Архитектура микроконтроллера avr конспект лекций txt. Микроконтроллеры семейства AVR. Режимы пониженного энергопотребления

Положительный заряд ядра и отрицательный - электрона находятся в состоянии баланса, оттого электрон на ядро не падает и не улетает от него. И всё-таки при определённых условиях этот баланс должен нарушаться, то есть электрон обязан в прямом смысле валиться на ядро, вызывая безвременную кончину атома. Но даже из того факта, что планеты, звёзды и люди всё же существуют, очевидно, что происходит это лишь при весьма специфических условиях. Такое состояние наступает при заряде ядра (то есть количестве протонов в нём) выше 137 (недавние вычисления подняли эту цифру до 170), и тогда теоретически электрон должен не просто упасть на ядро, а породить там своих двойников из антимира - позитроны, которые затем улетят в окружающее пространство и натворят всякого.

Искусственное ядро атома, состоящее из пяти димеров кальция на графене, в электронном облаке, находящемся на границе коллапса (здесь и ниже илл. M. Crommie).

«Такие атомы, как ожидалось, сколлапсируют, "забрав" электрон из вакуума, притянув его к ядру и получив избыточный заряд,» - поясняет Леонид Левитов из (США), один из авторов новой работы, посвящённой этой теме.

Казалось бы, отличное предположение - в том смысле, что крепко неопровержимое: ядра атомов выше 118 у нас пока не получается ни в природе найти, ни создать искусственно. Уже много лет физики надеются взять твердыню если не измором, то хитростью. Поскольку таких тяжёлых элементов достать не удаётся, сходного эффекта пытаются добиться, сталкивая два ядра (например, урана с атомным номером 92) на устроителях частиц. «Такие эксперименты проводились десятилетиями», - комментирует ситуацию г-н Левитов. Но, конечно, ясного свидетельства коллапса атома не было.

Поэтому авторы рассматриваемой работы предложили использовать новую хитрость для симулирования такого коллапса. В графене - одноатомной в толщину решётке из атомов углерода - электроны, в силу необычной топологии этого материала, ведут себя как безмассовые частицы, хотя на самом деле масса у них есть. Однако двигаются они со скоростями намного меньшими, чем настоящие безмассовые частицы. А значит, состояния, формально сходные с коллапсами атомов, с участием таких электронов можно вызвать при во столько же раз меньшем заряде ядра.

В качестве заменителей атомных ядер физики использовали пары атомов (димеры) кальция на графеновой подложке. Используя как манипулятор сканирующий туннельный микроскоп, они получили чёткие свидетельства события, полностью аналогичного коллапсу ядер атомов.

Нормальный электрон вокруг нормального ядра (как те, из которых состоим мы с вами) и ультрарелятивистские электроны вокруг неустойчивого сверхкритического ядра.

Как только три таких димера оказались достаточно близко друг к другу, окружающее поле электронов показало специфический спектр резонансов, точно совпадавших с теми, что десятилетие назад были предсказаны для коллапса атома. Наблюдавшиеся резонансы сохранялись и для искусственных «ядер атомов» из четырёх и пяти димеров.

Хотя идея эксперимента была в том, чтобы подтвердить давние квантовомеханические предсказания относительно коллапса атомов, приложения у неё могут быть в меру практическими. Во-первых, как оказалось, так можно изучить многие свойства графена, который сейчас активно продвигается на роль материала для электроники. Во-вторых, такая чувствительность искусственных «атомов» на графене позволяет надеяться на использование подобных структур как детекторов химических и биомаркеров.

Объяснение и понимание - не одно и тоже. Это раз и навсегда доказал Дильтей.

С. Кургинян

Квантовая механика, основанная на теории относительности и физическая химия, основанная на квантовой механике «объяснили» атом, «размазав» электроны в «облаках орбиталей». Есть постулаты, законы чисел, но нет ни объяснения природных законов «почему так» и, тем более, полностью отсутствует понимание законов движения электронов в атоме. Парадокс состоит в том, что даже появление атома водорода противоречит закону электрического взаимодействия зарядов. Электрон должен притягиваться силами взаимодействия в пустоте или физическом вакууме к протону, поэтому он должен «упасть» на него и заряды должны «разрядиться». Почему электрон не «падает», а начинает вращаться вокруг протона и формирует атом водорода? Попытаемся развеять туманность облаков «орбиталей» и приблизиться к пониманию того, что можно считать орбитой элементарной частицы, каковы вид и расположение орбит, а главное, понять физические принципы их заполнения электронами в атомах.

Исходя из общности законов Природы, отказываясь от относительности и неопределённостей микромира, примем «подсказки» Солнца:

.Ø существование определённых орбит у электронов;

.Ø орбиты должны быть квантованы;

.Ø все орбиты - круговые или с незначительным эксцентриситетом;

.Ø орбиты расположены, в основном, в одной плоскости - в экваториальной плоскости ядра.

Такие же особенности формирования структуры атома непосредственно следуют из законов электрического и магнитного взаимодействия ядра и электронов в среде ДУХ.

