М. Куприянов, М. Бычков

16- и 32-разрядные микроконтроллеры фирмы MOTOROLA

    По мере усложнения функций, выполняемых встраиваемым контроллером, и соответствующего роста требований, предъявляемых к производительности МК, а также в связи с увеличением разрядности АЦП и объемов обрабатываемых данных перед многими разработчиками остро встал вопрос о переходе на МК с более высокой разрядностью, поскольку дальнейшее развитие архитектуры и повышение тактовой частоты 8-разрядных МК имеет очевидный предел и часто не дает требуемого эффекта.
    Первой и основной причиной, привлекающей пользователей к 16- и 32-разрядным МК, является их высокая производительность. Помимо увеличенной разрядности производительность определяется тактовой частотой. Фирма Motorola перекрывает своими изделиями практически весь диапазон тактовых частот. Например, 16-разрядные МК поддерживают диапазон 0…20,97 Мгц; 32-разрядные архитектуры на основе CISC-ядер — 0…40 МГц. Учитывая, что Motorola уже выпускает процессоры (впоследствии становящиеся ядрами МК) с частотами до 350 МГц и разрабатывает процессоры с частотой до 1 ГГц, можно быть уверенным в возможности дальнейшего наращивания производительности при использовании МК этой фирмы.
    Дополнительное повышение производительности осуществляется за счет введения в структуру МК сопроцессоров разной функциональной ориентации: обмена данными; вычисления математических операций, ввода-вывода, цифровой обработки сигналов и др. Эти интеллектуальные, содержащие собственное микроядро, встроенные подсистемы позволяют “разгрузить” центральный процессор, берут на себя выполнение специфических функций и определяют ориентацию МК на конкретную область использования. В развитие этой идеологии Motorola строит свои МК на базе стандартных модулей, из набора которых быстро и с минимальными затратами создается новый МК.
    Семейства 16- и 32-разрядных МК Motorola используют стандартную внутримодульную шину (IMB), основное преимущество которой заключается в том, что в МК с различным процессорным ядром могут использовать одни и те же периферийные модули. Это не только обеспечивает лучшее использование модулей, которые известны производителям и протестированы в тысячах приложений, но и позволяет, например, программы, написанные на C для 16-разрядного МК и затрагивающие периферийные устройства, просто перекомпилировать и выполнять без изменений на 32-разрядном МК.
    Рассматривать конкретные МК и их семейства целесообразно после краткого представления их основных составных частей (модулей).

Краткий обзор встроенных модулей

    Процессорные ядра. Базовым модулем МК является процессорное ядро, которое и отличает одно семейство МК от другого. Для семейств 16-разрядных МК НС12 и НС16 используются ядра CPU12 и CPU16.

    CPU12 имеет 16-разрядные внутренние шины и может выполнять арифметические операции с данными шириной до 20 битов для высокоскоростных математических вычислений. В отличие от других 16-разрядных процессоров, CPU12 позволяет выполнять операции с нечетным байтом, включая много однобайтовых инструкций. CPU12 предлагает расширенный набор вариантов индексной адресации, включая использование в качестве индексных регистров указателя стека и программного счетчика, автоматический пре- и постинкремент и декремент. Система расширенной адресации позволяет адресовать до 4 Мбайт памяти программ и 1 Мбайт памяти данных.

    CPU16 спроектировано с богатым набором команд и методов адресации, а также вводом/выводом, включенным в адресное пространство, что делает это ядро очень простым для программирования. Набор команд поддерживает высокоуровневые языки и оптимизирующую компиляцию. CPU16 является совместимым по исходному коду с ранее разработанными 8-битовыми микроконтроллерами М68НС11, но работает примерно в 8 раз быстрее. Важным элементом CPU16 является блок умножения с аккумуляцией (МАС), что позволяет эффективно использовать этот процессор для цифровой обработки сигнала.
    Для семейства 32-разрядных МК и (ИП) М68300 используются ядра 68000, 68ЕС000, CPU32, CPU32+, CPU030. Новые семейства встроенных ИП и МК МРС500 и МРС800 основаны на 32-разрядном ядре PowerPC с RISC-архитектурой. Новое семейство интегрированных 32-разрядных RISC-процессоров ColdFire, имеющие переменную длину инструкций и многие черты семейства М68К, призваны обеспечить новый уровень соотношения производительность/цена для массовых рынков.

    CPU32. Архитектурный облик CPU32 определил процессор 68000. Дополнительно использовались возможности микропроцессоров 68010, 68020; введены также дополнительные функции, ориентирующие архитектуру на встроенные приложения. CPU32 содержит 32-разрядные регистры адреса и данных и линейно адресует 16 Мбайт памяти с динамическим изменением разрядности шины (8 или 16). CPU32 обеспечивает быструю реакцию на прерывание и поддерживает режимы пониженного потребления.
    Развитием модуля CPU32 являются CPU32+ и CPU030. CPU32+ является полностью 32-битной версией CPU32 (разрядность внешней шины данных также равна 32) с повышенной производительностью (8,3 MIPS на частоте 25 Мгц). СPU030 объединяет в себе CPU32+, конфигурируемый кэш команд и блок управления памятью.

    RISC. Процессорные модули, основанные на RISC-архитектурах, включают в себя PowerPC и ColdFire и обеспечивают наивысшие показатели производительности. Версия процессора PowerPC, адаптированная к встроенным приложениям, обеспечивает выполнение команд за один такт, содержит четыре независимых операционных блока, включая блок плавающей арифметики, и два набора из 32 регистров данных, а также 4 Кбайта кэш-памяти команд. Ядро ColdFire с масштабируемой архитектурой имеет переменную длину команд, что позволяет получать более компактный код и тем самым снизить стоимость внешней памяти. Режимы пониженного потребления этого процессора специально проработаны для портативных приложений.

Коммуникационные модули

    CPM. Скоростной коммуникационный сопроцессор CPM с RISC-ядром осуществляет автоматическое управляющего обменом данными по нескольким независимым каналам, поддерживает практически все распространенные протоколы обмена (HDLC/SDLC, Ethernet, UART, Transparent, Signaling System #7, Profibus, ATM, и другие) и позволяет гибко и эффективно распределять и обрабатывать последовательные потоки данных с временным разделением каналов (например, 2 Мбит ИКМ или ISDN PRI). Среди многочисленных применений МК с CPM можно выделить цифровые телефонные станции, абонентское и групповое оборудование ISDN, базовые станции сотовой связи, модемы, терминалы, мосты, маршрутизаторы и многие другие устройства.

    QSM. Буферизованный модуль последовательной связи QSM содержит последовательный периферийный синхронный интерфейс (SPI) с буферным ОЗУ очереди и последовательный коммуникационный интерфейс (SCI), обеспечивающий стандартный асинхронный формат со скоростью передачи до 524 Кбод.

    MCCI. Многоканальный коммуникационный интерфейс (MCCI) содержит три последовательных интерфейса: последовательный периферийный интерфейс (SPI) и два последовательных коммуникационных интерфейса (SCI).

    DUART. Двойной универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик (DUART), хорошо известный разработчикам, обеспечивает два канала RS-232 с поддержкой сигналов RTS и CTS; двойное буферирование на передачу и четырехкратное буферирование на прием при скорости обмена до 76,8 Кбод.

    TouCAN. Модуль TouCANд реализует контроллерный сетевой протокол (CAN интерфейс), синхронный коммуникационный протокол, используемый в автомобильных системах и системах промышленного управления со скоростью обмена до 1 Мбит/сек.

Таймерные модули

    TPU. Таймерный сопроцессор TPU ориентирован на решение задач скоростного управления и позволяет резко сократить участие процессора при обработке быстрых процессов в реальном времени. TPU содержит 16 независимых многофункциональных каналов; две временные базы; планировщик событий, осуществляющий взаимодействие между каналами; двухпортовое ОЗУ с возможностью загрузки микрокода TPU; ПЗУ микрокода с встроенными наиболее распространенными функциями. Наличие в TPU 16-ти независимых каналов, каждый из которых выполняет любую из двух десятков стандартных функ-ций (типа ШИМа, входного захвата, измерения частоты, и т.д.) плюс дополнительные функции пользователя, и при этом возможность организации взаимосвязи между каналами в реальном времени без участия процессора.

    GPT. Таймер общего назначения (GPT) является простым и гибким 11-канальным таймером. GPT содержит счетчики с предделителями, каналы входной фиксации, выходного сравнения, ШИМ и счетчика событий.

