wykl_cz1.pdf

Wykład

Mikrokontrolery

i Mikrosystemy

autor: dr inż. Zbigniew Czaja

Gdańsk 2005

Mikrokontrolery i Mikrosystemy

Spis treści

1. Wprowadzenie.................................................................................................................... 5

2. Mikrokontrolery.................................................................................................................7

2.1. Jednostka centralna.......................................................................................................9

2.1.1. Architektury procesorów rdzeniowych mk...........................................................10

2.2. Pamięci......................................................................................................................... 15

2.3. Struktury mikrokontrolerów......................................................................................... 16

2.4. Elementy składowe procesora rdzeniowego.................................................................20

2.4.1. Oscylator i dystrybucja sygnałów zegarowych..................................................... 20

2.4.2. Techniki redukcji mocy i tryby specjalne mk....................................................... 23

2.4.3. Reset mk................................................................................................................26

2.4.4. Układy nadzorujące - układ watchdog..................................................................28

2.4.5. System przerwań...................................................................................................30

2.5. Porty równoległe mk - warstwa multiplekserów i zacisków we/wy.............................33

2.6. Wewnętrzne urządzenia peryferyjne mk...................................................................... 36

2.6.1. Układy licznikowe/czasowe..................................................................................37

2.6.2. Przetworniki analogowo-cyfrowe (A/C) ..............................................................43

2.6.3. Komparatory analogowe.......................................................................................46

2.6.4. Wewnętrzna pamięć EEPROM.............................................................................47

2.6.5. Sterowniki komunikacji szeregowej.....................................................................49

2.6.5.1. Interfejs UART..............................................................................................50

2.6.5.2. Interfejs SPI...................................................................................................56

2.6.5.3. Interfejs 1-Wire............................................................................................. 61

2.6.5.4. Interfejs I 2 C....................................................................................................64

2.6.5.5. Interfejs CAN................................................................................................ 67

2.6.5.6. Interfejs USB.................................................................................................68

2.6.6. Interfejs równoległy typu paraller slave port.........................................................69

2.7. Typy obudów mk..........................................................................................................71

2.8. Programowanie mk.......................................................................................................72

2.8.1. Programowanie w języku asemblera.....................................................................74

2.8.2. Programowanie w językach wyższego poziomu...................................................76

2.8.3. Uruchamianie programu mk................................................................................. 77

Mikrokontrolery i Mikrosystemy

2.8.4. Sposoby programowania mk z pamiecią FLASH.................................................78

2.8.4.1. Tryb programowania równoległego.............................................................. 78

2.8.4.2. Tryb programowania szeregowego (ISP)......................................................80

2.9. Rodziny mk...................................................................................................................84

3. Układy scalone pamięciowe...............................................................................................88

3.1. 8-bitowy rejestr zatrzaskujący 74HC574......................................................................89

3.2. Pamięć SRAM 128kB.................................................................................................. 91

3.3. Pamięć FLASH 128kB................................................................................................. 94

4. Programowalne układy logiczne.....................................................................................100

4.1. Układy logiczne SPLD na przykładzie układu GAL16V8.........................................101

4.2. Układy logiczne CPLD na przykładzie rodziny układów XC9500 firmy Xilinx....... 107

5. Układy peryferyjne z interfejsem szeregowym standardu SPI....................................116

5.1. Szeregowe pamięci EEPROM....................................................................................117

5.1.1. Szeregowe pamięci EEPROM z interfejsem SPI................................................118

5.1.2. Szeregowe pamięci EEPROM z interfejsem Microwire.....................................125

5.2. Zewnętrzne przetworniki analogowo-cyfrowe (A/C).................................................131

5.2.1. Zewnętrzny przetwornik A/C pracujący na zasadzie SAR................................. 131

5.2.2. Zewnętrzny przetwornik A/C typu signa-delta................................................... 136

5.3. Zewnętrzne przetworniki cyfrowo- analogowe (C/A)................................................145

5.3.1. Pojedynczy przetwornik C/A.............................................................................. 149

5.3.2. Wielokanałowy przetwornik C/A....................................................................... 136

5.4. Cyfrowe potencjometry sterowane interfejsem SPI....................................................159

5.5. Programowalne generatory sterowane interfejsem SPI.............................................. 166

5.6. Programowalne czujniki temperatury z interfejsem SPI.............................................172

5.7. Klucze analogowe sterowane interfejsem SPI............................................................174

5.7.1. Układy z kluczami PSPT.................................................................................... 175

5.7.2. Układy z matrycami przełączającymi................................................................. 177

6. Bibliografia........................................................................................................................180

6.1. Literatura podstawowa............................................................................................... 180

6.2. Dokumentacja w postaci plików PDF........................................................................180

Mikrokontrolery i Mikrosystemy

1. Wprowadzenie

Rys. 1.1. Przykładowy schemat blokowy mikrosystemu elektronicznego

Sercem mikrosystemu elektronicznego (w skrócie: mse) (rys. 1.1) jest mikrokontroler

nadzorujący pracą wszystkich układów wchodzących w jego skład. Mikrokontroler steruje

pracą mse za pośrednictwem magistral równoległych oraz interfejsów ( mikrointerfejsów )

szeregowych. Niektóre wersje mikrokontrolerów potrzebują do pracy zewnętrznych pamięci

RAM i ROM (np. typu FLASH), stąd zostały one pokazane na schemacie blokowym. W skład

mse mogą również wchodzić: logika programowalna (SPLD, CPLD lub FPGA), układy

peryferyjne (przetworniki A/C, C/A, pamięci szeregowe EEPROM, itd.), wśród których

można wyróżnić układy dopasowujące sygnały elektryczne do danego standardu interfejsu

(np. MAX232AC) i kontrolery interfejsów szeregowych (np. Ethernetu, CAN, USB, IrDA),

jak i równoległych.

