Устройство микроконтроллера: АЛУ и организация памяти
Процессорное ядро микроконтроллеров:
– арифметико-логическое устройство
– организация памяти
Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “Радиолюбитель“
Сегодня (точнее – в течении нескольких статей) мы с вами более подробно рассмотрим основу любого микроконтроллера – процессорное ядро.
Основные элементы:
1. Арифметико-логическое устройство
АЛУ – сердце (а может быть и ум, с честью и совестью) микроконтроллера.
Здесь мы не будем входить в роль “маньяка-расчленителя” и ковыряться во внутренностях этого устройства. Усвоим только, что благодаря АЛУ происходит вся работа микроконтроллера. Если у вас когда-нибудь появится желание более глубже узнать как работает “сердце” микроконтроллера (а будет неплохо, если оно появится), то в книгах замечательных авторов Белова, Рюмика, Евстифеева, Ревича, Баранова и многих других, вы всегда найдете подробный ответ.
2. Память микроконтроллера (организация памяти)
Прежде чем рассматривать память микроконтроллера, немного поговорим о памяти вообще.
Человеческая память – с ней все понятно, – она бывает “твердой” (когда находишься в твердой памяти, а иногда еще и в здравом уме) и, как не прискорбно, – “дырявой”. А вся информация хранится в так называемых “нейронах” – маленьких ячейках памяти.
У микроконтроллеров почти все также. Только, если у человека самая маленькая ячейка для хранения информации называется “нейрон”, то для микроконтроллера самая маленькая ячейка памяти для хранения информации называется “бит“.
В одном бите может храниться или одна логическая единица, или один логический ноль.
Бит – минимальная единица измерения объема памяти в микропроцессорной технике.
Следующая основная, или самая распространенная, единица измерения памяти – байт.
Байт – это восемь бит информации. В одном байте может храниться только восемь нулей и единиц.
– один байт = 255
– два байта = 65 535
– три байта = 16 777 215
– четыре байта – число величиной более 4 миллиардов (если вы не входите хотя бы в сотню журнала “Форбс”, то четыре байта памяти для хранения чисел вам не понадобятся).
Запись в память и чтение из памяти происходит байтами (нельзя записать или считать один бит информации).
Следующая единица измерения – килобайт.
В килобайте помещается 1024 байт информации (именно 1024, а не 1000 байт).
Есть еще и большие величины измерения объема памяти (мегабайт, гигабайт), но в микроконтроллерах они пока не применяются.
Я надеюсь, что с единицами измерения электронной памяти нам все понятно:
Организация памяти в микроконтроллере
Микросхемы AVR имеют три вида памяти:
– память программ, она же FLASH-память
– память данных, она же ОЗУ (оперативно-запоминающее устройство), она же SRAM
– энергонезависимая память, она же ЭСППЗУ, она же EEPROM
В микроконтроллере выделяется три адресных пространства в которых располагаются вышеперечисленные разновидности памяти. Память данных при этом (в смысле выделенного адресного пространства) оказалась немного обделенной – ей приходится делить свое адресное пространство с ячейками памяти в которых хранятся регистры общего назначения и регистры ввода/вывода (о них вы подробно узнаете в следующей статье). Эти регистры физически не относятся к памяти данных, но находятся в том же адресном пространстве. Если начальные адреса памяти программ и энергонезависимой памяти начинаются с нулевого адреса, то начальный адрес памяти данных не начинается с нулевого адреса – с нулевого адреса занимают места регистры общего назначения и регистры ввода/вывода, и только за ними следуют адреса ячеек памяти программ.
Память программ (FLASH память)
Память программ предназначена для хранения в ней наших программ, а также любых нужных нам данных, которые не меняются в ходе выполнения программы (константы). При выключении питания микроконтроллера, все данные в памяти программ сохраняются.
Память программ, естественно, имеют все микроконтроллеры. Размер памяти программ, в зависимости от типа МК, варьируется от 1 килобайта до 256 килобайт.
Доступ к памяти программ имеет только программист при программировании МК, у самого МК доступ к памяти программ тоже имеется, но только для чтения данных из памяти, записать туда он ничего не может (мало ли что, вдруг захочет испортить нашу программу). Правда, у МК семейства Mega есть возможность (с разрешения программиста) вносить изменения в памяти программ, но это отдельная история.
Дело в том, что память программ состоит из ячеек состоящих из двух байт. Такая ячейка называется “словом”. А сделано это так потому, что почти все команды МК состоят из двух байт, и, соответственно, для их записи нужно два байта в памяти программ. Каждая команда МК – это одно “слово”. Есть несколько команд, для записи которых требуется 4 байта в памяти – два слова, но такие команды встречаются в МК у которых память программ больше 8 килобайт.
Таким образом, в одну ячейку памяти программ можно записать:
– любую команду, состоящую из двух байт
– половину команды, состоящей из 4 байт
– две константы, каждая из которых умещается в один байт, или одну шестнадцатиразрядную константу. При этом, если вы записываете в память три однобайтовых константы, они все равно займут в памяти четыре байта (два слова).
Кроме того, запись в память программ осуществляется не только “словами”, но еще и “страницами”. Размер “страницы” составляет от 64 до 256 байт (чем больше объем памяти программ, тем больше объем “страницы”). Что это значит. Если вы создали маленькую программку, объем которой составляет 11 слов (22 байта), в памяти программ она все равно займет место в одну страницу, т.е. как минимум 64 байта. “Лишние” 42 байта при этом будут заполнены или нулями, или единицами. Вот такие вот, пироги.
Но и это еще не все.
Память программ может иметь три состояния (если можно так выразиться):
1. Вся память находится в распоряжение программиста
В этом случае мы можем забить всю память полностью своей программой и данными. А программа будет стартовать с нулевого адреса памяти.
2. Часть памяти забирает МК
Что это такое.
