Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ ВЫ СМОЖЕТЕ:

• Дать определение термину «вычислитель»;

• Перечислить основные блоки вычислителя. Описать функции этих блоков;

• Объяснить значение терминов: встраиваемая система, микроконтроллер, компьютер общего применения;

• Привести примеры встраиваемых микропроцессорных систем управления;

• Перечислить основные проблемы, которые возникают в процессе разработки встраиваемых систем;

• Пояснить термин «работа в реальном времени» в контексте обсуждения встраиваемых систем;

• Описать основные функциональные блоки микроконтроллеров семейства 68HC12 и семейства HCS12.

• Перечислить основные различия между микроконтроллерами семейства 68НС12 и семейства НСS12.

В этой главе мы познакомим Вас с теми проблемами, которые возникают при проектировании, реализации и тестировании встраиваемых микропроцессорных систем. Мы начнем наше рассмотрение с достаточно общих понятий, однако в разделе 1.3 произойдет Ваше первое знакомство с системами на микроконтроллерах семейств 68HC12 и HCS12.

1.1. Что такое встраиваемая система?

Любая механическая или электрическая система, которая имеет в своем составе устройство управления, выполненное на основе вычислителя, называется встраиваемой системой (Embedded System). Перед тем, как мы продолжим, следует дать определение термину «вычислитель». Все вычислители обязательно состоят из следующих функциональных блоков: центрального процессора (ЦП), запоминающего устройства (ЗУ) устройств ввода/вывода (УВВ) и межмодульных магистралей. Центральный процессор содержит в себе арифметико–логическое устройство (АЛУ), устройство управления и некоторое количество регистров. АЛУ выполняет операции над данными, которые представлены в цифровом коде. Типовыми для АЛУ являются следующие арифметические и логические операции: сложение, вычитание, умножение, деление, логические операции И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, НЕ (инверсия).

Вычислитель, центральный процессор которого выполнен на основе одной большой интегральной схемы (ИС), именуемой микропроцессором (МП), называют микро-ЭВМ. Самый известный пример микро-ЭВМ — это персональный компьютер (ПК). Интегральные схемы, которые объединяют на одном полупроводниковом кристалле все основные функциональные блоки вычислителя, т.е. центральный процессор, запоминающее устройство, устройства для ввода и вывода информации и межмодульные магистрали, называют микроконтроллером (МК).

Блок памяти вычислителя или микроконтроллера хранит коды программы и данные, которые необходимы для выполнения вычислений. По способу организации блока памяти различают вычислительные системы с архитектурой фон Неймана или с Гарвардской архитектурой. Архитектура фон Неймана предоставляет возможность хранения в одних и тех же ячейках памяти, как кодов программы, так и данных. При Гарвардской архитектуре для программы и для данных выделены отдельные области памяти. Гарвардскую архитектуру можно встретить в мощных вычислительных системах, для которых характерно наличие области кэш-памяти. В целом архитектура современных компьютеров и микроконтроллеров представляет собой некоторую оригинальную структуру на основе двух этих архитектур.

Устройства ввода/вывода обеспечивают связь центрального процессора с внешним миром. Обычно устройства ввода используются для приема в вычислительную систему информации с датчиков, фиксирующих состояние управляемого объекта, а также для приема команд управления от оператора. Устройства вывода предназначаются для выдачи команд и сигналов управления объектом, а также для отображения информации о текущем состоянии объекта. Система межмодульных магистралей обеспечивает соединение трех перечисленных блоков: центрального процессора, памяти и устройств ввода/вывода, создавая на их основе вычислительную систему. По магистралям передаются коды программы, данные и сигналы управления. Каждому виду сигналов соответствует одноименная магистраль системной шины компьютера: магистраль адреса, магистраль данных и магистраль управления.

