Микроконтроллердің құрылымы

1.

Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі
Қарағанды мемлекеттік техникалық университеті
«ӨПА» кафедрасы
Студенттің өзіндік жұмысы
Тақырыбы: «Микроконтроллер»
Орындаған: ПС -13-1 тобы
Тойшебеков А,Д.
Қабылдаған: Смагулова Қ.Қ
Қарағанды 2015 жыл

2.

Жоспар
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Микроконтроллер
Микроконтроллердің құрылымы
Микроконтроллердің басқару блогі
Микроконтроллердің арифметикалық-логикалық құрылымы
Микроконтроллердің жекеленген топтары
Микроконтроллердің командалар жүйесі

3.

Кіріспе
Кез- келген жерде- өнеркәсіпте, жылу энергетикасында көлікте медицинада, байланыс салаларында,
электроника және микроэлектроника құрылғылары арқылы программалық басқарылатын машиналар мен
жабдықтарды кең түрде қолдану микроконтроллердің қажеттілігін тудырады.
Қазіргі уақытта микроконтроллерлердiң қолданылу аясы, параметрлері тағы басқа қасиеттері бойынша бірбірімен айырмашылықта болатын үлкен номенклатурасы (10000-нан астам) бар. Микроконтроллерлердiң
шығарылымымен ондаған өндiрушiлер шұғылданады.
Бұйымдарда микроконтроллерлерді қолдану тек қана техникалық-экономикалық көрсеткiштердiң (құн,
сенiмдiлiк, тұтынылатын қуат, габариттi өлшемдер) жоғарылатуға алып келмейді, сонымен қатар бұйымдарды
өңдеу уақытын қысқартуға мүмкiндiк бередi және оларды сыртқы ортаның кез келген жағдайына бейімділігін,
адапттивтiлігін жақсартады. Микроконтроллерді басқару жүйелерiнде қолдану аз шығындап, биiк тиiмдiлiк
көрсеткiштерiне жетуді қамтамасыз етедi.
Микроконтроллерлер құрамында түрлi объекттер және процесстердiң тиiмдi автоматтандыру құралдары
болады. Микроконтроллерді бiр микросхемада орналасқан компьютер ретiнде санауға болады. Бұдан оның
негiзгi тартымды сапалары: аз габариттер, жоғарғы өнiмдiлiк, сенiмдiлiк және қабiлеттiлiгi тiптен әр түрлi
есептердiң орындауы шешіледі.
Микроконтроллер орталық процессордан (ОП ) тыс жады және көп құрылымды енгізу/шығару
функцияларын өз құрамына енгізеді. Олар: аналогтық-цифрлық түрлендiргiштер, мәлiметтiң бiртiндеп және
параллель берiлу каналдары, нақты уақыттың таймерлерi, ендiк - импульсты модуляторлар (ЕИМ ),
программалалатын импульстердiң генераторы және тағы басқалар.
Микроконтроллердің негiзгi тағайындалуы – оны автоматты басқару жүйелерiнде, тiптен әр түрлi
құрылымдарда қолданылуы болып табылады

4.

