Мікроконтролери RISC архітектури

Полтавський Військовий Інститут Зв’язку

Кафедра схемотехніки радіоелектронних систем

ЛЕКЦІЯ

Мікропроцесорні системи.

Контролери в телекомунікаціях.

Мікроконтролери RISC архітектури.

Полтава – 2006

Навчальна література:

1. Мікропроцесорна техніка: Підручник/ Ю.І. Якименко та інш. – К.: ІВЦ Політехніка; Кондор, 2004. с. 379-395.

2. Схемотехніка електронних систем: У з кн. Кн. 3. Мікропроцесори та мікро контролери: Підручник/ В.І. Бойко, А.М. Гуржій, В.Я. Жуйков та ін. – 2-е вид. – К: Вища шк., 2004. с. 338 – 356 с.

ВСТУП

CISC
МК характеризуються досить розвиненою системою команд, наприклад, МК серії і80х51
мають 111 команд. Однак аналіз програм показав, що 20% з них використовується в 80% випадків, а дешифратор команд займає більше 70% площі кристалу. Команди достатньо складні і виконуються за різний час. Тому у розробників виникла ідея скоротити кількість команд, надати їм єдиний формат і зменшити площу кристала, тобто використати RISC
(Reduced Instruction Set Computer)
архітектуру.

Особливістю МК, виконаних за RISC
архітектурою, є те, що всі команди виконуються за один-три такти, тоді як у CISC
контролерах – за один-три машинних цикли, кожний з яких складається з кількох тактів, наприклад для і80х51 –
з 12 тактів. Тому RISC
контролері мають значно більшу швидкодію. Однак повніша система команд CISC
контролерів у деяких випадках сприяє економії часу виконання певних фрагментів програми та економії пам’яті програм.

1.
Особливості
МК RISC архітектури

У процесорах з RISC-архітектурою набір команд, що виконуються, скорочений до мінімуму. До МК із RISC
-процесором відносяться МК AVR
фірми Atmel,
МК PIC16 і PIC17
(Peripheral Interface Controller)
фірми Microchip
і інші.

RISC
МК мають наступні характерні риси.

1. Всі команди мають формат фіксованої довжини
(наприклад, 12, 14 або 16 біт).

2. Вибірка команди з пам'яті і її виконання здійснюється за один цикл (такт) синхронізації,
що ілюструється рис. 1.

Рис. 1. Паралельні вибірки і виконання інструкцій.

3.Система команд процесора припускає можливість рівноправного використання всіх регістрів
процесора. У МК із RISC
-процесором усі регістри (часто й акумулятор) розташовуються по адресах, що явно задаються. Це забезпечує додаткову гнучкість при виконанні ряду операцій.

На перший погляд, МК із RISC
-процесором повинні мати більш високу продуктивність у порівнянні з CISC
МК при одній і тій же тактовій частоті внутрішньої магістралі ВКМ. Однак на практиці питання про продуктивність більш складне і неоднозначне.

По-перше, оцінка продуктивності МК за часом виконання команд різних систем (RISC
і CISC
) не зовсім коректна. Звичайно продуктивність МП і МК прийнято оцінювати числом операцій пересилання «регістр-регістр», що можуть бути виконані протягом однієї секунди. У МК із CISC-
процесором час виконання операції «регістр-регістр» складає від 1 до 3 циклів, що, здавалося б, уступає продуктивності МК із RISC
-процесором. Однак прагнення до скорочення формату командRISC-
процесора приводить до змушеного обмеження числа доступних в одній команді регістрів. Так, наприклад, системою командМКPIC16
передбачена можливість пересилання результату операції тільки в один із двох регістрів — регістр-джерело операнда або робочий регістр. Таким чином, операція пересилання вмісту одного з доступних регістрів в іншій (не джерело операнда і не робочий) потребує використання двох команд. Така необхідність часто виникає при пересиланні вмісту одного з регістрів загального призначення (РЗП) в один з портів МК. У той же час, у системі команд більшості CISC
-процесорів присутні команди пересилання вмісту РЗП в один з портів введення-виведення. Тобто більш складна система команд іноді дозволяє реалізувати більш ефективний спосіб виконання операції.