Ядро атома должно притягивать к себе электроны силой электрического взаимодействия. Электрические силы, как мы выяснили (см. 4.2), определяются вращательным движением среды ДУХ, «схваченной» вращением материального массона - электрона. В среде ДУХ действует закон сохранения импульса: движение материи рождает движение среды и наоборот. Поэтому наибольшая скорость движения среды ДУХ, взаимодействующей с массоном, должна проявляться в его экваториальной плоскости. Мы также выяснили, что единичный заряд протона и его спин определяются центральным «позитроном» в центральном мюоне, а остальные заряды и спины мюона и пи-мезонов скомпенсированы. В ядрах атомов заряды протонов суммируются, что соответственно, приводит к увеличению напряжённости электрического поля - силе притяжения электронов. Наибольшие силы притяжения электронов протоном и ядрами элементов должны действовать в их экваториальной плоскости, плоскости наибольшего действия вихревого движения среды ДУХ. Это объясняет, почему заполнение оболочек во всех слоях n начинается с круговых орбиты: 1s, 2s, 3s и т.д.

Орбиты определяются электрическим полем ядра, и поэтому должны быть обязательно круговыми, экваториальными.

Но почему орбиты существуют? Почему протон, встретившись с электроном не притягивает его, а электрон при движении в электрическом поле не достигает положительно заряженного протона или ядра с многими протонами? Почему электрон перестаёт притягиваться и остаётся на боровской орбите? Этот парадокс - свидетельство невозможности образования атома водорода - в физике замалчивается.

В соответствии с законами электростатики отсутствие притяжения между положительным и отрицательным зарядами в отсутствие среды (физический вакуум) или в отсутствие её сопротивления («эфир») возможно только в случае отсутствия у одной из частиц заряда или его смене на противоположный. Физика, не знающая, что такое заряд, допустить смену зарядов не может, и потому замалчивает проблему. В среде ДУХ такая проблема отсутствует (см. 3.2).

Рассмотрим поведение электрона при образовании атома водорода, используя добротную модель электрона И. Дмитриева как вращения сферического объёма. Заряд - это определённое направление вращения: правое или левое. Приблизившись к протону, электрон оказывается в области сильного вихревого движения среды ДУХ, которое представляется вихревым вращением со скоростью света. Электрон в электрическом поле положительного заряда должен ускоряться. Но движение поверхностных точек электрона относительно среды уже соответствует скорости света и поэтому не может быть ускорено. Это не «позволят» электрическая и магнитная постоянные среды ДУХ. Приблизившись к ядру, электрон оказывается в вихревом движении среды, обусловленном зарядом ядра. В гл. 4.4 показано, что размер вихрей среды ДУХ многократно превышает размер вихрей, «схваченных» электроном (комптоновская длина волны). Поэтому для электрона их воздействие окажется хаотичным. При таком движении в потоке среды ДУХ от ядра электрон, который по нашей гипотезе - это единственная массовая элементарная частица (см. 3.2), может при вращении оказываться по отношению к ядру то «электроном», то «позитроном». Частица подвергается то силам притяжения, то отталкивания, разрывающим её. Основное условие существования частицы - однозначное соотношение между её объёмом и поверхностью, определяемое значением постоянной Планка, нарушается.

Как единственно возможное физическое объяснение возможности образования атомов, следует принять вариант, в соответствии с которым электрон, как волна, заключённая в сфере, при деформации поверхности под воздействием вихревого движения среды ДУХ может сформировать волну, заключённую в торе. Этому способствует магнитный момент электрона, который в 658,21 раз превышает магнитный момент протона. Процесс взаимодействия «облака» среды ДУХ вокруг электрона и «облака» вокруг протона можно представить как преобладание магнитного поля электрона, которое рассматривается как направленное движение среды ДУХ, над магнитным полем протона. Вращательное движение вихрей в среде ДУХ закономерно переходит в поступательное движение. Это движение среды ДУХ «уносит» электрон по круговой орбите вокруг протона и «размазывает» его по орбите. Силы магнитного взаимодействия на определённом расстоянии от ядра, которое называется боровской орбитой, преобладают над электрической силой притяжения. Как показывают нижеприведённые формулы, характеристики среды ДУХ на боровской орбите в атоме водорода однозначно связаны с характеристиками электрона, который на ней можно представить как волновой тор («электронный жгут»), сохраняющий массовые и электрические характеристики электрона.

Физические законы электрического взаимодействия препятствуют образованию атомов. Только гипотезы о единственной элементарной частице «массон = электрон+позитрон» и о превращении частицы на орбите атома в волновой тор («электронный жгут») способны объяснить рождение атомов.

Представление об электроне - массоне как организованном движении среды ДУХ и его взаимодействии со средой ДУХ превращают парадокс дуализма в закономерное явление, происходящие в электромагнитном поле ядра.

В обычных физических представлениях электрон «вращается» вокруг ядра со скоростью более 2000 км/с на орбите длиной 3,3·10 -10 м. Подобное движение, также как теоретические орбитали вероятности, не могут соответствовать реалиям в Природе. Представление о преобразовании массона в волновой тор разрешает физические противоречия и объясняет, когда и почему электрон-частица превращается в электрон-волну.