МИКРОКОНТРОЛЛЕР
Бір сұлбалы компьютер – микроконтроллерлер деп аталады. Микроконтроллерлер электронды
құрылғыларды басқару үшін қолданылады. Микроконтроллерлер түрлi объекттер және процесстердiң тиiмдi
автоматтандыру құралдары болып табылады. Микропроцессорлардан айырмашылығы, дербес компьютерлерде
қолданылатын микроконтроллерде қосымша құрылғылар орнатылған. Бұл құрылғылар өз міндеттерін
микропроцессорлы микроконтроллерлер ядросы арқылы басқарып отырады.
Алғашқы микроконтроллерлер (8048-шi топтама ) 1976 жылы батыс нарығында пайда болып, бiрден
өңдеушiлер және тұтынушылардың назарын жаулап алды.
Дегенмен де iс жүзiнде бұл микроконтроллердің кемшiлiктерi бiрден атап өтiлдi. Өндірушілер ТЕСҚ (тұрақты
есте сақтайтын құрал) көлемiнiң тапшылығын үнемi байқады. ЖЕСҚ (жедел есте сақтайтын құрал) көлемі де аз
болды, 64 байттың жартысынан көбін жүйелік регистрлер алып тұрды. Көп командалардың тапшылығы сезілді.
Микроконтроллерлер программасына енгізілген түрлі электронды құрылғылар әр-түрлі әрекеттерді басқару
үшін пайдаланылады. Микроконтроллердің микропроцессорлардан айырмашылығы, дербес компьютерлерде
қолданылатын оларда қосымша құрылғылар орнатылған. Бұл құрылғылар өз міндеттерін микропроцессорлы
микроконтроллерлер ядросы арқылы басқарып отырады.
Өндірушілердің бағалауы бойынша, микроконтроллерлердiң MCS-251 топтарының MCS-51 мен
салыстырғанда өнiмдiлiктері және кейбір қасиеттері байытылған. Микроконтроллерлердiң адрестi кеңiстiгi 16
Мбайтқа дейiн кеңейтілген, сонымен бiрге iшкi регистрлердiң жиыны да ұлғайған. Командалар жүйесiне жаңа
нұсқаулардың үлкен саны қосылған.
Артықшылығы:
бұйымдардың үлкен номенклатурасы;
микроконтроллерлердi өңдеушiлердiң үлкен тәжiрибесi;
аспапты құралдардың үлкен саны.
Кемшілігі:
Аккумулятор базасындағы арифметика–логикалық құрылымның баяулығы;
нұсқаудағы такттердiң үлкен саны;
бос командалық циклдердiң болуы;
көп энергия тұтынуы, (MCS-251 ).

5.

Микроконтроллердің құрылымы
Микроконтроллердің құрылымына негізінен бағыттаушы құрылым, арифметика - логикалық
құрылым және ішкi регистрлердiң блогы кіреді. Бұл негізгі параметрлер барлық
микроконтроллерлер құрамында болады. Микроконтроллерде сигнал алмасу, яғни екі жақты
алмасу мәліметтердің 8-разрядты магистралі арқылы жүзеге асады. Бұл құрылымдар арасында
бағдарлаудың ішкі сигналының мәліметтерді беру жүйесі орналастырылған. Микроконтроллердің
құрылымының схемасы төмендгі 1-суретте көрсетілген.
1-сурет - Микроконтроллердің құрылым схемасы

6.

Микроконтроллердің басқару блогы
Басқару блогы және синхронизациялар синхронизацияланған және бағдарлаушы сигналдарды өндiру
үшiн арналған. Басқару блогiнiң құрамдарына мыналар кiредi :
• уақыт аралықтарының құрастыру құрылымы;
• енгiзу-шығару логикасы;
• команда регистрi;
• электр энергиясының тұтынуын басқаратын регистр;
• командалар дешифраторы, ЭЕМ басқару логикасы.
Уақыт аралықтарының құрастыру құрылымы iшкi фаза сигналдарын құрастыру және беру үшiн
арналған. Машина циклдерiнiң саны командалардың орындалуының ұзақтықтығын анықтайды.
БКЭЕМ-ның (бір кристалды ЭЕМ) түгелдей дерлiк командалары бiр немесе екi машина циклдаларында
орындалады.
Енгiзу-шығару логикасы енгізу/шығару порттары арқылы сыртқы құрылымдармен ақпарат алмасу
сигналдарын қабылдау және беру үшiн арналған.
Команда регистрi атқарылатын команданың 8-шi дәрежелiк операция кодын жазу және сақтау үшiн
арналған.
Электр энергиясының тұтынуын басқаратын регистр электр энергиясының тұтынуын кiшiрейту
және бөгеу деңгейінiң кiшiрейуi үшiн микроконтроллердiң жұмысын тоқтатуға мүмкiндiк бередi.
Командалар дешифраторы, ЭЕМ басқару логикасы команданы орындау барысында операция
кодтарын микропрограммаға өзгертедi.

