[ Pobierz całość w formacie PDF ]
P O D Z E S P O Ł Y
„Mikroprocesor”
nie zawsze znaczy to samo
W†drugiej, ostatniej czÍúci artyku³u autor
naúwietla kilka kolejnych problemÛw,
z†ktÛrych na co dzieÒ rzadko zdajemy
sobie sprawÍ. Tytu³owa teza jest
rzeczywiúcie uzasadniona.
CISC czy RISC?
W†miarÍ rozwoju techniki
komputerowej obserwowana
jest tendencja do wzbogaca-
nia list instrukcji proceso-
rÛw i†mikroprocesorÛw
o†coraz bardziej z³oøone, ta-
kie jak na przyk³ad mnoøe-
nia i†dzielenia. Z³oøone in-
strukcje wymagaj¹ odpo-
wiednio skomplikowanego
uk³adu sterowania jednostki
centralnej - realizowanego
z†koniecznoúci jako mikro-
programowany - i†musz¹
byÊ wykonywane w†ci¹gu
kilku, kilkunastu czy nawet
kilkudziesiÍciu taktÛw syg-
na³u zegarowego. Typowym
przyk³adem jest rdzeÒ mi-
krokontrolera '51, w†ktÛrym
wykonanie pojedynczej in-
strukcji wymaga nawet 12
lub wiÍcej taktÛw zegara
albo HC11, o†jeszcze bogat-
szej liúcie instrukcji. Takie
procesory nazywane s¹
CISC -
Complex Instruction
Set Computer
.
Analiza tysiÍcy progra-
mÛw komputerowych wyka-
za³a, øe w†praktyce te z³o-
øone instrukcje wykorzysty-
wane s¹ stosunkowo rza-
dko. W†ogromnej wiÍkszoú-
ci przypadkÛw dominuj¹ in-
strukcje najprostsze. Pojawi³
siÍ wobec tego pomys³, aby
ze z³oøonych instrukcji
w†ogÛle zrezygnowaÊ (bo
zawsze da siÍ je zrealizo-
waÊ za pomoc¹ ci¹gu pros-
tych rozkazÛw), pozostawia-
j¹c tylko taki zestaw in-
strukcji, dla ktÛrego uk³ad
sterowania jednostki cent-
ralnej mÛg³by byÊ wykona-
ny jako kombinacyjny, a†nie
mikroprogramowany. W†re-
zultacie pojedynczy rozkaz
mÛg³by byÊ wykonany
w†ci¹gu jednego taktu zega-
ra, zdecydowanie przyspie-
szaj¹c pracÍ procesora.
Z†drugiej strony, ograni-
czenie asortymentu dostÍp-
nych instrukcji, spowodo-
wane koniecznoúci¹ uprosz-
czenia uk³adu sterowania,
powoduje, øe niektÛre ope-
racje musz¹ byÊ realizowa-
ne programowo w wielu in-
strukcjach, a†nie tylko
w†jednej, co z†kolei wyd³u-
øa czas wykonania progra-
mu. Okaza³o siÍ bowiem, øe
maszyny zaprojektowane
wed³ug nowej koncepcji za-
zwyczaj pracuj¹ wyraünie
szybciej. Takie procesory
nazwane zosta³y RISC -
Re-
duced Intruction Set Com-
puter
, a†wiÍc komputerami
o†zredukowanej liúcie
instrukcji. Nazwa jest myl¹-
ca, bo wyrÛønikiem proce-
sorÛw†RISC jest ich szyb-
koúÊ, a†uboga lista instruk-
cji nie jest cech¹ pierwszo-
planow¹, lecz wynikiem
ograniczeÒ konstrukcyjnych.
Powoduje to, øe czasami
producenci prymitywnych
mikrokontrolerÛw nazywaj¹
je RISC-ami, co jest oczy-
wistym naduøyciem. Duøa
szybkoúÊ dzia³ania powinna
wynikaÊ ze struktury (archi-
tektury), a†nie z zastosowa-
nia wyøszych czÍstotliwoúci
sygna³u taktowania. Proce-
sory RISC musz¹ spe³niaÊ
jeszcze inne wymagania.
Z†punktu widzenia uøyt-
kownika nie jest waøny
czas wykonania pojedynczej
instrukcji, lecz istotny jest
czas realizacji zadanego al-
gorytmu obliczeÒ. Wynika
st¹d, øe lista instrukcji po-
winna byÊ dobrana w³aúnie
pod k¹tem efektywnoúci,
a†wynikowy program powi-
nien zawieraÊ jak najmniej
instrukcji niezwi¹zanych
bezpoúrednio z†realizacj¹ al-
gorytmu, a†wiÍc†przede
wszystkim instrukcji trans-
feru danych. Ponadto wyko-
nanie instrukcji nie powin-
no kasowaÊ øadnego z†argu-
mentÛw, dlatego ìrasowyî
RISC jest zawsze trzyadre-
sowy. Poniewaø obowi¹zuje
przy tym rygorystycznie za-
sada, øe†pojedynczy rozkaz
wykonywany jest dok³adnie
w†jednym takcie zegara, nie
moøe on byÊ kompletowany
z†kilku s³Ûw pamiÍciowych
- musi byÊ wobec tego krÛt-
ki, co oczywiúcie implikuje
niewielk¹ d³ugoúÊ pÛl†adre-
sowych. Ponadto, w†jednym
takcie zegara nie moøna
z†pamiÍci zewnÍtrznej po-
braÊ 2 argumentÛw i†ode-
s³aÊ do niej wyniku. Z†tych
powodÛw takie procesory
wykonuj¹ operacje zawsze
tylko na zawartoúci rejest-
rÛw wewnÍtrznych, a†nie
komÛrek pamiÍci. Zawieraj¹
wiÍksz¹ liczbÍ takich rejes-
trÛw (16, 32 lub nawet wiÍ-
cej), a†wúrÛd rozkazÛw ope-
ruj¹cych na pamiÍci do-
puszczalne s¹ tylko rozkazy
Elektronika Praktyczna 1/2004
73
P O D Z E S P O Ł Y
transferu danych do i†z†re-
jestrÛw. Pobranie i†wykona-
nie takiego rozkazu w†jed-
nym takcie zegara jest moø-
liwe tylko w†architekturze
harwardzkiej - i†stanowi to
kolejny wyrÛønik proceso-
rÛw RISC. Oczywiúcie d³u-
goúÊ s³owa pamiÍci progra-
mu musi byÊ na tyle duøa,
by mieúci³ siÍ w†nim kom-
pletny rozkaz (jeden rozkaz
- jedna komÛrka pamiÍci).