    CTM. Конфигурируемый таймерный модуль (СТМ) легко видоизменяется для различных типов приложений. СТМ содержит: счетчики с предделителями, двунаправленные универсальные каналы (входная фиксация, выходное сравнение, ШИМ, или сдвоенный канал);

Модули системной интеграции

    SIM. Системный интеграционный модуль SIM обеспечивает интерфейс внешней шины и защиту от системных ошибок и включает в себя: программируемые выборки кристалла; управление внешней шиной с динамическим изменением разрядности данных; сторожевой таймер; таймер периодических прерываний; выводы IRQ; систему защиты от ошибок на шине.

    SCIM. Имея характеристики, аналогичные SIM, за исключением отмеченных ниже, SCIM обеспечивает работу как в однокристальном режиме (когда программа выполняется во встроенной памяти, при этом все линии портов доступны для ввода/вывода), так и в расширенном режиме (работа из внешней памяти). Расширенная версия однокристального модуля интеграции SCIM2 используется в некоторых моделях М68НС16 и М68300 и отличается возможностью выбора источника тактового сигнала.

Модули памяти

    Flash. Модуль энергонезависимой памяти FLASH EEPROM может иметь объем до 64 КБайт (в некоторых моделях имеется два таких модуля), поддерживает операции с байтами, словами и двойными словами и имеет высокую скорость доступа (2 такта).

    ROM. Модуль ПЗУ (ROM) выпускается в виде масочного ПЗУ для крупносерийных заказчиков, и может иметь объем до 96 КБайт.

    RAM. Модуль статического ОЗУ (RAM) имеет режим сохранения данных (Standby Mode) с отдельным питанием и микропотреблением. Модуль ОЗУ поддерживает операции с байтами, словами и двойными словами, и может иметь объем 1, 1,5, 2, 3,5 и 4 КБайта.

    TPURAM. Модуль ОЗУ с эмуляцией TPU (TPURAM) позволяет загружать в него микрокод для выполнения TPU и может иметь объем до 4 КБайт. Этот объем позволяет хранить полный набор стандартных функций плюс достаточно сложные функции пользователя.

Аналоговые модули

    ADC. Аналого-цифровой преобразователь (ADC) содержит восемь 10/8-разрядных каналов с программируемыми временами выборки/хранения, а также имеет несколько автоматических режимов преобразования, 8 регистров результата и 3 формата представления данных.

    QADC. АЦП с очередью преобразований (QADC) автоматически производит преобразование по 16 внутренним каналам (до 44 с внешним мультиплексором), используя две независимые очереди и 32 регистра результата. В остальном QADC аналогичен модулю ADC.

Семейство HС12

    Новое 16-разрядное семейство НС12 является очередным шагом в развитии МК Motorola в направлении повышения производительности и снижения потребления. Целевыми рынками МК данного семейства являются разнообразные портативные устройства, особенно средства беспроводной связи, автомобильная электроника, устройства промышленного управления.
    Первыми представителями семейства НС12 стали МС68НС812А4 и МС68НС916В32, серийный выпуск которых начался в конце 1997 года.
    МС68НС812А4 содержит CPU12 с внутренней тактовой частотой 8 МГц; 4К ПЗУ EEPROM с побайтовым стиранием; 1К ОЗУ; 8-разрядный 8-канальный АЦП; 8-канальный 16-разрядный универсальный таймер; два асинхронных и один синхронный последовательный интерфейс; прерывания реального времени и сторожевой таймер; 7 программируемых выборок с поддержкой расширенной адресации (до 4М памяти программ и 1М памяти данных).
    МС68НС912В32, разработанный для автомобильных и индустриальных приложений, 32К ПЗУ Flash EEPROM; 768 байт ОЗУ; 8-разрядный 8-канальный АЦП; 8-канальный 16-разрядный универсальный таймер; 8-разрядный 4-канальный ШИМ, оптимизированный для управления двигателями; асинхронный и синхронный последовательный интерфейс, а также автомобильный контроллер обмена BDLC (J1850); прерывания реального времени и сторожевой таймер.