7.

2- сурет - Контроллердің қозғалыс блок-схемасы

8.

Микроконтроллердің арифметика-логикалық құрылымы
Арифметика-логикалық құрылым арифметикалық және логикалық операцияларды орындауды қамтамасыз
ететiн параллел сегiз разрядты құрылымнан тұрады. Арифметика-логикалық құрылым құрамына мыналар
кіреді:
1. ТЕСҚ тұрақтылары,
2. сумматор,
3. қосымша регистр ( В регистры),
4. аккумулятор,
5. бағдарламалардың күйi регистрі.
ТЕСҚ тұрақтылары мәлiметтердiң екiлiк-ондық кодта берiлуiн өндiрудi қамтамасыз етедi.
Параллел сегiз разрядты сумматор арифметикалық операцияларды қосу, алу және логикалық
операцияларды қосу, алу, көбейтуге арналған бiртiндеп тасымалдауы бар комбинациялық түрдiң схемасын
қамтиды.
B регистры операция уақытында көбейту және бөлуде қолданылатын сегiз разрядты регистр. Ол басқа
нұсқаларда қосымша жедел регистр сияқты қарала алады.
Аккумулятор арифметика-логикалық операцияларды орындау барысында пайда болған нәтиженi қабылдау
және сақтау үшiн арналған сегiз разрядты регистр.
Бағдарламаның күй регистрі бағдарламаны орындау кезіндегі арифметика-логикалық құрылымның күйi
туралы ақпаратты сақтау үшiн арналған.
Электрондық құрылғыларды басқару үшiн қолданылатын микросхема — микроконтроллер.
Микроконтроллер процессордың функцияларын бойына жинаған оның құрамында ТЕСҚ және ЖЕСҚ
болады. Басқаша айтқанда бұл қарапайым тапсырмаларды орындай алатын біркристалды компьютер.
Ал енді MCS-51 микроконтроллерінің архитектурасын мысалға алайық. MCS-51 топтарының
архитектурасы қолайлы және карапайым да арзан цифрлық құрылғыларымен ерекшеленген. . MCS-51
топтарына қарапайым микроконтроллерден бастап күрделі микроконтроллерде болатын микросұлба
кіреді.

9.

Суретте көрсетілген микроконтроллердің құрамының негізгі бөліктеріне: такті импулстары генераторы,
басқару болгы, арифметикалық-логикалық құрылым, таймер/санауыш болгы, кезекті интерфейс блогы
және үзілулер, бағдарламалық санауыш, мәліметтер жадысы және бағдарлама жадысы. Екіжақты алмасу
ішкі 8-разрядты мәліметтер магистралі арқылы жүзеге асады.
3-сурет - К1830ВЕ751 микроконтроллерінің құрылымдық схемасы

10.

Басқару блогы (Timing and Control) құрылғының блоктармен үйлескен жұмысын оның
кез-келген жұмыс режимінде қамтамасыз ететін басқарушы сигналдарды тудыру үшін
арналған. Оның құрамына уақыт интервалын қалыптастырушы құрылғы, енгізушығару логикасы, командалар регистрі, электр энергиясын тұтынуды реттейтін
регистр және де команда дешифраторы, ЭЕМ басқару логикасы.
Тактілік жиілік генераторы (такті импулсі генераторы) әр түрлі процестерді
синхронизациялау үшін берілген жиілікте электрлік импульсті өндіреді. Тактілік
импульс эталонды жиілік ретінде қолданылады-олардың санын өлшей отырып,
мысалы, уақытша интервалдарды өлшейди.
Уақытша интервалды қалыптастыру құрылғысы циклдер, тактілер және фазалар
ішкі синхросигналдарын беру және қалыптастыру үшін арналған. Машиналық
циклдердің саны орындалған команділердің ұзақтығын анықтайды. Негізінде БЭЕМнің орындалуы төрт машиналық циклді құрайтын көбейту және бөлу команділерінен
басқа барлық команділері бір немесе екі машиналық циклде орындалады. Fг арқылы
берілген генератордың жиілігін белгілейік. Онда машиналық циклдің ұзақтығы
12/Fг тең немесе берілген генератор сигналының 12 периодын құрайды. Еңгізушығару логикасы Р0-Р3 еңгізу-шығару порттары арқылы 12/Fг ішкі құрылғыларымен
ақпарат ауыстыруды қамтамасыз ететін сигналдарды шығару және қабылдау үшін
арналған.
Команда регистрі орындалатын команданың 8 разрядты операция кодын жазуға және
сақтауға арналған. Код операциясы, командалар дешифраторы және ЭЕМ басқару
логикасының көмегімен командаларды орындайтын микропрограммаға түрленеді.