Procesor pracuje ìna za-
k³adkÍî - w†czasie wykony-
wania jednego rozkazu rÛw-
noczeúnie pobierany jest
rozkaz nastÍpny. Technika
taka nazywana jest z†angiel-
skiego
pipeliningiem
, co
t³umaczone jest jako
prze-
twarzanie potokowe
.
Mikrokontrolery RISC
zwykle nie maj¹ zaimple-
mentowanego stosu umiesz-
czonego w†pamiÍci (z przy-
czyn jak wyøej), zamiast
niego wystÍpuje w†jednostce
centralnej specjalny rejestr
s³uø¹cy do przechowywania
adresÛw†powrotnych w†in-
strukcjach skoku ze úladem
(CALL). Czasami jest spoty-
kany stos sprzÍtowy, wyko-
rzystuj¹cy nie pamiÍÊ, ale
kilka przeznaczonych do te-
go dodatkowych rejestrÛw,
umieszczonych bezpoúrednio
w†jednostce centralnej. W†ra-
zie koniecznoúci stos uøyt-
kownika moøe byÊ realizo-
wany drog¹ programow¹.
D¹øenie do maksymalizacji
prÍdkoúci pracy procesorÛw
RISC i†ich specyficzne cechy
skutkuj¹ pewnymi komplika-
cjami w†opracowywaniu op-
rogramowania. Niewielki
asortyment rozkazÛw, brak
moøliwoúci bezpoúredniego
operowania na komÛrkach
pamiÍci, brak stosu, ko-
niecznoúÊ programowej re-
alizacji wielu instrukcji do-
stÍpnych w†procesorach
CISC powoduje, øe progra-
mowanie staje siÍ trudniej-
sze. Tym niemniej inne za-
lety zaowocowa³y wyraünie
zauwaøaln¹ ostatnio migra-
cj¹ rozwi¹zaÒ nowych mik-
rokontrolerÛw w†stronÍ
struktury RISC, czasem przy
pewnej rezygnacji z†niektÛ-
rych bardziej rygorystycz-
nych za³oøeÒ (trzyadreso-
woúÊ). Moøna tu wymieniÊ
AVR-y, CoolRisc firmy Xe-
mics i†- moøe nieco para-
doksalnie - MSP430, pomi-
mo jego architektury von
Neumanna i†dopuszczalnoúci
operowania na komÛrkach
pamiÍci. Jest to dobry przy-
k³ad wyjúcia poza pewne
ograniczenia struktury RISC,
ale z†zachowaniem jej zalet.
Jeøeli operandy umieszczane
s¹ w†rejestrach wewnÍtr-
znych, to pojedynczy rozkaz
wykonywany jest w†jednym
takcie zegara. Programista
ma jednak takøe moøliwoúÊ
operowania na danych za-
wartych w†komÛrkach pa-
miÍci, p³ac¹c za to udogod-
nienie wyd³uøeniem czasu
realizacji operacji.
Oczywiúcie øaden mikro-
kontroler ìczystymî RISC-
em byÊ nie moøe, chociaø-
znacznika przepe³nienia,
parzystoúci, przeniesienia
po³Ûwkowego, wyzerowanie
rejestru itp.), a drugim do-
celowy adres skoku. WystÍ-
powanie czÍúci adresowej
powoduje, øe w†trybie adre-
sowania bezpoúredniego
rozkaz staje siÍ d³ugi. Do
jego skrÛcenia stosowane s¹
zatem zwykle inne tryby
adresowania, a†wiÍc poúred-
nie poprzez rejestr lub -
przede wszystkim - wzglÍd-
ne. Ca³kowite usuniÍcie po-
la adresowego sta³o siÍ
moøliwe po wprowadzeniu
instrukcji SKIP IF zamiast
JUMP IF, w†mikrokontrole-
rach po raz pierwszy chyba
w†PIC-ach. Ta bardzo wy-
godna takøe dla programis-
ty instrukcja moøe byÊ in-
terpretowana jako warunko-
i†w†trakcie analizy programu
³atwo to przeoczyÊ. W†zasa-
dzie mikroprocesor powi-
nien mieÊ zaimplementowa-
ne w†liúcie instrukcji obie
wersje warunkowych rozga-
³ÍzieÒ programu, ale jest to
jednak przypadek rzadki.
WyrÛønia siÍ tu AVR,
w†ktÛrym wystÍpuj¹ skoki
warunkowane stanem do-
wolnego znacznika w†rejest-
rze statusu, a†takøe instruk-
cje SKIP uzaleønione od sta-
nu dowolnego bitu w†rejest-
rze lub w†jednym z†pierw-
szych 32 rejestrÛw wejúcia/
wyjúcia. Niestety rejestr sta-
tusu zawieraj¹cy znaczniki
ma adres 63 i†dla niego nie
moøna stosowaÊ instrukcji
SKIP IF. Bez tego manka-
mentu moøliwe by³oby za-
mienne wykorzystywanie
obu dostÍpnych instrukcji
dla realizowania rozga³ÍzieÒ
programu, warunkowanych
stanem dowolnego z†wielu
dostÍpnych w†rejestrze statu-
su znacznikÛw.
Konstruktorzy, szczególnie amatorzy, stosują
najczęściej elementy najlepiej im znane.
Wiele osób podchodzi przy tym często do
swojego wybrańca w sposób nadzwyczaj
emocjonalny, uważając go za niekwestionowa−
nego światowego lidera. Raz na kilka lat
wskazany byłby jednak rozwód, a przynaj−
mniej separacja ze swoim dotychczasowym
ukochanym.