Когда мы разрешаем МК обрабатывать прерывания, он, начиная с нулевого адреса памяти, забирает часть ячеек для хранения в них адресов, по которым надо перейти МК для выполнения подпрограммы прерывания. Для каждого прерывания МК выделяет два байта памяти (одно слово) в которых хранятся адреса подпрограмм обработки прерываний. Вот эти адреса, которые указывают где находится в памяти подпрограмма обработки того, или иного прерывания, называются “векторами прерываний“. А вся область памяти, в которой хранятся “векторы прерываний”, называется таблицей векторов прерываний. Количество занятых ячеек памяти под прерывания зависит напрямую от количества возможных прерываний данного микроконтроллера (от нескольких штук, до нескольких десятков). Все прерывания располагаются в начале памяти программ, с нулевого адреса, и имеют четкую последовательность. По нулевому адресу всегда располагается вектор прерывания по “сбросу” (Reset). Когда мы включаем устройство, или производим сброс кнопкой, срабатывает прерывание по сбросу. МК считывает с нулевого адреса (с ячейки) адрес, который указывает где в памяти находится начало нашей программы, и перейдя по этому адресу начинает выполнять программу. Сама программа в этом случае будет располагаться в памяти программ сразу за таблицей прерываний.
3. МК забирает еще одну часть памяти программ (точнее не забирает, а выделяет область в конце памяти, в которой программист размещает специальную программу – “загрузчик”).
Такое возможно в МК семейства “MEGA”, у которых есть возможность разрешить МК вносить изменения в памяти программ. Что это значит.
Некоторые МК имеют возможность самопрограммироваться. В практике любителей такая возможность МК используется крайне редко. Возможность перепрограммироваться (самопрограммироваться) нужна, в основном, в случаях промышленного производства какого-то устройства на микроконтроллере, для которого потом может выпускаться обновление программного обеспечения. Мы эту возможность рассматривать не будем, по крайней мере пока.
– верхняя – секция прикладной программы, где располагается наша программа и векторы прерываний
– нижняя – секция загрузчика (Boot Loader Section – по английски), где программист располагает свою программу-загрузчик. Размер секции загрузчика зависит от общего размера памяти программ МК, и может составлять от 128 байт до 4096 байт. Если возможность самопрограммирования МК мы не используем, то эта секция отдается для нашей программы и данных.
Ну а FLASH-памятью память программ называют потому, что она делается по так называемой Flash-технологии (как и всем нам привычные компьютерные “флешки”)
Память программ допускает 10 тысяч циклов перепрограммирования.
Память данных (Статическое ОЗУ, SRAM)
Оперативно-запоминающее устройство, оно же память данных типа SRAM, предназначена для хранения в ней различных данных, получаемых в результате работы программы.
При выключении питания микроконтроллера, все данные хранящиеся в ней теряются.
Память данных есть почти во всех микроконтроллерах (отсутствует у простейших МК семейства Tiny).
Во всех МК семейства Mega (и части МК семейства Tiny) объем встроенной памяти данных колеблется от 128 байт до 8 килобайт, и почти вся она отдана в наше полное распоряжение. Только немножко забирает себе МК для организации стека (что это такое узнаем позднее). В некоторых МК предусмотрено подключение внешней памяти (она может быть любого типа – FLASH, SRAM, EEPROM) объемом до 64 килобайт. В случае подключения внешней памяти в таких МК, она становится как-бы продолжением памяти данных.
Энергонезависимая память (EEPROM)
Энергонезависимая память также относится к памяти данных, но в отличие от последней имеет несколько особенностей. Предназначена она для хранения данных и констант, которые должны сохраняться при отсутствии питания.
EEPROM имеют все микроконтроллеры.
При выключении питания микроконтроллера все данные, хранящиеся в энергонезависимой памяти сохраняются (поэтому она и называется энергонезависимой).
Объем энергонезависимой памяти, в зависимости от типа МК, колеблется от 64 байт до 4 килобайт.
Запись и чтение информации в память производится побайтно. Однако в старших моделях семейства MEGA, энергонезависимая память, так же как и память программ, имеет страничную запись. Объем страницы небольшой, составляет всего 4 байта. На практике эта особенность не имеет значения – и запись, и чтение осуществляется все равно побайтно.
Число циклов записи и стирания памяти достигает 100 000.
Главная особенность EEPROM заключается в том, что при записи в нее данных она становится очень “медленной” – запись одного байта может продолжаться от 2 до 4 миллисекунд (это очень низкая скорость), и может случиться, к примеру, что во время записи сработает какое-либо прерывание и в этом случае процесс записи данных будет загублен.
Кроме того, не рекомендуется записывать данные в энергонезависимую память с нулевого адреса (не помню источника этих сведений, но точно помню, что где-то читал) – возможно повреждение данных в ходе работы МК. Иногда программисты отступают на несколько байт от начала памяти, и только в следующих ячейках начинают запись данных.
Предыдущие статьи:
♦ Микроконтроллер и как его победить
♦ Микроконтроллер и системы счисления
♦ Микроконтроллер и логические операции
♦ Общее устройство микроконтроллера
Следующие статьи:
♦ Регистры общего назначения, регистры ввода/вывода, стек, счетчик команд
♦ Регистр состояния SREG
♦ Порты ввода/вывода микроконтроллера
radio-stv.ru
память программ, память данных, регистры — Мегаобучалка
В микроконтроллерах используется три основных вида памяти – это память программ, память данных и регистры. Память программ представляет собой постоянную память (ПЗУ), предназначенную для хранения программного кода (команд). Ее содержание в ходе выполнения программы не изменяется. Память данных предназначена для хранения переменных в процессе выполнения программы. Регистры МК – этот вид памяти включает в себя внутренние регистры процессора и регистры, которые служат для управления периферийными устройствами (регистры специальных функций).
Память программ
Основным свойством памяти программ является ее энергонезависимость, то есть возможность хранения программы при отсутствия питания. С момента появления МК технология энергонезависимых запоминающих устройств претерпела множество изменений, которые позволили не только повысить информационную емкость, быстродействие, надежность хранения информации, но и привели к появлению принципиально новых технологий программирования памяти МК. С точки зрения пользователей МК следует различать пять типов энергонезависимой памяти программ.
