Jednočipový počítač

Mikrokontroléry PIC v porovnání s velikostí mince

Jednočipový počítač nebo také angl. Microcontroller (Mikrokontrolér, MCU, µC) je většinou monolitický integrovaný obvod obsahující kompletní mikropočítač. Jednočipové počítače se vyznačují velkou spolehlivostí a kompaktností, proto jsou určeny především pro jednoúčelové aplikace jako je řízení, regulace a pod. Často jsou jednočipové počítače součástí embedded systémů (vestavěných systémů).

[editovat] Úvod

Jednočipový počítač je integrovaný obvod, který v sobě zahrnuje jádro mikroprocesoru společně s nevolatilní pamětí (ROM, FLASH, EEPROM), pamětí RAM a periferními obvody (logické vstupy/výstupy, komunikační linky, PWM, A/D převodníky, čítače, časovače, …), takže může obsáhnout celou aplikaci, aniž by potřeboval složité podpůrné obvody.

Existují základní dvě architektury mikroprocesorů – von Neumannova a Harvardská, každá má svoje výhody i nevýhody. Při současném stupni integrace se zřejmě častěji využívá Harvardská architektura, vysoký stupeň integrace dovoluje připojit různé bloky paměti mohou pomocí vlastních sběrnic. Dělení na „Harvardskou“ a „Von Neumannovu“ architekturu je však při dnešním stupni integrace již poněkud akademické. U moderních architektur se často uživateli adresový prostor jeví navenek jako lineární (Von Neumannovský), zatímco fyzicky jsou paměti k jádru připojeny pomocí několika nezávislých sběrnic (např. jedna sběrnice pro FLASH/ROM (paměť programu), druhá pro uživatelskou vnitřní RAM a zásobník, třetí pro připojení integrovaných paměťově mapovaných periferií, další pro připojení externí RAM).

[editovat] Von Neumannova architektura

• Von Neumannova architektura je architektura, pro kterou je typická společná paměť pro data i program.
• Toto uspořádání má výhody v tom, že nepotřebujeme rozlišovat instrukce pro přístup k paměti dat a paměti programu, což vede k zjednodušení vlastního čipu. Další výhodou je, že je potřeba pouze jedna datová sběrnice, po které se přenáší oba typy dat, což je výhodné v případě použití externích pamětí, kdy se redukuje potřebný počet nutných vstupů a výstupů.
• Nevýhodou je, že přenos obou typů dat po jedné sběrnici je pomalejší, než při oddělených sběrnicích pro paměti dat a programu.

[editovat] Harvardská architektura

• Harvardská architektura je typická oddělením paměti programu a paměti dat.
• Hlavní nevýhodou této architektury je větší technologická náročnost daná nutností vytvořit dvě sběrnice.
• Za hlavní výhodu lze považovat možnost jiné šířky programové a datové sběrnice. Této možnosti se široce využívá, takže najdeme osmibitové mikrokontroléry s programovou sběrnicí širokou 12, 14 i 16 bitů. Mezi další výhody harvardské architektury patří rychlost vykonávání instrukcí, protože instrukci i potřebná data lze číst v jeden okamžik.

[editovat] Instrukční soubory

Další rozdělení mikrokontrolérů je podle použitého instrukčního souboru. V oblasti jednočipových počítačů se běžně používají instrukční soubory typu CISC, RISC i DSP.

[editovat] CISC

• CISC označuje procesor se "složitým instrukčním souborem". Procesor podporuje mnoho formátů a druhů instrukcí. Na jednu stranu to znamená úsporu místa v programové paměti (vyšší hustotu kódu), na druhé straně to však znamená komplikovanější dekodér instrukcí ve vlastním mikrokontroléru a pomalejší zpracování instrukcí.

[editovat] RISC

• RISC označuje procesor s redukovaným instrukčním souborem. Základní myšlenkou je omezení počtu a zjednodušení kódování instrukcí, což vede ke zjednodušení instrukčního dekodéru. Hlavní výhodou tohto přístupu je rychlost, na stejné ploše čipu může být místo 16. bitového procesoru CISC 32. bitový procesor RISC. Nevýhodou je, že pro zakódování instrukce je potřeba více místa, někdy musíme použít dvě instrukce místo jedné, takže klesá hustota kódu.

[editovat] Základní struktura jednočipového počítače

• procesor - taktovací kmitočet bývá jednotky až stovky MHz, šířka slova procesoru 4 až 64 bitů,
• operační paměť - paměť typu RAM, velikost od jednotek byte po desítky kB,
• paměť programu - paměť typu ROM, EPROM, EEPROM nebo flash obsahující program a data, velikost řádově desítky až stovky kB,
• oscilátor - RC nebo řízený krystalem,
• vstupně/výstupní rozhraní - takzvané porty.

Počítač může mít architekturu typu von Neumann nebo harvardskou.

[editovat] Periferie

Jednočipový počítač může kromě základních součástí obsahovat další periferie:

• řadič přerušení,
• časovače,
• čítače,
• watchdog,
• řadič displeje,
• řadič klávesnice,
• programovatelné hradlové pole.

[editovat] Vstupně/výstupní rozhraní

V závislosti na složitosti a počtu pinů může pro komunikaci s okolím používat různá vstupní nebo výstupní zařízení.

• paralelní porty (až desítky pinů)
• sériové porty (asynchronní, synchronní, viz sériový kanál)
• porty komunikačních sběrnic (CAN, Ethernet)
• A/D převodníky
• D/A převodníky
• PWM výstupy (viz. pulzně šířková modulace)
• vstupy pro zachycování času a počítání událostí (capture)
• aplikačně zaměřené porty (např. vstupy pro čtení čidel polohy rotoru, budiče LCD displayů apod.)

Špičkové jednočipové počítače určené např. pro mobilní telefony nebo pro automobily dnes zasahují do oblasti donedávna vyhrazené pouze pro procesory osobních počítačů, mohou disponovat dokonce rozhraním pro připojení blokových RAM (SDRAM, DDR, ...) nebo pro připojení pevných disků (ATAPI, SATA).

[editovat] Související články

• Atmel
• Analog Devices
• Freescale
• Infineon
• Microchip, (Mikrokontrolér PIC)
• Renesas
• SGS Thomson
• Texas Instruments

[editovat] Externí odkazy

• Elektronika, Jednočipové mikropočítače (MFF UK): http://lucy.troja.mff.cuni.cz/~tichy/kap9/jednocpoc.html