Основная гипотеза настоящей работы о единстве «ДУХ+материя» приводит к выводу, что свободный электрон должен рассматриваться не как самостоятельная субстанция, а как организованное движение среды ДУХ, как стоячая волна колебаний среды в сферической поверхности . Это «стоячая» волна колебаний, непрерывное взаимодействие которой со средой ДУХ рождает массу - меру инерции. Эти колебания на сферической границе раздела вызывают ответные колебания среды ДУХ с её характеристиками - электрической и магнитной постоянными, которые интерпретируются нами, как движение со скоростью света. Реально это колебательный процесс. Для объяснения парадокса рождения атома следует только «развернуть» шаровую волну в некий «шнур» на орбите. При этом наш электрон окажется «размазанным» в круговом пространстве в экваториальной плоскости ядра. Такой аналог электрического тока в кольцевом проводе - «электронный жгут» представляет стоячую электромагнитную волну в торе, расположенную в пространстве в экваториальной плоскости ядра, обеспечивает экранировку его заряда. Модель электронных орбиталей не способна дать такое объяснение.

Преобразование в электромагнитном поле ядра «стоячей» волны, ограниченной сферической поверхностью, в тороидальную не противоречит физическим законам. В Природе возможно образование в мощном электромагнитном поле шаровой молнии, её существование, и её распад с выделением энергии. Преобразование электромагнитной волны, каковой является электрон, из сферической формы в торообразную в вихревом движении среды ДУХ - аналогичный процесс формоизменения электрического заряда. Доказательствами в пользу гипотезы преобразования сферической волны в тороидальную может служить то, что такая форма существования электрона в атоме соответствует способу образования, форме и структуре электромагнитной волны - квантам (см. 4.4). Она объясняет стабильность атомов, их структуру и процессы образования квантов излучения при орбитальных переходах электронов. Природа ещё раз подтверждает единство принципов формирования систем!

Торообразная модель электрона на орбите вокруг ядра, соответствует природным принципам образования электромагнитных волн. Движение электрона не происходит по орбите, а эта орбита есть электрон-волна.

Это волна колебательного движения, вызванная взаимодействием со средой ДУХ подобна элементарному кругу переменного тока очень высокой частоты. Наружное вращение тора характеризуется константами среды ДУХ, а энергия, соответствующая массе покоя электрона модулирует волну внутреннего коаксиального движения, которая и определяет радиус орбиты. В этом случае понятие орбиты также требует изменения, например, «электронный жгут», «электрический пояс». Оценки физических параметров «электронного жгута» подтверждают его реальность.

Захваченный протоном электрон должен сохранить свою массу, то есть объём заключённой внутри него среды ДУХ. «Размазанный» электрон занимает боровскую орбиту в атоме водорода, радиус которой определяется константой Планка, зарядом (квадратичным) электрона, электрической и магнитной постоянными, массой «покоя» электрона:

a 0 = h 2 /(π ·μ 0 ·m e c 2 ·e 2) = ε 0 h 2 /(π · ·m e ·e 2) = 0,529177 10 -10 м.

Здесь a 0 - радиус боровской орбиты, h - постоянная Планка, m e - масса электрона, c - скорость света, e - заряд электрона, μ 0 и ε 0 - магнитная и электрические постоянные среды ДУХ.

Присутствие в уравнении электрической и магнитной постоянных среды ДУХ и характеристик электрона (квадратичный заряд и масса) - свидетельства закономерного взаимодействия «материя+ДУХ» на боровской орбите и, соответственно, её единственности. Как подтверждение того, что электрон на орбите представляет реальное волновое движение, а не полёт частицы, служат и волновые уравнения Шредингера, дающие правильные результаты, и эксперименты по рассеянию фотонов на атомах, в соответствие с которыми на связанных электронах происходит упругое рассеяние волн, причём массе электрона соответствует комптоновская длина волны λ К :

λ К = h / m e c = 2,426311·10 -12 м.

Из известных формул квантовой механики следует:

λ К = α ·2π·а 0 .

Здесь α = 1/137,036 - постоянная тонкой структуры.

Таким образом, основная орбита электрона в атоме водорода равна 137,036·λ к. Комптоновская длина волны, как показано (см. 3.2), может рассматриваться как минимально возможный «скачёк» электрона и как радиус облака ДУХ вокруг него.

Комптоновская длина волны - длина электрона-волны на орбите атома, физически обусловленная константой тонкой структуры часть боровской орбиты .

Объединив две вышеприведённые формулы, можно понять физический смысл постоянной тонкой структуры:

1/α = 2π·а 0 m e c / h

Вспомнив, что постоянная Планка соответствует энергии одного витка вихря в структуре ДУХ (см. 4.4), определим, что обратная величина постоянной тонкой структуры - это отношение импульса электрона на первой орбите вокруг протона к импульсу среды ДУХ.

Отношение импульса электрона на первой орбите вокруг протона к энергии минимального вихря в среде ДУХ (константа Планка) равно обратной величине постоянной тонкой структуры. Это закон сохранения импульса между средой ДУХ и электроном, в котором константа 1/α играет роль коэффициента передачи, аналога коэффициента полезного действия!

