I О

в

S О

е

т

§

(Л

.а

а

§ о. I-

о

§

Щ

о о. о

о

о о

ш

а о

CL О

i О

s о

a о

If i

6°

о

a. 6

5

§1

о

о

о

о

s is

5g N. Ti- CO

Ю

О

° F= 5 Si

f~ 00 ;з <o <

T с

CO J <o <

о

a. w.S

Ь < ra О -J IO

5 о

о

О

h-cc

о

CO CM

вь1Шбнии КОДОМ этого объема разработчикам приходится идти на ухищрения, применяя банкированную модель памяти. Банкирован-ная модель означает, что вся память программ разбивается на куски, называемыми банками. Объем каждого банка не должен превыптать 54 кбайта. Если подпрограмма, расположенная в одном банке, должна вызывать подпрограмму из другого банка, то такой вызов осуществляется через специальную процедуру, которая осуществляет корректное переключение текущего банка. Каждый вызов и возврат из хакой подпрограммы приводит к выполнению значительной части кода, связанного с переключением банка. Кроме того, приходится дублировать участки кода, отвечающие за обслуживание прерываний. Все это приводит к существенному разрастанию объема непроизводительного кода, к снижению быстродействия и общей удельной эффективности системы.

Ясно, что подобную проблему можно было бы устранить, если увеличить разрядность программного счетчика (PC), т. е. перейти от бан-кированного адресного пространства к линейному. Но как это сделать, находясь в жестких рамках стандартной архитектуры семейства 8051?

Фирма Philips предложила свое решение этой проблемы, разработав новое ядро 51 MX. Основные отличительные особенности архитектуры 51МХ от классического ядра 8051 заключаются в следующем:

разрядность программного счетчика увеличена до 23 разрядов, что обеспечивает прямой доступ к 8 Мбайт программной памяти;

разрядность указателя стека расширена до 16 бит, снято ограничение на размещение стека только во внутренней памяти данных, характерное для стандартного ядра 8051. Такое решение существенно повышает эффективность кода при использовании компиляторов языка высокого уровня;

добавлен расширенный указатель на память XDATA, 23-битный размер этого указателя обеспечивает быстрый доступ к 8 Мбайт памяти данных;

изменена логика работы двух инструкций: AJMP, ACALL. Эти команды, доставшиеся семейству 8051 в наследство от своего предшественника семейства MCS-48, работали с абсолютными адресами в пределах 2К, что препятствовало их реальному использованию в перемещаемых сегментах кода, в том числе во всех программах, написанных на языке высокого уровня. В ядре 51МХ коды этих инструкций выполняют функции длинного перехода и длинного вызова, обеспечивая передачу управления в любую точку 8-мегабайтного адресного пространства программного кода.

I R1

Ряа

On-chip andar

Off-chip Cods Memory

HJjJiEajsjglP.aa Pointer

PSW J

о 51 MX

ГЗ Classic 80CS1

0 Ш gnde Memory

- ...........>г-Ж^

External Data Memotv (ЮЛТА !, ЕОЛТЛ) 0-f.4KB (ХОЛТЛ)

{>4КВ.8МВ (НОЛТА)

Рис. 5

Структурная схема модели памяти нового ядра представлена на рис. 5.

Важнейшими достоинствами новой архитектуры является ее полная программная и аппаратная совместимость со стандартным ядром 8051. Это свойство очень важно при переходе с классических микроконтроллеров семейства 8051 на кристаллы с ядром 51МХ, т. к. оно позволяет использовать все наработки программного и аппаратного обеспечения, накопленные за долгие годы существования семейства 8051.

В настоящее время выпускаются два представителя группы 51 MX. Их основные характеристики представлены в табл. 5.

Таблица 5

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ PHILIPS СЕМЕЙСТВА 80С51ХД

Помимо ядра SlKdX, фирма Philips предложила еще одно оригинальное решение по развитию архитектуры семейства 8051, выпустив подсемейство микроконтроллеров с индексом 51ХА, что буквально переводится как расширенная архитектура 51 . В этом варианте разработчики Philips решили отказаться от достижения совместимости кодов инструкций нового микроконтроллера с существующим ядром семейства 8051. Такое решение, с одной стороны, сделало невозможным прямую подмену микроконтроллера семейства 8051 на 51ХА, но с другой стороны, развязало руки разработчикам для кардинальной переработки архитектуры на основе полноценного 16-разрядного ядра.