По-друге, оцінка продуктивності МК по швидкості пересилання «регістр-регістр» не враховує особливостей конкретного реалізованого алгоритму керування. Так, при розробці швидкодіючих пристроїв автоматизованого керування основну увагу варто приділяти часу виконання операцій множення
і розподілу
при реалізації рівнянь різних передаточних функцій. А при реалізації пульта дистанційного керування побутовою технікою варто оцінювати час виконання логічних функцій
, що використовуються при опитуванні клавіатури і генерації послідовної кодової посилки керування. Тому в критичних ситуаціях, що вимагають високої швидкодії, варто оцінювати продуктивність на множині тих операцій, що переважно використовуються в алгоритмі керування і мають обмеження за часом виконання.

По-третє, необхідно ще враховувати, що зазначені в довідкових даних на МК частоти синхронізації звичайно відповідають частоті кварцового резонатора, що підключається, у той час як тривалість циклу центрального процесора визначається частотою обміну по ВКМ. Співвідношення цих частот індивідуально для кожного МК і повинно бути прийняте в розрахунок при порівнянні продуктивності різних моделей контролерів.

2.
Однокристальні AVR-мікроконтролери

АрхітектуруRISC
МК розглянемо на прикладі AT90S 2313
. Це малопотужний восьмирозрядний КМОП МК, заснований на розширеній AVR RISC
-архітектурі. Він належить до сім’ї AVR
-МК загального призначення і створений дослідницьким центром фірми Atmel
Corp. (Норвегія). Взагалі у номенклатуру групи AT90S
входять пристрої з ПЗП від 1 до 8 Кбайт, з різною перефірією, кількість виводів від 8 до 48. Всього випускається три сім’ї AVR
-МК – Tiny, Classic, Mega.
МК Tiny
– найдешевші і мають найпростішу структуру, Mega –
найпотужніші, а Classic –
займають проміжне положення між ними.

Цей МК сімейства Classic
виробляється за технологією високощільної енергонезалежної пам'яті компанії Atmel.
Вбудована внутрішньосистемноперепрограмована флеш-пам’ять дозволяє перепрограмувати пам'ять програм безпосередньо усередині системи через послідовний інтерфейс SPI
за допомогою простого програматора або за допомогою автономної програми в завантажувальному секторі. Завантажувальна програма може використовувати будь-який інтерфейс для завантаження прикладної програми у флеш-пам’ять. Програма в завантажувальному секторі продовжує роботу в процесі відновлення прикладної секції флэш-памяти, тим самим підтримуючи двохопераційність: читання під час запису. За рахунок об’єднання восьмирозрядного. RISC
ЦП з внутрішньосистемносамопрограмованою флеш-пам’яттю в одній мікросхемі, МК дозволяє досягти високого ступеня гнучкості й ефективної вартості при проектуванні більшості додатків вбудованого керування.

Основні характеристики МК AT90S 2313

– 133 інструкцій, більшість з яких виконуються за один машинний цикл;

- Продуктивність: 1 млн. операцій у секунду/Мгц, що дозволяє проектувальникам систем оптимізувати співвідношення енергоспоживання і швидкодії.

– Вбудований пристрій множення виконує множення за 2 машинних цикли.

- Енергонезалежна пам'ять програм 1Кбайт х 16.

– Зносостійкість перепрограмованої флеш-пам’яті: 1000 циклів запис/стирання.

– Зносостійкість EEPROM (128 байт): 100000 циклів запис/стирання.

– Вбудований статичний ОЗП ємністю 128 байт.

–Можливість адресації зовнішньої пам'яті розміром до 64 кбайт.

– Програмований захист коду програми.