Specyfika
mikrokontrolerÛw
System mikroprocesorowy
powstaje przez po³¹czenie
jednostki centralnej (CPU,
czyli ìrdzeniaî mikroproce-
sora), pamiÍci operacyjnej
i†rÛønego rodzaju urz¹dzeÒ
peryferyjnych. Jeøeli wszys-
tkie te elementy zostaj¹ zin-
tegrowane w†jednym uk³a-
dzie scalonym, tworz¹ mik-
rokomputer jednouk³adowy
(
embedded microcomputer
),
mog¹cy samodzielnie, bez
dodatkowych komponentÛw,
pe³niÊ funkcjÍ systemu mik-
roprocesorowego. Traci siÍ
wÛwczas co prawda zaletÍ
uniwersalnoúci, bo na ro-
dzaj i†parametry wbudowa-
nych w†uk³ad scalony blo-
kÛw funkcjonalnych uøyt-
kownik nie ma øadnego
wp³ywu i†nie ma moøliwoú-
ci ich modyfikacji ani roz-
budowy, ale system ogrom-
nie zyskuje na prostocie. Ze
wzglÍdu na te ograniczenia
mikrokomputery jednouk³a-
dowe wykorzystywane s¹
masowo przede wszystkim
do realizacji prostych, de-
dykowanych uk³adÛw†stero-
wania (kuchenka mikrofalo-
wa, pralka) i†st¹d ich czÍú-
by ze wzglÍdu na koniecz-
noúÊ obs³ugi wbudowanych
uk³adÛw peryferyjnych, ale
najwaøniejszy postulat, aby
jedna instrukcja wykonywa-
na by³a w†jednym takcie ze-
gara bywa z†powodzeniem
realizowany.
wy skok w†przÛd o†jedn¹
pozycjÍ i†skutkuje po pros-
tu ominiÍciem nastÍpnego
rozkazu, jeøeli warunek jest
spe³niony. W†przeciwnym
przypadku rozkaz ten jest
wykonywany. Zamiast wa-
runkowego skoku mamy za-
tem warunkowe wykonanie
pojedynczego rozkazu (
rys.
11
). Rozkaz ten moøe byÊ
dowolny. W†szczegÛlnoúci
moøe to byÊ instrukcja sko-
ku bezwarunkowego, ale
takøe np. ustawienie poje-
dynczego bitu czy teø wy-
wo³anie procedury (CALL).
ZwiÍksza to istotnie elas-
tycznoúÊ programowania,
poci¹ga za sob¹†wyraüne
zmniejszenie liczby etykiet
w†programie i†podnosi jego
przejrzystoúÊ.
Wad¹ takiego rozwi¹zania
jest to, øe zawsze potrzebna
jest dodatkowa instrukcja,
nawet jeøeli nastÍpuje po
niej rozkaz skoku. Ponadto
asemblery nie wyrÛøniaj¹
zwykle tych warunkowo wy-
konywanych instrukcji
JUMP IF... czy
SKIP IF...?
W†niemal kaødym uøy-
tecznym programie potrzeb-
ne s¹ instrukcje skokÛw
warunkowych (rozga³ÍzieÒ),
uzaleøniaj¹ce dalsze wyko-
nywanie programu od wyni-
ku wczeúniejszych operacji.
Z†punktu widzenia wygody
programowania i†zwartoúci
programu, im wiÍkszy jest
asortyment takich skokÛw -
tym lepiej. Przyk³adem
rdzenia mikrokontrolera
bardzo bogato wyposaøone-
go pod tym wzglÍdem mo-
øe byÊ AVR. Operacja sko-
ku warunkowego jest w†za-
sadzie dwuargumentowa -
jednym argumentem jest
warunek skoku (np. stan
74
Elektronika Praktyczna 1/2004
P O D Z E S P O Ł Y
Elektronika Praktyczna 1/2004
75
P O D Z E S P O Ł Y
za nazw¹, niczego wspÛlne-
go ze standardowym aku-
mulatorem maszyn jednoad-
resowych. Takie zadanie
moøe byÊ oczywiúcie zreali-
zowane w†kaødym mikro-
procesorze czy teø mikro-
kontrolerze, nawet w†8051,
ale pojawia siÍ tu krytycz-
ny problem z†czasem reali-
zacji. Procesory sygna³owe
stosowane s¹ w†aplikacjach
wymagaj¹cych jak najwiÍk-
szej szybkoúci, narzuconej
po prostu strumieniem cyf-
rowych danych wejúcio-
wych, bÍd¹cych reprezen-
tantem stosunkowo szybko
zmieniaj¹cych siÍ wielkoúci
analogowych. Dlatego teø
w†procesorach DSP jednost-
ka MAC jest zawsze realizo-
wana sprzÍtowo, aby ca³y
rozkaz mÛg³†byÊ wykonany
w†jednym takcie zegara. Po-
niewaø jednoczeúnie, z†uwa-
gi na wymagan¹ dok³adnoúÊ
przetwarzania, procesory ta-
kie operuj¹ na danych 16-
lub 32-bitowych, stanowi to
powaøne wyzwanie kon-
strukcyjne, tym bardziej
øe†akumulator powinien
mieÊ d³ugoúÊ odpowiednio
wiÍksz¹, aby wielokrotnie
powtarzane sumowanie wy-
nikÛw mnoøenia nie spowo-
dowa³y przepe³nienia. Co
prawda ewentualne wyst¹-
pienie przepe³nienia moøna
kontrolowaÊ programowo,
i†w†razie potrzeby korygo-
waÊ wynik, ale wymaga to
dodatkowych instrukcji
i†czasu poúwiÍcanego na
ich realizacjÍ. W†prostych,
16-bitowych, sta³oprzecinko-
wych procesorach sygna³o-
wych akumulator ma za-
zwyczaj d³ugoúÊ 40 bitÛw.
Osobom, ktÛre otar³y siÍ
o†projektowanie uk³adÛw
cyfrowych, moøna zapropo-
nowaÊ przymiarkÍ do opra-
cowania uk³adu o†72 wej-
úciach i†40 wyjúciach, w†ktÛ-
rym dopuszczalne jest wy-
st¹pienie kaødego z†ponad
4722366483000000000000
wektorÛw wejúciowych.
MoøliwoúÊ wyst¹pienia prze-
pe³nienia w†trakcie powta-
rzanych wielokrotnie opera-
cji jest zreszt¹ zmor¹ progra-
mistÛw DSP i†stanowi jedn¹
z†zasadniczych przyczyn
ewolucji w†kierunku jeszcze
bardziej skomplikowanych
32-bitowych procesorÛw
zmiennoprzecinkowych,
w†ktÛrych ten problem prak-
tycznie nie wystÍpuje.
