МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 681.323—181.48.001.18
М. П. Гальперин
одноплатные микроэвм и микроконтроллеры
На основе анализа структуры одноплатных микро-
эвм сформулированы основные принципы построения
одноплатных микроконтроллеров — преимущественное
использование закрытых одноплатных конструкций,
имеющих в своем составе цифровые параллельные и по-
следовательные каналы, аналоговый, телевизионный,
связной интерфейсы и средство их комплексирования —
системный последовательный канал.
Техника микропроцессоров и микроЭВМ развивалась
и продолжает развиваться по двум основным направ-
лениям — создание средств для решения задач вычисле-
ний и обработки массивов информации и разработка
встраиваемых микроЭВМ для замены жесткой логики
на программируемую при управлении работой оборудо-
вания и приборов: МикроЭВМ первого направления
представляют собой, как правило, законченные много-
платные конструкции с источником питания и средства-
ми связи с программистом; микроЭВМ второго направ-
ления — одноплатные и однокристальные. Среди зару-
бежных моделей наиболее характерными представителя-
ми первого направления являются микроЭВМ фирмы
DEC, второго — одноплатные и однокристальные мик-
роЭВМ фирмы Intel. Среди отечественных — соответст-
венно массовая многоплатная микроЭВМ «Электроника
60» и одноплатные и оанокристальные микроЭВМ се-
мейства «Электроника С5».
Различное назначение микроЭВМ, принадлежащих к
указанным направлениям, определяет неодинаковые
подходы к их проектированию на всех уровнях — мик-
роЭВМ в целом, отдельные функциональные модули,
отдельные БИС — и влияет на выбор ВУ. Особенно
существенную роль играют эти различия при переходе
к новому поколению технологии изготовления БИС.
В микропроцессорах, предназначенных в первую оче-
редь для многоплатных микроЭВМ, возросший уровень
интеграции обычно используется для достижения мак-
симально возможного эффективного быстродействия
благодаря аппаратной реализации расширенной системы
команд, применения известных методов ускорения ариф-
метических операций и локального параллелизма, схем-
ной реализации аппарата работы с большими массива-
ми памяти и средств автоматизации программирования.
В микропроцессорах для одноплатных микроЭВМ важ-
но реализовать в одном кристалле максимально возмож-
ный набор устройств различного назначения: ОЗУ, ПЗУ,
средства децентрализации вычислений. Пределом стрем-
лений разработчиков машин первого класса является
микропроцессор «неограниченного» быстродействия, име-
ющий прямую адресацию к памяти «неограниченного»
объема, воспринимающий программы, написанные на
любом алгоритмическом языке. Мысли разработчиков
машин второго класса направлены на создание в одном
кристалле устройства, содержащего все известные ви-
ды памяти (пусть понемногу), все виды каналов вво-
да-вывода — дискретные, аналоговые, связные, сетевые
интерфейсы, — т. е. на построение системы в одном
кристалле.
Существенны различия в подходах и при выборе
структуры других БИС микропроцессорного комплекта.
Например, оперативная память многоплатных микро-
ЭВМ строится на динамических БИС ОЗУ максималь-
ной емкости с одноразрядной структурой слова. Для
одноплатных микроЭВМ специально разрабатываются
многоразрядные БИС ОЗУ, позволяющие в минималь-
ной конфигурации иметь всего одну-две БИС. Приме-
ром могут служить БИС ОЗУ серии К536 с байтовой
структурой, БИС ОЗУ 1809РУ1 со структурой матрицы
1024X16 разрядов. Состав программного обеспечения
одноплатных микроЭВМ, как правило, определяется:
ориентацией на непрофессионального потребителя. Ос-
новным является вариант применения в серийных изде-
лиях микроЭВМ с сохранением целевых программ в
ПЗУ, которое программируется в процессе изготовления
БИС. Эти микроЭВМ не имеют средств ввода и хране-
ния отлаживаемой программы, средств автоматизации
программирования, поэтому их необходимо оснащать
инструментальными системами, кросс-системами, интег-
рированными системами автоматизации программирова-
ния и проектирования БИС ПЗУ, разрабатывать и вы-
пускать средства отладки.