Также получено обоснование размера основной орбиты электрона в атоме водорода. Только на длине окружности 2π·а 0 происходит передача импульса электрона среде ДУХ и наоборот. Происходит их непрерывное взаимодействие.

В отличие от квантово-механического представления об орбиталях вероятности волновое представление электрона на боровской орбите закономерно обусловлено размером комптоновской длины волны - его минимального скачка в среде ДУХ. Эти же представления позволяют получить все параметры орбиты электрона в атоме. Рассматривая волну, расположенную на боровской орбите и ограниченную поверхностью с радиусом тора, можно оценить его, приравняв объёмы тора и электрона-частицы с известным радиусом 4,536· 10 -17 м.

Электрон на боровской орбите (a 0 = 0,529177· 10 -10 м) представляет торообразную волну - «электронный жгут» с радиусом сечения R е-тор = 1,9346 ·10 -20 м.

Превращение в поле ядра сферической частицы в «электронный жгут» приводит к резкому возрастанию поверхности взаимодействия «материя+ ДУХ». Площадь поверхности электрона-частицы S e-сфера = 2,5856 ·10 -32 м2 , а площадь поверхности «электронного жгута» S e-тор = 4,0417 ·10 -29 м2 . Поверхность непрерывного взаимодействия со средой ДУХ возросла в 1563 раза. Возрастание поверхности электрона должно свидетельствовать о резком увеличении движения среды ДУХ вдоль окружности электрона-тора. Такое движение есть магнитное поле.

Магнитный момент электрона-частицы известен: М e-сфера = 0,928477· 10 -23 А·м 2 (Дж/Тл).

Магнитный момент электрона на орбите - М определим как круговой ток I , умноженный на площадь круга S : M e-тор = I·S . Подставляя I = q e ·ν = q e · m e · c 2 / h и S = π·а 0 2 , определим ν = 1,2356· 10 20 c -1 ; I = 19,794 А. Магнитный момент электрона на орбите М e-тор = 1,7413· 10 -19 А·м 2 .

Значение магнитного момента «электронного жгута» на четыре порядка больше, чем у электрона-частицы, что свидетельствует о значительных магнитных силах, формируемых электронными орбитами. Отметим, что орбитали квантовой физики с неопределённым существованием электрона исключают возможность говорить о магнетизме в атомах и поэтом не способны объяснить, почему сохраняются эти орбитали и сам атом.

Выполненная оценка не может претендовать на точность расчёта магнитного потока в атоме вследствие неопределённости физического смысла самих понятий электрический ток и магнитный момент (см. 4.2) и возможности применения понятия ток к одному электрону. Однако, из общего понимания физического содержания магнитного поля, как направленного движения среды ДУХ, образованного взаимодействием с поверхностью электрона, становится очевидным значительное усиление магнитного поля «электронного жгута» по сравнению с электроном-частицей.

Таким образом, увеличение поверхности электрона при его включении в атом в виде «электронного жгута» приводит к формированию магнитного поля электрона на орбите - направленного и способного бесконечно сохраняться потока среды ДУХ; именно этот поток является той физической силой, которая обеспечивает удержание и существование электрона-тора на атомной орбите.

Выполненный анализ в достаточной степени объясняет дуализм электрона. Именно в поле ядра электрон представляет собой электромагнитную волну, в то время как свободные электроны, несомненно, частицы.

В противовес математическим моделям, в которых электрон в атоме оказывается не обнаруживаемым внутри облаков-орбиталей, предложенная модель «электронного жгута» с чёткими размерами и координатами является физически естественной. Под действием электромагнитных сил частица электрон, представляющая упорядоченную волну среды ДУХ, в поле ядра вынужденно «растягивается» по всей орбите, превращаясь в волну-тор, являющуюся материальным аналогом электромагнитной волны. Как показано (см. 4.4), любая электромагнитная волна, как носитель энергии, представляет из себя торообразное образование, распространяющееся со скоростью света. Совершенно аналогично, электрон в атоме должен представлять торообразное волновое движение с энергией эквивалентной массе электрона, зафиксированное на орбите вокруг ядра. В этой модели достаточно просто можно объяснить и переход электрона с орбиты более высокого уровня на нижнюю орбиту с излучением электромагнитного кванта. Торообразная волна большого радиуса при движении к ядру сжимается до радиуса нижней орбиты, и при этом движении отправляет в пространство квант-тор, соответствующий энергии разницы между энергетическими уровнями атома.

Физические расчёты могут уточнить модель перехода электрона-частицы в волну, но её суть не должна измениться. Потому что в такой гипотезе оказываются логично и математически связанными свойства массона (электрона/позитрона) и среды ДУХ. Представление о торообразной волне позволит нам объяснить формирование электронных оболочек атомов, а структура оболочек позволит лучше понять химические свойства элементов, как результат действия сил магнетизма.

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

3. Архитектура микроконтроллера AVR

Микроконтроллер AVR содержит: быстрый RISK-процессор, два типа энергонезависимой памяти (Flash-память программ и память данных EEPROM), оперативную память RAM, порты ввода/вывода и различные периферийные интерфейсные схемы.