11.

Электр тұтынуды басқаратын регистр (PCON) қуат көзін тұтыну азйып кеткенде және
микроконтроллер тарапынан болатын бөгеттер деңгейінің төмендеп кеткенде
микроконтроллердің жұмысын тоқтатуға мүмкіндік береді.
Арифметика-логикалық құрылым (ALU) арифметикалық және логикалық операцияларды
орындауды қамтамасыз ететiн параллел сегiз разрядты құрылымнан тұрады.
Бағдарламаның күй регистрі (PSW) бағдарламаны орындау кезіндегі арифметикалогикалық құрылымның күйi туралы ақпаратты сақтау үшiн арналған.
Командалар счетчигі (Program Counter) берілген 16 разрядты адресті ішкі бағдарлама
жадысына және 8/16 разрядты адресті сыртқы бағдарлама жадысына қалыптастыру үшін
арналған.
Мәліметтер жадысы (RAM) бағдарламаны орындау кезінде қолданылатын мәліметтерді
уақытша сақтауға арналған.
P0, P1, P2, P3 порттары екіжақты бағытталған енгізу-шығару квазипортына жатады. Ол
32 енгізу-шығару сызығын бейнелей отырып, ЭЕМ мен оның ішкі құрылғыларымен
ақпарат алмасуын қамтамасыз етеді.
Бағдарлама жадысы (EPROM) құрамына тұрақты есте сақтау жүйесін қосқан және
бағдарламаларды сақтауға арналған. Микросұлба түріне қарай ТЕСҚ өшірілетін және
тазаланатын түрлері қолданылады.
Мәліметтерді көрсету регистрі (DPTR) 16 разрядты адресті сыртқы жадыға немесе
бағдарлама жадысына сақтауға арналған.
Стек көрсеткіші (SP) кұрамына сегізразрядты регистрді қосқан, кез келген жады
ұяшығына мәліметтерді уақытша сақтай алатын жадының ерекше аймағын
қалыптастыруға арналған.

12.

Микроконтроллердің жекеленген топтары
1. Бiр кристалды микроконтроллер, 78K0R/LG3-M
Renesas Electronics компаниясы электр энергиясын есептейтін бiрфазалық статикалық электрондық
есептеуiштерiнің қызметiн жобалауға мүмкiндiк беретiн 78K0R/LG3-M 16-дәрежелiк микроконтроллерлерді
жасап шығарды. Құрамына 20 Мгц жиiлiкпен жұмыс істейтін және 128 Кбайттық флеш жадысы бар жоғары
өнiмдi 16-биттiк ядроны біріктірген жаңа микроконтроллерлер есептеуiштiң барлық негiзгi функцияларын
құрамына біріктірген.
4-сурет - Бір кристалды 78K0R/LG3-Mмикроконтроллер

13.

