Микроконтроллерное управление процессом активированной пайки

3.1.6 Архитектурные особенности     

 Важнейшим  и принципиальным различием МК  является их принадлежность к  CISC либо RISC архитектуре. Первая - классическая, Принстонская архитектура предполагает  мощный набор одно, двух и трех  байтовых команд, которые передаются, наряду с прочими данными, по  общей шине данных. Выполнение  одной команды, таким образом,  растягивается на несколько машинных  циклов, зато в итоге мы получаем  довольно заметный результат.  Идеология RISC (аббревиатура от <сокращенная  система команд>), основана на  идее резкого уменьшения числа  команд с тем, чтобы любая  из них могла выполняться за  минимальное число тактов. У базового  семейства МК Microchip, например, их всего 33. Одна сложная команда заменяется последовательностью нескольких простых, но быстро выполняемых. Однако главный выигрыш заключается в использовании Гарвардской архитектуры с отдельной шиной данных для памяти программ. Во-первых, появляется возможность одновременно считывать следующую команду из памяти по своей шине и выполнять предыдущую, занимая, если необходимо, общую шину данных. Во-вторых, разрядность шины данных программ может быть какой угодно: 10, 12, 14, 16 или более бит, независимо от разрядности основной шины данных, которая обычно соответствует разрядности самого МК. Таким образом, при длине кодового слова 12 и более, мы получаем не такой уж сокращенный набор команд, но считываются и выполняются они, тем не менее, за один машинный цикл, который может состоять всего из одного такта. У МК Atmel AVR в базовый набор входит 192 команды. Из других архитектурных особенностей можно отметить наличие/отсутствие у МК конвейерного выполнения команд. Однако чаще всего это остается <прозрачным> для пользователя, то есть он об этом может и не знать. Достаточно иметь данные о конечной производительности данного МК.    

 В заключение, можно отметить, что практически  все современные МК относятся  к классу RISC устройств. Исключение  составляют, пожалуй, лишь МК семейства  MSC-51, которые до сих пор выпускаются  разными фирмами в десятках  модификаций. Их право на жизнь  завоевано многими годами применения  и огромным накопленным программным  обеспечением. Зачастую проще и  дешевле воспользоваться готовыми  библиотеками программ, чем стремиться  к достижению максимально возможной  производительности, тем более что  это далеко не всегда является  необходимым.  

3.2 Обзор производителей  микроконтроллеров

Intel - свой выпуск микроконтроллеров, компания начала с серии i8048, но наибольшую популярность приобрело семейство i8051, вышедшее в 1980 году и официально названное MCS 51. Это 8-ми разрядный микроконтроллер с Гарвардской архитектурой, производился по кмоп технологии. Имел на своем борту ОЗУ 128 байт, ПЗУ 4Кб, 8-ми битную шину данных и 16-и битную шину адреса, 2 таймера, 4 порта ввода/вывода и последовательный интерфейс. На базе семейства i8051 был разработан отечественный аналог КР1816ВЕ51. Так как это семейство было очень удачное, то в настоящее время существует большое множество контроллеров, совместимых с i8051.

Microchip Technology - эта фирма представляет нам серию микроконтроллеров PIC16ХXX, это 8-pазpядные микроконтроллеры с сокращенным набором команд (RISK), имеют двухшинную Гарвардскую архитектуру, за счет чего имеют большую скорость выполнения инструкций (команд), которых у них всего 35. Одна команда выполняется за 4 такта (кроме условных команд перехода, они за 8), тактовой частоты, то есть, при частоте тактирования 1 МГц, скорость выполнения одной команды 4 мкс. Также существует специальная серия, предназначеная для применения в готовых изделиях, которые полностью готовы к работе. Они предназначены для однократного программирования, выпускаются в более дешевом пластиковом корпусе. Это позволяет несколько уменьшить цену.

Texas Instruments - выпускает микроконтроллеры отличные от выше представленных тем, что они имеют фон-неймановскую архитектуру а также 16-ти разрядные. Кроме того используют ортогональную систему команд (RISK), их всего 27. От остальных микроконтроллеров отличаются тем, что не содержат команд для загрузки регистров, и команд для выполнения операций над аргументами в регистрах. Из особенностей можно выделить очень низкое (по сравнению с другими микроконтроллерами) потребление энергии, имеют 5 режимов энергосбережения. Непосредственно для разработчика, из вкусностей стоит отметить библиотеку математики с плавающей точкой. Библиотека FPP подключается к рабочей программе, занимая в программной памяти 1 килобайт. Библиотека работает с числами в диапазоне от -1.099.1012 до +1.099.1012 . При помощи нее можно выполнять операции сложения, вычитания, умножения, деления, вычисления квадратного корня, вычисления тригонометрических функций и операции сравнения чисел. В состав библиотеки входят конвертеры, преобразующие числа в формат float и обратно. Разработчик получает возможность производить сложные вычисления с большой точностью.