Основные характеристики семейства 8051ХА:

16-разрядное АЛУ на базе регистровой архитектуры;

24-разрядное адресное пространство (16 М,айт памяти) для памяти программ и данных;

восемь 16-разрядных регистров для выполнения арифметических и логических операций;

расширенный набор инструкций;

аппаратная поддержка мультизадачности;

выполнение инструкций типа регистр-регистр за 100 не;

напряжение питания - от 2,7 В.

Что же позволяет отнести этот совершенно оригинальный микроконтроллер к семейству 8051? Как мы уже упоминали, программное обеспечение 8051 напрямую непереносимо на ХА. Однако, каждой инструкции 8051 обязательно соответсвует ее аналог среди инструкций ХА. Существует специальная программа-транслятор исходного текста на ассемблере 8051 в исходный текст для ассемблера ХА. Это позволяет говорить о совместимости ХА с 8051 по исходному тексту. Кроме того, в ХА реализована такая же структура памяти, как и в 8051, что оставляет неизменными способы обращения к памяти программ, данных, регистрам специального назначения, применявшиеся в программах для семейства 8051, и обеспечивает совместимость с микроконтроллерами 8051 на уровне аппаратуры.

По расчетам Philips, архитектура ХА обеспечивает увеличение быстродействия до 100 раз по сравнению с традиционной архитектурой 8051. Микроконтроллеры семейства 80С51ХА представлены в табл. 6.

1Л

о

&

о а

§ р.

о

о а

эЛис1о>

ноЕвиеиу

СП СП 00 00

+ + о о

а

эинэжвс1ивн

Icnlcn Icnicn

ко ! cm

о

1П|СП ю ю 00 со 00 00

+1+ + +

о|о

ю )ю о|сп

шор

т

т

июоннэдоэо кис1эфис1эи

сп ю сп сп CD

о о

пивнея ЧГэиэои

№

et/oana /et/oaa

/1ЯС1Э1ЧИБХ

CN см

coico

imeg

woyd3 /1Л1оа

BlOlOBh эяви

эинэьвнсодо

ОТ о

К- Ict:

к 2 <

< <р

SJjfMlcM см 1см оо(сосо со эт

iliilili + + + + +

colcolcolcoico

cm cm cm 1 спспспт-о)

1ю

со со

ш т

(Г

(dIcm cmI-* cm

OOli-lcOJcolcS CO

i 00

olololo

1 CO CO CO

, x xlcn

5S38

О- а

Q- о.

о о

ш

сп ю Q- Q.

о о

ш

сп ю Q- Q.

к 5>!

ID с1>1

-..5 от

€ е -1

-3 э со о cdI

о о

от о.

о

от о.

о

о

о о

с

о

ш

го i сэ о

о

(МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ ФИРМЫ ATMEL

Главный козырь фирмы Atmel - Flash-технология. Владея ею в совершенстве, Atmel строит свою политику на внедрении Flash в наиболее популярные микросхемы, использовавшие до того технологию EPROM - это и микросхемы памяти, и программируемая логика, и микроконтроллеры. Тот факт, что в качестве первого кандидата на прорыв на рынок микроконтроллеров, где господствовали такие монстры как Philips, Siemens, Intel, Motorola, Mitsubishi и др. фирма Atmel избрала микроконтроллер 8051, свидетельствует об исключительно высокой популярности этого кристалла на рынке. Atmel - самая молодая и самая агрессивная компания среди всех выпускающих микроконтроллеры 51-го семейства. Она смогла предложить невероятно низкие цены на свою продукцию и быстро завоевала высокую популярность на рынке микроконтроллеров. Начиная с 1995 г., компания ежегодно удваивает объемы продаж своих микроконтроллеров 51-го семейства. Среди оригинальных разработок Atmel:

. 20-выводные микроконтроллеры 89C4051/89C2051/1051/1051U, открывшие дорогу микроконтроллерам 51 -го семейства в сферу однодолларовых приложений ;

микроконтроллеры с каналом SPI, обеспечивающие возможность внутрисхемного программирования Flash. Это может быть очень удобно в производстве, когда программирование микросхем осуществляется уже после их монтажа;

внутренняя память данных на базе EEPROM, обеспечивающая хранение оперативных данных при отключенном питании микросхемы.