Отличия в назначении, требованиях к структуре ис-
пользуемых БИС, конструктивном исполнении и глав-
ное структуре самих микроЭВМ позволяют утверж-
дать, что одноплатные микроЭВМ являются отдельным
классом изделий микропроцессорной техники, которые
можно определить как малые конфигурации микроЭВМ.
Есть еще одно важное отличие одноплатных микро-
ЭВМ от многоплатных, относящееся к области их при-
менения. Путь многоплатных микроЭВМ к потребителю
подготовлен всей историей развития техники програм-
мирования, совместимостью с мини-ЭВМ, поэтому рост
числа применений определяется только скоростью нара-
щивания выпуска этих машин. Одноплатные микроЭВМ,
встраиваемые в различную аппаратуру, особенно заказ-
ные модели, имеющие БИС ПЗУ с целевыми програм-
мами, прежде чем стать серийно потребляемым издели-
ем, проходят вместе с аппаратурой этапы макетирова-
ния, проектирования, изготовления и испытания опыт-
ных образцов, освоения серийного производства аппа-
ратуры, ее эксплуатации, ремонта и модернизации. Та-
кой цикл формирования потребности в лучшем случае
длится от трех до пяти лет. За это время успевают
появиться новые, более экономичные и серийноспособ-
ные модели одноплатных ЭВМ. Однако первые модели
еще продолжают выпускаться практически без измене-
ний, так как они являются одновременно специализи-
рованными ЭВМ (за счет БИС ПЗУ) и универсальны-
ми изделиями электронной техники и потребляются сот-
нями заводов, выпускающих серийную аппаратуру.
Формирование технической политики в области раз-
работки и организации производства одноплатных и
однокристальных микроЭВМ целесообразно вести на
основе анализа результатов внедрения в различные
серийные системы, агрегаты и приборы тех моделей мик-
роЭВМ, которые выпускаются в течение ряда лет. Рас-
смотрим особенности структуры этих моделей с точки
зрения целесообразности их реализации и развития в
новых разработках.
Анализ структуры одноплатных микроЭВМ. Первая
модель одноплатной микроЭВМ «Электроника С5-11»
(1976 год) имела структуру, типичную и для сегодняш-
них одноплатных моделей: оперативная и постоянная
память ограниченного объема с байтовой структурой,
внешний интерфейс пользователя на 64 канала парал-
лельных цифровых входов и выходов, схемы многофунк-
ционального таймера с режимами работы в качестве
таймера, делителя частоты, схемы ШИМ и т. д. Микро-
ЭВМ предназначалась для автономного приме-
нения без подключения дополнительных микропроцес-
сорных функциональных модулей (МФМ) памяти и
ввода-вывода (микроЭВМ закрытого типа, рис. 1, спра-
ва). По мере внедрения такой одноплатной микроЭВМ
в качестве локального устройства управления и обра-
ботки информации от многих потребителей стали по-
ступать предложения по увеличению объемов памяти,
числа и разнообразия каналов ввода-вывода.
С учетом этих предложений была разработана микро-
ЭВМ «Электроника С5-12» с набором МФМ (микро-
ЭВМ открытого типа, рис. 1, слева). Из общего чис-
ла систем на основе этой микроЭВМ автономные при-
менения составляют только 15%. Однако, если рас-
сматривать стадию серийного производства и считать
признаком окончания разработки реализацию программ
в БИС ПЗУ, то эту стадию прошли 60% разработок
на основе только микроЭВМ и лишь 15% — на осно-
ве микроЭВМ и набора модулей. Поэтому в конечном
итоге на автономные применения в настоящее время
приходится 55% сбыта одноплатных микроЭВМ.