Poza jednostkami MAC
(czasem nawet kilkoma,
czÍsto mog¹cymi pracowaÊ
rÛwnoczeúnie) w†proceso-
rach sygna³owych stosowa-
nych jest teø wiele innych,
niestandardowych rozwi¹-
zaÒ, w†tym specjalne tryby
adresowania i†nietypowe for-
maty danych. To, øe uk³ady
takie, mimo stosunkowo bar-
dzo duøego stopnia kompli-
kacji pozostaj¹ relatywnie
tanie zawdziÍczamy maso-
wej produkcji - w†zasadzie
w†kaødym telefonie komÛr-
kowym musi znajdowaÊ siÍ
element pe³ni¹cy tak¹ funk-
cjÍ, chociaø obecnie jest juø
zazwyczaj tylko czÍúci¹
wiÍkszego, wyspecjalizowa-
nego uk³adu scalonego.
t¹ mikrokontrolera o†wielu
naprawdÍ interesuj¹cych
rozwi¹zaniach, zaprojekto-
wanego przed niemal 25 la-
ty chyba optymalnie, bior¹c
pod uwagÍ wystÍpuj¹ce
ograniczenia technologiczne
i†ekonomiczne. Tym nie-
mniej jednoadresowoúÊ,
brak symetrii i†niektÛre in-
ne mankamenty powoduj¹,
øe obecnie jest to juø jed-
nak uk³ad nieco archaiczny.
Jest stosowany g³Ûwnie ìsi-
³¹ rozpÍduî i†przyzwyczajeÒ
projektantÛw, mimo po-
wszechnej dostÍpnoúci now-
szych i†w†jakimú stopniu
lepszych uk³adÛw. NiektÛre
jego cechy (chociaøby boga-
ty asortyment operacji bito-
wych) s¹ jednakøe nadal
nie do pobicia i†mog¹ bu-
dziÊ zazdroúÊ uøytkowni-
kÛw znacznie nowoczeúniej-
szych AVR-Ûw.
Ocena jakoúci i†przydat-
noúci mikrokontrolerÛw mu-
si byÊ zatem wielop³asz-
czyznowa i†uwzglÍdniaÊ
wiele cech i†parametrÛw,
najistotniejszych w†konkret-
nej aplikacji. Bogaty asorty-
ment i†jakoúÊ uk³adÛw pery-
feryjnych kompensowaÊ
moøe†mankamenty jednostki
centralnej (
vide
: PIC-e),
a†zbyt ma³a pamiÍÊ progra-
mu uniemoøliwiÊ zastoso-
wanie elementu z†innych
wzglÍdÛw idealnego (cho-
ciaøby CoolRisca).
Najwaøniejsze cechy jed-
nostki centralnej okreúlaj¹ce
jej walory uøytkowe to:
- wieloadresowoúÊ,
- liczba rejestrÛw wewnÍ-
trznych,
- tryby adresowania,
- lista rozkazÛw, w†tym
operacje bitowe,
- liczba znacznikÛw i†asor-
tyment skokÛw warunko-
wych,
- symetria i†ortogonalnoúÊ,
- d³ugoúÊ s³owa danych
i†programu,
- obs³uga przerwaÒ,
- szybkoúÊ i†elastycznoúÊ
doboru czÍstotliwoúci tak-
towania.
Dla pamiÍci:
- wielkoúÊ ROM i†RAM,
przestrzenie adresowe,
- rodzaj pamiÍci programu,
sposÛb programowania,
- dodatkowa pamiÍÊ EEP-
ROM dla danych.
Uk³ady peryferyjne:
- dostÍpny asortyment -
porty, uk³ady licznikowo-
czasowe (timery z†ewen-
tualnymi opcjami
capture
i†
compare
), CRC, I
2
C,
U(S)ART, CAN, USB,
DAC, PWM, ADC, sprzÍ-
towy multiplikator,
- parametry i†sposÛb obs³ugi.
Inne:
- dostÍpnoúÊ, popularnoúÊ,
przyzwyczajenia projek-
tanta, cena itp.,
- napiÍcie zasilania i†pobÛr
mocy,
- rodzaj obudowy,
- dostÍpnoúÊ i†cena narzÍ-
dzi uruchomieniowych.
Jak widaÊ dobÛr mikro-
kontrolera dla konkretnej
aplikacji nie zawsze jest
prosty i†czÍsto wymaga
przeanalizowania wielu pa-
rametrÛw. W†praktyce kon-
struktorzy, szczegÛlnie ama-
torzy, stosuj¹ najczÍúciej ele-
menty najlepiej im znane,
co zreszt¹ nie jest niczym
nagannym i†pozwala na
szybsze opracowanie projek-
tu. Wiele osÛb podchodzi
przy tym czÍsto do swojego
wybraÒca w†sposÛb†nadzwy-
czaj emocjonalny, uwaøaj¹c
go za niekwestionowanego
úwiatowego lidera. Raz na
kilka lat wskazany by³by
jednak rodzaj rozwodu,
a†przynajmniej separacji ze
swoim dotychczasowym
ìukochanymî. Chociaøby
chwilowe posmakowanie
czegoú innego.
Maciej Nowiñski
Kryteria oceny
mikrokontrolerÛw
W†prostych aplikacjach
daje siÍ zauwaøyÊ przygnia-
taj¹ca przewaga iloúciowa
mikrokontrolerÛw nad mik-
roprocesorami uniwersalny-
mi, szczegÛlnie w†konstruk-
cjach amatorskich. Niestety,
nie istnieje mikrokontroler
doskona³y, bo z†przyczyn
wskazanych wyøej jego
architektura wynika z†jakie-
goú kompromisu. DobÛr
mikrokontrolera do konkret-
nego zastosowania powinien
byÊ zatem poprzedzony oce-
n¹ przydatnoúci rÛønych
uk³adÛw. W†Polsce (i nie
tylko) panuje pewna mono-
kultura klonÛw 8051, zresz-
Elektronika Praktyczna 1/2004
77
P O D Z E S P O Ł Y
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
zanotowane.pl doc.pisz.pl pdf.pisz.pl jajeczko.pev.pl
P O D Z E S P O Ł Y
„Mikroprocesor”
nie zawsze znaczy to samo
W†drugiej, ostatniej czÍúci artyku³u autor
naúwietla kilka kolejnych problemÛw,
z†ktÛrych na co dzieÒ rzadko zdajemy
sobie sprawÍ. Tytu³owa teza jest
rzeczywiúcie uzasadniona.