В 2001 г. Atmel поглотила одного из ведущих игроков на рынке семейства 8051 - фирму Temic. После такого слияния номенклатура микроконтроллеров семейства 8051, выпускаемых фирмой, в одночасье расширилась в несколько раз, что вывело Atmel в число лидеров этого направления.

Несколько слов об особенностях микроконтроллеров фирмы Temic, вошедших в общий список фирмы Atmel. Российскому разработчику мы рекомендуем в первую очередь обратить внимание на микроконтроллеры T89C51RB2/RC2/RD2. Эти кристаллы могут работать как в режиме 6-тактного машинного цикла, так и стандартного 12-тактного. Причем в отличие от аналогичных микроконтроллеров фирмы Philips переключение из одного режима в другой происходит под управлением программы на ходу . Другой особенностью этих микроконтроллеров является возможность программирования Flash изнутри с помощью встроенного загрузчика (режим

lAP), a также через механизм внутрисхемного программирования (ICP). Эти режимы практически полиостью аналогичны режимам, рсшнзоваиным в микросхемах фирмы I-hilips.

Перечень и основные характеристики микроконтроллеров фирмы Atmel представлены d табл. 7. Более подробная информацтш находится на web-site фирмы Atmel: http: www.atmel.com.

микроконтроллеры фирмы dallas semiconductorb-maxim

Фирма Dallas Semiconductor хорошо известна всем специалистам в области микроконтроллеров в первую очередь благодаря своим оригииа.льны.м техническим решениям, придавшим в свое время новые грани и возможности популярному семейству 8051. В 2001 г. фирма была поглощена фирмой Maxim. Думаю, что скоро мы уви-ди.м новые интересные разработки, продолжающие традиции Dallas Semiconductor, но уже под другой маркой.

Soft Microcontrollers

Фирма Dallas Semiconductor в первую очередь получила известность среди производителей семейства 8051 своей серией DS5000, которая еще называется Soft Microcontrcliers. Ориги.нальность ре-гаения заключается в том, что для увеличения объема памяти используется ОЗУ большой емкости (128 кбайт), а его энергонезависимость обеспечивается литиевой батарейкой, встроенной непосредственно в корпус микросхемы. Фирма дает 10-летнюю гарантию на сохранность информации в ОЗУ МК. Эти микроконтроллеры вьп'олнены на базе стандартного ядра 8051, поэтому его временные характеристики полностью идентичны характеристикам оригинального 8051 от Intel.

Высокоскоростные микроконтроллеры

Фирма Dallas Semiconductors первой попыталась усовершенствовать архитектуру семейства 8051. Явным слабым местом базовой архитектуры является, как уже упоминалось, неэффективная диаграмма выборки, дешифрирования и выполнения инструкций. Например, команда MOV А, Rx выбирается и выполняется 51-м микро-контроллерорл за 6 тактов, а следующие 6 тактов происходит холостая выборка инструкции по следующему адресу. В результате на такую инструкцию микроконтроллер затрачивает 12 периодов тактового генератора. Специалисты Dallas Semiconductor переработали ядро микроконтроллера таким образом, что типовой цикл выборки команд сократился до четырех тактов, а холостые выборки были исключены. Таким образом, команда MOV А, Rx, например,

О

6>

е

ш о

О

о

о

SiS S !-U S

Ё га о.

