всего трех моделей на данном этапе не означает, что на этом разработка новой серии контроллеров будет остановлена. В будущем планируется появление более мощных версий CPU с дополнительными возможностями. Из приведенных в таблице характеристик следует отметить достаточно большой объем памяти для контроллеров данного класса, наличие встроенных скоростных входов и импульсных выходов.

Организация памяти S7-1200 позволяет использовать широкий набор программных блоков различного назначения. Помимо стандартных блоков обработки команд, имеются специальные технологические блоки. Одной из встроенных технологических функций является точное управление приводами с поддержкой стандарта PLCopen и возможностью быстрой настройки и диагностики с помощью инструмента Drive Control Panel. Другой встроенной функцией является ПИД-регулирование с поддержкой работы 16 контуров одновременно и удобной панелью автонастройки.

Для начала работы с S7-1200 достаточно иметь стандартную сетевую карту на ПК и ПО STEP7 Basic. Новая среда разработки SIMATIC STEP7 Basic (рис. 3) является по-настоящему инновационной. Построенная на совершенно новой платформе, она объединяет все необходимое для конфигурирования, программирования и диагностики не только контроллера, но и серии панелей оператора Basic Line. Интеграция разработки проекта для всех компонентов системы в одном программном пакете позволяет значительно повысить удобство и эффективность работы по параметрированию и программированию. C помощью встроенных конфигураторов можно легко создать и изменить любую часть проекта, проверить правильность работы программы и осуществить диагностику в режиме on-line.

Таблица 1

В программном пакете существуют как стандартные инструкции для создания алгоритмов управления, так и специальные блоки коммуникаций, управления перемещением и ПИД-регулирования. В стандартный набор пользовательских библиотек уже включены блоки для организации обмена данными по протоколам MODBUS и USS. Также существует возможность создания собственных библиотек для упрощения многократного использования сходных по функциональности частей проекта и обмена ими между различными разработчиками.

Рис. 3. Новая среда разработки SIMATIC STEP7 Basic

При создании проекта для панели оператора могут использоваться переменные, уже заданные в проекте контроллера, путем простого перенесения их мышью, при этом тэги создаются автоматически. Правильность выполнения проекта панели можно проверить с помощью встроенной функции симуляции.

Комплексный подход к параметрированию и программированию систем автоматизации на основе серии контроллеров SIMATIC S7‑1200 позволяет сделать разработку проекта эффективной, упростить дальнейшую отладку и диагностику неисправностей. Контроллер SIMATIC S7-1200 универсален и имеет широкий диапазон применения от управления производственными станками и линиями до автоматизации зданий.

Технологии и средства разработки встраиваемых систем на основе микроконтроллеров с архитектурой arm Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Бродин Владимир

В статье рассматриваются технологии разработки встраиваемых систем на основе микроконтроллеро, представлены зарубежные средства отладки, а также отечественный встраиваемый модуль компании «Терраэлектроника» на основе нового ARM7-микроконтроллера LPC2478. Он представляет собой завершенное решение, готовое для установки в изделия в качестве управляющей системы на основе микроконтроллеров. Новый модуль использует преимущества LPC2478, имеющего в своем составе контроллер TFT-дисплея.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Технологии и средства разработки встраиваемых систем на основе микроконтроллеров с архитектурой arm»

Важнейшим фактором современного развития микроконтроллерных систем является переход на 32-разрядные архитектуры, программирование преимущественно на языках высокого уровня и применение операционных систем реального времени. Среди 32-разрядных микроконтроллеров большой сегмент рынка занимает архитектура ARM. В данной статье технологии и средства разработки встраиваемых систем рассматриваются на примере использования микроконтроллеров с этой архитектурой.

При разработке встраиваемых систем в настоящее время применяются следующие технологии:

1. Технология макетирования аппаратного компонента с использованием отладочной платы и набора модулей расширения. После создания управляющей программы (firmware) и комплексной отладки проект представляет собой принципиальную схему аппаратуры и текст программы. Чтобы получить встраиваемую микроконтроллер-ную систему, необходимо разработать полностью новую печатную плату, смонтировать элементы и отладить аппаратуру, а затем повторно провести комплексную отладку аппаратной и программной частей. Эта технология особенно эффективна при освоении нового семейства микроконтроллеров и переходе с ассемблера на более высокий уровень программирования. Преимущества ее заключаются в использовании отлаженных производителем плат, которые позволяют сразу приобретать новые знания и навыки, не сомневаясь в случае непонятных ситуаций в работоспособности аппаратуры.