Motorolla - является признанным лидером в производстве микроконтроллеров для встроенных применений и для устройств промышленной автоматики. Производит более 300 типов различных микроконтроллеров и интегрированных процессоров, от простейших 8-ми разрядных, до мощных интегрированных процессоров. Существует несколько 8-ми разрядных семейства: это HC05, HC08 и HC11, которые отличаются вычислительной мощностью (HC11 до 10-и раз производительнее HC05).

Atmel - на рынке микроконтроллеров представляет семейство универсальных 8- ми разрядных микроконтроллеров. Как и большинство из перечисленных имеют гарвардскую архитектуру, и сокращенный набор команд. Но в отличие от других, к ним не применимо понятие машинного цикла, то есть все команды выполняются со скоростью 1 миллион раз в секунду (1 MIPS). По сравнению с  микроконтроллерами PIC имеют 32 регистра общего назначения. С 2002 года все семейство разделилось на 3 группы: Classic (уже не выпускается), Tiny и Mega. Соответственно группы различаються по количества переферии на кристалле. В 2008 году корпорация Atmel анонсировала новое семейство AVR-микроконтроллеров - XMEGA, это более современные, быстродейственные микроконтроллеры с низким энергопотреблением и расширенным набором переферии. Программно полностью совместимы с Tiny и Mega.

4 Выбор контроллера и его обоснование

Устройство базируется на микроконтроллере MSP430G2553 фирмы Texas Instrument. Семейство микроконтроллеров (МК) MSP430 сочетает в себе низкое энергопотребление и весьма гибкую архитектуру, что делает его незаменимым для широкого круга применений, где требуется особо низкий потребляемый ток. Такими применениями являются счётчики электроэнергии, переносные измерительные устройства и бытовые приборы, другие устройства, работающие длительное время без смены батарей.

Главные преимущества семейства  MSP430:

• Особо низкое энергопотребление

Рисунок 4.1 – Режим функционирования MSP430

• Комплексная система обработки  смешанных сигналов (SoC) на одном кристалле
• Использование современных технологий программирования

Со времени появления  первых устройств серии MSP430, более 30,000 разработчиков по всему миру выбрали данную архитектуру, создав за это время огромное количество разнообразных устройств, от простых, таких, как термостаты и счётчики электроэнергии, до изменивших жизнь миллионов диабетиков во всём мире переносных измерителей уровня глюкозы в крови. Высокая популярность семейства обусловила необходимость дальнейшего развития серии. Требования к разработкам постоянно растут и зачастую являются противоречивыми, например повышение производительности сочетается с понижением энергопотребления, снижением цены и работой в жёстких климатических условиях.

Для обеспечения таких  требований к разработкам была разработана  новая серия MSP430F2xx, в которой были учтены требования снижения цены и повышения производительности для работы как в устройствах с пониженным потреблением, так и в приборах общего применения. Потребляя менее 1 микроампера в дежурном режиме и обладая при этом способностью переключиться в режим синхронной работы со скоростью 16 миллионов инструкций в секунду (MIPS) за время менее одной микросекунды, новое семейство MSP430F2xx обеспечивает удвоенную производительность при половинном энергопотреблении по сравнению с более ранней серией MSP430F1хх.

Для индикации используется строковый дисплей 16х2 оснащенный микроконтроллером  HD44770 и обменивающийся информацией с MSP430 в 4-битном режиме. Благодаря унифицированному интерфейсу и встроенному контроллеру данный дисплей легко сопрягается с микроконтроллером, а 4-битный режим не нагружает его порты.

4.1 Преимущества MSP430

Микропотребляющий модуль сброса Brownout Reset

Все устройства серии MSP430F2xx содержат микропотребляющий модуль сброса по понижению питания (BOR). Модуль BOR определяет понижение питающего напряжения ниже уровня, безопасного для выполнения программы и переключает при этом условии микроконтроллер в состояние сброса (reset). Эта функция предотвращает непредсказуемое поведение устройства. Кратковременное понижение питающего напряжения – весьма сложно диагностируемая проблема. Например, она может возникать при простой операции замены батарей. При этом могут появляться случайные кратковременные броски питающего напряжения. Микропотребляющий модуль сброса по понижению питания BOR, присутствующий в серии MSP430F2xx, впервые появился в семействе MSP430F4xx и также присутствует в новых устройствах серии MSP430F1xx.

Наличие модуля BOR повышает устойчивость работы устройства в тяжёлых эксплуатационных условиях, где может присутствовать нестабильность питающего напряжения.

Функция BOR в MSP430 постоянно включена. Аналогичные  решения других фирм потребляют ток  величиной более 10 мкA, что ограничивает их применение в микропотребляющих устройствах.

