Восьми разрядные RISC микроконтроллеры.
ATMEL и MICROCHIP: два подхода.
Общеизвестен факт, что наиболее “ узкими “ местами архитектуры MCS-51 являются медленное АЛУ на базе аккумулятора, через который вынуждены “ просачиваться “ все операнды и безмерно долгое время выполнения инструкций (12 машинных тактов). Кроме этого стандартный 51 микроконтроллер позволял себе даже такую роскошь как холостые командные циклы. Были изобретены различные способы повышения производительности как то: увеличение тактовой частоты, уменьшение количества тактов на инструкцию, исключение холостых циклов и даже такой хитроумный способ как совмещение в одном микроконтроллере двух систем команд - подсемейство MCS-251 . Но за подобное ускорение приходилось платить повышенными энергопотреблением и стоимостью, что совершенно лишало семейство MCS-51 всех преимуществ в низко стоимостных и критичных к потреблению применениях.
Еще в 1975 году фирма GI разработала периферийный контроллер (Peripheral Interface Controller или PIC) , предназначенный для поддержки ввода-вывода 16-разрядного процессора. В нем не требовалась сложная обработка , поэтому набор его команд был сильно ограничен , но почти все команды выполнялись в нем за один машинный цикл . Этот контроллер с RISC архитектурой и стал прообразом современной архитектуры микроконтроллеров PIC выпускаемых с конца 80-х годов дочерней GI компанией Arizona Microchip Technology Ltd.
Первые промышленные микроконтроллеры семейства PIC16C5X , были до безобразия простыми, но быстрыми. Основной представитель семейства PIC16C54A-20 выпускался в 18-выводном корпусе, имел память программ объемом 512 байт и память данных 25 байт, всего 33 команды со временем исполнения инструкции 200 нс. и одноуровневым конвейером команд (тактовая частота 20 Мгц), причем потреблял он при этом всего 10 ma . На частоте 1 Мгц напряжение питание можно понизить до 2. В. с током потребления ниже 1 ma. Вкупе с низкой стоимостью ,в среднем меньше 1 $ в США , все эти качества сделали PIC16C54A и его вариации весьма популярными . В итоге новое семейство PIC контроллеров несколько потеснило со своих позиций микроконтроллеры MC68C05 компании MOTOROLA и ряда других производителей обосновавшихся в нише низко стоимостных применений.
Результатом дальнейших усилий в области миниатюризации и удешевления стало появление таких необычных контроллеров как 12С508 и 12С509 имевших всего по 512 байт и 1 Кбайт памяти программ соответственно и всего по восемь выводов, шесть из которых являются портами ввода-вывода. Не так давно был анонсирован очередной такой “малыш”, но уже со встроенным АЦП.
В настоящее время MICROCHIP выпускает три основных серии PIC контроллеров.
PIC16C5X - базовое семейство с 12-разрядными командами.
PIC16C6X/7X/8X –расширенное семейство средней производительности с 14-разрядными командами.
PIC17CXX семейство high-end высокопроизводительные микроконтроллеры с 16-разрядными командами.
Большинство PIC контроллеров сделано по OTP технологии (однократно программируемые микросхемы) - тяжелое наследие 80-х годов. Для целей отладки предлагается использование микросхем с ультрафиолетовым стиранием и довольно высокой стоимостью . Все PIC контроллеры оборудованы внутренними схемами сброса по питанию и сторожевыми таймерами, многие модели имеют возможность внутрисхемного программирования.
Все последовательно произведенные серии PIC контроллеров являются логическими продолжениями единого базового ядра и как горделиво заявляют представители компании MICROCHIP перекрывают весь диапазон применений 8-разрядных микроконтроллеров. Делая упор на низкую стоимость своих изделий, MICROCHIP пришлось отказаться от универсальных микроконтроллеров с разнообразной и развитой периферии (одно из исключений PIC14000 , правда он является полу заказной микросхемой) и “ распределить“ периферийные устройства по всем выпускаемым семействам. Иными словами если разработчику в контроллере требуются компараторы, то как раз для этого выпускается серия PIC16CX , если необходимо АЦП, сгодится серия PIC16C7X и так далее. Но то, что является благом для инженера в Америке, оборачивается проблемой для отечественного разработчика . К сожалению ни один отечественный дистрибьютор не в состоянии держать на складе всю номенклатуру PIC контроллеров , что неудивительно , это более двухсот наименований и ограничивается самыми распространенными изделиями, которыми и приходится довольствоваться мелкосерийным производителям.