Технологии и средства разработки встраиваемых систем

на основе микроконтроллеров с архитектурой ARM

В статье рассматриваются технологии разработки встраиваемых микро-контроллерных систем, представлены зарубежные средства отладки, а также отечественный встраиваемый модуль компании «Терраэлектроника» на основе нового ARM7-микроконтроллера LPC2478. Он представляет собой завершенное решение, готовое для установки в изделия в качестве управляющей микроконтроллерной системы. Новый модуль использует преимущества LPC2478, имеющего в своем составе контроллер TFT-дисплея.

2. Технология макетирования аппаратного компонента с использованием серийного микроконтроллерного встраиваемого модуля и интерфейсной отладочной платы, а возможно, и набора модулей расширения. Эта технология отличается тем, что наиболее сложный и быстродействующий фрагмент аппаратуры в отлаженном виде используется и в макете, и далее при производстве системы. Таким образом, можно применять самую современную элементную базу с высокими тактовыми частотами и в микроминиатюрных корпусах. Отлаженный проект представляет собой спецификации модуля, принципиальную схему интерфейсной части аппаратуры и текст программы. Далее необходимо разработать печатную плату только для части схемы, отладить аппаратуру и повторно проверить работу всей системы. При наличии модуля с широким набором интерфейсных функций разработки дополнительной аппаратуры может и не потребоваться, в таком случае это самый быстрый и бюджетный способ создания микроконтроллерной системы. Такой подход весьма перспективен в связи с увеличением вычислительных и функциональных возможностей 32-разрядных микроконтроллеров, с одной стороны, и возникновением проблем при монтаже микроминиатюрных компонентов, с другой стороны.

3. Технология комплексирования встраиваемой системы из набора микропроцессорных, микроконтроллерных и интерфейсных модулей. Нередко при этом программное обеспечение создается на макроязыке или конфигурированием операционной

системы реального времени. Это путь «компьютерной автоматизации». Возможно создание аппаратно-программной системы из полностью готовых частей, но полученный результат не всегда оптимален по стоимости и габаритам. Вычислительная мощность системы зачастую существенно превосходит тот уровень, что необходим для реализации функций управления.

4. Технология разработки системы на основе библиотеки схемных фрагментов и библиотеки программ обслуживания периферийных устройств. Подразумевает разработку принципиальной схемы на основе ранее опробованных решений и проектирование печатной платы без предварительного макетирования. Разработка программного обеспечения и комплексная отладка ведется на стадии ОКР. Это опробованный и эффективный путь для опытных разработчиков, долгое время работающих в одной предметной области.

Далее рассмотрим типовые решения зарубежных средств в области отладочных плат и встраиваемых модулей.

Отладочные микроконтроллерные платы представляют собой конструкторы из набора разнообразных функциональных модулей, подключаемых к микроконтроллеру. Нередко на платах имеются макетные поля; изменения конфигурации аппаратуры производятся с помощью съемных перемычек и механических переключателей. Примером такого подхода является отладочная плата LPC-P2378 известной компании Olimex, выполненная на основе микроконтроллера LPC2378 от NXP (рис. 1).

Плата позволяет разработчику загружать код отлаживаемой программы через порт

RS-232 в память программ микроконтроллера. Для отладки может быть подключен внешний JTAG-эмулятор. На плате установленні необходимые для быстрого старта компоненты: микроконтроллер, разъем и микросхема драйвера Ethernet, интерфейсы CAN и USB, порт RS-232, слот карты SD/MMC. Имеются три кнопки и три светодиода, разъем внешнего источника питания и стабилизаторы напряжений 3,3/5,0 В с выходным током до 800 мА. Вдоль макетного поля расположен штыревой разъем, на котором доступны все линии портов микроконтроллера. Через фирменный порт UEXT к плате можно подключать модули, расширяющие круг решаемых задач: это, например, беспроводная связь, радиочастотная идентификация, воспроизведение MP3-контента.