Повышение тактовой частоты 

Для обеспечения требований повышенной производительности наряду с низким энергопотреблением, новая улучшенная система тактирования (BCS+) семейства MSP430F2xx (так же, как и в других устройствах серии MSP430), как правило, использует два тактовых сигнала. Низкочастотный вспомогательный источник тактирования (ACLK) работает непосредственно от обычного часового кварца частотой 32768 Гц без  дополнительных внешних элементов  и используется для постоянно  включенных низкопотребляющих периферийных модулей. Высокочастотный сигнал тактирования генерируется непосредственно внутри МК, включен постоянно и имеет цифровой контроль (DCO). Генератор DCO используется процессором (CPU) и остальными периферийными модулями только по необходимости. Для обеспечения низкого энергопотребления управление генератором DCO может осуществляться пользователем по прерываниям, основное же время прибор может проводить в режиме standby, переключаясь в режим максимальной производительности на требуемое время лишь по необходимости. Система тактирования BCS+ совместима с более ранними системами тактирования семейства MSP430F1xx, но при этом включает в себя новые функции, позволяющие ещё более понизить потребление энергии, повысить помехоустойчивость и снизить стоимость прибора.

Пониженное  потребление в режиме standby – в этом режиме (также называемом real-time clock mode) энергопотребление снижено до <1 микроампера при напряжении питания 3В, по сравнению с 1.6 микроамперами в семействе MSP430F1xx. Этот режим имеет название «режим пониженного энергопотребления 3» (LPM3), активными при этом являются низкочастотный генератор ACLK, таймер, ОЗУ и прерывания. Пониженный потребляемый ток в режиме LPM3 является большим преимуществом в измерительных, промышленных и медицинских приборах, в которых основное время приходится на дежурный режим standby в ожидании использования. Например, в некоторых термостатах или распределителях достаточно измерять температуру с частотой не выше одного раза в несколько секунд. Таким образом, прибор находится в режиме LPM3 на протяжении более 99% рабочего времени. Уменьшение тока потребления в режиме LPM3 имеет в этом случае определяющее влияние на суммарный ток потребления и время работы от комплекта батарей.

Встроенные  конденсаторы с программируемой  ёмкостью – добавление этой функции  позволяет использовать более широкий  диапазон кварцевых резонаторов  без необходимости применения внешних  компонентов, стабилизирующих генерацию. В семействе MSP430F1xx возможно только использование встроенных конденсаторов  ёмкостью 12пФ.

Устойчивый  к сбоям кварцевый генератор  – сбой в генерации вызывает немаскируемое  прерывание и запускает встроенный генератор для бесперебойной  работы. Эта функция доступна без  дополнительного энергопотребления, как в режиме высокочастотного генератора, так и в низкочастотном режиме. Устойчивый к сбоям кварцевый  генератор обеспечивает более надёжное функционирование прибора в тяжёлых  условиях эксплуатации. Ранее, в семействе MSP430F1xx эта функция была доступна только в высокочастотном режиме.

Встроенный  фильтр (de-glitch) на входе генератора – эта функция снижает уровень высокочастотных помех, наводимых на вход генератора, повышая устойчивость системы.

Выбор диапазона кварцевого резонатора в  высокочастотном режиме – эта  функция обеспечивает повышенную стабильность и позволяет использовать более  дешёвые резонаторы с высоким  эквивалентным сопротивлением (ESR).

Улучшенный  встроенный генератор с цифровым управлением (DCO) – обновлённый модуль DCO, входящий в состав BCS+ с гарантированным  временем запуска менее 1 микросекунды, погрешностью не более ?2.5% и рабочей частотой до 16МГц во всём диапазоне рабочих температур и напряжений. Повышенная точность генератора DCO позволяет во многих случаях избавиться от внешнего кварцевого резонатора и снизить, таким образом, стоимость системы. Следует отметить, что генератор DCO запускается непосредственно на запрограммированной частоте, не требуя дополнительного времени для стабилизации. Это важно в задачах, где требуется моментальный доступ к генератору с известной и стабильной частотой, таких, как обмен данными по УАПП (UART). Без обеспечения стабильности, быстрый запуск тактового генератора в таких задачах не имеет смысла.

Улучшенная встроенная Flash-память

Ввиду того, что стоимость Flash-памяти в  последнее время вплотную приблизилось к стоимости однократной ПЗУ (ROM) а также благодаря высокой  гибкости, присущей системам с внутрисхемным  программированием (ISP), Flash-память де-факто  стала стандартом в наиболее современных  МК. В большинстве устройств, основанных на микроконтроллерах серии MSP430, в  настоящее время чипы с flash-памятью  используется как для прототипов, так и для массовой продукции.

Изменения в программу прибора могут  вноситься и проверяться от дня  начала разработки вплоть до дня его  непосредственного выпуска. Также  имеется возможность для обновления прошивок непосредственно на месте эксплуатации и самим заказчиком. Использование внутрисхемного программирования Flash-памяти наряду со встроенным эмулятором позволяет отлаживать систему на конкретном чипе, запаянном в конкретное устройство, работающее при определённых эксплуатационных условиях.