Книга организована по принципу перехода от простого к сложному. Основной целью является преодоление порога, с которым сталкивается любой разработчик или пользователь аппаратуры, построенной с применением микропроцессорной техники.
Материал начинается с рассмотрения простейших логических элементов, а заканчивается обсуждением особенностей разработки микропроцессорных систем и написания программ для микропроцессоров, примененных в данной системе.
В зависимости от уровня подготовки и интересов читателя можно пропускать отдельные главы, однако материал подобран так, что каждая последующая глава опирается на предыдущую. Более того, поскольку для понимания принципов работы микропроцессоров нужно знать все разделы цифровой схемотехники и основы программирования, то имеет смысл после прочтения последующих глав возвращаться к предыдущим. В результате те части материала, что, возможно, показались непонятными при первом прочтении, при повторном обращении к ним могут оказаться элементарными.
Глава 1
Что такое микроконтроллеры, микропроцессоры и сигнальные процессоры
Слово «микропроцессоры» у всех на слуху. Сигнальные процессоры известны меньшему кругу людей, однако и это понятие достаточно распространено. Что же такое микроконтроллеры? Микроконтроллеры, как и остальные виды процессоров, в настоящее время выполняются в виде одной микросхемы. Микросхемы микроконтроллеров предназначены для управления различными объектами. В качестве таких объектов могут выступать радиостанции, приемники, сотовые телефоны, телевизоры и т. д. Обычно микроконтроллеры выполняются в виде готовых однокристальных ЭВМ. Прежде чем заняться микроконтроллерами более подробно, рассмотрим, к какой области техники относятся микросхемы этого класса, и какой круг задач они решают.
Современные электронные устройства, в том числе и микроконтроллеры, выполняются на основе интегральных микросхем. Основные разновидности применяемых в настоящее время микросхем показаны на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Место, занимаемое микропроцессорами среди микросхем
Все микросхемы разделяются на две большие группы: аналоговые и цифровые. Преимущества и недостатки каждой из них известны. Аналоговые микросхемы характеризуются максимальным быстродействием при малом потреблении энергии и сравнительно малой стабильностью параметров. Цифровые микросхемы обладают прекрасной повторяемостью параметров, меньшей чувствительностью к воздействию помех. В последние годы, при применении цифровых микросхем для построения приемопередающих устройств, а также устройств обработки звука и изображения удалось достигнуть большего по сравнению с аналоговой техникой динамического диапазона. Эти преимущества и привели к быстрому развитию цифровой техники в последние годы.
По мере развития цифровых микросхем их быстродействие достигло впечатляющих результатов. Наиболее быстрые обладают временем переключения порядка 3–5 не (серия микросхем 74ALS), а внутри кристалла микросхемы, где нет больших емкостей нагрузки, время переключения измеряется пикосекундами. Таким быстродействием обладают программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) и заказные большие интегральные схемы (БИС). В этих микросхемах алгоритм решаемой задачи воплощен в их внутренней структуре.
Часто для решаемой задачи не требуется такого быстродействия, каким обладают современные цифровые микросхемы. Однако за быстродействие приходится платить. Это выражается в следующем:
— быстродействующие микросхемы потребляют значительный ток, что ограничивает их сложность (уровень интеграции);
— для решения задачи приходится использовать много микросхем, что выливается в высокую стоимость и большие габариты устройства.
Напомню основные характеристики различных видов цифровых микросхем.
Наибольшим быстродействием и наименьшей помехоустойчивостью обладали ЭСЛ-микросхемы (эмиттерно-связанная логика). Однако принципиальная особенность работы этих микросхем, заключающаяся в работе входящих в их состав транзисторов в активном режиме, приводит к тому, что микросхемы такого типа обладают пониженной помехоустойчивостью. Это затрудняет построение микросхем, надежно реализующих достаточно сложные алгоритмы работы. В настоящее время ЭСЛ-микросхемы практически не применяются.
Следующий вид цифровых микросхем — это ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). Современные ТТЛ-микросхемы обладают почти таким же быстродействием, как традиционная ЭСЛ. В связи с особенностями внутреннего устройства ТТЛ-микросхемы потребляемый ею ток питания не зависит от скорости переключения логических вентилей. И работая на пределе быстродействия, и переключаясь только несколько раз в секунду, микросхема потребляет одинаковый ток. Поэтому выпускается несколько различных серий ТТЛ-микросхем, обладающих различным быстродействием и, соответственно, различным током потребления.