Вернемся в встраиваемым системам. Напомним, что встраиваемой системой называется система, управляемая вычислителем, являющимся неотъемлемой составной частью этой системы. Следует различать вычислители общего применения, которые называют компьютерами, и вычислители встраиваемых систем. Компьютер общего применения, например ноутбук, может выполнять множество программ, начиная от текстового редактора, заканчивая сложными расчетными задачами моделирования механических конструкций и электронных схем. Вычислитель встраиваемой системы, который может быть реализован на процессоре с не меньшей вычислительной производительностью, чем ноутбук, выполняет только специальную программу управления. При этом вычислителя встраиваемой системы может иметь дополнительные аппаратные средства, которые будут отличать его от компьютера общего применения.

Вычислители встраиваемых систем не являются некоторым дополнением к знакомому Вам миру персональных компьютеров. Вы удивитесь, если узнаете, что ежегодно объем продаж встраиваемых систем значительно превышает объем продаж персональных компьютеров. Так в 2000 году было продано 150 миллионов компьютеров общего применения, в то время, как объем продаж встраиваемых систем в том же году исчислялся 8000 миллионами. Большинство современных встраиваемых систем выполняется на основе микроконтроллеров (МК) — вычислителей, все функциональные блоки которых объединены на одном полупроводниковом кристалле. Конструктивно МК представляет собой одну интегральную схему (ИС) большой степени интеграции.

В настоящее время многие производители полупроводниковых компонентов, такие как Intel, Microchip, Hitachi, NEC, Atmel, Texas Instruments и др., выпускают микроконтроллеры различной сложности. Относительно простые МК находят применение в бытовой технике и игрушках. Наиболее сложные высокопроизводительные МК используются в коммуникационном оборудовании, для управления самолетами и военной техникой. В этой книге мы предлагаем Вам изучить два типа МК: семейства 68HC12 и HCS12 компании Motorola.

Встраиваемые системы на основе МК окружают Вас со всех сторон. Вы не можете прожить без них и часа. Например, Ваш будильник, телефон и карманный компьютер — все это встраиваемые системы на микроконтроллерах. Ваш дом буквально наводнен встраиваемыми системами: кофеварка, телевизор с дистанционным пультом управления, стиральная машина, кухонный комбайн, электрическая духовка и СВЧ печь, холодильник, система охранной сигнализации, музыкальный центр и DVD проигрыватель… Мы перечислили отнюдь не все домашние устройства.

А Ваш автомобиль? Он ежедневно «возит с собой» от 10 до 50 микроконтроллеров. Встроенные МК делают агрегаты Вашего автомобиля более безопасными, экономичными, обеспечивающими легкость управления и комфортабельность движения. Микроконтроллеры используются в системе впрыска топлива и в системе торможения, для управления трансмиссией и рулевой колонкой, в устройствах приборной панели, маршрутного компьютера, центрального замка и аудио системы. Микроконтроллеры нагревают или охлаждают сиденья Вашего автомобиля, поворачивают зеркала, вращают фары, управляют движением дворников и стекол дверей. В некоторых моделях они могут даже измерить давление в шинах, показать маршрут до цели назначения, определить усталость водителя. Неправда ли, Ваше перемещение на автомобиле не было бы привлекательным без всех этих встроенных систем, ставших уже привычными?

А теперь обратимся к тем областям нашего существования, в которых встраиваемые микропроцессорные системы играют ключевую роль. Технические и общественные системы, перечисленные на рис. 1.1, просто не могли бы существовать без разнообразных встраиваемых систем, а наша военная безопасность и система коммуникаций для управления государством основываются на множестве высокопроизводительных встраиваемых систем. На борту орбитальных космических станций и спутников считают и управляют встраиваемые системы. Любой современный станок и измерительный прибор — это тоже встраиваемая система. Большинство сложных медицинских диагностических комплексов использует для обработки результатов встраиваемые системы. Совершенствование узлов современного автомобиля и других транспортных средств также немыслимо без встраиваемых систем. И наконец, бытовая техника и устройства домашнего развлечения с мультимедийными технологиями — все это встраиваемые системы.