3.1. Микропроцессор

Сердцем микроконтроллеров AVR является 8-битное микропроцессорное ядро или центральное процессорное устройство (ЦПУ), построенное на принципах RISK-архитектуры. Основой этого блока служит арифметико-логическое устройство (АЛУ). По системному тактовому сигналу из памяти программ в соответствии с содержимым счетчика команд (Program Counter - PC) выбирается очередная команда и выполняется АЛУ. Во время выбора команды из памяти программ происходит выполнение предыдущей выбранной команды, что и позволяет достичь быстродействия 1 MIPS на 1 МГц.

АЛУ подключено к регистрам общего назначения РОН (General Purpose Registers - GPR). Регистров общего назначения всего 32, они имеют байтовый формат, то есть каждый из них состоит из восьми бит. РОН находятся в начале адресного пространства оперативной памяти, но физически не являются ее частью. Поэтому к ним можно обращаться двумя способами (как к регистрам и как к памяти). Такое решение является особенностью AVR и повышает эффективность работы и производительность микроконтроллера.

Отличие между регистрами и оперативной памятью состоит в том, что с регистрами можно производить любые операции (арифметические, логические, битовые), а в оперативную память можно лишь записывать данные из регистров.

3.2. Память

В микроконтроллерах AVR реализована Гарвардская архитектура, в соответствии с которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но и шины доступа к ним. Каждая из областей памяти данных (оперативная память и EEPROM) также расположена в своем адресном пространстве.

3.2.1. Память программ (Flash ROM или Flash ПЗУ)

Память программ предназначена для хранения последовательности команд, управляющих функционированием микроконтроллера, и имеет 16-ти битную организацию. Все AVR имеют Flash-память программ, которая может быть различного размера - от 1 до 256 КБайт. Ее главное достоинство в том, что она построена на принципе электрической перепрограммируемости, т. е. допускает многократное стирание и запись информации. Программа заносится во Flash-память AVR как с помощью обычного программатора, так и с помощью SPI-интерфейса, в том числе непосредственно на собранной плате. Возможностью внутрисхемного программирования (функция ISP) через коммуникационный интерфейс SPI обладают все микроконтроллеры AVR, кроме Tiny11 и Tiny28.

Все микроконтроллеры семейства Mega имеют возможность самопрограммирования, т. е. самостоятельного изменения содержимого своей памяти программ. Эта особенность позволяет создавать на их основе очень гибкие системы, алгоритм работы которых будет меняться самим микроконтроллером в зависимости от каких-либо внутренних условий или внешних событий.

Гарантированное число циклов перезаписи Flash-памяти у микроконтроллеров AVR второго поколения составляет не менее 10 тыс. циклов при типовом значении 100 тыс. циклов. (В официальной технической документации Atmel Corp. указывается значение 10 тыс. циклов.)

3.2.2. Память данных

Память данных разделена на три части: регистровая память, оперативная память (ОЗУ - оперативное запоминающее устройство или RAM) и энергонезависимая память (ЭСППЗУ или EEPROM).

3.2.3. Регистровая память (РОН и РВВ)

Регистровая память включает 32 регистра общего назначения (РОН или GPR), объединенных в файл, и служебные регистры ввода/вывода (РВВ). И те и другие расположены в адресном пространстве ОЗУ, но не являются его частью.

В области регистров ввода/вывода расположены различные служебные регистры (регистры управления микроконтроллером, регистры состояния и т. п.), а также регистры управления периферийными устройствами, входящими в состав микроконтроллера. По сути, управление микроконтроллером заключается в управлении этими регистрами.

3.2.4. Энергонезависимая память данных (EEPROM)

Для долговременного хранения различной информации, которая может изменяться в процессе функционирования микроконтроллерной системы, используется EEPROM-память. Все AVR имеют блок энергонезависимой электрически перезаписываемой памяти данных EEPROM от 64 Байт до 4 КБайт. Этот тип памяти, доступный программе микроконтроллера непосредственно в ходе ее выполнения, удобен для хранения промежуточных данных, различных констант, коэффициентов, серийных номеров, ключей и т.п. EEPROM может быть загружена извне как через SPI интерфейс, так и с помощью обычного программатора. Число циклов стирание/запись - не менее 100 тыс.

3.2.5. Оперативная память (ОЗУ или RAM)

Внутренняя оперативная статическая память Static RAM (SRAM) имеет байтовый формат и используется для оперативного хранения данных.

Размер оперативной памяти может варьироваться у различных чипов от 64 Байт до 4 КБайт. Число циклов чтения и записи в RAM не ограничено, но при отключении питающего напряжения вся информация теряется.

Для некоторых микроконтроллеров возможна организация подключения внешнего статического ОЗУ объемом до 64К.

Томский политехнический университет

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Реферат на тему

«Архитектура микроконтроллеров C 51, AVR , ARM »

Введение

1. Архитектура микроконтроллеров MCS-51

1.1. Блок управления и синхронизации

2. Архитектура микроконтроллеров ARM

2.1. Основные характеристики ядра ARM7

3. Архитектура микроконтроллера AVR

3.1. Микропроцессор

3.2. Память

3.2.1. Память программ (Flash ROM или Flash ПЗУ)

3.2.2. Память данных

3.2.3. Регистровая память (РОН и РВВ)

3.2.4. Энергонезависимая память данных (EEPROM)

3.2.5. Оперативная память (ОЗУ или RAM)

3.3. Периферия

3.3.1. Порты ввода/вывода (I/O)

3.3.2. Прерывания (INTERRUPTS)

3.3.3. Таймеры/счетчики (TIMER/COUNTERS)

3.3.4. Сторожевой таймер (WDT)

3.3.5. Аналоговый компаратор (AC)

3.3.6. Аналого-цифровой преобразователь (A/D CONVERTER)

3.3.7. Универсальный последовательный приемопередатчик (UART или USART)

3.3.8. Последовательный периферийный интерфейс SPI

3.3.9. Двухпроводной последовательный интерфейс TWI

3.3.10. Интерфейс JTAG

3.3.11. Тактовый генератор

3.3.12. Система реального времени (RTC)

3.4. Питание

3.4.1. Сброс при снижении напряжения питания (BOD)

Заключение

Микроконтроллер (MCU) - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Микроконтроллеры являются основой для построения встраиваемых систем, их можно встретить во многих современных приборах, таких, как телефоны, стиральные машины и т. п. Большая часть выпускаемых в мире процессоров - микроконтроллеры.

В отличие от микросхем "жесткой логики", микроконтроллер - это микросхема, у которой, во-первых, зависимость выходных сигналов от входных определяется исключительно правилами, заложенными разработчиком заранее (это называется программированием, а сами правила - программой), а во-вторых, нет четкого деления выводов на входы и выходы - обычно почти все выводы микроконтроллера в зависимости от желания и намерения разработчика могут быть как входами, так и выходами (и даже менять свое назначение в процессе работы).

Архитектура семейства MCS-51 в значительной мере предопределяется ее назначением - построение компактных и дешевых цифровых устройств. Все функции микроЭВМ реализуются с помощью единственной микросхемы. В состав семейства MCS-51 входит целый ряд микросхем от самых простых микроконтроллеров до достаточно сложных. Микроконтроллеры семейства MCS-51 позволяют выполнять как задачи управления различными устройствами, так и реализовывать отдельные узлы аналоговой схемы. Все микросхемы этого семейства работают с одной и той же системой команд , большинство из них выполняется в одинаковых корпусах с совпадающей цоколевкой (нумерация ножек для корпуса). Это позволяет использовать для разработанного устройства микросхемы разных фирм - производителей (таких какIntel, Dallas, Atmel, Philips и т.д.) без переделки принципиальной схемы устройства и программы.

Рис 1. Структурная схема контроллера К1830ВЕ751

Структурная схема контроллера представлена на рис.1. и состоит из следующих основных функциональных узлов: блока управления, арифметико-логического устройства, блока таймеров/счетчиков, блока последовательного интерфейса и прерываний, программного счетчика, памяти данных и памяти программ. Двусторонний обмен осуществляется с помощью внутренней 8-разрядной магистрали данных. Рассмотрим подробнее назначение каждого блока. По такой схеме построены практически все представители семейства MCS-51. Различные микросхемы этого семейства различаются только регистрами специального назначения (в том числе и количеством портов). Система команд всех контроллеров семейства MCS-51 содержит 111 базовых команд с форматом 1, 2 или 3 байта и не изменяется при переходе от одной микросхемы к другой. Это обеспечивает прекрасную переносимость программ с одной микросхемы на другую.

1.1 Блок управления и синхронизации

Блок управления и синхронизации (Timing and Control) предназначен для выработки синхронизирующих и управляющих сигналов, обеспечивающих координацию совместной работы блоков ОЭВМ во всех допустимых режимах ее работы.В состав блока управления входят:

· устройство формирования временных интервалов,

· логика ввода-вывода,

· регистр команд,

· регистр управления потреблением электроэнергии,

· дешифратор команд, логика управления ЭВМ.

Устройство формирования временных интервалов предназначено для формирования и выдачи внутренних синхросигналов фаз, тактов и циклов. Количество машинных циклов определяет продолжительность выполнения команд. Практически все команды ОЭВМ выполняются за один или два машинных цикла, кроме команд умножения и деления, продолжительность выполнения которых составляет четыре машинных цикла. Обозначим частоту задающего генератора через F г. Тогда длительность машинного цикла равна 12/F г или составляет 12 периодов сигнала задающего генератора. Логика ввода - вывода предназначена для приема и выдачи сигналов, обеспечивающих обмен информации с внешними устройствами через порты ввода вывода Р0-Р3.

Регистр команд предназначен для записи и хранения 8-ми разрядного кода операции выполняемой команды. Код операции, с помощью дешифратора команд и логики управления ЭВМ, преобразуется в микропрограмму выполнения команды.

Регистр управления потреблением (PCON) позволяет останавливать работу микроконтроллера для уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения уровня помех от микроконтроллера. Еще большего уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения помех можно добиться, остановив задающий генератор микроконтроллера. Этого можно достичь при помощи переключения бит регистра управления потреблением PCON. Для варианта изготовления по технологии n-МОП (серия 1816 или иностранных микросхем, в названии которых в середине отсутствует буква "c") регистр управления потреблением PCON содержит только один бит, управляющий скоростью передачи последовательного порта SMOD, а биты управления потреблением электроэнергией отсутствуют.