Айырмашылық ерекшелiктері:
Бiр фазалық электр энергиясы есептеуiштерiнiң ұлғаймалы функционалдығын
қолдауы. Үлкен көлемдi флеш жадының арқасында электр энергиясының бiр фазалық
есептеуiштерiндегi әр түрлi функциялардың iске асу мүмкiндiгi.
Кiрiстiрiлген метрологиялық iшкi жүйе. Микроконтроллерлер құрамына төрт
кiрiстiрiлген 24-биттiк аналогты-цифрлық түрлендiргiш (АЦТ) кіреді. Метрологиялық
қозғағыш қосымша функцияларды орындау үшiн калибрлеу функциясын және қуат
есептеуiшті іске қосады. Құрылымның активті қуатты өлшеуінің жоғарғы дәлдiктерге
жетуіне мүмкіндік туады (қателік шамамен 0.1% құрайды).
Ультратөмен энергия тұтыну. Микроконтроллерлер жұмыс қабiлеттiлiгін қорек
көзінің кернеуін 1.8-3.6 В аралығында сақтайды және электр энергиясынан
ажыратылған жағдайда кішкене корек көзінің арқасында өте аз энергия тұтынып
құрылғының нақты уақыт сағатында жұмыс жасауына мүмкіндік туғызады.

14.

2. 8-биттік микроконтроллерлер, XC82/XC83Smart
XC82x және XC83x сериялары 24 Мгц жиiлiкте жұмыс iстейтiн 8-биттiк Infineon
микроконтроллерлерiнің топтарына жатады. Қазіргі кезде бұл микроконтроллерлер 2-8 Кбайттық флэш
жадымен шығарылады. Микроконтроллердің сыртқы көрінісі 4-суретте бейнеленген.
Микроконтроллерлердiң ең маңызды мiнездемелерiне коммуникациялық интерфейстер, генерациялы
ендік импулсті модулятор сигналы және көп каналды 10 биттiк АЦТ, сонымен бірге төмен энергия
тұтынудың қауіпсіз режимін жатқызуға болады. Микроконтроллердің стандартты 8 биттiк мәлiметтердi
өңдеуiн көбейту/бөлу модулі арқылы математикалық сопроцессор жылдамдатады. Бұл
микроконтроллерлердiң базасында қозғалтқыштардың басқару жүйелерi үшiн тиiмдi және
интеллектуалды шешiмдердi құруға мүмкiндiк бередi.
5-сурет - Infineon микроконтроллерлерiнің сұлбасы

15.

Ерекшелiктері:
Сенсорлық басқару (ТЕСҚ-ның кеңейтілген кiтапханасымен);
Көбейту/бөлу блогы (өнiмдiлiктi қосымша жоғарылату және басқару мүмкiндiктерiн кеңейту үшiн);
10 битті төрт каналдық АЦТ;
Векторлық сопроцессор (коллекторсыз қозғалтқышты векторлық басқару үшiн);
Тізбектелген интерфейстердің болуы;
Жұмыстың өшу/қосылу тәртiптері.
Микроконтроллерлердiң XC82x/XC83x топтары сенсорлық басқару интерфейсінiң арқасында
қозғалтқыштарды автоматтық басқару және автомобилдiк нарықтың жаңа құрылғылары ретінде қолданыла
бастады. Олардың әрқайсысына жекелей тоқтала кетсек, XC82x/XC83x микроконтроллерлерінiң негізгі
қолданылу аймақтары былай жіктеледі:
Қозғалтқышты басқару құралдары:
• Желдеткiштердi, үрлегiштерді және тағы басқа құрылғыларды басқаруға арналған кеңейтілген
коммуникациялық құрымдардың тұрақты тоғының коллекторсыз қозғалтқыштарында;
• Өлшегіш аспаптардың қозғалтқышын тiкелей басқаруда.
Автомобилдiң сенсорлық басқару құралдары:
• Жарық шығаруда жарық диодтарының сәуле тарату түсiн реттеу;
• Басқару құралдары (терезе көтергiштерді, айнаны, т.б.)
• Автокөлiктiң төбесіндегі люкті басқару;
• Отырғыштарды басқару;
• Орталықтандырылған басқару жүйелерi, мысалы, жылыту, желдету және ауа тазарту;
• Аспаптық панельдерді жарықтандыруды қамтамасыз етуді басқару.