CISC czy RISC?
W†miarÍ rozwoju techniki
komputerowej obserwowana
jest tendencja do wzbogaca-
nia list instrukcji proceso-
rÛw i†mikroprocesorÛw
o†coraz bardziej z³oøone, ta-
kie jak na przyk³ad mnoøe-
nia i†dzielenia. Z³oøone in-
strukcje wymagaj¹ odpo-
wiednio skomplikowanego
uk³adu sterowania jednostki
centralnej - realizowanego
z†koniecznoúci jako mikro-
programowany - i†musz¹
byÊ wykonywane w†ci¹gu
kilku, kilkunastu czy nawet
kilkudziesiÍciu taktÛw syg-
na³u zegarowego. Typowym
przyk³adem jest rdzeÒ mi-
krokontrolera '51, w†ktÛrym
wykonanie pojedynczej in-
strukcji wymaga nawet 12
lub wiÍcej taktÛw zegara
albo HC11, o†jeszcze bogat-
szej liúcie instrukcji. Takie
procesory nazywane s¹
CISC -
Complex Instruction
Set Computer
.
Analiza tysiÍcy progra-
mÛw komputerowych wyka-
za³a, øe w†praktyce te z³o-
øone instrukcje wykorzysty-
wane s¹ stosunkowo rza-
dko. W†ogromnej wiÍkszoú-
ci przypadkÛw dominuj¹ in-
strukcje najprostsze. Pojawi³
siÍ wobec tego pomys³, aby
ze z³oøonych instrukcji
w†ogÛle zrezygnowaÊ (bo
zawsze da siÍ je zrealizo-
waÊ za pomoc¹ ci¹gu pros-
tych rozkazÛw), pozostawia-
j¹c tylko taki zestaw in-
strukcji, dla ktÛrego uk³ad
sterowania jednostki cent-
ralnej mÛg³by byÊ wykona-
ny jako kombinacyjny, a†nie
mikroprogramowany. W†re-
zultacie pojedynczy rozkaz
mÛg³by byÊ wykonany
w†ci¹gu jednego taktu zega-
ra, zdecydowanie przyspie-
szaj¹c pracÍ procesora.
Z†drugiej strony, ograni-
czenie asortymentu dostÍp-
nych instrukcji, spowodo-
wane koniecznoúci¹ uprosz-
czenia uk³adu sterowania,
powoduje, øe niektÛre ope-
racje musz¹ byÊ realizowa-
ne programowo w wielu in-
strukcjach, a†nie tylko
w†jednej, co z†kolei wyd³u-
øa czas wykonania progra-
mu. Okaza³o siÍ bowiem, øe
maszyny zaprojektowane
wed³ug nowej koncepcji za-
zwyczaj pracuj¹ wyraünie
szybciej. Takie procesory
nazwane zosta³y RISC -
Re-
duced Intruction Set Com-
puter
, a†wiÍc komputerami
o†zredukowanej liúcie
instrukcji. Nazwa jest myl¹-
ca, bo wyrÛønikiem proce-
sorÛw†RISC jest ich szyb-
koúÊ, a†uboga lista instruk-
cji nie jest cech¹ pierwszo-
planow¹, lecz wynikiem
ograniczeÒ konstrukcyjnych.
Powoduje to, øe czasami
producenci prymitywnych
mikrokontrolerÛw nazywaj¹
je RISC-ami, co jest oczy-
wistym naduøyciem. Duøa
szybkoúÊ dzia³ania powinna
wynikaÊ ze struktury (archi-
tektury), a†nie z zastosowa-
nia wyøszych czÍstotliwoúci
sygna³u taktowania. Proce-
sory RISC musz¹ spe³niaÊ
jeszcze inne wymagania.
Z†punktu widzenia uøyt-
kownika nie jest waøny
czas wykonania pojedynczej
instrukcji, lecz istotny jest
czas realizacji zadanego al-
gorytmu obliczeÒ. Wynika
st¹d, øe lista instrukcji po-
winna byÊ dobrana w³aúnie
pod k¹tem efektywnoúci,
a†wynikowy program powi-
nien zawieraÊ jak najmniej
instrukcji niezwi¹zanych
bezpoúrednio z†realizacj¹ al-
gorytmu, a†wiÍc†przede
wszystkim instrukcji trans-
feru danych. Ponadto wyko-
nanie instrukcji nie powin-
no kasowaÊ øadnego z†argu-
mentÛw, dlatego ìrasowyî
RISC jest zawsze trzyadre-
sowy. Poniewaø obowi¹zuje
przy tym rygorystycznie za-
sada, øe†pojedynczy rozkaz
wykonywany jest dok³adnie
w†jednym takcie zegara, nie
moøe on byÊ kompletowany
z†kilku s³Ûw pamiÍciowych
- musi byÊ wobec tego krÛt-
ki, co oczywiúcie implikuje
niewielk¹ d³ugoúÊ pÛl†adre-
sowych. Ponadto, w†jednym
takcie zegara nie moøna
z†pamiÍci zewnÍtrznej po-
braÊ 2 argumentÛw i†ode-
s³aÊ do niej wyniku. Z†tych
powodÛw takie procesory
wykonuj¹ operacje zawsze
tylko na zawartoúci rejest-
rÛw wewnÍtrznych, a†nie
komÛrek pamiÍci. Zawieraj¹
wiÍksz¹ liczbÍ takich rejes-
trÛw (16, 32 lub nawet wiÍ-
cej), a†wúrÛd rozkazÛw ope-
ruj¹cych na pamiÍci do-
puszczalne s¹ tylko rozkazy
Elektronika Praktyczna 1/2004
73
P O D Z E S P O Ł Y
transferu danych do i†z†re-
jestrÛw. Pobranie i†wykona-
nie takiego rozkazu w†jed-
nym takcie zegara jest moø-
liwe tylko w†architekturze
harwardzkiej - i†stanowi to
kolejny wyrÛønik proceso-
rÛw RISC. Oczywiúcie d³u-
goúÊ s³owa pamiÍci progra-
mu musi byÊ na tyle duøa,
by mieúci³ siÍ w†nim kom-
pletny rozkaz (jeden rozkaz
- jedna komÛrka pamiÍci).