1. ПЗУ масочного типа – Mask ROM. Содержание ячеек ПЗУ этого типа заносится на заводе-изготовителе МК с помощью масок и не может быть заменено или «допрограммировано». Поэтому МК с такой памятью программ следует использовать только после достаточно длительной опытной эксплуатации. Основным недостатком данной памяти является необходимость значительных затрат на создание нового комплекта фотошаблонов и их внедрение в производство. Обычно такой процесс занимает 2 – 3 месяца и является экономически выгодным только при выпуске несколько десятков тысяч приборов. Достоинством ПЗУ масочного типа является высокая надежность хранения информации по причине программирования в заводских условиях с последующим контролем качества.
2. ПЗУ, однократно программируемые пользователем – OTPROM (One-Time Programmable ROM). В незапрограммированном состоянии каждая ячейка памяти однократно программируемого ПЗУ при считывании возвращает код FFh. Программированию подлежат только те разряды, которые должны содержать «0». Если в процессе программирования некоторые разряды какой-либо ячейки памяти были установлены в «0», то восстановить в этих разрядах единичное значение уже невозможно. Поэтому рассматриваемый тип памяти и носит название «однократно программируемые ПЗУ». Технология записи информации состоит в многократном приложении импульсов повышенного напряжения к элементарным ячейкам байта памяти (т.е. к битам), подлежащим программированию. МК с однократно программируемым ПЗУ рекомендуется использовать в изделиях, выпускаемых небольшими партиями.
3. ПЗУ, программируемые пользователем с ультрафиолетовым стиранием – EPROM (Erasable Programmable ROM). ПЗУ данного типа программируются электрическим сигналами и стираются с помощью ультрафиолетового облучения. Ячейка памяти EPROM представляет собой МОП-транзистор с «плавающим» затвором, заряд на который переносится с управляющего затвора при подаче на него высокого напряжения. При этом МОП-транзистор переключается в открытое состояние, и при обращении к ячейке считывается «0». Для стирания содержимого ячейки она облучается ультрафиолетовым светом, который сообщает заряду на плавающем затворе энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера и стекания на подложку. Этот процесс может занимать от десятков секунд до нескольких минут. Число циклов стирания/программирования ПЗУ данного типа ограничено и составляет 15-25 раз. Обычно микросхемы EPROM выпускаются в керамическом корпусе с кварцевым окошком для доступа ультрафиолетового света. МК с ПЗУ данного типа имеют высокую стоимость, поэтому их рекомендуется использовать только в опытных образцах изделий.
4. ПЗУ, программируемые пользователем с электрическим стиранием – EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM). Электрически программируемые и электрически стираемые ПЗУ совместили в себе положительные качества рассмотренных выше типов памяти. Максимальное число циклов стирания/программирования ПЗУ типа EEPROM в составе МК обычно равно 100000. Эта память позволяет реализовать побайтное стирание и побайтное программирование. По цене ЕEPROM занимают среднее положение между OTPROM и EPROM. Основное преимущество использования ЕEPROM заключается в том, что можно многократно стирать и программировать МК, не снимая его с платы. Таким способом можно производить отладку и модернизацию программного обеспечения. Это дает огромный выигрыш на начальных стадиях разработки микроконтроллерных устройств или в процессе их изучения, когда много времени уходит на поиск причин программ. Несмотря на очевидные преимущества, только в редких моделях современных МК такая память используется для хранения программ. Связано это с тем, что во-первых, ПЗУ типа ЕEPROM имеют ограниченную емкость и могут использоваться в качестве резидентной памяти программ только в маловыводных МК с небольшим объемом памяти. Во-вторых, почти одновременно с ЕEPROM появились ПЗУ типа Flash, которые при сходных потребительских характеристиках имеют более низкую стоимость.
5. ПЗУ с электрическим стиранием типа Flash – Flash ROM. Электрически программируемые и электрически стираемые ПЗУ типа Flash функционально мало отличаются от ЕEPROM. Основное отличие состоит в способе стирания записанной информации. Для увеличения объема памяти транзистор адресации каждой элементарной ячейки был удален, что не дает возможности программировать каждый бит памяти отдельно. Память типа Flash стирается и программируется страницами или блоками. Страница, как правило, составляет 8, 16 или 32 байта памяти, блоки могут объединять некоторое число страниц, вплоть до полного объема резидентного ПЗУ МК. Если необходимо изменить содержимое одной ячейки Flash-памяти, потребуется перепрограммировать весь блок. Упрощение декодирующих схем, произошедшее из-за уменьшения числа транзисторов, и, как следствие, снижение стоимости и размеров привели к тому, что МК с Flash-памятью в настоящее время становятся конкурентоспособными не только по отношению к МК с однократно программируемыми ПЗУ, но и с масочными ПЗУ также.
Выше отмечалось, что ЕEPROM ПЗУ практически никогда не используется для хранения программ, но оно имеет режим побайтного программирования. Данное обстоятельство сделало ЕEPROM идеальным энергонезависимым запоминающим устройством для хранения изменяемых в процессе эксплуатации изделия настроек пользователя. В качестве примера достаточно вспомнить современный телевизор: настройки каналов сохраняются при отключении питания. Одной из тенденций совершенствования резидентной памяти 8-разрядных МК стала интеграция на кристалл МК сразу двух моделей энергонезависимой памяти: OTPROM или Flash ROM – для хранения программ и EЕPROM – для хранения перепрограммируемых констант.
Память данных
Память данных (ПД) микроконтроллеров предназначена для хранения промежуточных данных в ходе выполнения программы. В современных микроконтроллерах память данных подразделяется по выполняемым функция и способу реализации на два вида:
1) оперативная память – ОЗУ;
2) память хранения данных в EEPROM.
Оперативная память (англоязычный термин RAM) является ОЗУ статического типа, так как ячейки ее выполняются на основе триггеров. Эта память энергозависима, так как ее содержимое теряется при выключении электропитания. Достоинством статического ОЗУ является высокое быстродействие, простота управления памятью. Однако такое ОЗУ имеет существенные недостатки: большое энергопотребление и большое количество активных компонентов (транзисторов), необходимых для ее реализации. Объем оперативной памяти данных МК, как правило, невелик и составляет обычно десятки или сотни байт.
