Занимательная электроника - Юрий Ревич

Команды должны где-то храниться, поэтому неотъемлемой частью всей системы должно быть устройство памяти программ. Где-то надо складывать и данные, как исходные, так и результаты работы программы, поэтому должно быть устройство памяти данных. Так как команды и данные, в конечном счете, все равно есть числа, то память может быть общая, только надо уметь отличать, где именно у нас команды, а где — данные. Это есть один из принципов фон Неймана, хотя и в микроконтроллерах, о которых мы будем говорить в дальнейшем, традиционно используют не фон-неймановскую, а так называемую гарвардскую архитектуру, когда памяти данных и программ разделены (это разделение, впрочем, может в определенных пределах нарушаться). Процессор, построенный по фон Нейману, более универсален — например, он позволяет без особых проблем наращивать память, строить ее иерархически и более эффективно ее перераспределять прямо по ходу работы. Так, в системе Windows всегда предполагается, что компьютер имеет практически неограниченный объем памяти (измеряемый в терабайтах), а если ее реально не хватает, к делу подключается своп-файл (так называемый файл подкачки) на жестком диске. В то же время микроконтроллерам подобная гибкость не особенно требуется — на их основе, как правило, строятся узлы, выполняющие узкую задачу и работающие по конкретной программе, так что нужную конфигурацию системы ничего не стоит предусмотреть заранее.

* * *

МП и МК

Кстати, а почему мы все время говорим то микропроцессоры (МП), то микроконтроллеры (МК)? Микроконтроллер отличается от микропроцессора тем, что он предназначен для управления другими устройствами, и поэтому имеет встроенную развитую систему ввода/вывода, но, как правило, относительно более слабое АЛУ. Микроконтроллерам очень хорошо подходит английский термин «computer-on-chip», однокристальный компьютер. В самом деле, для построения простейшего вычислительного устройства, которое могло бы выполнять что-то полезное, обычный микропроцессор, от i4004 до Pentium и Core, приходится дополнять памятью, ПЗУ с записанной BIOS, устройствами ввода/вывода, контроллером прерываний, тактовым генератором с таймерами и т. п. — всем тем, что сейчас стало объединяться в так называемые чипсеты. «Голый» МП способен только на одно — правильно включиться, ему даже программу загрузки неоткуда взять.

В то же время для МК микропроцессор — это только ядро, даже не самая большая часть кристалла. Для построения законченной системы на типовом МК не требуется вообще ничего, кроме источника питания и периферийных исполняющих устройств, которые позволяли бы человеку определить, что система работает. Обычный МК может без дополнительных компонентов общаться с другими МК, внешней памятью, специальными микросхемами (вроде часов реального времени или флэш-памяти), управлять небольшими (а иногда — и большими) матричными панелями, к нему можно напрямую подключать датчики физических величин (в том числе — чисто аналоговые, АЦП тоже часто входят в МК), кнопки, клавиатуры, светодиоды и индикаторы, короче — в микроконтроллерах сделано все, чтобы приходилось как можно меньше паять и задумываться над подбором элементов. За это приходится расплачиваться пониженным быстродействием (которое, впрочем, не так-то уж и важно в типовых задачах для МК) и некоторым ограничением в отдельных функциях — по сравнению с универсальными, но в сотни раз более дорогими и громоздкими системами на «настоящих» МП. Вы можете мне не поверить, но процессоры для персональных компьютеров (ПК), о которых мы столько слышим, занимают в общем количестве выпускаемых процессоров лишь 5–6 % — остальные составляют микроконтроллеры различного назначения.

* * *

В соответствии с изложенным, основной цикл работы процессора должен быть таким: выборка очередной команды (из памяти), если необходимо — выборка исходных данных для нее, выполнение команды, размещение результатов в памяти (опять же если это необходимо). Вся работа в этом цикле должна происходить автоматически по командам некоторого устройства управления, содержащего тактовый генератор — системные часы, по которым все синхронизируется. Кроме того, где-то это все должно происходить: складирование данных, кода команды, выполнение действий и т. п., так что процессор должен содержать некий набор рабочих регистров (по сути — небольшую по объему сверхбыструю память), определенным образом связанных как между собой, так и с устройством управления и АЛУ, которое неизбежно должно присутствовать.