Komunikacja wewnątrz mse odbywa się za pomocą magistral równoległych lub

mikrointerfejsów szeregowych. Mse komunikuje się z otoczeniem przeważnie za pomocą

interfejsów szeregowych.

W skrajnym przypadku mse może składać się wyłącznie z mikrokontrolera (w skrócie: mk) .

Podsumowując można wymienić następujące składowe mikrosystemu:

 mikrokontroler(y) – najważniejszy element mse,

 pamięć RAM – opcjonalnie w zależności od typu mk,

 pamięć ROM – opcjonalnie w zależności od typu mk,

 logika programowalna – zastępująca konwencjonalne układy TTL,

 układy peryferyjne z mikrointerfejsem szeregowym (w skrócie: mis) – np. przetworniki

A/C, C/A, EEPROM,

 układy peryferyjne z interfejsem równoległym,

 układy dopasowujące i kontrolery interfejsów szeregowych – RS232, RS485, Ethernet,

CAN, USB i bezprzewodowych IrDA, Bluetooth, Wi-Fi, Zig Bee.

Mikrokontrolery i Mikrosystemy

 magistrale równoległe – równoległe porty we/wy, opcjonalnie magistrale danych i

adresowe,

 mikrointerfejsy szeregowe – SPI, I 2 C, CAN, UART, ISP, JTAG, 1-wire.

Mse można zdefiniować następująco:

Mikrosystem elektroniczny – zestaw układów elektronicznych stanowiących funkcjonalną,

integralną część urządzenia lub samo urządzenie, które mogą komunikować się między sobą

za pomocą dedykowanych mis. Przeważnie komunikacja mse z otoczeniem odbywa się

również za pomocą dedykowanych interfejsów szeregowych przewodowych, jak również

bezprzewodowych radiowych i na podczerwień.

W mse możemy wyróżnić dwie warstwy sprzętową i programową . Pierwszą warstwę

stanowi „ sprzęt ”, tj. płytka drukowana ( printed board ) z umieszczonymi na niej układami

scalonymi. Drugą warstwą jest oprogramowanie dla mk realizujące zadane przez nas

algorytmy, zapisane w pamięci FLASH ROM mk lub zewnętrznej pamięci ROM oraz zapis

konfiguracji połączeń i realizowanych funkcji w programowalnych układach logicznych

(PLD).

Mse sterowane mk, bądź procesorami sygnałowymi, mogą być częścią większego

urządzenia, np.: są zrealizowane w postaci karty komputerowej lub pakietu montowanego do

danego urządzenia lub mogą być samodzielnym urządzeniem np.: telefon komórkowy,

inteligentny czujnik. Stąd nazywa się je wbudowanymi systemami elektronicznymi .

Gdyż, zgodnie z definicją system wbudowany jest to jakikolwiek produkt elektroniczny

zawierający procesor lub procesory, nie dający się zakwalifikować jako komputer biurowy

(ogólnego przeznaczenia). Uwzględniając najistotniejsze właściwości i cechy systemów

wbudowanych można powiedzieć, że system wbudowany:

 to mikrokomputer (lub urządzenie), będący częścią jakiegoś większego systemu

macierzystego (wbudowany w niego) w celach innych niż dostarczanie obliczeń i działań

o ogólnym zastosowaniu,

 posiada typowo dedykowane oprogramowanie,

 często bez klawiatury, wyświetlacza, monitora. Typowy system wbudowany składa się z

procesora (mikrokontrolera), odpowiednich urządzeń wejścia /wyjścia, pamięci ROM,

RAM i oprogramowania. Oczywiście system może być tak rozbudowany, ze będzie

potrzebował kilku procesorów na jednej lub kilku płytach głównych,

 służy do wykonywania zaimplementowanych w niego funkcji takich jak, np. sterowanie

ABS (Anti-lock Braking System) i ESP (Electronic Stability Program) w samochodzie,

sterowanie linią produkcyjna, trajektorią lotu pocisku, kompresją i dekompresja dźwięku,

obrazu i danych w systemach multimedialnych, itd.,

 zwykle ma pracować przez cały czas życia systemu macierzystego, w którym jest on

wbudowany; może to być parę lat (nieskomplikowany podzespół dźwiękowy), lub całe

dekady (np. system sterowania lotem),

 nieraz zdarza się tak, ze system jest niszczony po wykonaniu zadania (system wbudowany

w pocisk Cruise jest niszczony wraz z detonacja ładunku),

 musi nadążać za wymaganiami czasowymi dyktowanymi przez środowisko zdefiniowane

przez system macierzysty. Wymagania te określają maksymalny czas reakcji na zaistniałe

w systemie zdarzenie oraz mogą dotyczyć np. zapewnienia minimalnej częstotliwości

próbkowania. Systemy spełniające powyższe wymagania określane są jako systemy czasu

rzeczywistego . Można stwierdzić, że prawie wszystkie systemy wbudowane są systemami

czasu rzeczywistego.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: