Mikrokontroléry

Mikroprocesor x mikrokontrolér

mikroprocesor (MPU) = procesor vyrobený na jednom čipu
- používá vnější paměti a další pomocné obvody
mikrokontrolér (MCU) = procesorové jádro + paměti + periferie + pomocné obvody na společném čipu
- periferní obvody obvykle specializované pro různé řídící aplikace

Charakteristiky MCU

Vývody pouzder MCU

většina vývodů má podle konfigurace některou z více funkcí
základní konfigurace je obcykle binární obousměrný IO pin
piny obvykle sdruženy do 8bitových nebo 16bitových portů
další možné funkce
- adresní/datová sběrnice
- vývody séeiových portů, časovačů a čítačů
- ...

Adresní prostory MCU

fyzická paměť nemusí pokrývat celý a.p.
- zbývající rozsah pokryt vnější pamětí
- někdy mapovány i SFR (Special Function Registers) a někdy EEPROM

Lineární (Von Neumannova) architektura
- všechny typy pamětí a SFR v jednom adresním prostoru
  - lze zapisovat i do kódové paměti
  - lze provádět program uložený v datové paměti
  - u výkonných MCU lze někdy volit různé mapování pamětí do adresního prostoru

Konfigurace s vnější a vnitřní pamětí

některé MCU umožňují připojení vnější datové nebo kódové paměti
pro vyvedení portu adresní a datové sběrnice běžně část binárních IO portů
přístup do vnitřní paměti obvykle rychlejší (v 1 taktech CLK) než do vnější (ve 3 taktech CLK)

Programování vnitřních pamětí MCU

paralelní programování
- používá externí programátor
- vyžaduje velký počet vývodů MCU
- rychlé programování (vhodné pro sériovou výrobu)
- obtížné programování přímo v zařízení (ISP - In System Programming)
rozhraní JTAG (Joint Test Action Group)
- sériové rozhraní pro diagnostiku
- pro programování i ladění programů
boot loader
- CPU čte kód programu přes standardní rozhraní a zapisuje do Flash
- předpoklady
  - CPU může zapisovat do kódového i adresního prostoru
  - Boot program lze vykonávat i při zápisu do Flash
- výkonné MCU: možnost volby rozhraní pro boot po resetu
  - program se ukládá do RAM místo Flash - boot je nutný vždy při startu
  - boot lze provést z různých rozhraní (SPI, Flash, přes Ethernet, ...)

Ladící prostředky

monitor
- uložen v kódové paměti MCU
- spolupracuje s ladicím programem na počítači
- program se zavádí do Flash i s monitorem
- nevýhody: monitor potřebuje nějaké prostředky MCU
JTAG
- některé MCU mají rozšířený soubor instrukcí JTAG pro ladění
- výpočet běží v laděné aplikaci v reálném čase
- aplikační program může bez omezení využívat prostředky MCU

Nízkopříkonové režimy Idle a Power

zapínají se programově
Idle (IDL)
- CPU má odpojený hodinový signál - pracují jen periferní řadiče
Power Down (PD)
- vypne se generátor hodinového signálu, nepracuje CPU ani periferní obvody

architektura vyvíjena od roku 1990 (Advanced Risc Machine)
postupně několik verzí procesorových jader
- ARMv4, ARMv4T (THUMB ISA)
- ARMv5, ARMv5E (Enhanced - rozšířeno o DSP)
- ARMv6, ARMv6M (Cortex-M0)
- ARMv7M, ARMv7R, ARMv7A (Cortex-M, R, A)
mikrokontroléry n bázi ARM vyrábí několik (cca 40) výrobců (TI, ST, NXP, Toshiba, ...)
též jako syntetizovatelná jídra pro SoC

Charakteristika ARM

Řady procesorů

Instrukční sady ARM

ARM 32-bit
- původní sada
- 32bitové instrukce (kódované na 32 bitech)
- nevýhodné v menších systémech
Thumb
- 16bitové instrukce
- méně výkonné než ARM 32-bit
- ARM 32-bit a Thumb je nutné přepínat (lze i za chodu)
Thumb-2
- nadmnožina Thumb
- kombinace 16bitových a 32bitových instrukcí
- nemusí se přepínat
- od ARMv7