Решающую роль в работе процессора играет счетчик команд. Он автоматически устанавливается на нуль в начале работы, что соответствует первой команде, и автоматически же инкрементируется (т. е. увеличивается на единицу) с каждой выполненной командой. Если по ходу дела порядок следования команд нарушается — например, встречается команда перехода (ветвления), то в счетчик загружается соответствующий адрес команды — ее номер от начала программы. Если это не просто ветвление, а выполнение подпрограммы, которое предполагает в дальнейшем возврат к основной последовательности команд (к следующей команде после вызова подпрограммы), то перед переходом к выполнению подпрограммы текущее значение счетчика команд сохраняется в специально отведенной для этой цели области памяти — стеке. По команде окончания подпрограммы сохраненный адрес извлекается из стека, и выполнение основной программы продолжается. К счастью, нам самим не придется иметь дело со счетчиком команд, потому что все указания на этот счет содержатся в командах, и процессор все делает автоматически.

Блок-схема простейшего МК, содержащего процессорное ядро и минимум компонентов для «общения» с внешней средой, показана на рис. 18.2.

Рис. 18.2. Блок-схема простейшего микроконтроллера

Здесь мы включили в состав системы память программ, которая у ПК-процессоров находится отдельно на жестком диске (если не считать относительно небольшого объема ПЗУ, содержащего так называемую BIOS; т. е. базовые процедуры для запуска и обмена с внешней средой) — сами знаете, какой объем программ бывает в персональных компьютерах. В большинстве современных микроконтроллеров постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) для программ входит в состав чипа и обычно составляет от 1–2 до 8-32 Кбайт, хотя есть модели и с 256 килобайтами встроенной памяти. Для подавляющего большинства применений вполне достаточно 2–8 Кбайт — при условии, что вы создаете программы прямо в командах контроллера, на языке ассемблера. Применение языка высокого уровня (обычно одного из вариантов языка С), что становится все более популярным из-за удобства работы с ним, как мы увидим, существенно повышает требования к объему памяти программ.

Встроенное оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) для хранения данных в том или ином объеме также имеется во всех современных микроконтроллерах, типичный размер такого ОЗУ: от 128–256 байтов до 1–4 Кбайт. В большинстве универсальных контроллеров есть и некоторое количество встроенной энергонезависимой памяти для хранения констант — обычно столько же, сколько и ОЗУ данных. Но к памяти мы еще вернемся в этой главе, а пока продолжим про процессоры.

* * *

Подробности

В первых моделях микропроцессоров (включая и интеловские процессоры для ПК — от 8086 до 80386) процессор выполнял команды строго последовательно: загрузить команду, определить, что ей нужны операнды, загрузить эти операнды (по адресу регистров, которые их должны содержать, — адреса эти, как правило, хранятся сразу после собственно кода команды или определены заранее), потом проделать нужные действия, складировать результаты… До нашего времени дошла архитектура суперпопулярных еще недавно микроконтроллеров 8051, выпускающихся и по сей день различными фирмами (Atmel, Philips), которые выполняли одну команду аж за 12 тактов (в некоторых современных аналогах, впрочем, это число меньше). Для ускорения работы стали делить такты на части (например, срабатывать по переднему и заднему фронтам), но действительный прорыв произошел с внедрением конвейера. Со времен Генри Форда известно, что производительность конвейера зависит только от времени выполнения самой длинной операции, — если поделить команды на этапы и выполнять их одновременно разными аппаратными узлами, то можно добиться существенного ускорения (хотя и не во всех случаях). В рассматриваемых далее микроконтроллерах Atmel AVR конвейер двухступенчатый: когда очередная команда загружается и декодируется, предыдущая уже выполняется и пишет результаты. В AVR это позволило выполнять большинство команд за один такт (кроме команд ветвления программы).