Семейство НС16

    Эффективному использованию МК НС16 способствуют поддержка функций DSP, высокая производительность истинно 16-битного CPU16 с частотой до 25 МГц и мощная периферия. Ниже в табл. 1 приведены краткие характеристики основных представителей семейства НС16.

Таблица 1

Примечание:* Температурный диапазон: C = (-40 до 85°C),
V = (-40 до 105°C),
M = (-40 до 125°C)

Семейство 68300

    МК семейства 68300 являются, пожалуй, наиболее известными и распространенными из высокопроизводительных МК фирмы Motorola. Более пяти миллионов МК и МП 68000 отгружаются ежемесячно. При рассмотрении МК семейства 68300, в нем можно выделить три основные группы, принципиально отличающиеся по функциональному назначению:

• коммуникационные МК. В эту группу можно отнести все МК, содержащие коммуникационный сопроцессор: МС68302 и МС68360 в различных модификациях, МС68356. Контроллер МС68356 характеризуется высочайшей степенью интеграции и является первым устройством, объединяющим на одном кристалле CISC-процессор общего назначения (статический вариант 68000), коммуникационный RISC-процессор и стический 24-разрядный процессор цифровой обработки сигналов (DSP56002), а также контроллер PCMCIA и UART 16550. Еще несколько МК из ком-муникационной группы принадлежат к семейству МРС800 с RISC-ядром.
• МК общего назначения. Эти МК, иногда называемые интегрированными процессорами, содержат, помимо центрального процессора, только наиболее распространенную универсальную периферию: модуль системной интеграции, контроллер ПДП, последовательный интерфейс, часы реального времени, и т.д. МС68306 является наиболее простым МК этой группы и содержит процессорное ядро 68ЕС000 (производительность 2,4 MIPS на частоте 16 МГц), необходимые функции системной интеграции (включая конт-роллер динамической памяти и 16 линий ввода/вывода общего назначения), а также двухканальный асинхронный последовательный интерфейс и 16-разрядный таймер. ИП МС68307 содержит дополнительно синхронный последовательный интерфейс M-bus, совместимый с I2C, и служащий для подключения EEPROM с последовательным доступом, ЖКИ дисплеев и другой периферии с последовательным обменом. Кроме того, этот ИП имеет расширенный 2-канальный таймер и дополнительную внешнюю шину, совместимую с 8051. МС68349 (Dragon ITM) является наиболее мощным интегрированным процессором семейства 68300. Процессорное ядро CPU030 с производительностью 10 MIPS содержит конфигурируемую статическую память, которая может также быть частично использована как кэш команд. Два канала ПДП позволяют осуществлять перемещение данных со скоростью до 50 Мбайт/с. Модуль системной интеграции SIM49, имеющий 32-разрядные шины адреса и данных, поддерживает динамическое изменение разрядности шины данных и циклов шины. Кроме того, SIM49 содержит синтезатор тактовой частоты с ФАПЧ, сторожевой и периодический таймеры, программируемые выборки внешних устройств и памяти с программируемыми циклами ожидания, двунаправленный 8-разрядный порт и тестовый интерфейс JTAG. Версия MC68349V имеет напряжение питания 3,3 В.
• МК для промышленного управления. МК этой группы содержат набор встроенных средств, оптимизированный для построения систем управления разнообразными промышленными объектами, требующими обработки быстротекущих процессов и интенсивных вычислений.

    МС68331 является единственным МК этой группы, не содержащим таймерного сопроцессора. Этот МК ориентирован на приложения, в которых требуются простые конфигурации и умеренные требования к быстродействию при невысокой цене. 68331 содержит CPU32, SIM, таймер общего назначения и модуль последовательного доступа QSM.

