Что такое микроконтроллеры, микропроцессоры и сигнальные процессоры

Слово микропроцессоры у всех на слуху. Сигнальные процессоры известно меньшему кругу людей, однако и это понятие достаточно распространено. Что же такое микроконтроллеры? Прежде чем заняться более подробно микроконтроллерами, рассмотрим к какой области техники относятся микросхемы этого класса и какой круг задач они решают.

Основные направления развития современной схемотехники приведены на рисунке 1.

Рисунок 1. Место, занимаемое микропроцессорами в современной схемотехнике.

Вся схемотехника разделяется на две большие области: аналоговую и цифровую Преимущества и недостатки этих технологий известны. Аналоговая схемотехника характеризуется максимальным быстродействием, малым потреблением энергии и малой стабильностью параметров. Цифровая схемотехника обладает прекрасной повторяемостью параметров, а в последние годы и большим по сравнению с аналоговой техникой динамическим диапазоном. Эти преимущества и привели к развитию цифровой техники в последние годы.

По мере развития цифровых микросхем их быстродействие достигло впечатляющих результатов. Наиболее быстрые из цифровых микросхем обладают скоростью переключения порядка 3..5 нс. (серия микросхем 74ALS), а внутри кристалла микросхемы, где нет больших Јмкостей нагрузки время переключения измеряется пикосекундами. Таким быстродействием обладают программируемые логические схемы и заказные БИС. В этих микросхемах алгоритм решаемой задачи заключЈн в их принципиальной схеме.

Часто для решаемой задачи не требуется такого быстродействия, каким обладают современные цифровые микросхемы. Однако за быстродействие приходится платить:

1. Быстродействующие микросхемы потребляют значительный ток.
2. Для решения задачи приходится использовать много микросхем, это выливается в стоимость и габариты устройства.

Напомню основные характеристики различных технологий производства цифровых микросхем.

Наибольшим быстродействием и наименьшей помехоустойчивостью обладала технология ЭСЛ (эмитерно связанная логика). Однако принципиальная еЈ особенность работы в активном режиме приводила к тому, что в процессе работы накапливались и усиливались шумы транзисторов, а это означает, что достаточно сложные алгоритмы работы принципиально будут выполняться с ошибками. Это привело к тому, что в настоящее время эта технология производства цифровых микросхем практически не применяется.

Следующий вид технологии производства цифровых микросхем - это ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). Современные микросхемы, производимые по этой технологии обладают быстродействием, соизмеримым с быстродействием микросхем ЭСЛ. Однако в связи с особенностями внутреннего устройства микросхемы, еЈ потребление не зависит от скорости переключения логических вентилей. Решая задачу, требующую предельного быстродействия или задачу, в которой вентили переключаются только несколько раз в секунду, микросхема потребляет одинаковый ток. Поэтому выпускается несколько различных серий микросхем, выполненных по этой технологии, обладающих различным быстродействием и, соответственно различным током потребления.

В современном мире наибольшее распространение получила технология КМОП (комплементарные транзисторы с изолированным затвором). Особенностью этой технологии является то, что микросхемы построены по двухтактной схеме. Поэтому в статическом состоянии если верхний транзистор открыт, то закрыт нижний транзистор и наоборот. Это означает, что ток через вентиль не протекает ни в состоянии логической единицы, ни в состоянии логического нуля. То есть в состоянии покоя через микросхему протекают только токи утечки транзисторов и микросхема ток практически не потребляет.

Потребление микросхем КМОП возрастает только при увеличении скорости переключения логических вентилей. На предельных скоростях работы микросхемы еЈ потребление сравнивается и даже может превосходить потребление микросхем, выполненных по ТТЛ технологии. 

Итак, первую задачу (потреблять ток в зависимости от требующегося в данный момент быстродействия) решает применение технологии КМОП (например микросхемы серий 1564, 74HC, 74AHC, универсальные процессоры AMD или PENTIUM). Именно поэтому в настоящее время подавляющее большинство микросхем выпускается именно по этой технологии.

Вторую задачу (уменьшение стоимости и габаритов) решают несколькими способами. Для жЈсткой логики это разработка специализированных БИС. Использование специализированных БИС позволяет уменьшить габариты устройства, но стоимость его снижается только при крупносерийном производстве. Для среднего и малого объЈмов производства такое решение неприемлемо. Тем не менее для крупносерийного производства альтернативе этой технологии нет, так как при этом реализуется наименьшая стоимость микросхем.

ЕщЈ одним решением уменьшения габаритов и стоимости устройства является применение программируемых логических схем (ПЛИС). В этих микросхемах присутствуют как бы два слоя. Один слой - это набор цифровых модулей, способных решить практически любую задачу. Второй слой хранит таблицу связей между модулями первого слоя. Эту таблицу можно программировать, и тем самым менять схему устройства, а значит и решаемую микросхемой задачу. Это направление активно развивается в настоящее время, но оно не входит в рамки рассмотрения данного курса.

Третий способ решения поставленной задачи заключается в том, что можно заставить одно очень быстродействующее устройство последовательно решать различные задачи, изменяя свою структуру во времени. Это микропроцессоры. В микропроцессорах возможен обмен предельного быстродействия на сложность реализуемого устройства. Именно по этой причине стараются максимально увеличить быстродействие микропроцессоров - это позволяет реализовывать все более сложные устройства в одном и том же объеме. Более того! В одном процессоре можно реализовать несколько устройств одновременно! Именно это решение задачи и рассматривается в данном учебном курсе.

В современном мире трудно найти область техники, где не применялись бы микропроцессоры. Они применяются при вычислениях, они выполняют функции управления, они используются при обработке звука и изображения. В зависимости от области применения микропроцессора меняются требования к нему. Это накладывает отпечаток на внутреннюю структуру микропроцессора. В настоящее время определилось три направления развития микропроцессоров:

• универсальные микропроцессоры
• микроконтроллеры
• сигнальные микропроцессоры

Универсальные микропроцессоры используются для построения вычислительных машин. В них используются самые передовые решения по повышению быстродействия, не обращая особого внимания на габариты, стоимость и потребляемую энергию. В технике связи компьютеры используются для управления системами связи или устройствами связи, обладающими большими габаритами и стоимостью. Такие компьютеры, в которых работает только одна программа - программа управления, называются контроллерами. Слово контроллер образовалось от английского слова to control - управлять.

Микроконтроллеры используются для управления малогабаритными и дешЈвыми устройствами связи, такими как радиостанции или сотовые аппараты. Раньше эти микросхемы называли по их внутреннему устройству однокристальными микроЭВМ. В микроконтроллерах, в отличие от универсальных микропроцессоров, максимальное внимание уделяется именно габаритам, стоимости и потребляемой энергии.

Сигнальные процессоры решают задачи, которые традиционно решала аналоговая схемотехника. Это такие задачи как фильтрация и поиск сигналов, вычисление спектров, преобразование сигналов из одного вида в другой, устранение отражений и выделение полезного сигнала на фоне помех. К сигнальным процессорам предъявляются специфические требования. От них требуются максимальное быстродействие, малые габариты, легкая стыковка с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, большая разрядность обрабатываемых данных и небольшой набор математических операций, обязательно включающий операцию умножения-накопления и аппаратную организацию циклов.

[ Содержание] [Вперёд]