Второй вид ПД – это память хранения данных в EEPROM. Эту память можно использовать для данных, которые необходимо сохранить при выключении электропитания, а также неоперативных данных. Неоперативными данными могут быть настроечные параметры, изменяемые константы. Объем памяти хранения данных небольшой и обычно составляет несколько десятков байт. Эту память нельзя использовать в качестве оперативной. Во-первых, она является очень «медленной». Так время записи в ее ячейку составляет несколько миллисекунд. Во-вторых, она имеет ограниченное количество циклов записи-стирания.
Регистры МК
Подобно всем МПС микроконтроллеры имеют набор регистров, которые используются для управления их ресурсами. В число этих регистров входят обычно регистры процессора (аккумулятор, регистр состояния, индексные регистры), регистры управления (управления прерываниями, таймером), регистры, обеспечивающие ввод/вывод данных (регистры данных портов, регистры управления параллельным, последовательным или аналоговым вводом/выводом). Обращение к этим регистрам может производиться различными способами, а это оказывает существенное влияние на производительность.
В МК с RISC-процессором все регистры (часто и аккумулятор) располагаются по явно задаваемым адресам. Это обеспечивает более высокую гибкость при работе процессора.
Одним из важнейших вопросов является размещение регистров в адресном пространстве МК. В некоторых МК все регистры и память данных располагаются в одном адресном пространстве. Это означает, что память данных совмещена с регистрами. Такой подход называется «отображением ресурсов МК на память».
В других МК адресное пространство устройств ввода/вывода отделено от пространства памяти. Отдельное пространство ввода/вывода дает некоторое преимущество процессорам с Гарвардской архитектурой, обеспечивая возможность считывать команду во время обращения к регистру ввода/вывода.
megaobuchalka.ru
4.3. Регистры микроконтроллера. Пространство ввода-вывода
Процессоры Гарвардской архитектуры могут иметь три области памяти, которые адресуются параллельно (в одно и тоже время): 1) память программ, 2) память данных, включающая пространство ввода-вывода, и 3) стек.
В Гарвардской архитектуре стековые операции могут производиться в памяти, специально выделенной для этой цели. Это означает, что при выполнении команды вызова подпрограммы «call» процессор с Гарвардской архитектурой выполняет несколько действий одновременно. В Принстонской архитектуре при выполнении команды «call» следующая команда выбирается после того, как в стек будет помещено содержимое программного счетчика.
Необходимо помнить, что микроконтроллеры обоих архитектур имеют ограниченную емкость памяти для хранения данных. Превышение этого предела может вызвать проблемы при выполнении программы.
Если в процессоре выделен отдельный стек, и объем записанных в него данных превышает его емкость, то происходит циклическое изменение содержимого указателя стека, и указатель стека начинает ссылаться на ранее заполненную ячейку стека. Это означает, что после слишком большого количества команд «call» в стеке окажется неправильный адрес возврата, который был записан вместо правильного адреса. Если микропроцессор использует общую область памяти для размещения данных и стека, то существует опасность, что при переполнении стека произойдет запись в область данных либо будет сделана попытка записи загружаемых в стек данных в область ROM.
Подобно всем компьютерным системам, микроконтроллеры имеют множество регистров, которые используются для управлением различными устройствами, подключенными к процессору. Это могут быть регистры процессора (аккумулятор, регистры состояния, индексные регистры), регистры управления (регистры управления прерываниями, регистры управления таймером) или регистры, обеспечивающие ввод-вывод данных (регистры данных и регистры управления параллельным, последовательным или аналоговым вводом-выводом). Обращение к этим регистрам может производиться различными способами.
Реализуемые микроконтроллером способы обращения к регистрам оказывают существенное влияние на их производительность. Поэтому очень важно понять, как происходит обращение к регистрам, чтобы писать эффективные прикладные программы для микроконтроллеров. В процессорах с RISC-архитектурой все регистры (часто и аккумулятор) располагаются по явно задаваемым адресам. Это обеспечивает более высокую гибкость при работе процессора.
Используя процессор, который может непосредственно обращаться к любому регистру, можно получить преимущество при разработке простых прикладных программ.
Одним из важных вопросов является размещение регистров в адресном пространстве. В некоторых процессорах все регистры и RAM располагаются в одном адресном пространстве. Это означает, что память совмещена с регистрами. Такой подход называется «отображением устройств ввода-вывода на память».
19
В других процессорах адресное пространство для устройств ввода-вывода отделено от общего пространства памяти. Основное преимущество размещения регистров ввода-вывода в отдельном пространстве адресов состоит в том, что при этом упрощается схема подключения памяти программ и данных к общей шине. Устройства ввода-вывода обычно занимают маленький блок адресов, что делает неудобным декодирование их адреса совместно с большими блоками основной памяти. Отдельное пространство ввода-вывода дает некоторое преимущество процессорам с Гарвардской архитектурой, обеспечивая возможность считывать команду во время обращения к регистру ввода-вывода.
После всего вышесказанного можно сказать, что Гарвардская архитектура с регистрами и переменными, размещенными в отдельных адресных пространствах, является наиболее эффективной. Однако имеется ряд причин, по которым использование микроконтроллеров Принстонской архитектуры с отображением устройств вво- да-вывода на память может оказаться для некоторых применений более предпочтительным.
4.4. Внешняя память
Несмотря на огромные преимущества использования внутренней встроенной памяти, в некоторых случаях необходимо подключение к микроконтроллеру дополнительной внешней памяти (как памяти программ, так и данных). Существуют два основных способа подключения внешней памяти. Первый способ – подключение внешней памяти к микроконтроллеру как к микропроцессору. Многие микроконтроллеры содержат специальные аппаратные средства для такого подключения. Второй способ состоит в том, чтобы подключить память к устройствам вводавывода и реализовать обращение к памяти через эти устройства программными средствами. Такой способ позволяет использовать простые устройства ввода-вывода без реализации сложных шинных интерфейсов. Выбор наилучшего из этих способов зависит от конкретного приложения.