Арифметико-логическое устройство (ALU) представляет собой параллельное восьмиразрядное устройство, обеспечивающее выполнение арифметических и логических операций. АЛУ состоит из :

· регистров аккумулятора, регистров временного хранения TMP1 и TMP2,

· ПЗУ констант,

· сумматора,

· дополнительного регистра (регистра В),

· аккумулятора (ACC),

· регистра состояния программ (PSW).

Регистр аккумулятор и регистры временного хранения - восьмиразрядные регистры, предназначенные для приема и хранения операндов на время выполнения операций над ними. Эти регистры программно не доступны.

ПЗУ констант обеспечивает выработку корректирующего кода при двоично-десятичном представлении данных, кода маски при битовых операциях и кода констант.

Параллельный восьмиразрядный сумматор представляет собой схему комбинационного типа с последовательным переносом, предназначенную для выполнения арифметических операций сложения, вычитания и логических операций сложения, умножения, неравнозначности и тождественности.

Регистр B - восьмиразрядный регистр, используемый во время операций умножения и деления. Для других инструкций он может рассматриваться как дополнительный сверхоперативный регистр.

Аккумулятор - восьмиразрядный регистр, предназначенный для приема и хранения результата, полученного при выполнении арифметико-логических операций или операций сдвига

Блок последовательного интерфейса и прерываний (ПИП) предназначен для организации ввода - вывода последовательных потоков информации и организации системы прерывания программ. В состав блока входят:

1. буфер ПИП,

2. логика управления,

3. регистр управления,

4. буфер передатчика,

5. буфер приемника,

6. приемопередатчик последовательного порта,

7. регистр приоритетов прерываний,

8. регистр разрешения прерываний,

9. логика обработки флагов прерываний и схема выработки вектора.

Счетчик команд (Program Counter) предназначен для формирования текущего 16-разрядного адреса внутренней памяти программ и 8/16-разрядного адреса внешней памяти программ. В состав счетчика команд входят 16-разрядные буфер РС, регистр РС и схема инкремента (увеличения содержимого на 1).

Память данных (RAM)предназначена для временного хранения информации, используемой в процессе выполнения программы.

Порты P0, P1, P2, P3 являются квазидвунаправленными портами ввода - вывода и предназначены для обеспечения обмена информацией ОЭВМ с внешними устройствами, образуя 32 линии ввода-вывода.

Регистр состояния программы (PSW) предназначен для хранения информации о состоянии АЛУ при выполнении программы.

Память программ (EPROM) предназначена для хранения программ и представляет собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В разных микросхемах применяются масочные, стираемые ультрафиолетовым излучением или FLASH ПЗУ.

Регистр указателя данных (DPTR) предназначен для хранения 16 - разрядного адреса внешней памяти данных или памяти программ.

1.1. Блок управления и синхронизации

Блок управления и синхронизации (Timing and Control ) предназначен для выработки синхронизирующих и управляющих сигналов, обеспечивающих координацию совместной работы блоков ОЭВМ во всех допустимых режимах ее работы.В состав блока управления входят:

· устройство формирования временных интервалов,

· логика ввода-вывода,

· регистр команд,

· регистр управления потреблением электроэнергии,

· дешифратор команд, логика управления ЭВМ.

Устройство формирования временных интервалов предназначено для формирования и выдачи внутренних синхросигналов фаз, тактов и циклов. Количество машинных циклов определяет продолжительность выполнения команд. Практически все команды ОЭВМ выполняются за один или два машинных цикла, кроме команд умножения и деления, продолжительность выполнения которых составляет четыре машинных цикла. Обозначим частоту задающего генератора через F г. Тогда длительность машинного цикла равна 12/F г или составляет 12 периодов сигнала задающего генератора. Логика ввода - вывода предназначена для приема и выдачи сигналов, обеспечивающих обмен информации с внешними устройствами через порты ввода вывода Р0-Р3.

Регистр команд предназначен для записи и хранения 8-ми разрядного кода операции выполняемой команды. Код операции, с помощью дешифратора команд и логики управления ЭВМ, преобразуется в микропрограмму выполнения команды.

Регистр управления потреблением (PCON ) позволяет останавливать работу микроконтроллера для уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения уровня помех от микроконтроллера. Еще большего уменьшения потребления электроэнергии и уменьшения помех можно добиться, остановив задающий генератор микроконтроллера. Этого можно достичь при помощи переключения бит регистра управления потреблением PCON. Для варианта изготовления по технологии n-МОП (серия 1816 или иностранных микросхем, в названии которых в середине отсутствует буква "c") регистр управления потреблением PCON содержит только один бит, управляющий скоростью передачи последовательного порта SMOD, а биты управления потреблением электроэнергией отсутствуют.

Арифметико-логическое устройство (ALU) представляет собой параллельное восьмиразрядное устройство, обеспечивающее выполнение арифметических и логических операций. АЛУ состоит из:

· регистров аккумулятора, регистров временного хранения TMP1 и TMP2,

· ПЗУ констант,

· сумматора,

· дополнительного регистра (регистра В),

· аккумулятора (ACC),

· регистра состояния программ (PSW).