Рис. 1.1. Области применения встраиваемых систем

1.2. Особенности встраиваемых систем

1.2.4. Интерфейс пользователя и интерфейс сопряжения с объектом

Любая встраиваемая система должна взаимодействовать с пользователем или с окружающей средой. Например, перемещающийся в пространстве робот (рис. 1.2) должен с помощью инфракрасных датчиков обнаруживать препятствия и обходить их. Микроволновая печь должна взаимодействовать с человеком посредством кнопок режимов, установленных на передней панели прибора. А система охранной сигнализации должна взаимодействовать как с датчиками сохранности помещения, так и с органами управления человеком. Подобные примеры могут быть продолжены. И на их основе можно сделать вывод, что для разработчика встраиваемых систем вопросы выработки решений по взаимодействию с человеком и с объектом управления являются чрезвычайно важной задачей. Причем возможные решения лежат на стыке выбора типа датчиков (включая принцип действия датчика), дизайн–проекта, конструктивного исполнения, аппаратного решения электронных блоков и, наконец, алгоритмов обработки информации.

Рис. 1.2. Робот, способный двигаться сквозь лабиринт

1.3. Введение в микроконтроллеры семейства 68HC12 и HCS12

В предыдущем параграфе мы обсудили общие проблемы, связанные с разработкой и эксплуатацией встраиваемых микропроцессорных систем. В своем рассмотрении мы пока не касались той элементной базы, на основе которой выполняются встраиваемые системы, т.е. микроконтроллеров. Поскольку наша книга посвящена встраиваемым системам на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 компании Motorola/Freescale Semiconductor, то перейдем к знакомству с этой элементной базой.

Семейство микроконтроллеров 68HC12/HCS12 относится к группе 16–разрядных МК. Процессорное ядро 68HC12 унаследовало свою программно–логическую модель и систему команд от широко известного 8–разрядного процессорного ядра HC11. Начало семейству 68HC12 было положено в 1996 году выпуском двух базовых моделей: MC68HC12A4 и MC68HC912B32. Микроконтроллер MC68HC12A4 был предназначен для работы в расширенном режиме, т.е. с внешней памятью программ. Микроконтроллер MC68HC912B32 уже имел на кристалле многократно программируемое пользователем энергонезависимое запоминающее устройство, выполненное по технологии Flash. В 2002 году компанией Motorola/Freescale Semiconductor было предложено новое семейство HCS12, которое предназначалось для замены МК семейства 68HC12 на более высокопроизводительные, но полностью программно совместимые модели. На протяжении этой книги мы будем использовать в качестве базового микроконтроллер MC68HC912B32. Это простой МК низкой стоимости, доступный как для обучения, так и для относительно несложных разработок. Однако большая часть сведений, которые Вы почерпнете из данной книги, может быть легко распространена и на МК HCS12.

На основе базового МК MC68HC912B32 производителем был создан целый ряд моделей: MC68HC12BE32, MC68HC912BC32 и MC68HC12BC32. Основное отличие этих моделей друг от друга состоит в объеме размещенной на кристалле памяти программ и в наличии или отсутствии контроллера CAN сети.

На рис. 1.3 представлена структурная схема сразу двух МК: MC68HC912B32 и MC68HC12BE32. На рис. 1.4 дана цоколевка корпуса для этих микроконтроллеров. Далее на рис. 1.5 показана структура микроконтроллера MC68HC912BC32, на рис. 1.6 — цоколевка корпуса для него. В таблице рис. 1.7 перечислены основные функциональные блоки каждой из перечисленных моделей МК. Эта же таблица позволяет легко определить функциональные различия между рассматриваемыми МК.