Процесс разработки микроконтроллерной системы при использовании отладочной платы заключается в выборе необходимого типа микроконтроллера и набора функциональных модулей, коммутации их на плате и подключении недостающих модулей в виде плат расширения, создании управляющей программы. Отладка резидентной управляющей программы выполняется на основе системы программирования на выбранном языке, которая функционирует на компьютере, соединенном с отладочной платой через отладочный интерфейс.

Ускорить получение конечного результата можно при использовании готовых OEM-модулей. Такие модули имеют небольшие размеры, высокую плотность монтажа сложнофункциональных компонентов на многослойной плате, на которой обычно реализовано ядро системы на основе микроконтроллера или микропроцессора, микросхем памяти и схем ближайшего обрамления. Их часто называют одноплатными компьютерами (SBC, single board computer). В качестве конструктивного стандарта нередко используется форм-фактор DIMM. Примером может служить модуль PM9261 компании Ronetix на базе ARM9-микроконтроллера AT91SAM9261 от tmel (рис. 2). Модуль работает на частотах до 240 МГц при небольшом энергопотреблении.

На плате, кроме микроконтроллера, установлена NAND флэш-память объемом 256 Мбайт, NOR флэш-память объемом 4 Мбайт, оперативная память DRAM объемом 64 Мбайт с 32-разрядной организацией, флэш-память объемом 4 Мбайт с интерфейсом SPI. Из интерфейсов присутствует Ethernet-контроллер. Отметим, что OEM-модули такого типа разъема отладочного интерфейса не имеют.

Интерфейсной отладочной платой для модуля PM9261 является материнская плата BB9261 (рис. 3). На ней предусмотрен 200-вы-водный SODIMM-разъем для установки ми-кроконтроллерного модуля и 40-выводный разъем для подключения 3,5″ 1/4 VGA TFT LCD с сенсорным экраном. Есть порты Ethernet, RS-232, USB-host и USB-device, отладочный порт JTAG, слот карты SD/MMC. Плата имеет развитый аудиоинтерфейс: установлен аудиокодек, есть линейный и микрофонный входы, линейный выход и выход на наушники.

Иногда OEM-модули имеют другое конструктивное исполнение, на них устанавливаются малогабаритные разъемы высокой плотности. Такое исполнение имеет модуль EA-OEM-001 (рис. 4) компании Embedded Artists, предназначенный для ознакомления, разработки и быстрого запуска устройств на базе ARMy-микроконтроллеров LPC2468 компании NXP.

На плате, кроме микроконтроллера, установлена NOR флэш-память объемом 4 Мбайт, оперативная память SDRAM объемом 32 Мбайт. Из периферии присутствует Ethernet-контроллер, USB-OTG интерфейс и слот карт памяти microSD.

При макетировании OEM-модуль устанавливается на интерфейсную материнскую плату, которая через отладочный порт соединена с компьютером. Разработка и отладка управляющей программы выполняется с использованием установленной на компьютере среды программирования. После макетирования и отладки проекта необходимо разработать и изготовить встраиваемую интерфейсную плату взамен стандартной. Эта задача все же не проста, поскольку OEM-модули являются высокоинтегрированными продуктами, имеющими разъемы высокой плотности для подключения к системе. Использование OEM-модулей сокращает сроки разработки и дальнейшего серийного производства, но требования к квалификации разработчиков и технологии производства остаются высокими.

После анализа значительного числа разнообразных микроконтроллерных средств компания «Терраэлектроника» сформулировала собственную концепцию встраиваемых модулей на основе 32-разрядных ARM-микроконтроллеров. Ее главная идея — это внедрение развитых механизмов отладки в функциональ-

Рис. 3. Интерфейсная плата BB9261 фирмы Ronetix

Рис. 4. Модуль EA-OEM-001 компании Embedded Artists

но и конструктивно законченный набор аппаратных средств на основе высокопроизводительного микроконтроллера. В соответствии с этой концепцией на основе ARMy-микроконтроллера LPC2478 компании NXP разработан встраиваемый модуль TE-LPC2478LCD.

Компания NXP воплотила архитектуру ARM в несколько семейств микроконтроллеров, которые по ряду важных параметров имеют более высокие показатели, чем однотипные изделия других производителей. Так, семейство ARM7 от NXP характеризуется более высокой частотой синхронизации ядра (до 72 МГц), быстрой выборкой кода из внутренней флэш-памяти, оптимизированной структурой внутренних шин.