    МС68332 был разработан совместно с General Motors и изначально предназначался для высокоточного управления автомобильным двигателем, а также мощных электродвигателей различного типа. Архитектура этого МК оказалась настолько удачной, что область его применения существенно расширилась (сейчас МС68332 применяется, например, в сотовых абонентских аппаратах GSM) и возникло целое семейство модификаций базовой модели, кратко рассмотренное ниже. Полезным следствием популярности МС68332 является доступность программных отладочных средств, примеров применения, множество телеконференций, специализированные серверы независимых организаций, а также поддержка этого контроллера российскими техническими центрами Motorola.
    МС68F333 является первым микроконтроллером семейства 68300, содержащим энергонезависимую память Flash EEPROM (48+16 КБайт). Кроме того, дополнительно к возможностям 68332 этот МК содержит 10-разрядный 8-канальный АЦП, 4 КБайта ОЗУ и однокристальный модуль системной интеграции SCIM, позволяющий использовать до 80 линий для ввода/вывода при выполнении программы из встроенной памяти.
    МС68334 является упрощенной версией МС68F333, не содержащей Flash-памяти и модуля связи, а также имеющий уменьшенный объем ОЗУ (1 КБайт).
    МС68336 имеет еще более мощную таймерную подсистему, представленную, помимо ТPU, конфигурируемым таймером СТМ4, который содержит 4 универсальных двунаправленных канала, 4 канала ШИМ и 2 временные базы. АЦП с очередью преобразований QADC имеет несколько режимов автоматиче-ского преобразования по 16 каналам с записью результата в буферное ОЗУ. Объем ОЗУ увеличен до 7,5 КБайт (3,5 К ОЗУ с поддержкой кода TPU и 4 К ОЗУ данных).
    МС68376 является расширением МС68336, в котором дополнительно содержится масочное ПЗУ и модуль сетевого контроллера (TouCAN™), поддерживающего протокол CAN 2.0B. Этот МК предназначен в первую очередь для массовых автомобильных приложений (управление двигателем, активная подвеска).
    Основной причиной успеха представителей семейства 683хх в сфере промышленного управления стал оптимальный набор встроенных функций и, в особенности, наличие мощного таймерного сопроцессора TPU.

Таймерный сопроцессор

    Таймерный сопроцессор (TPU, Time Processor Unit) является интеллектуальной полуавтономной подсистемой, предназначенной для восприятия и генерации высокоскоростных сигналов в реальном масштабе времени без участия центрального процессора. TPU, в отличие от обычного таймера, позволяет устанавливать и отрабатывать любые взаимосвязи между каналами с помощью собственного микроядра, не отвлекая центральный процессор. При этом для использования даже сложных таймерных функций не требуется знание микрокода TPU, поскольку библиотека основных функций TPU находится в масочном ПЗУ МК. Список функций, каждую из которых можно получить на любом из 16-ти независимых каналов, приведен ниже в табл. 2, 3 (существует два типа масок, называемых “А” и “G”, поэтому при заказе МК необходимо указывать тип маски, которая больше подходит для данного приложения).
    Каждый из 16-ти независимых двунаправленных каналов содержит регистр входной фиксации, регистр выходного сравнения и логику защелок. Выбор и установка параметров любой функции осуществляется записью в соответствующие регистры управления, расположенные в ОЗУ параметров. Через ОЗУ параметров осуществляется также обмен параметрами между TPU и CPU. Две независимые временные базы с возможностью внешнего тактирования дополнительно повышают гибкость использования TPU. Микроядро выполняет обработку запросов на обслуживание, поступающих от каналов через приоритетный планировщик. Микроядро выполняет алгоритмы обслуживания каналов в соответствии с микрокодом либо из масочного ПЗУ (функции, приведенные в табл. 2, 3), либо из модуля ОЗУ с эмуляцией TPU (здесь могут быть выполнены любые алгоритмы пользователя). При необходимости написать собственный микрокод для TPU пользователь может воспользоваться ассемблером TPUASM, свободно доступном через Internet (раздел FTP файл-сервера, посвященный TPU). Здесь же находятся исходные тексты всех библиотечных функций, а также исходные тексты программ, описанных в статьях о примерах применений.

Таблица 2. Функции TPU (маска "А")

Таблица 3. Функции TPU (маска "G")

    Более подробно о работе с TPU можно прочитать в руководстве по TPU (TPURM/AD), а также в статьях, посвященных подробному описанию функций TPU (TPUAN00 … TPUAN15).
    Более подробную информацию о МК и других электронных компонентах фирмы MOTOROLA можно найти на российском сервере www.motco.ru.

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический университет
Тел. (812) 234-2503, факс (812) 234-2758
E-mail: leti@sovamsu.sovusa/com
Московский Энергетический Институт
Тел. (095) 273-0989, факс (095) 273-1348
E-mail: bmg@aep.mpei.ac.ru