Procesor pracuje ìna za-
k³adkÍî - w†czasie wykony-
wania jednego rozkazu rÛw-
noczeúnie pobierany jest
rozkaz nastÍpny. Technika
taka nazywana jest z†angiel-
skiego
pipeliningiem
, co
t³umaczone jest jako
prze-
twarzanie potokowe
.
Mikrokontrolery RISC
zwykle nie maj¹ zaimple-
mentowanego stosu umiesz-
czonego w†pamiÍci (z przy-
czyn jak wyøej), zamiast
niego wystÍpuje w†jednostce
centralnej specjalny rejestr
s³uø¹cy do przechowywania
adresÛw†powrotnych w†in-
strukcjach skoku ze úladem
(CALL). Czasami jest spoty-
kany stos sprzÍtowy, wyko-
rzystuj¹cy nie pamiÍÊ, ale
kilka przeznaczonych do te-
go dodatkowych rejestrÛw,
umieszczonych bezpoúrednio
w†jednostce centralnej. W†ra-
zie koniecznoúci stos uøyt-
kownika moøe byÊ realizo-
wany drog¹ programow¹.
D¹øenie do maksymalizacji
prÍdkoúci pracy procesorÛw
RISC i†ich specyficzne cechy
skutkuj¹ pewnymi komplika-
cjami w†opracowywaniu op-
rogramowania. Niewielki
asortyment rozkazÛw, brak
moøliwoúci bezpoúredniego
operowania na komÛrkach
pamiÍci, brak stosu, ko-
niecznoúÊ programowej re-
alizacji wielu instrukcji do-
stÍpnych w†procesorach
CISC powoduje, øe progra-
mowanie staje siÍ trudniej-
sze. Tym niemniej inne za-
lety zaowocowa³y wyraünie
zauwaøaln¹ ostatnio migra-
cj¹ rozwi¹zaÒ nowych mik-
rokontrolerÛw w†stronÍ
struktury RISC, czasem przy
pewnej rezygnacji z†niektÛ-
rych bardziej rygorystycz-
nych za³oøeÒ (trzyadreso-
woúÊ). Moøna tu wymieniÊ
AVR-y, CoolRisc firmy Xe-
mics i†- moøe nieco para-
doksalnie - MSP430, pomi-
mo jego architektury von
Neumanna i†dopuszczalnoúci
operowania na komÛrkach
pamiÍci. Jest to dobry przy-
k³ad wyjúcia poza pewne
ograniczenia struktury RISC,
ale z†zachowaniem jej zalet.
Jeøeli operandy umieszczane
s¹ w†rejestrach wewnÍtr-
znych, to pojedynczy rozkaz
wykonywany jest w†jednym
takcie zegara. Programista
ma jednak takøe moøliwoúÊ
operowania na danych za-
wartych w†komÛrkach pa-
miÍci, p³ac¹c za to udogod-
nienie wyd³uøeniem czasu
realizacji operacji.
Oczywiúcie øaden mikro-
kontroler ìczystymî RISC-
em byÊ nie moøe, chociaø-
znacznika przepe³nienia,
parzystoúci, przeniesienia
po³Ûwkowego, wyzerowanie
rejestru itp.), a drugim do-
celowy adres skoku. WystÍ-
powanie czÍúci adresowej
powoduje, øe w†trybie adre-
sowania bezpoúredniego
rozkaz staje siÍ d³ugi. Do
jego skrÛcenia stosowane s¹
zatem zwykle inne tryby
adresowania, a†wiÍc poúred-
nie poprzez rejestr lub -
przede wszystkim - wzglÍd-
ne. Ca³kowite usuniÍcie po-
la adresowego sta³o siÍ
moøliwe po wprowadzeniu
instrukcji SKIP IF zamiast
JUMP IF, w†mikrokontrole-
rach po raz pierwszy chyba
w†PIC-ach. Ta bardzo wy-
godna takøe dla programis-
ty instrukcja moøe byÊ in-
terpretowana jako warunko-
i†w†trakcie analizy programu
³atwo to przeoczyÊ. W†zasa-
dzie mikroprocesor powi-
nien mieÊ zaimplementowa-
ne w†liúcie instrukcji obie
wersje warunkowych rozga-
³ÍzieÒ programu, ale jest to
jednak przypadek rzadki.
WyrÛønia siÍ tu AVR,
w†ktÛrym wystÍpuj¹ skoki
warunkowane stanem do-
wolnego znacznika w†rejest-
rze statusu, a†takøe instruk-
cje SKIP uzaleønione od sta-
nu dowolnego bitu w†rejest-
rze lub w†jednym z†pierw-
szych 32 rejestrÛw wejúcia/
wyjúcia. Niestety rejestr sta-
tusu zawieraj¹cy znaczniki
ma adres 63 i†dla niego nie
moøna stosowaÊ instrukcji
SKIP IF. Bez tego manka-
mentu moøliwe by³oby za-
mienne wykorzystywanie
obu dostÍpnych instrukcji
dla realizowania rozga³ÍzieÒ
programu, warunkowanych
stanem dowolnego z†wielu
dostÍpnych w†rejestrze statu-
su znacznikÛw.
Konstruktorzy, szczególnie amatorzy, stosują
najczęściej elementy najlepiej im znane.
Wiele osób podchodzi przy tym często do
swojego wybrańca w sposób nadzwyczaj
emocjonalny, uważając go za niekwestionowa−
nego światowego lidera. Raz na kilka lat
wskazany byłby jednak rozwód, a przynaj−
mniej separacja ze swoim dotychczasowym
ukochanym.