X 0)

ш о

£

О

О

a винвхии эинажвдиен

ихэон -нэдоэо ви{1эфис1эи

etfoawa /etfoaa ииниц

: к: с : <

: < -

ияиыоьэ

woad33

1ив9 ть

Аивд wwBdJodu

; a : g

aoiHBi (9) 2iBJ.oi3Bh эивщ

ЭИН

-OhBHSogo

- Эо носвивиЦ

a кинвхии

эинэжвduвн

и1эоннэдоэо виdэфиdэu BBjXdtf

гчивнвя -tfoifDoy

BtfoanB/BtfoBa иинии

ияиыоьэ /ndowMBi

iMsg woad33

iMsg wva

1ивд wwBdJodu

41BWBy

aoiSBj. (9)

ZtBlOlDBh эяви

эинэьвнсодо

ооо

а о

О се се

а: < <

0 в 9--

1 -о

о М

о

ПИП

В С

£

о

о

о

от о. о

о

о о

о о >. с

О

I о т го I со о ю о

Условные обозначения корпусов: Q - QFP

стала выполняться в 3 раза быстрее. Команды 8051, которые не имели холостых выборок, в новом микроконтроллере ускорились в 1,5 раза. Новое семейство микроконтроллеров получило название High-Speed Microcontroller.

В 2000 г. Dallas Semiconductor представила первый микроконтроллер DS89C420 новой группы, получившей название Ultra High Speed. Как следует из названия новой группы, ее главная особенность заключается в епде более высокой скорости выполнения команд. Каждая инструкция в микроконтроллере DS89C420 выполняется в 12 раз быстрее, чем в стандартном кристалле семейства 8051. При максимальной тактовой частоте 50 МГц быстродействие DS89C420 достигает 50 миллионов операций в секунду на коротких инструкциях. Еще одной важной особенностью микроконтроллера является наличие 16 Кбайт Flash с возможностью последовательного внутрисхемного пpoгpaммиpoвaния(ISP) и самопрограммирования из приложения (IAP). Для удобства работы с памятью данных указатель DPTR получил режимы работы в автоинкременте и автодекременте.

Микроконтроллеры семейства High-Speed и Ultra High Speed и их основные характеристики приведены в табл. 9. Более подробную информацию можно найти на сайте: http: dbserv.maxim-ic.com/ Microcontrollers, cfm.

КОНФИГУРИРУЕМЫЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ ФИРМЫ TRISCEND

Фирма Triscend Corporation была организована в 1998 г. специалистами, отпочковавшимися от фирмы ХШпх - одного из лидеров рынка программируемых матриц. В качестве первого проекта в своей деятельности фирма Triscend предложила идею создания конфигурируемого процессора . Суть идеи проста. Специалисты Triscend,

имея большой опыт в разработке и поставке программируемых матриц большой емкости, подметили, что среди потребителей матриц фирмы ХШпх значительную долю составляют клиенты, которые создают свои системы на основе всего трех основных компонентов: микроконтроллера, памяти и программируемой матрицы. Поэтому они решили, что если в состав программируемой матрицы ввести ядро популярного микроконтроллера и память, то системы можно будет создавать на одном единственном кристалле. В качестве ядра базового процессора было выбрано ядро микроконтроллера 8051. Так появилось семейство конфигурируемых микроконтроллеров Е5, представленное в табл.10.

Таблица 10

Основные характеристики конфигурационных микроконтроллеров МКЕ5

Условные обозначения корпусов: Q - QFP, В - BGA

Фирма Triscend поставляет также пакет разработки FastChip. Он содержит в своем составе графический редактор, компилятор и симулятор и обеспечивает полный цикл разработки микроконтроллера необходимой конфигурации. Входящая в состав пакета библиотека периферийных устройств позволяет пользователю расширить возможности базового ядра системы путем добавления таймеров, последовательных каналов, каналов прямого доступа, дешифраторов, мультиплексоров, регистров и многих других устройств, необходимых в конечном изделии.

Микроконтроллеры семейства 8051 фирмы Winbond

Заметный вклад в развитие микроконтроллеров семейства 8051 внесла тайванская фирма Winbond. Она была основана в 1987 г., расположена в тайванской Кремниевой долине и является одним из технологи-чесиких лидеров Тайваня, с очень высокими темпами развития.

Стандартные микроконтроллеры семейства 8051 фирмы Winbond

Фирма Winbond выпускает целый ряд микроконтроллеров со стандартной архитектурой семейства 8051. Эти микроконтроллеры полностью совместимы с аналогами, выпускаемыми фирмами Intel, Philips, Atmel. При этом они имеют дополнительные оригинальные особенности, выделяюгцие их из стандартного ряда микроконтроллеров. К ним относятся:

повышенная максимальная тактовая частота (до 40 МГц);

дополнительный 4-битовый порт ввода/вывода (Port Р4), доступный только в корпусах L44, Q44;

дополнительные внешние входы прерываний.