Рис. 1.3. Структура микроконтроллеров MC68HC912B32 и MC68HC12BE32

Рис. 1.4. Цоколевка корпуса микроконтроллеров MC68HC912B32 и MC68HC12BE32

Микроконтроллеры семейства 68HC12 — это 16–разрядные МК, что означает, что центральный процессор может выполнять операции над 16–разрядными данными, а также то, что данные передаются внутри МК по 16–разрядной магистрали данных. МК 68HC12 имеют также 16–разрядную магистраль адреса, что позволяет им адресовать 65 536 ячеек памяти. Максимальная частота системной шины МК семейства 68HС12 равна 8 МГц, что обеспечивать значительное возрастание вычислительной производительности по отношению к предшественнику — МК HC11.

Система команд 68HC12 основана на системе команд HC11, однако число способов адресации и число выполняемых действий значительно расширены. Система команд 68HC12 включает 208 инструкций, в том числе пять команд деления с разрядностью данных 16/16 и 32/16 в целочисленном и дробном форматах, команды выбора максимального и минимального числа, команды нечеткой логики. Операции сложения или вычитания двухбайтовых чисел выполняются за 2 или 3 такта системной шины МК. Центральный процессор 68HC12 поддерживает 16 способов адресации, при этом исполнение каждой команды из группы арифметических или логических команд возможно с использованием по крайней мере 12 способов адресации. Центральный процессор 68HC12 имеет двухадресные команды, позволяющие выполнять пересылки 8–и 16–разрядных данных между двумя ячейками памяти или регистрами специальных функций минуя регистры центрального процессора. Четыре команды предназначены для реализации алгоритмов нечеткой логики (fuzzy logic): команда фаззификации MEM, команда обработки нечетких переменных REV, команда обработки нечетких переменных REVW и команда дефаззификации WAW.

Микроконтроллеры семейства 68HC12 обладают резидентной Flash-памятью программ, объемом до 32 Кб, оперативной памятью данных до 1 Кб, энергонезависимой памятью данных типа EEPROM объемом до 768 байт. Они имеют встроенный модуль отладки, который позволяет отлаживать программы, а также выполнять операции стирания/программирования Flash и EEPROM, взаимодействуя с персональным компьютером по однопроводному последовательному интерфейсу.

Рис. 1.5. Структура микроконтроллера MC68HC912BС32

Рис. 1.6. Цоколевка корпуса микроконтроллера MC68HC912BС32

Микроконтроллеры семейства 68HC12 имеют до семи многофункциональных двунаправленных портов ввода/вывода, модуль аналого цифрового преобразователя, модуль таймера с функциями входного захвата и выходного сравнения, 16–разрядный счетчик внешних событий, модуль широтно–импульсного модулятора и несколько контроллеров последовательных интерфейсов. Полный перечень возможных для МК семейства 68HC12 периферийных модулей приведен в таблице рис. 1.7.

Рис. 1.7. Сравнительные характеристики микроконтроллеров семейства 68HC12B

1.4 Микроконтроллеры HCS12

Подобно семейству 68HC12, семейство HCS12 объединяет ряд микроконтроллеров с одинаковым процессорным ядром CPU HCS12, различающихся объемом резидентной памяти и набором периферийных модулей, интегрированных на кристалл МК. Различные модели МК в составе семейства имеют Flash память программ объемом до 512 Кб, оперативную память объемом до 12 Кб. Напряжение питания большинства моделей семейства — 5,0 В, что позволяет обеспечить электромагнитную совместимость в автомобильных применениях. Частота внутренней системной шины МК семейства HCS12 равна 25 МГц, что существенно увеличивает их производительность по сравнению с МК семейства 68HC12.

Все модели МК семейства HCS12 имеют в своем составе следующие функциональные блоки:

• Оперативное запоминающее устройство и постоянное запоминающее устройство трех типов: Flash, EEPROM, масочного типа;

• Порты с двунаправленными линиями ввода/вывода;

• Модуль таймера с 16–разрядным счетчиком временной базы и 8 каналами захвата/сравнения;

• Подсистему последовательного обмена с несколькими контроллерами ввода/вывода различных стандартов (SCI, SPI, CAN и др.);

• Модуль АЦП с 8–и или 10–разрядным представлением результата;

• Модуль ШИМ с разрешением 8 или 16 разрядов.