Specyfika
mikrokontrolerÛw
System mikroprocesorowy
powstaje przez po³¹czenie
jednostki centralnej (CPU,
czyli ìrdzeniaî mikroproce-
sora), pamiÍci operacyjnej
i†rÛønego rodzaju urz¹dzeÒ
peryferyjnych. Jeøeli wszys-
tkie te elementy zostaj¹ zin-
tegrowane w†jednym uk³a-
dzie scalonym, tworz¹ mik-
rokomputer jednouk³adowy
(
embedded microcomputer
),
mog¹cy samodzielnie, bez
dodatkowych komponentÛw,
pe³niÊ funkcjÍ systemu mik-
roprocesorowego. Traci siÍ
wÛwczas co prawda zaletÍ
uniwersalnoúci, bo na ro-
dzaj i†parametry wbudowa-
nych w†uk³ad scalony blo-
kÛw funkcjonalnych uøyt-
kownik nie ma øadnego
wp³ywu i†nie ma moøliwoú-
ci ich modyfikacji ani roz-
budowy, ale system ogrom-
nie zyskuje na prostocie. Ze
wzglÍdu na te ograniczenia
mikrokomputery jednouk³a-
dowe wykorzystywane s¹
masowo przede wszystkim
do realizacji prostych, de-
dykowanych uk³adÛw†stero-
wania (kuchenka mikrofalo-
wa, pralka) i†st¹d ich czÍú-
by ze wzglÍdu na koniecz-
noúÊ obs³ugi wbudowanych
uk³adÛw peryferyjnych, ale
najwaøniejszy postulat, aby
jedna instrukcja wykonywa-
na by³a w†jednym takcie ze-
gara bywa z†powodzeniem
realizowany.
wy skok w†przÛd o†jedn¹
pozycjÍ i†skutkuje po pros-
tu ominiÍciem nastÍpnego
rozkazu, jeøeli warunek jest
spe³niony. W†przeciwnym
przypadku rozkaz ten jest
wykonywany. Zamiast wa-
runkowego skoku mamy za-
tem warunkowe wykonanie
pojedynczego rozkazu (
rys.
11
). Rozkaz ten moøe byÊ
dowolny. W†szczegÛlnoúci
moøe to byÊ instrukcja sko-
ku bezwarunkowego, ale
takøe np. ustawienie poje-
dynczego bitu czy teø wy-
wo³anie procedury (CALL).
ZwiÍksza to istotnie elas-
tycznoúÊ programowania,
poci¹ga za sob¹†wyraüne
zmniejszenie liczby etykiet
w†programie i†podnosi jego
przejrzystoúÊ.
Wad¹ takiego rozwi¹zania
jest to, øe zawsze potrzebna
jest dodatkowa instrukcja,
nawet jeøeli nastÍpuje po
niej rozkaz skoku. Ponadto
asemblery nie wyrÛøniaj¹
zwykle tych warunkowo wy-
konywanych instrukcji
JUMP IF... czy
SKIP IF...?
W†niemal kaødym uøy-
tecznym programie potrzeb-
ne s¹ instrukcje skokÛw
warunkowych (rozga³ÍzieÒ),
uzaleøniaj¹ce dalsze wyko-
nywanie programu od wyni-
ku wczeúniejszych operacji.
Z†punktu widzenia wygody
programowania i†zwartoúci
programu, im wiÍkszy jest
asortyment takich skokÛw -
tym lepiej. Przyk³adem
rdzenia mikrokontrolera
bardzo bogato wyposaøone-
go pod tym wzglÍdem mo-
øe byÊ AVR. Operacja sko-
ku warunkowego jest w†za-
sadzie dwuargumentowa -
jednym argumentem jest
warunek skoku (np. stan
74
Elektronika Praktyczna 1/2004
P O D Z E S P O Ł Y
Elektronika Praktyczna 1/2004
75
P O D Z E S P O Ł Y
za nazw¹, niczego wspÛlne-
go ze standardowym aku-
mulatorem maszyn jednoad-
resowych. Takie zadanie
moøe byÊ oczywiúcie zreali-
zowane w†kaødym mikro-
procesorze czy teø mikro-
kontrolerze, nawet w†8051,
ale pojawia siÍ tu krytycz-
ny problem z†czasem reali-
zacji. Procesory sygna³owe
stosowane s¹ w†aplikacjach
wymagaj¹cych jak najwiÍk-
szej szybkoúci, narzuconej
po prostu strumieniem cyf-
rowych danych wejúcio-
wych, bÍd¹cych reprezen-
tantem stosunkowo szybko
zmieniaj¹cych siÍ wielkoúci
analogowych. Dlatego teø
w†procesorach DSP jednost-
ka MAC jest zawsze realizo-
wana sprzÍtowo, aby ca³y
rozkaz mÛg³†byÊ wykonany
w†jednym takcie zegara. Po-
niewaø jednoczeúnie, z†uwa-
gi na wymagan¹ dok³adnoúÊ
przetwarzania, procesory ta-
kie operuj¹ na danych 16-
lub 32-bitowych, stanowi to
powaøne wyzwanie kon-
strukcyjne, tym bardziej
øe†akumulator powinien
mieÊ d³ugoúÊ odpowiednio
wiÍksz¹, aby wielokrotnie
powtarzane sumowanie wy-
nikÛw mnoøenia nie spowo-
dowa³y przepe³nienia. Co
prawda ewentualne wyst¹-
pienie przepe³nienia moøna
kontrolowaÊ programowo,
i†w†razie potrzeby korygo-
waÊ wynik, ale wymaga to
dodatkowych instrukcji
i†czasu poúwiÍcanego na
ich realizacjÍ. W†prostych,
16-bitowych, sta³oprzecinko-
wych procesorach sygna³o-
wych akumulator ma za-
zwyczaj d³ugoúÊ 40 bitÛw.
Osobom, ktÛre otar³y siÍ
o†projektowanie uk³adÛw
cyfrowych, moøna zapropo-
nowaÊ przymiarkÍ do opra-
cowania uk³adu o†72 wej-
úciach i†40 wyjúciach, w†ktÛ-
rym dopuszczalne jest wy-
st¹pienie kaødego z†ponad
4722366483000000000000
wektorÛw wejúciowych.
MoøliwoúÊ wyst¹pienia prze-
pe³nienia w†trakcie powta-
rzanych wielokrotnie opera-
cji jest zreszt¹ zmor¹ progra-
mistÛw DSP i†stanowi jedn¹
z†zasadniczych przyczyn
ewolucji w†kierunku jeszcze
bardziej skomplikowanych
32-bitowych procesorÛw
zmiennoprzecinkowych,
w†ktÛrych ten problem prak-
tycznie nie wystÍpuje.