20
studfile.net
Память программ
Количество просмотров публикации Память программ – 253
Типы памяти микроконтроллеров
Можно выделить три базовых вида памяти, используемой в микроконтроллерах. Память программ представляет собой постоянную память, предназначенную для хранения программного кода и констант. Эта память не изменяет своего содержимого в процессе выполнения программы. Память данных предназначена для хранения переменных в ходе выполнения программы. Регистры микроконтроллера – данный вид памяти включает внутренние регистры процессора и регистры, которые служат для управления периферийными устройствами.
Вас, возможно, удивит малый объём памяти микроконтроллеров. Далее вы увидите, что это не является их существенным недостатком. Но при первом знакомстве данная особенность действительно вызывает удивление, особенно, в случае если сравнивать микроконтроллеры с современными персональными компьютерами, которые содержат десятки мегабайт памяти.
Для хранения программ обычно служит один из видов постоянной памяти:
PROM (однократно-программируемое ПЗУ), EPROM (электрически программируемое ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием), EEPROM (ПЗУ с электрической записью и стиранием, к этому виду относятся также современные микросхемы Flash-памяти) или ROM (масочно-программируемое ПЗУ). Все эти виды памяти являются энергонезависимыми – это означает, что содержимое памяти сохраняется после выключения питания микроконтроллера. Такая память необходима, так как микроконтроллер не содержит каких-либо устройств массовой памяти (магнитных дисков), с которых загружается программа в компьютерах. Программа постоянно хранится в микроконтроллере.
В процессе выполнения программа считывается из этой памяти, а блок управления (дешифратор команд) обеспечивает ее декодирование и выполнение необходимых операций. Содержимое памяти программ не может меняться (перепрограммироваться) во время выполнения программы. По этой причине функциональное назначение микроконтроллера не может измениться, пока содержимое его памяти программ не будет стерто (если это возможно) и перепрограммировано (заполнено новыми командами).
Следует обратить внимание, что разрядность микроконтроллера (8, 16 или 32 бит) указывается в соответствии с разрядностью его шины данных. В Гарвардской архитектуре команды могут иметь большую разрядность, чем данные, чтобы дать возможность считывать за один такт целую команду. Например, микроконтроллеры PIC исходя из модели используют команды с разрядностью 12, 14 или 16 бит. В микроконтроллерах AVR команда всегда имеет разрядность 16 бит. При этом все эти микроконтроллеры имеют шину данных разрядностью 8 бит.
В устройствах с Принстонской архитектурой разрядность данных обычно определяет разрядность (число линий) используемой шины. В микроконтроллерах Motorola 68HC05 24-разрядная команда размещается в трех 8-разрядных ячейках памяти программ. Для полной выборки такой команды крайне важно произвести три цикла считывания этой памяти.
Когда говорится, что устройство является 8-разрядным, это означает разрядность данных, которые способен обрабатывать микроконтроллер.
Память ROM (ПЗУ) используется тогда, когда программный код заносится в микроконтроллер на этапе его производства. Предварительно программа отлаживается и тестируется, после чего передается фирме-производителю, где программа преобразуется в рисунок маски на стеклянном фотошаблоне. Полученный фотошаблон с маской используется в процессе создания соединений между элементами, из которых состоит память программ. По этой причине такую память часто называют масочно-программируемой ROM.
ROM является самым дешевым типом постоянной памяти для массового производства. При этом она имеет ряд существенных недостатков, которые привели к тому, что в последние годы данный тип памяти почти не используется. Основными недостатками являются значительные затраты средств и времени на создание нового комплекта фотошаблонов и их внедрение в производство. Обычно такой процесс занимает около десяти недель и является экономически выгодным при выпуске десятков тысяч приборов. Только при таких объёмах производства обеспечивается преимущество ROM по сравнению с E(E)PROM. Существует также ограничение, связанное с возможностью использования таких микроконтроллеров только в определенной сфере применения, так как его программа обеспечивает выполнение жестко фиксированной последовательности операций, и не должна быть использована для решения каких-либо других задач.
Электрически программируемая память EPROM состоит из ячеек, которые программируются электрическими сигналами и стираются с помощью ультрафиолетового света. Память PROM должна быть запрограммирована только один раз. Эта память обычно содержит плавкие перемычки, которые пережигаются во время программирования. Сегодня такая память используется очень редко.
Ячейка памяти EPROM представляет собой МOS-транзистор с плавающим затвором, который окружен диоксидом кремния (SiO2). Сток транзистора соединен с ʼʼземлейʼʼ, а исток подключен к напряжению питания с помощью резистора. В стертом состоянии (до записи) плавающий затвор не содержит заряда, и МOS-транзистор закрыт. В этом случае на истоке поддерживается высокий потенциал, и при обращении к ячейке считывается логическая единица. Программирование памяти сводится к записи в соответствующие ячейки логических нулей.
Программирование осуществляется путем подачи на управляющий затвор высокого напряжения (рис 1.7). Этого напряжения должно быть достаточно, чтобы обеспечить пробой между управляющим и плавающим затвором, после чего заряд с управляющего затвора переносится на плавающий. MOS-транзистор переключается в открытое состояние, закорачивая исток с землей. В этом случае при обращении к ячейке считывается логический нуль.
Чтобы стереть содержимое ячейки, она освещается ультрафиолетовым светом, который дает заряду на плавающем затворе достаточную энергию, чтобы он мог покинуть затвор.
Размещено на реф.рф
Этот процесс может занимать от нескольких секунд до нескольких минут.
Рис 1.7 – Ячейка памяти EPROM.
Обычно, микросхемы EPROM производятся в керамическом корпусе с кварцевым окошком для доступа ультрафиолетового света. Такой корпус довольно дорог, что значительно увеличивает стоимость микросхемы. Для уменьшения цены микросхемы EPROM заключают в корпус без окошка (версия EPROM с однократным программированием). Сокращение стоимости при использовании таких корпусов должна быть настолько значительным, что эти версии EPROM в настоящее время часто используются вместо масочно-программируемых ROM.