В результате работ по внедрению одноплатных мик-
роЭВМ подтвердилось их главное преимущество перед
многоплатными моделями — где характеристик доста-
точно, они позволяют резко снизить сроки внедрения,
повысить технологичность и серийнопригодность прибо-
ров и систем. Определился их отличительный признак —
это микроЭВМ для встраиваемых автономных серийных
примене.нй. Здесь под встраиванием следует понимать
не замену многоплатных микроЭВМ на набор входя-
щих в нее модулей, а создание малых вычислительных
конфигураций.
Одноплатные микроЭВМ второго поколения «Элек-
троника С5-21», «Электроника С5-21М» построены на
базе однокристального микропроцессора, набора БИС
серии К586 и предназначены соответственно для авто-
номного и системного применений. МикроЭВМ «Элек-
троника С5-21» имеет параллельный программируемый
универсальный интерфейс (параллельные цифровые ка-
налы ввода-вывода — 64 разряда), четыре 8-раз-
рядных канала таймеров-счетчиков событий и гене-
ратор сетки частот [1]. Межмодульный интерфейс этой
модели микроЭВМ предназначен в основном для под-
ключения стендового оборудования в процессе отладки
программ и настройки аппаратуры. Это значит, что ИС
и другие элементы, преобразующие интерфейс микро-
процессора в межмодульный, не работают в процессе
эксплуатации, и их размещение на плате экономически
неоправдано.
МикроЭВМ «Электроника С5-21М» имеет 32 цифро-
вых канала и два счетчика-таймера. К достоинствам
этой микроЭВМ относится развитая система магистраль-
ных интерфейсов — два параллельных и последователь-
ный. Параллельные интерфейсы совместимы с интерфей-
сом микроЭВМ «Электроника 60». Один из них исполь-
зуется для подключения дополнительных модулей па-
мяти и ввода-вывода, другой — для построения много-
машинных конфигураций с обменом информацией через
общую оперативную память. Многомагистральная струк-
тура дает возможность строить децентрализованные
вычислительные конфигурации, превосходящие много-
платные микроЭВМ по быстродействию, объему адре-
суемой памяти и надежности (рис. 2,а, б).
Системный последовательный канал (СПК) позволя-
ет объединять до 256 микроЭВМ на расстоянии до
150 м, решающих самостоятельные задачи, и создает
возможность обмена исходной информацией и результа-
тами вычислений со скоростью передачи, равной
10.000 бит/с. СПК может быть единственным средством
связи между машинами — на его основе разработаны и
опробованы методы построения малых локальных сетей
(МЛС), объединяющих микроЭВМ, встраиваемые в
различные виды оборудования [2]. Для создания MJ1C
необходимо обеспечить возможность встраивания аппа-
ратных и программных средств не только в одноплат-
ные, но и в однокристальные микроЭВМ. Это особенно
актуально в связи с бурным развитием гибких автома-
тизированных производств.
Новое поколение одноплатных микропроцессорных
устройств, предназначенных для встраивания в различ-
ную аппаратуру, создавалось с учетом следующих ис-
ходных предпосылок:
—- совместимость по программному обеспечению и
межплатному интерфейсу с микроЭВМ «Электрони-
ка 60» и «Электроника НЦ-80-01Д»;
— использование БИС серий К1801 и К1809 [3] в
микроЭВМ «Электроника НЦ-80-01Д» и новых моделях
«Электроника С5»;
— стремление реализовать на одной плате такие вы-
числительные конфигурации, для которых на любой
другой модели микроЭВМ потребовалось бы несколь-
Одноплатная микроЭВМ «Электроника НЦ-80-01Д»
имеет в своем составе развитые объемы ЗУ, средства
связи с периферийными устройствами (дисплеем, НГМД,
АЦПУ), что обеспечивает ее применение в качестве
универсальной микроЭВМ, заменяющей 4—5 плат мик-
роЭВМ «Электроника 60». Эта микроЭВМ рассчитана
прежде всего на решение вычислительных задач. Для
использования в системах управления к ней необходи-
мо подключать модули ЦВВ, АЦП, ЦАП, таймеры
и другие. Являясь одноплатной микроЭВМ для целей
вычисления, «Электроника НЦ-80-01Д» остается много-
платной моделью при решении задач управления.