Регистр аккумулятор и регистры временного хранения - восьмиразрядные регистры, предназначенные для приема и хранения операндов на время выполнения операций над ними. Эти регистры программно не доступны.

ПЗУ констант обеспечивает выработку корректирующего кода при двоично-десятичном представлении данных, кода маски при битовых операциях и кода констант.

Параллельный восьмиразрядный сумматор представляет собой схему комбинационного типа с последовательным переносом, предназначенную для выполнения арифметических операций сложения, вычитания и логических операций сложения, умножения, неравнозначности и тождественности.

Регистр B - восьмиразрядный регистр, используемый во время операций умножения и деления. Для других инструкций он может рассматриваться как дополнительный сверхоперативный регистр.

Аккумулятор - восьмиразрядный регистр, предназначенный для приема и хранения результата, полученного при выполнении арифметико-логических операций или операций сдвига

Блок последовательного интерфейса и прерываний (ПИП) предназначен для организации ввода - вывода последовательных потоков информации и организации системы прерывания программ. В состав блока входят:

1. буфер ПИП,

2. логика управления,

3. регистр управления,

4. буфер передатчика,

5. буфер приемника,

6. приемопередатчик последовательного порта,

7. регистр приоритетов прерываний,

8. регистр разрешения прерываний,

9. логика обработки флагов прерываний и схема выработки вектора.

Счетчик команд (Program Counter) предназначен для формирования текущего 16-разрядного адреса внутренней памяти программ и 8/16-разрядного адреса внешней памяти программ. В состав счетчика команд входят 16-разрядные буфер РС, регистр РС и схема инкремента (увеличения содержимого на 1).

Память данных (RAM) предназначена для временного хранения информации, используемой в процессе выполнения программы.

Порты P0, P1, P2, P3 являются квазидвунаправленными портами ввода - вывода и предназначены для обеспечения обмена информацией ОЭВМ с внешними устройствами, образуя 32 линии ввода-вывода.

Регистр состояния программы (PSW) предназначен для хранения информации о состоянии АЛУ при выполнении программы.

Память программ (EPROM) предназначена для хранения программ и представляет собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В разных микросхемах применяются масочные, стираемые ультрафиолетовым излучением или FLASH ПЗУ.

Регистр указателя данных (DPTR) предназначен для хранения 16 - разрядного адреса внешней памяти данных или памяти программ.

Указатель стека (SP) представляет собой восьмиразрядный регистр, предназначенный для организации особой области памяти данных (стека), в которой можно временно сохранить любую ячейку памяти.

3.2.1. Память программ (Flash ROM или Flash ПЗУ)

Память программ предназначена для хранения последовательности команд, управляющих функционированием микроконтроллера, и имеет 16-ти битную организацию. Все AVR имеют Flash-память программ, которая может быть различного размера - от 1 до 256 КБайт. Ее главное достоинство в том, что она построена на принципе электрической перепрограммируемости, т. е. допускает многократное стирание и запись информации. Программа заносится во Flash-память AVR как с помощью обычного программатора, так и с помощью SPI-интерфейса, в том числе непосредственно на собранной плате. Возможностью внутрисхемного программирования (функция ISP) через коммуникационный интерфейс SPI обладают все микроконтроллеры AVR, кроме Tiny11 и Tiny28.

Все микроконтроллеры семейства Mega имеют возможность самопрограммирования, т. е. самостоятельного изменения содержимого своей памяти программ. Эта особенность позволяет создавать на их основе очень гибкие системы, алгоритм работы которых будет меняться самим микроконтроллером в зависимости от каких-либо внутренних условий или внешних событий.

Гарантированное число циклов перезаписи Flash-памяти у микроконтроллеров AVR второго поколения составляет не менее 10 тыс. циклов при типовом значении 100 тыс. циклов. (В официальной технической документации Atmel Corp. указывается значение 10 тыс. циклов.)

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) служит для получения числового значения напряжения, поданного на его вход. Этот результат сохраняется в регистре данных АЦП. Какой из выводов (пинов) микроконтроллера будет являться входом АЦП, определяется числом, занесенным в соответствующий регистр.

Универсальный асинхронный или универсальный синхронно/асинхронный приемопередатчик (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver and Transmitter - UART или USART) - удобный и простой последовательный интерфейс для организации информационного канала обмена микроконтроллера с внешним миром. Способен работать в дуплексном режиме (одновременная передача и прием данных). Он поддерживает протокол стандарта RS-232, что обеспечивает возможность организации связи с персональным компьютером. (Для стыковки МК и компьютера обязательно понадобится схема сопряжения уровней сигналов. Для этого существуют специальные микросхемы, например MAX232.)

Выводы

Микроконтроллеры развиваются невероятными темпами и их можно встретить в огромном количестве современных промышленных и бытовых приборов: станках, автомобилях, телефонах, телевизорах, холодильниках, стиральных машинах... и даже кофеварках. Среди производителей микроконтроллеров можно назвать Intel, Motorola, Hitachi, Microchip, Atmel, Philips, Texas Instruments, Infineon Technologies (бывшая Siemens Semiconductor Group) и многих других.