Раньше микроконтроллеры программировались только с помощью параллельных протоколов, достаточно сложных для реализации. Сегодня протоколы программирования современной EPROM и EEPROM памяти существенно изменились, что позволило выполнять программирование микроконтроллера непосредственно в составе системе, где он работает. Такой способ программирования получил название ʼʼin-system programmingʼʼ или ʼʼISPʼʼ. ISP-микроконтроллеры бывают запрограммированы после того, как их припаяли на плату. При этом сокращаются расходы на программирование, так как нет крайне важно сти в использовании специального оборудования – программаторов.
Память EEPROM (Electrically Erasable Programmable Memory – электрически стираемая программируемая память) можно считать новым поколением EPROM памяти. В такой памяти ячейка стирается не ультрафиолетовым светом, а путем электрического соединения плавающего затвора с ʼʼземлейʼʼ. Использование EEPROM позволяет стирать и программировать микроконтроллер, не снимая его с платы. Таким способом можно периодически обновлять его программное обеспечение.
Память EEPROM более дорогая, чем EPROM (в два раза дороже EPROM с однократным программированием). EEPROM работает немного медленнее, чем EPROM.
Основное преимущество использования памяти EEPROM состоит в возможности ее многократного перепрограммирования без удаления из платы. Это дает огромный выигрыш на начальных этапах разработки систем на базе микроконтроллеров или в процессе их изучения, когда масса времени уходит на многократный поиск причин неработоспособности системы и выполнение последующих циклов стирания-программирования памяти программ.
Функционально Flash-память мало отличается от EEPROM. Основное различие состоит в способе стирания записанной информации. В памяти EEPROM стирание производится отдельно для каждой ячейки, а во Flash-памяти стирание осуществляется целыми блоками. В случае если Вы хотите изменить содержимое одной ячейки Flash-памяти, то Вам потребуется перепрограммировать целый блок (или всю микросхему). В микроконтроллерах с памятью EEPROM можно изменять отдельные участки программы без крайне важно сти перепрограммировать все устройство.
Часто указывается, что микроконтроллер имеет Flash-память, хотя на самом деле он содержит EEPROM. Сегодня между этими типами памяти имеется мало различий, в связи с этим некоторые производители используют эти термины как эквивалентные.
referatwork.ru
Типы памяти микроконтроллеров – Информатика – Қазақша рефераттар – Қазақша тесттер мен шпорлар
загрузка…
Типы памяти микроконтроллеров. Память программ, память данных, внешняя память, регистры МК, стек.
В МК используется три основных вида памяти. Память программ представляет собой постоянную память (ПЗУ), предназначенную для хранения программного кода (команд) и констант. Ее содержимое в ходе выполнения программы не изменяется. Память данных предназначена для хранения переменных в процессе выполнения программы и представляет собой ОЗУ. Регистры МК — этот вид памяти включает в себя внутренние регистры процессора и регистры, которые служат для управления периферийными устройствами (регистры специальных функций).
Память программ
Основным свойством памяти программ является ее энергонезависимость, то есть возможность хранения программы при отсутствии питания. С точки зрения пользователей МК следует различать следующие типы энергонезависимой памяти программ: (ROM,EPROM,PROM, EEPROM, Flash-ROM)
Память данных
Память данных МК выполняется, как правило, на основе статического ОЗУ. Термин “статическое” означает, что содержимое ячеек ОЗУ сохраняется при снижении тактовой частоты МК до сколь угодно малых значений (с целью снижения энергопотребления).
Регистры МК
Как и все МПС, МК имеют набор регистров, которые используются для управления его ресурсами. В число этих регистров входят обычно регистры процессора (аккумулятор, регистры состояния, индексные регистры), регистры управления (регистры управления прерываниями, таймером), регистры, обеспечивающие ввод/вывод данных (регистры данных портов, регистры управления параллельным, последовательным или аналоговым вводом/выводом). Обращение к этим регистрам может производиться по-разному.
Стек МК
В микроконтроллерах ОЗУ данных используется также для организации вызова подпрограмм и обработки прерываний. При этих операциях содержимое программного счетчика и основных регистров (аккумулятор, регистр состояния и другие) сохраняется и затем восстанавливается при возврате к основной программе.
Внешняя память
Несмотря на существующую тенденцию по переходу к закрытой архитектуре МК, в некоторых случаях возникает необходимость подключения дополнительной внешней памяти (как памяти программ, так и данных). Если МК содержит специальные аппаратные средства для подключения внешней памяти, то эта операция производится штатным способом (как для МП).Второй, более универсальный, способ заключается в том, чтобы использовать порты ввода/вывода для подключения внешней памяти и реализовать обращение к памяти программными средствами. Такой способ позволяет задействовать простые устройства ввода/вывода без реализации сложных шинных интерфейсов, однако приводит к снижению быстродействия системы при обращении к внешней памяти.
Ұнады ма? Онда достарыңмен бөліс!
referatikz.ru
память программ, память данных, регистры.
⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 12Следующая ⇒
В микроконтроллерах используется три основных вида памяти – это память программ, память данных и регистры. Память программ представляет собой постоянную память (ПЗУ), предназначенную для хранения программного кода (команд). Ее содержание в ходе выполнения программы не изменяется. Память данных предназначена для хранения переменных в процессе выполнения программы. Регистры МК – этот вид памяти включает в себя внутренние регистры процессора и регистры, которые служат для управления периферийными устройствами (регистры специальных функций).
Память программ
Основным свойством памяти программ является ее энергонезависимость, то есть возможность хранения программы при отсутствия питания. С момента появления МК технология энергонезависимых запоминающих устройств претерпела множество изменений, которые позволили не только повысить информационную емкость, быстродействие, надежность хранения информации, но и привели к появлению принципиально новых технологий программирования памяти МК. С точки зрения пользователей МК следует различать пять типов энергонезависимой памяти программ.
1. ПЗУ масочного типа – Mask ROM. Содержание ячеек ПЗУ этого типа заносится на заводе-изготовителе МК с помощью масок и не может быть заменено или «допрограммировано». Поэтому МК с такой памятью программ следует использовать только после достаточно длительной опытной эксплуатации. Основным недостатком данной памяти является необходимость значительных затрат на создание нового комплекта фотошаблонов и их внедрение в производство. Обычно такой процесс занимает 2 – 3 месяца и является экономически выгодным только при выпуске несколько десятков тысяч приборов. Достоинством ПЗУ масочного типа является высокая надежность хранения информации по причине программирования в заводских условиях с последующим контролем качества.