В новом поколении одноплатных устройств «Элек-
троника С5» ресурсы платы использованы прежде всего
на развитие цифровых каналов ввода-вывода, счетчи-
ков-таймеров, устройств связи с источниками и прием-
никами информации, а также средств объединения мик-
роЭВМ в малые локальные сети и построения децентра-
лизованных систем.
В связи с появлением одноплатной микроЭВМ
«Электроника НЦ-80-01Д», среди машин, ориентирован-
ных на решение вычислительных и информационных
задач, признано целесообразным во избежание терми-
нологической путаницы новые одноплатные модели
«Электроника С5» в дальнейшем называть одноплатны-
ми микроконтроллерами, понимая под этим устройства,
предназначенные для автономного встраивания в аппа-
ратуру, содержащие на одной плате микропроцессор, ог-
раниченные объемы ОЗУ и ПЗУ, средства связи с ис-
точниками и приемниками информации, средства объе-
динения микроЭВМ в MJIC и не имеющие средств свя-
зи со стандартным периферийным оборудованием. При
построении микроконтроллеров (МК) определяющим
является стремление перекрыть максимальное число
применений одноплатными МК без дополнительных
МФМ. Для определения функционального состава ново-
го поколения одноплатных МК воспользуемся методом
«типовых конфигураций — стандартных функций»
(ТКСФ).
Стандартная микропроцессорная функция (СФ) —
часть процесса вычислений, управления, приема, переда-
чи, обработки или отображения информации, обладаю-
щая определенной законченностью, повторяющаяся в
нескольких видах оборудования или систем, реализуе-
мая на основе микропроцессоров вне зависимости от
конкретного поколения МП техники и связанного с ним
■способа реализации — схемного, программного или
схемно-программного.
Примером СФ может служить:
— любая стандартная вычислительная процедура
(решение системы уравнений, вычисление тригономет-
рических функций, интегрирование и др.), выполняемая
в виде программ или микропрограмм, с использованием
или без использования в микропроцессоре специальных
•средств ускорения реализации этой функции, или реа-
лизуемая в виде БИС, сопрягаемой с микропроцессором;
— процедура сопряжения прибора или системы с
тем или иным стандартизированным каналом связи,
реализуемая на основе отдельной БИС, программным
путем с помощью универсального программируемого
параллельного интерфейса или смешанным методом;
— процедура отображения информации заданного
объема в заданном виде, не зависящая от вида инди-
катора, способа его сопряжения с микропроцессором и
хранения отображаемой информации;
— процедура преобразования двоичного кода в ли-
нейное или угловое перемещение с заданными точност-
ными, динамическими и нагрузочными характеристиками
вне зависимости от выбранного метода преобразования
(следящий привод или шаговый двигатель), типа ис-
пользуемой микроЭВМ и МФМ.
Стандартные функции, реализованные только прог-
раммным (или микропрограммным) путем, есть реали-
зация СФ в виде стандартных программ (или микро-
программ). СФ могут быть ориентированы на конкрет-
ную область техники или на применение в различных
областях, но для каждой области применения микро-
ЭВМ (приборостроение, связь, станкостроение) состав
СФ не зависит от типа микропроцессора и расширяется
по мере накопления опыта внедрения микропроцессор-
ной техники. Другими словами, с развитием микропро-
цессорной техники меняются реализации набора СФ.
