Architektúra mikrokontroléra

Architektúra mikrokrontrolera

Jednočinný počítač alebo ang. Microcontroller (Mikrokontrolér, MCU) je väčšinou monolitický integrovaný obvod dosahujúci kompletní mikropočítač. Jednočinné počítače sa vyznačujú veľkou spoľahlivosťou a kompaktnosťou, preto sú určené predovšetkým pre jednoúčelové aplikácie ako je riadenie, regulácia a pod. Často sú jedno čipové počítače súčasťou vstavaných (embedded) systémov.

Mikrokontrolery vo všeobecnosti obsahujú:

• Radič a aritmetickú jednotku. Podľa typu mikrokontroleru sa používa dĺžka slova 4,8,16 alebo 32 bitov
• Pamäť programu (kódovú pamäť). Pamäť programu je buď typu EPROM alebo Flash, u mikrokontrolerov vyrábaných pre určitú konkrétnu aplikáciu s pevne daným programom je typu ROM
• Pamäť typu R/W, niekedy doplnená pamäťou EPPROM
• Periférne obvody pre vstup a výstup dát

Architektúra

Jednočipový počítač je integrovaný obvod, ktorý v sebe zahrňuje spravidla všetko potrebné k tomu, aby mohol dosiahnuť celú aplikáciu, bez toho, aby potreboval ďalšie podporné obvody.

Existujú základné dve architektúry mikroprocesorov – von Neumannova a Harvardská, každá má svoje výhody i nevýhody. Pri súčasnom stupni integrácie sa zrejme častejšie využíva Harvardská architektúra, vysoký stupeň integrácie dovoľuje pripojiť rôzne bloky pamäte pomocou vlastných zberníc. Delenie na „Harvardskou“ a „Von Neumannova“ architektúru je však pri dnešnom stupni integrácie už len akademické. U moderných architektúr sa často užívateľovi adresný priestor javí navonok ako lineárny (Von Neumannovský), zatiaľ čo fyzicky sú pamäte k jadru pripojené pomocou niekoľko nezávislých zberníc (napr. jedna zbernica pre FLASH/ROM (pamäť programu), druhá pre užívateľskú vnútornú RAM a zásobník, tretia pre pripojenie integrovaných pamäťovo mapovaných periférií, ďalšia pre pripojenie externou RAM).

Von Neumannova architektúra

Von Neumannova architektúra je architektúra, pre ktorú je typická spoločná pamäť pre dáta i program. Toto usporiadanie má výhody v tom, že nepotrebujeme rozlišovať inštrukcie pre prístup k pamäti dát a pamäti programu, čo vedie k zjednodušeniu vlastného čipu. Ďalšou výhodou je, že je potreba iba jednej dátovej zbernice, po ktorej sa prenášajú oba typy dát, čo je výhodné v prípade použitia externých pamätí, kde sa redukuje potrebný počet nutných vstupov a výstupov. Nevýhodou je, že prenos oboch typov dát po jednej zbernici je pomalší, ako pri oddelených zberniciach pre pamäti dát a programu.

Harvardská architektúra

Harvardská architektúra je typická oddelením pamäti programu a pamäti dát. Hlavnou nevýhodou tejto architektúry je väčšia technologická náročnosť daná nutnosťou vytvoriť dve zbernice. Za hlavnú výhodu je možné považovať možnosť inej šírky programové a dátové zbernice. Tejto možnosti sa široko využíva, takže nájdeme osembitové mikrokontrolery s programovou zbernicou širokou 12, 14 i 16 bitov. Medzi ďalšie výhody harvardskej architektúry patrí rýchlosť vykonávania inštrukcií, pretože inštrukcie i potrebné dáta je možné čítať v jedom čase.

Inštrukčné súbory

Ďalšie rozdelenie mikrokontrolerov je podľa použitého inštrukčného súboru. V oblasti jednočipových počítačov sa bežne používajú inštrukčné súbory typu CISC, RISC a DSP

CISC

• označuje procesor so „zložitým inštrukčným súborom“. Procesor podporuje mnoho formátov a druhú inštrukciu. Na jednu stranu to znamená úsporu miesta v programovej pamäti (vyššiu hustotu kódu), na druhej strane to však znamená komplikovanejší dekodér inštrukcií vo vlastnom mikrokontroléri a pomalšie spracovanie inštrukcií