Микроконтроллер LPC2478 в настоящее время представляет собой топ-модель семейства ARM7 от NXP. Его важное преимущество — это наличие контроллера ЖК-дисплея, который поддерживает статические дисплеи с разрешением до 1024×768 пикселей, монохромные с 15 градациями серого и TFT-панели с 24-разрядным цветом. Следует отметить наличие 8-канального 10-разрядного АЦП и 10-разрядного ЦАП. В набор интерфейсных модулей входят порт USB Device/Host/

OTG, порт Ethernet 10/100 с прямым доступом к памяти, четыре порта UART, два CAN-порта, три порта I2C, порты SPI, SSP, I2S.

Оптимальная комбинация производительного 32-разрядного ядра, контроллера дисплея и большого набора интерфейсов позволяет использовать микроконтроллер LPC2478 в качестве ядра встраиваемых микроконтрол-лерных систем для применения в промышленных, бытовых, торговых и медицинских устройствах, использующих ЖК-дисплеи и поддерживающих высокоскоростные функции связи в локальной сети или Интернете.

На рис. 5 представлен модуль TE-LPC2478LCD с подключенным 3,5″ цветным графическим дисплеем. Этот модуль в комплекте с дисплеем, имеющим сенсорный экран, дает возможность разработчику получить законченное решение для интеграции в изделие.

На плате модуля установлен микроконтроллер LPC2478FBD208 в 208-выводном LQFP-корпусе, внешняя память, коммуникационные интерфейсы, слот карты SD/MMC, разъем для подключения 3,5″ цветного графического дисплея. Заметим, что при создании микроконтроллерного устройства с цветным графическим дисплеем, кроме необходи-

мости иметь контроллер для управления им, стоит также задача монтажа миниатюрного высокоточного разъема (в данном случае 54 контакта с шагом 0,5 мм). Самостоятельная установка такого разъема на макетную плату для многих разработчиков — сложная задача. Модуль TE-LPC2478LCD ориентирован на работу с цветным сенсорным графическим дисплеем PH320240T, который имеет диагональ 3,5″ и разрешение 320×240 пикселей. На плате установлен разъем для его подключения.

В качестве внешней памяти на плате установлена NOR флэш-память объемом 32 Мбит и SDRAM объемом 256 Мбит. Внешняя память используется при формировании изображений на дисплее и работе под управлением операционной системы реального времени.

Модуль имеет порт USB-device и мост USB-UART, который позволяет осуществлять загрузку кода программы во внутреннюю флэш-память микроконтроллера. Для комплексной отладки аппаратуры и разрабатываемого программного обеспечения имеется разъем JTAG принятого для ARM-микроконтроллеров формата (2×10 выводов). Интерфейсы UART, CAN, I2C, SPI, SSP, I2S микроконтроллера доступны через контактные площадки, на которые выведены все линии его портов.

Слот карты SD/MMC является средством работы с накопителем данных большой емкости, часто устанавливается в интеллектуальных модулях графических дисплеев для хранения файлов изображений.

Важнейший аспект применения встраиваемых модулей — их сопровождение производителем в течение жизненного цикла. Для модулей TE-LPC2478 разработан набор тестирующих программ, который используется при производстве. Пакет передается вместе с модулем разработчику в виде исполняемых файлов. Инструкция по применению тестирующих программ входит в «Руководство пользователя» модуля. Таким образом, модуль может быть проверен в любое время в процессе разработки системы и ее эксплуатации.

Модуль TE-LPC2478 представляет собой основу набора аппаратных и программных средств. В состав аппаратных средств планируется включить сенсорную клавиатуру, радиомодуль, модуль на основе MEMS-микрофона, плату расширения на основе аудиодекодера и стерео-ЦАП. Конструктивное объединение аппаратных средств набора будет осуществляться на основе двух штыревых трехрядных разъемов, установленных в плату микроконтроллерного модуля.

На основе набора тестирующих программ в настоящее время разрабатывается демонстрационная библиотека функций обслуживания периферийных устройств, которая будет доступна разработчикам в исходных текстах. ■