Особый интерес для российского разработчика могут представлять микроконтроллеры с Flash-памятью. Номенклатура микроконтроллеров с Flash-памятью способна удовлетворить любые потребности разработчиков - в состав семейства входят кристаллы с объемом Flash от 4 до 64 кбайт.

Номенклатура стандартных микроконтроллеров семеР1ства 8051, выпускаемых фирмой Winbond, представлена в табл. 11.

Микроконтроллеры с расширенным диапазоном напряжения питания

В последние годы наметилась могцная тенденция перевода микроконтроллерных систем на пониженные напряжения питания. Идя в ногу со временем, Winbond выпускает микроконтроллеры, допускающие работу в очень широком диапазоне питающих напряжений - от 1,8 до 5,5 В. Особый интерес опять-таки представляют кристаллы с Flash-памятью. Они обладают пока еще довольно редкой на сегодняшний день возможностью запитывать микроконтроллер с Flash-памятью от источника 2,4 В.

Семейство высокоскоростных микроконтроллеров Turbo-51

В 2001 г. фирма Winbond приступила к выпуску семейства высокоскоростных микроконтроллеров, которое она назвала Turbo-51. В основе его лежат микроконтроллеры, которые по выводам и системе команд совместимы со стандартными, но скорость выполнения инструкций в них увеличена в среднем в 2,5 раза. Увеличение производительности достигнуто за счет переработки ядра классического 51-го микроконтроллера. Целью переработки являлось удаление из машинного цикла микроконтроллера лишних тактов и холостых

С

а. о

а с о

с

л S О. S

Ю О

ш

Д1 т са

и

о

RJ -8-т. s а

с

£ 5

5 =£ о 1 g Э

2 н га S

Ьгю о X о.

с

га с а

а ш

i II

ш

см 00 (О

1Г>

Ю Ю Cf>irj

5 tf

о

О

О о

CM cT LD

О о i-o -

СГ; сл

о о Tt

о

о

сзс>

5]§

выборок, в результате длина машинного цикла семейства Turbo-5l составляет 4 такта, что в три раза меньше, че.м у стл.идартного 8051 от Intel. В целом новое ядро, хотя и является оригинальной разработкой, но по своим характеристикам аналогично ядру высокоскоростных микроконтроллеров фирмы Dallas.

Помимо увеличенной производительности, микроконтроллеры семейства Turbo-51 обладают ехце целым рядом дополнительных возможностей по сравнению со стандартными 51 ми микроконтроллерами:

* добавлен второй DPTR, который упрощает реа.лизацию блочных пересылок в памяти XDyVTA;

* введена воз.мож.вость формирования от 2 до 9 циклов ожидания при обращении к внешней памяти данных, что обеспечивает сопряжение .микроконтроллера с ;иобой, даже самой медленной периферией;

* объем памяти данных типа XDATA на кристалле (on-chip data 51\,АМ)увеличен до 1 кбайт:

добавлен второй UART;

в систему ко.манд добавлена очень полезная инструкция DEC DPTR (код А5), упрощающая работу с указателями;

максимальная тактовая частота составляет 40 МГц, в отличие от 12 МГц у стандартного микроконтроллера;

программная память реализована на базе высокоскоростной riash-памяти, что делает эти микроконтроллеры особенно привлекательными для российских разработчиков. Номенклатура микроконтроллеров семейства Turbo- 51 представлена в табл. 12.

Микроконтроллеры фирмы SST

Молодая калифорнийская фирма SST (Silicon Storage Technology) также выбрала ядро микроконтроллера 8051 для внедрения своей уникальной патентованой технологии перепрограм.мируемой памяти, которую сама фирма назвала SuperFlash. Суть этой технологии заключается в том, что она позволяет создавать ячеки памяти Flash на одном транзисторе, что пока недоступно никому другому. Для потребите;!я преимущество этой технологии проявляется в низкой стоимости микросхем и в рекордно малом времени програм.миро-вания SuperFlash.