– Інтерфейс SPI
для внутрішньо системного програмування

- Два 16-розрядних таймера-лічильника.

– 8 каналів 8-розрядного аналогово-цифрового перетворення.

– Послідовний інтерфейс, орієнтований на передачу даних у байтному форматі.

– Програмований сторожовий таймер з вбудованим генератором.

– Вбудований аналоговий компаратор.

Основні риси архітектури МК AT90S 2313

Взаємодія ядра та периферійних пристроїв МК AT90S 2313
зображена на рис. 2. Основна функція ядра ЦП полягає в гарантуванні коректності виконання програми. Крім цього, ЦП повинний мати можливість адресуватися до різних видів пам'яті, виконувати обчислення, керувати периферійними пристроями й обробляти переривання.

Рис. 2. Функціональна схема архітектури AVR.

З метою досягнення максимальної продуктивності і паралельності виконання операцій в AVR
-МК використовується Гарвардська архітектура з роздільними пам'яттю і шинами програм і даних. Команди в пам'яті програм виконуються з однорівневою конвеєризацією. У процесі виконання однієї інструкції наступна попередньо зчитується з пам'яті програм. Дана концепція дозволяє виконувати одну інструкцію за один машинний цикл.

Регістровий файл зі швидким доступом містить 32 x 8-розрядних робочих регістрів загального призначення з однотактовим циклом доступу. Завдяки цьому досягнута однотактність роботи АЛП (див. рис. 3). При звичайній роботі в АЛП спочатку з регістрового файлу завантажується два операнда, потім виконується операція, а після результат відправляється назад у регістровий файл і все це відбувається за один машинний цикл. Шість регістрів з 32 можуть використовуватися як три 16-розрядних регістра непрямої адреси для ефективної адресації в межах пам'яті даних. Один з цих покажчиків адреси може також використовуватися як покажчик адреси для доступу до таблиці перетворення у флеш-пам’яті програм. Дані 16-разр. регістри називаються X
-регістр, Y
-регістр і Z
-регістр.

Рис. 3. Однотактність роботи АЛП.

АЛП підтримує арифметичні і логічні операції між регістрами, а також між константою і регістром. Крім того, АЛП підтримує дії з одним регістром. Після виконання арифметичної операції регістр статусу (прапорів) обновлюється для відображення результату виконання операції. Прапори цього регістра в більшості випадків дозволяють відмовитися від використання інструкцій порівняння, роблячи код програми більш компактним і швидким. Крім того, архітектурою МК підтримуються операції множення зі знаком і без знака і дробовим форматом.

Для розгалуження програми підтримуються інструкції умовних і безумовних переходів і викликів процедур, що дозволяють безпосередньо адресуватися в межах адресного простору. Більшість інструкцій являють собою одне 16-розрядне слово. Кожна адреса пам'яті програм містить 16- або 32-розрядну інструкцію. Пам’ять програм розділена на два сектори: сектор програми початкового завантаження і сектор прикладної програми. Обидва сектори мають роздільні біти захисту від запису і читання/запису. Оскільки всі AVR-інструкції є 16 або 32-розрядними, флеш-пам’ять організована як 1 кбайт х 16. Програмний лічильник РС у МК є 16-розрядним, тому дозволяє адресувати до 64 кбайт пам'яті програм.

При генерації переривання і виклику підпрограм адреса повернення з програмного лічильника записується в стек. Стек ефективно розподілений у статичному ОЗП пам'яті даних і, отже, розмір стека обмежений загальним розміром статичного ОЗП і використовуваним його обсягом. У будь-якій програмі відразу після скидання повинна бути виконана ініціалізація покажчика стека (SP
) (тобто перед виконанням процедур обробки переривань або викликом підпрограм). Покажчик стека – SP
– доступний для читання і запису у просторі введення-виведення.

Доступ до статичного ОЗП даних може бути легко здійснений через 5 різних режимів адресації архітектури AVR
і виконується за два машинних цикли відповідно до рис. 4.