В отличие от MICROCHIP компания ATMEL взяла старт по производству RISC микроконтроллеров несколько позднее уже в 90-х годах, используя все новейшие технические решения накопленные к этому времени. Золотой ключик ATMEL - использование FLASH технологии которой компания владеет совершенстве , став в начале 90-х одним из мировых лидеров по производству микросхем энергонезависимой памяти и микроконтроллеров семейства MCS-51 оснащенных FLASH ПЗУ.
Замысел создания новых скоростных микроконтроллеров родился в светлых головах группы разработчиков исследовательского центра ATMEL в Норвегии, инициалы которых и сформировали название AVR.
Из архитектуры процессора был изгнан регистр-аккумулятор (оставшийся даже в PIC контроллерах) и заменен регистровым файлом, в котором каждый из 32 регистров соединен с АЛУ и может работать в роли аккумулятора. Это позволяет в сочетании с конвейерной обработкой выполнять большинство инструкций за один машинный цикл. Система команд AVR весьма развита и насчитывает 120 различных инструкций с 16-разрядной сеткой, причем почти все команды (кроме команд перехода ) имеют длину в 16 бит . В результате компания ATMEL установила новый стандарт производительности для микроконтроллеров 1 MIPS (миллион инструкций в секунду ) на 1 Мгц. Это означает, к примеру, что микроконтроллеры, работающие при тактовой частоте 12 Мгц будут иметь производительность 12 MIPS соответственно.
Первые AVR микроконтроллеры серии AT90SXXXX предназначались для прямой замены микросхем AT89C5X и AT89CX051 представлявших собой версии 51 микроконтроллеров с FLASH ПЗУ и имея одинаковое назначение выводов. Тактовая частота в отдельных типах AVR достигает 12 Мгц при токе потребления около 12-15 ma .Микроконтроллеры упомянутой серии оснащены FLASH памятью программ емкостью от 1 до 8 Кб с возможностью внутрисхемного программирования и EEPROM данных емкостью от 64 до 512 байт соответственно. Периферия микроконтроллеров включает: таймеры-счетчики, ШИМ, аналоговые компараторы, интерфейсы, интерфейсы UART и SPI сторожевой таймер , etc. Все эти качества превращают AVR микроконтроллеры в мощный и, что очень важно недорогой инструмент для построения современных, высокопроизводительных и экономичных контроллеров различного назначения . AVR микроконтроллеры отличает относительно небольшое количество моделей – четыре основных типа, причем два из них просто расширенные версии. Правда , в 1998 г. наметилась тенденция к “расползанию “ , появились AVR микроконтроллеры в 8-выводном исполнении такие как AT90S2323/43 и микроконтроллеры со встроенным АЦП AT90S4434 и AT90S8535.
В середине 1998 г. ATMEL произвела на свет первую модель микроконтроллера нового семейства megaAVR получившего обозначение AVRmega103/603 , который имеет память программ емкостью 128 Кб, энергонезависимую память данных емкостью 4 Кб и развитую периферию включающую в себя 10 разрядный 8-канальный АЦП. Правда стоит это “чудо” на российском рынке порядка 12 $ при оптовых поставках. Надо отметить также, что все AVR микроконтроллеры легкодоступны в России и отличаются в среднем невысокой стоимостью (к примеру, AT90S1200 стоит всего 1,9 $) , успешно конкурируя с изделиями компании MICROCHIP.
Коротко резюмируя вышесказанное, можно отметить, что позиции PIC контроллеров наиболее сильны в сфере применений критичных к стоимости и потреблению. При построении высокопроизводительных, универсальных систем становятся предпочтительными AVR микроконтроллеры имеющие более высокое соотношение “цена-производительность “.
