В статье представлен сравнительный анализ микроконтроллеров и программируемых логических интегральных схем с целью оценки потенциальной возможности их использования в интеллектуальных системах управления промышленными объектами.
Ключевые слова: интеллектуальная система, контроллеры, программируемая логическая интегральная схема, алгоритм программирования
Микропроцессорная техника обеспечила эффективное использование программируемых средств в структуре электронных систем. При этом сложность разработки системы переместилась из области конструирования в область программирования.
В современных условиях инженерные разработки элементов аппаратуры ориентированы на использование средств с программируемой структурой. Потребность в устройствах с программируемой структурой возникает при разработке сложных систем, когда использование интегральных схем малой и средней степени ведет к усложнению из-за резкого увеличения числа корпусов, что усложняет монтаж, снижает надѐжность. Микроконтроллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ. Первый патент на изобретение микроконтроллера был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам корпорации «Texas Instruments» (США). Именно они предложили на одном полупроводниковом кристалле разместить процессор, память и устройства ввода-вывода. В настоящее время существует более 200 модификаций микроконтроллеров, выпускаемых двумя десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов. Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, а также 32-битные микроконтроллеры STM с архитектурой ядра ARM, которую разрабатывает фирма ARM Limited [1].
Микроконтроллеры семейства PIC («PeripheralInterfaceController» — «контроллер интерфейса периферии») — микроконтроллеры с гарвардской RISC-архитектурой, производимые компанией «Microchip Technology Inc», США. Отличительной особенностью PIC-контроллеров является хорошая преемственность различных семейств, программная совместимость (единая бесплатная среда разработки MPLAB IDE), и совместимость по выводам, по периферии, по напряжениям питания, по средствам разработки, по библиотекам и стекам популярных коммуникационных протоколов [2].
Микроконтроллеры AVR — семейство микроконтроллеров фирмы Atmel.
Микроконтроллеры AVR имеют гарвардскую RISC-архитектуру. Процессор AVR имеет 32 8-битных регистра общего назначения, объединѐнных в регистровый файл [3].
Ядро ARM (AdvancedRISCMachine, AcornRISCMachine, усовершенствованная RISC-машина) — семейство лицензируемых 32-битных и 64-битных микропроцессорных ядер разработки компании ARM Limited. Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС, англ. programmable logic device, PLD) — электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаѐтся посредством программирования (проектирования). Для программирования используются программатор и IDE (отладочная среда), позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде схемы электрической принципиальной или программы на специальных языках описания аппаратуры: Verilog, VHDL, AHDL и других.
Некоторые производители для своих ПЛИС предлагают программные процессоры, которые можно модифицировать под конкретную задачу, а затем встроить в ПЛИС. Тем самым обеспечивается увеличение свободного места на печатной плате (возможность уменьшения размеров платы); упрощается проектирование ПЛИС; увеличивается еѐ быстродействие.
Основное и главное отличие микроконтроллеров от ПЛИС заключается в том, что функции микроконтроллера реализуются программно, с использованием уже имеющейся внутренней схемы, а в ПЛИС это реализуется напрямую (аппаратно), т. е. созданием соответствующей схемы соединений между его внутренними элементами. Также из-за программного способа реализации алгоритмов микроконтроллеры медленнее ПЛИС.
Микроконтроллер является самодостаточной системой, выполняющий одну задачу одновременно. Может переключаться между разными задачами, выполнять их последовательно, и производить сложные действия и пользоваться разными инструментами (периферией). ПЛИС представляет собой набор базовый ячеек, используемых для создания нужной схемы, работающих параллельно (независимо) друг другу. Например, помигать светодиодом на микроконтроллере легко. Включил, подождал, выключил, подождал, вернулся в начало. А теперь попробуем добавить второй светодиод, который должен мигать с другой частотой, да ещѐ не кратной первой. Задача резко усложняется. На ПЛИС же, сделав блок мигания светодиодом, достаточно просто скопировать его, только поменять частоту и ножку со светодиодом. И два этих блока будут работать параллельно, никак друг другу не мешая, не снижая производительности. Таким образом, на ПЛИС можно реализовывать устройства, которые сложно сделать на микроконтроллере.
Достоинства в применении ПЛИС, заключаются в том, что:
1.При смене модели или производителя микроконтроллера необходимо читать новое описание. При разработке на ПЛИС, зная языки программирования Verilog или VHDL, можно не только программировать любой ПЛИС из линейки одного производителя, но и при желании перейти на другого (Altera, Xilinx).
2.Простота применения известных разработок.
3.Базовые ячейки зависят только от входных сигналов. Разработанный и отлаженный модуль продолжит работать правильно, независимо от увеличивающейся сложности проекта.
В сравнении с микроконтроллерами ПЛИС широко используются для построения:
‒ устройств с большим количеством портов ввода-вывода (более чем 1000 выводов («пинов»));
‒ устройств, выполняющих цифровую обработку сигнала;
‒ цифровой видео- и аудиоаппаратуры;
‒ устройств, выполняющих передачу данных на высокой скорости;
‒ устройств, выполняющих криптографические операции, систем защиты информации.
Литература:
- Ознакомительное руководство по ARM-микроконтроллерам Cortex-M3 [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/micros/arm/.
- Официальный сайт компании Microchip Technology Inc [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.microchip.com.
- Официальный сайт фирмы Atmel [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.Atmel.com.