Микроконтроллеры фирмы SST с ядром 8051 представлены в табл. 13 (подробная инс|)ормация- на сайте http: www.ssti.com). Они полностью совмести.мы со стандартными кристаллами типа 8052, однако имеют уникальную особетшость, на которую мы хоте-

ли бы обратить ваше внимание. Изюминкой этих приборов является возможность программировать Flash-память непосредственно; из программы пользователя без подачи каких-либо внешних напряжений и сигналов. Для этого в состав микроконтроллеров введены дополнительные регистры специального назначения (SFR), через которые программист может управлять процессом стирания, записи, верификации Flash-памяти уже в процессе выполнения программы (на run-time). Такой подход открывает широкие возможности для создания гибких микроконтроллерных систем, которые могут самообновляться уже в процессе эксплуатации, а также использовать Flash-память для хранения оперативных данных при возможных отключениях питания.

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ ФИРМЫ INFINEON TECHNOLOGIES (SIEMENS)

Фирма Siemens внесла несомненное своеобразие в развитие семейства 8051. Девиз ее можно, пожалуй, сформулировакть сле-дуюп];им образом: Самые сложные в мире микроконтроллеры 51-го семейства . Действительно, наряду с выпуском стандартных кристаллов, совместимых с 8051 и 8052, Siemens разработала совершенно оригинальные модификации, нашедшие свое широкое применение в качестве индустриальных high-end микроконтроллеров. Отделение полупроводников фирмы Siemens в последние годы развивалось настолько бурно, что в апреле 1999 г. было принято решение организовать на базе этого отделения самостоятельную компанию, которая получила название Infineon Technologies.

Среди наиболее любопытных периферийных разработок Siemens:

10-разрядные АЦП;

6-канальный 10-разрядный ШИМ для управления электродвигателями постоянного тока;

29-канальный ШИМ;

блок из 8-ми DPTR;

аппаратный блок умножения 16x16 и деления 32/16;

блок загрузчика программной памяти (Bootstrap).

Совершенствуя технологию производства, фирма Siemens перевела все свои микроконтроллеры 51-го семейства, первоначально использовавшие лицензионное ядро фирмы Intel, на свое собственное ядро, после чего 51-е семейство Siemens сменило свое название и стало семейством С500 (табл. 14). Перевод на новую технологию

позволил повысить тактовые частоты микроконтроллеров, но, в целом, ядро осталось прежним. Все временные характеристики периферии и циклограммы шины адреса/данных полностью соответствуют характеристикам микроконтроллера 8051 фирмы Intel. Более подробную информацию вы сможете найти на web-site: http- www.infineon.com.

иложение 6

МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ

МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ СЕРИИ 8051

Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти, приемлемая цена и доступность инструментальных средств отладки разного уровня - все это стало ключевыми факторами успеха микроконтроллеров серии 8051 на мировом рьшке.

Иногда приходится слышать о том, что микроконтроллеры семейства MCS-5i - это прошлый век , они повсеместно снимаются с производства, и ориентироваться на них не стоит. На самом деле только фирма Intel прекратила производство 51-х контроллеров. Образовавшуюся нигну заполнили фирмы с не менее известными именами: Philips, Infineon, AMD, Atmel, Oki, SST, MHS, ISSI, LG и т. д. Одни из них просто копируют прототип с учетом возможностей современной технологии. Другие же выпускают микроконтроллеры собственной разработки с системой команд базовой архитектуры и более развитой, чем у прототипа, периферией, отвечающей современным потребностям. Кстати, и в России в Воронеже начинается выпуск микроконтроллера серии 8051, вьшолненного на современном технологическом уровне.

Помимо задач разработки и внедрения новых устройств появляются проблемы с модернизацией ранее созданных систем, базирующихся на микроконтроллерах семейства 8051. Чаще всего микроконтроллер перестает справляться с поставленной задачей вследствие нехватки производительности, и приходится принимать решение о замене всей системы на более современную. Но не стоит забывать и о возможности повышения производительности уже имеющихся систем. Речь идет как о простейших устройствах управления - регуляторах, контроллерах бытовой техники, интеллектуальных периферийных модулях, так и о