2. ПЗУ, однократно программируемые пользователем – OTPROM (One-Time Programmable ROM). В незапрограммированном состоянии каждая ячейка памяти однократно программируемого ПЗУ при считывании возвращает код FFh. Программированию подлежат только те разряды, которые должны содержать «0». Если в процессе программирования некоторые разряды какой-либо ячейки памяти были установлены в «0», то восстановить в этих разрядах единичное значение уже невозможно. Поэтому рассматриваемый тип памяти и носит название «однократно программируемые ПЗУ». Технология записи информации состоит в многократном приложении импульсов повышенного напряжения к элементарным ячейкам байта памяти (т.е. к битам), подлежащим программированию. МК с однократно программируемым ПЗУ рекомендуется использовать в изделиях, выпускаемых небольшими партиями.
3. ПЗУ, программируемые пользователем с ультрафиолетовым стиранием – EPROM (Erasable Programmable ROM). ПЗУ данного типа программируются электрическим сигналами и стираются с помощью ультрафиолетового облучения. Ячейка памяти EPROM представляет собой МОП-транзистор с «плавающим» затвором, заряд на который переносится с управляющего затвора при подаче на него высокого напряжения. При этом МОП-транзистор переключается в открытое состояние, и при обращении к ячейке считывается «0». Для стирания содержимого ячейки она облучается ультрафиолетовым светом, который сообщает заряду на плавающем затворе энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера и стекания на подложку. Этот процесс может занимать от десятков секунд до нескольких минут. Число циклов стирания/программирования ПЗУ данного типа ограничено и составляет 15-25 раз. Обычно микросхемы EPROM выпускаются в керамическом корпусе с кварцевым окошком для доступа ультрафиолетового света. МК с ПЗУ данного типа имеют высокую стоимость, поэтому их рекомендуется использовать только в опытных образцах изделий.
4. ПЗУ, программируемые пользователем с электрическим стиранием – EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM). Электрически программируемые и электрически стираемые ПЗУ совместили в себе положительные качества рассмотренных выше типов памяти. Максимальное число циклов стирания/программирования ПЗУ типа EEPROM в составе МК обычно равно 100000. Эта память позволяет реализовать побайтное стирание и побайтное программирование. По цене ЕEPROM занимают среднее положение между OTPROM и EPROM. Основное преимущество использования ЕEPROM заключается в том, что можно многократно стирать и программировать МК, не снимая его с платы. Таким способом можно производить отладку и модернизацию программного обеспечения. Это дает огромный выигрыш на начальных стадиях разработки микроконтроллерных устройств или в процессе их изучения, когда много времени уходит на поиск причин программ. Несмотря на очевидные преимущества, только в редких моделях современных МК такая память используется для хранения программ. Связано это с тем, что во-первых, ПЗУ типа ЕEPROM имеют ограниченную емкость и могут использоваться в качестве резидентной памяти программ только в маловыводных МК с небольшим объемом памяти. Во-вторых, почти одновременно с ЕEPROM появились ПЗУ типа Flash, которые при сходных потребительских характеристиках имеют более низкую стоимость.
5. ПЗУ с электрическим стиранием типа Flash – Flash ROM. Электрически программируемые и электрически стираемые ПЗУ типа Flash функционально мало отличаются от ЕEPROM. Основное отличие состоит в способе стирания записанной информации. Для увеличения объема памяти транзистор адресации каждой элементарной ячейки был удален, что не дает возможности программировать каждый бит памяти отдельно. Память типа Flash стирается и программируется страницами или блоками. Страница, как правило, составляет 8, 16 или 32 байта памяти, блоки могут объединять некоторое число страниц, вплоть до полного объема резидентного ПЗУ МК. Если необходимо изменить содержимое одной ячейки Flash-памяти, потребуется перепрограммировать весь блок. Упрощение декодирующих схем, произошедшее из-за уменьшения числа транзисторов, и, как следствие, снижение стоимости и размеров привели к тому, что МК с Flash-памятью в настоящее время становятся конкурентоспособными не только по отношению к МК с однократно программируемыми ПЗУ, но и с масочными ПЗУ также.
Выше отмечалось, что ЕEPROM ПЗУ практически никогда не используется для хранения программ, но оно имеет режим побайтного программирования. Данное обстоятельство сделало ЕEPROM идеальным энергонезависимым запоминающим устройством для хранения изменяемых в процессе эксплуатации изделия настроек пользователя. В качестве примера достаточно вспомнить современный телевизор: настройки каналов сохраняются при отключении питания. Одной из тенденций совершенствования резидентной памяти 8-разрядных МК стала интеграция на кристалл МК сразу двух моделей энергонезависимой памяти: OTPROM или Flash ROM – для хранения программ и EЕPROM – для хранения перепрограммируемых констант.
Память данных
Память данных (ПД) микроконтроллеров предназначена для хранения промежуточных данных в ходе выполнения программы. В современных микроконтроллерах память данных подразделяется по выполняемым функция и способу реализации на два вида:
1) оперативная память – ОЗУ;
2) память хранения данных в EEPROM.
Оперативная память (англоязычный термин RAM) является ОЗУ статического типа, так как ячейки ее выполняются на основе триггеров. Эта память энергозависима, так как ее содержимое теряется при выключении электропитания. Достоинством статического ОЗУ является высокое быстродействие, простота управления памятью. Однако такое ОЗУ имеет существенные недостатки: большое энергопотребление и большое количество активных компонентов (транзисторов), необходимых для ее реализации. Объем оперативной памяти данных МК, как правило, невелик и составляет обычно десятки или сотни байт.
Второй вид ПД – это память хранения данных в EEPROM. Эту память можно использовать для данных, которые необходимо сохранить при выключении электропитания, а также неоперативных данных. Неоперативными данными могут быть настроечные параметры, изменяемые константы. Объем памяти хранения данных небольшой и обычно составляет несколько десятков байт. Эту память нельзя использовать в качестве оперативной. Во-первых, она является очень «медленной». Так время записи в ее ячейку составляет несколько миллисекунд. Во-вторых, она имеет ограниченное количество циклов записи-стирания.