Структура МК MC9S12DP256B представлена на рис. 1.8. Обратите внимание, что большая часть периферийных модулей этого МК аналогична модулям микроконтроллеров семейства 68HC12. От ранее рассмотренного МК MC68HC912B32 микроконтроллер DP 256 отличает увеличенный до 256 кб объем Flash памяти программ, наличие в его составе модуля усовершенствованного таймера ECT, двух 8–канальных модулей аналого–цифрового преобразования ATD, пяти контроллеров интерфейса информационной сети в стандарте CAN.

Рис. 1.8. Структура микроконтроллера MC9S12DP256B

1.4.2. Обозначения МК

Каждая модель МК в составе семейства 68HC12/HCS12 имеет собственное сокращенное обозначение. Это обозначение используется для маркировки корпуса МК и при заказе ИС МК у производителя. Система сокращенных обозначений для МК семейства 68HC12 и HCS12 представлена на рис. 1.9. Обратите внимание, что каждое поле в сокращенной записи отражает определенную техническую характеристику изделия. В перечень технических характеристик входят не только структура МК и частота тактирования (функциональные характеристики), но и тип корпуса, диапазон рабочих температур, т.е. характеристики, связанные с конструктивным исполнением и условиями эксплуатации конечного изделия.

Рис. 1.9. Система обозначений МК семейства 68HC12/HCS12

1.5. Заключение по главе 1

В этой главе мы дали определение встраиваемым системам и привели примеры таких систем. Мы также обсудили проблемы, связанные с разработкой встраиваемых систем. В заключении мы провели обзор основных технических характеристик микроконтроллеров семейства 68HC12/HCS12, тех МК, с которыми Вы будете иметь дело на протяжении всей этой книги.

1.6. Вопросы и задания

1. Перечислите основные блоки вычислителя.

2. Какие функции выполняет центральный процессор в составе вычислителя?

3. Дайте определение термину компьютер.

4. Дайте определение термину микропроцессор.

5. Дайте определение термину микроконтроллер.

6. Как называется магистраль микропроцессорной системы, по которой передаются сигналы управления от центрального процессора к блоку памяти?

7. Какие функции может исполнять модуль ШИМ микроконтроллера 68HC12 в системе управления?

8. Перечислите, какие домашние встроенные системы не были упомянуты в этой главе?

1. Поясните, чем отличаются микроконтроллер и персональный компьютер.

2. В тексте изученной Вами главы утверждается, что разработчик персональных компьютером может не уделять значительного внимания мощности потребления и размерам блока памяти своего изделия. Почему так? Каковы ограничения? В каких изделиях этого класса ограничения на мощность потребления умеренные, в каких более жесткие?

3. Приведите примеры работы встроенных систем в реальном масштабе времени?

4. В каких случаях Вы, как разработчик встроенной системы, можете выбрать однокристальный режим работы МК, а в каких расширенный режим работы?

5. В тексте главы утверждается, что тестирование встраиваемой микропроцессорной системы является достаточно сложной задачей, решение которой должно быть продумано на стадии проектирования изделия. Почему так?

1. Программно–аппаратный дуализм встраиваемой микропроцессорной системы?

2. В настоящее время встраиваемые системы перестают быть автономными устройствами. Они связываются между собой подобно объединению компьютеров в сеть Internet. Поэтому в скором времени пользователь столкнется с необходимостью понимания не только своей собственной системы, но и понимания абстрактного взаимодействия систем. Как Вы представляете себе проблемы создания информационных сетей на основе встраиваемых систем? Как изменится инфраструктура нашего общества при реализации этих идей?