16.

МИКРОКОНТРОЛЛЕРДІҢ КОМАНДАЛАР ЖҮЙЕСІ
Микроконтроллердің командалар жүйесі логикалық, арифметикалық операцияларды орындауға,
сондай-ақ нақты уақыт режимінде басқарып жұмыс істеуіне улкен мүмкіндік береді.
Командалар жүйесін шартты түрде бес бөлімге бөлуге болады.
1)
2)
3)
4)
5)
Арифметикалық командалар;
Логикалық командалар;
Ақпаратты беру командалары;
Биттік процессор командалары;
Басқарма берілісінің және тармақты командалар.
Микроконтроллер жадысын ұйымдастыру
PIC16F87X микроконтроллерлерінде жадының үш түрі бар. Бағдарлама жадысы мен деректер
жадысының ақпарат пен деректерінің бөлек шиналары болады, олар жұмыстың параллельді
орындалуына мүмкіндік береді.
Бағдарлама жадасын ұйымдастыру. PIC16F87X микроконтроллері РС командасының 13-разрядты
санағышына ие, ол бағдарлама жадысының 8К×14 сөздерін адрестей алады. PIC16F877-де 8К×14
FLASH бағдарлама жадысыны физикалық түрде іске асырылған. Физикалық орындалмаған жады
бағдарламаларын шақыру орындалған жадының адрестеуіне әкеледі. Бастапқы күйге келтіру
векторының адресі – 0000h. Үзу векторының адресі – 0004h.
Деректер жадысын ұйымдастыру. Деректер жадысы жалпы және арнайы (SFR) тағайындалған
регистрлері бар 4 банкке бөлінген. RP1 (STATUS<6>) және RPO (STATUS<5>) биттері ақпарат
банктерін басқару үшін арналған. Төмендегі кестеде деректер жады банктерін шақыру кезіндегі
басқарушы биттердің күйі көрсетілген.

17.

Командалар жүйесінде қолданылатын символдар және белгілеулер кестесі

18.

ҚОРЫТЫНДЫ
Қазіргі уақытта микроконтроллерлердiң қолданылу аясы, параметрлері тағы басқа
қасиеттері бойынша бір- бірімен айырмашылықта болатын үлкен номенклатурасы (10000нан астам) бар. Микроконтроллерлердiң шығарылымымен ондаған өндiрушiлер
шұғылданады.
Микроконтроллердің негiзгi тағайындалуы – оны автоматты басқару жүйелерiнде, тiптен
әр түрлi құрылымдарда (несие карточкасы, ұялы телефондар, музыкалық орталықтар, жуу
машинасы, қорғау сигнализациясының жүйесi, ядролық реакторлар және тағы басқа)
қолданылуы болып табылады.
Микроконтроллерлерді жобалау кезінде бірінші жағынан өлшемдері мен бағасына екінші
жағынан икемділігі мен өнімділігіне назар аудару қажет. Әр түрлі үстемелерге оңтайлы
параметрлер арақатынасы өте қатты түрленуі мүмкін. Сондықтан микроконтроллерлер түрі
өте көп: архитектуралық модульді процессті айырмашылықтары, құрылған жад типі мен
көлемі, қосымша құрылғылар жиынтығы, типті корпусты және т.б. болады.

19.

ПАЙДАЛАНҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
1.
2.
3.
4.
5.
Студенттердің пәндік оқу-әдістемелік кешені: «Микпроцессорлық жүйелер және кешендер» пәні
бойынша. 5В071600 – «Аcпап жасау » мамандығы үшін. Құрастырушылар: Купарова А.Т.
Жамуратова М.М. Кыдырбаева Н.К.
Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. «Основы микропроцессорной техники». Интернет-Университет
информаицоннных технологий.
Жұмашева Ж.Т., Шоланов Қ.С. Мехатроника және робототехника негіздері: Оқу құралы. –
Алматы: ҚазҰТУ, 2010.
http://www.google.kz/
http://ru.wikipedia.org/wiki/