Регистры МК
Подобно всем МПС микроконтроллеры имеют набор регистров, которые используются для управления их ресурсами. В число этих регистров входят обычно регистры процессора (аккумулятор, регистр состояния, индексные регистры), регистры управления (управления прерываниями, таймером), регистры, обеспечивающие ввод/вывод данных (регистры данных портов, регистры управления параллельным, последовательным или аналоговым вводом/выводом). Обращение к этим регистрам может производиться различными способами, а это оказывает существенное влияние на производительность.
В МК с RISC-процессором все регистры (часто и аккумулятор) располагаются по явно задаваемым адресам. Это обеспечивает более высокую гибкость при работе процессора.
Одним из важнейших вопросов является размещение регистров в адресном пространстве МК. В некоторых МК все регистры и память данных располагаются в одном адресном пространстве. Это означает, что память данных совмещена с регистрами. Такой подход называется «отображением ресурсов МК на память».
В других МК адресное пространство устройств ввода/вывода отделено от пространства памяти. Отдельное пространство ввода/вывода дает некоторое преимущество процессорам с Гарвардской архитектурой, обеспечивая возможность считывать команду во время обращения к регистру ввода/вывода.
Рекомендуемые страницы:
lektsia.com
Оперативная память, краткий обзор – Изучаем AVR – Каталог статей – Микроконтроллеры
Оперативная память микроконтроллеров AVR реализована в виде статической памяти RAM (SRAM). Статической она называется потому, что регенерация находящихся в памяти данных не происходит. Данные, находящиеся в SRAM не сохраняются после отключения напряжения питания микроконтроллера, именно поэтому она и называется оперативной памятью. Объем ОЗУ микроконтроллеров AVR составляет от 128 байт (в моделях семейства tiny) до 4-8 кбайт в поздних представителях семейства mega. Ячейки ОЗУ адресуются побайтно, следовательно, для адресации, например 8 кбайт памяти, достаточно 2-байтного адреса.
ОЗУ микроконтроллеров AVR состоит из набора 8-разрядных регистров, пронумерованных по порядку, и делится условно на несколько областей. Порядковый номер регистра в области SRAM есть не что иное, как его адрес. Организация оперативной памяти представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 — Организация оперативной памяти микроконтроллеров AVR
Регистры общего назначения
Первые 32 адреса SRAM занимают регистры общего назначения, те самые, что входят в состав CPU и непосредственно связаны с АЛУ. Данные регистры являются рабочей областью. Сначала сюда заносятся различные данные (это могут быть данные из какого-либо периферийного устройства или какая-то константа). Затем посредством АЛУ выполняются требуемые операции. Результат операции может быть отправлен из регистра общего назначения в периферийное устройство. Здесь также могут быть выделены регистры под промежуточные значения и буферные регистры. Шесть последних регистров общего назначения образуют три регистровых пары — 16-разрядные регистры X, Y и Z. Структура этих регистров представлена на следующем рисунке.
Рисунок 2 — Структура регистровых пар X, Y, Z
Как видно из рисунка, 16-разрядный регистр Х образован парой регистров общего назначения R26-R27, причем его младшим байтом XL (от low) является регистр R26, ну а старшим XH — регистр R27. Аналогичные заключения справедливы и для регистров Y и Z. При использовании специальных команд данные регистры можно использовать в качестве указателей адресов, например, при обращении к ячейкам памяти SRAM. С помощью регистра Z удобно извлекать различные константы, хранящиеся в памяти программ.
Регистры ввода/вывода
Непосредственно за регистрами общего назначения располагается область 64 регистров ввода/вывода. В данной области памяти располагаются регистры, посредством которых обеспечивается доступ ко всем периферийным устройствам. С помощью этих регистров осуществляется управление, настройка и запуск необходимых модулей, а также получение информации об их состоянии. Таблица регистров ввода/вывода может быть получена из технической документации на конкретный микроконтроллер. Для старших моделей Mega со сложной структурой (например, ATmega128) 64-х регистров ввода/вывода может оказаться недостаточно, поэтому для этих целей выделяется еще 160 дополнительных регистров (в адресном пространстве от $0060 до $00FF).
Внутреннее ОЗУ
Сразу за областью регистров ввода/вывода располагается непосредственно внутреннее ОЗУ данных микроконтроллера. Эта область памяти используется для временного хранения некоторых переменных и констант, использующихся во время работы. Следует уточнить, что регистры ввода/вывода не отнимают адресное пространство у области внутреннего ОЗУ. Адреса внутренней оперативной памяти располагаются сразу поле адресов регистров ввода/вывода. А вот объем подключаемого внешнего ОЗУ всегда ограничен адресом $FFFF, и если в конкретной модели используется большое число регистров ввода/вывода, то объем возможной подключаемой внешней памяти уменьшается. Конечный адрес области внутреннего ОЗУ зависит от конкретной модели микроконтроллера и обычно обозначается константой RAMEND для удобства при программировании. В конце оперативной памяти обычно располагают программный стек, при отсутствии аппаратного.
Внешнее ОЗУ
Возможность подключения внешней оперативной памяти имеется только у некоторых моделей (ATmega8515, ATmega162, ATmega128, ATmega2560 и др.). Внешняя подключаемая память может быть любой статической разновидностью (FLASH, RAM, EEPROM) с параллельным интерфейсом. При подключении внешнего ОЗУ необходимо учитывать, что максимальный адрес ячейки ОЗУ, которую может использовать микроконтроллер, составляет $FFFF.
Таким образом, ОЗУ микроконтроллеров AVR условно делится на несколько областей:
– регистры общего назначения;
– регистры ввода/вывода,
– внутреннее ОЗУ и внешнее ОЗУ.
Регистры общего назначения используются для совершения различных операций с рабочими переменными, поэтому эти регистры можно называть рабочими. Регистры ввода/вывода позволяют нам работать с периферией. Ну а внутреннее и внешнее ОЗУ необходимы для временного хранения данных в процессе работы микроконтроллера.
easymcu.ucoz.ru