Типовая конфигурация (ТК) — это БИС микропро-
цессорного комплекта или одноплатные, однокристаль-
ные микроЭВМ, микропроцессорные функциональные
модули, соединенные между собой определенным обра-
зом и реализующие конкретную СФ, т. е. ТК является
реализацией СФ на данном поколении МСВТ.
Одноплатная или однокристальная микроЭВМ пред-
ставляет собой ТК, реализующую ту или иную СФ в
зависимости от программы, занесенной в ПЗУ. Микро-
процессор без подключения дополнительных БИС или
МФМ не является ТК, так как не может реализовать
никакой СФ из-за отсутствия БИС памяти для хране-
ния программ и информации.
Первые же работы по созданию приборов, агрегатов
и систем на базе микропроцессоров позволили выде-
лить некоторый набор СФ. Например, опыт проектиро-
вания ряда измерительных приборов, основанных на
различных физических принципах, с использованием од-
ноплатных и однокристальных микроЭВМ «Электрони-
ка С5», позволил выделить СФ экспресс-обработки ре-
зультатов измерений, автоматизации и контроля рабо-
ты прибора и отдельных его частей, организации диа-
лога, преобразования интерфейсов [4].
СФ отличаются универсальностью применения в раз-
личных областях техники; возможностью получения ка-
чественного описания безотносительно к конкретной реа-
лизации на том или ином поколении МСВТ; целесооб-
разностью установления для каждой вновь сформули-
рованной СФ набора характеристик, которые позволя-
ют выбрать СФ для конкретного применения, а также
провести сравнительную оценку различных реализаций.
Все приведенные утверждения исходят из предполо-
жения, что отдельная ТК реализует какую-либо одну
СФ. В то же время в каждом конкретном применении
с помощью одной или нескольких микроЭВМ, дополни-
тельного оборудования и программ необходимо реали-
зовать некоторую совокупность СФ, а также нестан-
дартные функции (НСФ), характерные для данного
применения. Поэтому весьма важным является вопрос
объединения ТК, реализующих совокупность СФ и
НСФ. Для различных применений необходимо форми-
ровать библиотеки СФ, а для каждой СФ разрабаты-
вать систему количественных оценок эффективности ее
функционирования и требований к параметрам ТК,
реализующей эту СФ. В настоящее время накоплен зна-
чительный опыт создания приборов и систем на базе
микроЭВМ, позволяющий иметь такую библиотеку. Не-
зависимо от этого для нового поколения микроЭВМ
следует формировать библиотеку ТК, реализующих сло-
жившуюся библиотеку СФ. Реализация библиотеки СФ
может явиться основным критерием эффективности соз-
дания нового поколения. При этом процесс разработки
конкретного прибора или системы на базе микроЭВМ
может быть сведен к выделению набора СФ, формулиро-
ванию НСФ данного применения, выбору соответствую-
щего набора ТК и последующему схемному и програм-
мному объединению его в единую вычислительную кон-
фигурацию.
Применение метода ТКСФ позволяет не только сок-
ратить сроки создания, аппаратуры на базе микроЭВМ,
но может стать основой для создания единой системы
автоматизации проектирования систем на базе микро-
ЭВМ вместе со средствами автоматизации программиро-
вания, языками анализа схемно-программных соглаше-
ний (в пределах как отдельных ТК, так и законченных
конкретных конфигураций), средствами автоматизации
обучения программированию и проектированию систем
на микропроцессорной основе и средствами автоматизи-
рованного выпуска документации на систему.
Этот подход в равной степени пригоден для проек-
тирования систем на базе микроЭВМ, набора МФМ или
на базе БИС микропроцессора, памяти и ввода-вывода,
однако особенно важным он представляется при пере-
ходе к созданию СБИС, когда в пределах одной схемы
могут быть реализованы достаточно сложные СФ.
Структура микроконтроллеров «Электроника С5-41».