Poza jednostkami MAC
(czasem nawet kilkoma,
czÍsto mog¹cymi pracowaÊ
rÛwnoczeúnie) w†proceso-
rach sygna³owych stosowa-
nych jest teø wiele innych,
niestandardowych rozwi¹-
zaÒ, w†tym specjalne tryby
adresowania i†nietypowe for-
maty danych. To, øe uk³ady
takie, mimo stosunkowo bar-
dzo duøego stopnia kompli-
kacji pozostaj¹ relatywnie
tanie zawdziÍczamy maso-
wej produkcji - w†zasadzie
w†kaødym telefonie komÛr-
kowym musi znajdowaÊ siÍ
element pe³ni¹cy tak¹ funk-
cjÍ, chociaø obecnie jest juø
zazwyczaj tylko czÍúci¹
wiÍkszego, wyspecjalizowa-
nego uk³adu scalonego.
t¹ mikrokontrolera o†wielu
naprawdÍ interesuj¹cych
rozwi¹zaniach, zaprojekto-
wanego przed niemal 25 la-
ty chyba optymalnie, bior¹c
pod uwagÍ wystÍpuj¹ce
ograniczenia technologiczne
i†ekonomiczne. Tym nie-
mniej jednoadresowoúÊ,
brak symetrii i†niektÛre in-
ne mankamenty powoduj¹,
øe obecnie jest to juø jed-
nak uk³ad nieco archaiczny.
Jest stosowany g³Ûwnie ìsi-
³¹ rozpÍduî i†przyzwyczajeÒ
projektantÛw, mimo po-
wszechnej dostÍpnoúci now-
szych i†w†jakimú stopniu
lepszych uk³adÛw. NiektÛre
jego cechy (chociaøby boga-
ty asortyment operacji bito-
wych) s¹ jednakøe nadal
nie do pobicia i†mog¹ bu-
dziÊ zazdroúÊ uøytkowni-
kÛw znacznie nowoczeúniej-
szych AVR-Ûw.
Ocena jakoúci i†przydat-
noúci mikrokontrolerÛw mu-
si byÊ zatem wielop³asz-
czyznowa i†uwzglÍdniaÊ
wiele cech i†parametrÛw,
najistotniejszych w†konkret-
nej aplikacji. Bogaty asorty-
ment i†jakoúÊ uk³adÛw pery-
feryjnych kompensowaÊ
moøe†mankamenty jednostki
centralnej (
vide
: PIC-e),
a†zbyt ma³a pamiÍÊ progra-
mu uniemoøliwiÊ zastoso-
wanie elementu z†innych
wzglÍdÛw idealnego (cho-
ciaøby CoolRisca).
Najwaøniejsze cechy jed-
nostki centralnej okreúlaj¹ce
jej walory uøytkowe to:
- wieloadresowoúÊ,
- liczba rejestrÛw wewnÍ-
trznych,
- tryby adresowania,
- lista rozkazÛw, w†tym
operacje bitowe,
- liczba znacznikÛw i†asor-
tyment skokÛw warunko-
wych,
- symetria i†ortogonalnoúÊ,
- d³ugoúÊ s³owa danych
i†programu,
- obs³uga przerwaÒ,
- szybkoúÊ i†elastycznoúÊ
doboru czÍstotliwoúci tak-
towania.
Dla pamiÍci:
- wielkoúÊ ROM i†RAM,
przestrzenie adresowe,
- rodzaj pamiÍci programu,
sposÛb programowania,
- dodatkowa pamiÍÊ EEP-
ROM dla danych.
Uk³ady peryferyjne:
- dostÍpny asortyment -
porty, uk³ady licznikowo-
czasowe (timery z†ewen-
tualnymi opcjami
capture
i†
compare
), CRC, I
2
C,
U(S)ART, CAN, USB,
DAC, PWM, ADC, sprzÍ-
towy multiplikator,
- parametry i†sposÛb obs³ugi.
Inne:
- dostÍpnoúÊ, popularnoúÊ,
przyzwyczajenia projek-
tanta, cena itp.,
- napiÍcie zasilania i†pobÛr
mocy,
- rodzaj obudowy,
- dostÍpnoúÊ i†cena narzÍ-
dzi uruchomieniowych.
Jak widaÊ dobÛr mikro-
kontrolera dla konkretnej
aplikacji nie zawsze jest
prosty i†czÍsto wymaga
przeanalizowania wielu pa-
rametrÛw. W†praktyce kon-
struktorzy, szczegÛlnie ama-
torzy, stosuj¹ najczÍúciej ele-
menty najlepiej im znane,
co zreszt¹ nie jest niczym
nagannym i†pozwala na
szybsze opracowanie projek-
tu. Wiele osÛb podchodzi
przy tym czÍsto do swojego
wybraÒca w†sposÛb†nadzwy-
czaj emocjonalny, uwaøaj¹c
go za niekwestionowanego
úwiatowego lidera. Raz na
kilka lat wskazany by³by
jednak rodzaj rozwodu,
a†przynajmniej separacji ze
swoim dotychczasowym
ìukochanymî. Chociaøby
chwilowe posmakowanie
czegoú innego.
Maciej Nowiñski
Kryteria oceny
mikrokontrolerÛw
W†prostych aplikacjach
daje siÍ zauwaøyÊ przygnia-
taj¹ca przewaga iloúciowa
mikrokontrolerÛw nad mik-
roprocesorami uniwersalny-
mi, szczegÛlnie w†konstruk-
cjach amatorskich. Niestety,
nie istnieje mikrokontroler
doskona³y, bo z†przyczyn
wskazanych wyøej jego
architektura wynika z†jakie-
goú kompromisu. DobÛr
mikrokontrolera do konkret-
nego zastosowania powinien
byÊ zatem poprzedzony oce-
n¹ przydatnoúci rÛønych
uk³adÛw. W†Polsce (i nie
tylko) panuje pewna mono-
kultura klonÛw 8051, zresz-
Elektronika Praktyczna 1/2004
77
P O D Z E S P O Ł Y
[ Pobierz całość w formacie PDF ]