Возросшая степень интеграции БИС позволяет на одной
плате МК реализовать СФ, для которых ранее требова-
лась в составе ТК одноплатная микроЭВМ с набором
дополнительных модулей оперативной и постоянной па-
мяти. Увеличение числа каналов ввода-вывода МК ог-
раничивается размерами печатной платы и возможнос-
тями внешних разъемов. В связи с этим максимальное
число каналов можно реализовать в моделях, не имею-
щих межмодульного интерфейса. Создание таких моде-
лей возможно при использовании малопроводного ма-
гистрального интерфейса для межмашинного обмена,
который полностью оправдал себя в микроЭВМ «Элек-
троника С5-21М». Структура МК с традиционным сос-
тавом устройств характеризуется переменным набором
однокристальных блоков оперативной и постоянной па-
мяти, отсутствием межмодульного интерфейса, обяза-
тельной реализацией последовательной магистрали для
подключения пульта программиста и организации меж-
машинного обмена (рис. 3,а). Для применений, кото-
рые не могут быть перекрыты возможностями МК с
такой структурой, следует создавать МК с межмодуль-
ным интерфейсом и уменьшенным числом цифровых
каналов (рис. 3,6). Такие модификации МК будем на-
зывать закрытой и открытой соответственно.
Для реализации на одной плате СФ автоматическо-
го управления и диалога необходимо на ней разместить
ряд устройств, нетрадиционных для одноплатных мик-
роЭВМ: ЦАП, АЦП и БИС управления видеоконтроль-
ными устройствами (ВКУ). Создание однокристальных
блоков ЦАП, АЦП, контроллеров управления ВКУ
обеспечивает возможность построения одноплатных МК
с аналоговым и телевизионным интерфейсом.
МК с аналоговым интерфейсом может быть исполь-
зован как автономное устройство контроля параметров
и автоматического управления в технологическом обо-
рудовании, а при наличии СПК — работать в составе
децентрализованной, иерархической системы сбора, об-
работки информации и управления (рис. 3,в).
МК с телевизионным интерфейсом (рис. 3,г) может
служить основой при построении дисплеев телевизион-
ного типа, связанных с ЭВМ по одному из стандартных
интерфейсов, а также использоваться в качестве встраи-
ваемого блока в измерительных приборах или техноло-
гическом оборудовании с отображением результатов на
малогабаритном ВКУ.
В состав МК могут быть введены также дополни-
тельные БИС, обеспечивающие аппаратную или аппа-
ратно-программную реализацию различных специализи-
рованных интерфейсов. Рассмотренные одноплатные ТК
нецелесообразно совмещать на одной печатной плате,
так как каждая из них является самостоятельным МК,
чаще всего закрытого типа со связью через СПК. От-
дельный МК «Электроника С5-41» заменяет 4—5 плат
микроЭВМ «Электроника 60» — платы аналогового и
параллельного интерфейсов, платы реализующие связ-
ные протоколы и т. д. МК «Электроника С5-41» пре-
восходят по основным характеристикам предыдущие
модели микроЭВМ «Электроника С5» и в будущем
полностью заменят их в новых разработках. МикроЭВМ
«Электроника С5-12» и «Электроника С5-21» останутся
только для комплектования образцов приборов и уста-
новок, разработка которых уже завершена или закон-
чится в ближайшее время.
ЛИТЕРАТУРА
1. МикроЭВМ «Электроника С5» и их применение/
Под ред. В. М. Пролейко. — М.: Сов. радио, 1980.
2. Электронная промышленность, 1983, вып. 9.
3. Одноплатные микроконтроллеры «Электроника
С5-41»/М. П. Гальперин, А. В. Гинтер, В. В. Городец-
кий и др. — Наст, вып., с. 20—23.
4. Майорове. А., Гальперин М. П. Вопро-
сы применения микроЭВМ в приборостроении. — Изв.
ВУЗов. Приборостроение, 1983, т. 26, № 9.
Статья поступила 6 апреля 1984 г.
УДК 681.323—181.48
