|
16-разрядные Flash микроконтроллеры семейства F2MC-16LX фирмы Fujitsu. Новый виток развития
Первая статья, посвященная 16-разрядным микроконтроллерам семейства F2MC-16LX, была опубликована еще в пятом номере журнала «Компоненты и технологии» за 2001 год. За это время и технологические возможности фирмы и номенклатура микроконтроллеров семейства существенно расширилась, предоставив потребителям новый, также расширенный набор функциональных возможностей, соответствующих тенденциям запросов современного рынка.
Полная, на время подготовки статьи, номенклатура 16-разрядных микроконтроллеров семейства F2MC-16LX показана в  Таблице (370 Кб.). Приборы, добавившиеся к тем, что были упомянуты в предшествовавшей статье, выделены полужирным шрифтом и курсивом выделены те приборы, которые были упомянуты в материалах фирмы, но еще не имели DataSheet.
Учитывая, что общее описание микроконтроллеров семейства было дано в предшествовавшей статье и, кроме того, Консультационно-Техническим центром по Микроэлектронике (КТЦ-МК) выпущено «Справочное пособие. 16-разрядные Flash микроконтроллеры семейства 16LX фирмы Fujitsu», описывающее упомянутые в первой статье микроконтроллеры, характеризуя семейство в целом, ограничусь перечислением только самых основных особенностей микроконтроллеров семейства. В дальнейшем основное внимание будет уделено новым возможностям и новым функциям, реализованным в новых сериях микроконтроллеров.
Основные характеристики микроконтроллеров семейства F2MC-16LX
- 16-разрядное ядро CPU 16LX с напряжением питания 3 В
- Высокая производительность: 4-байтовая очередь команд
- 32-разрядный аккумулятор, обеспечивающий работу с длинными словами
- Вычисления повышенной точности, выполняемые на 32-разрядном аккумуляторе
- 24-разрядная внутренняя шина адреса, адресация пространства памяти до 16 Мбайт
- Оптимизированная под контроллерные применения система команд:
- Расширенные команды перемножения/деления со знаком, команда RETI
- Команды косвенного указания и циклического сдвига
- Форматы обрабатываемых данных: бит, байт, слово, длинное слово
- Использование указателя системного стека
- Режимы адресации: 23 типа
- Прерывания с расширенными возможностями: 8 уровней приоритета большое количество источников
- Поддержка языков высокого уровня и многозадачности, модуль задержанного прерывания, обеспечивающий переключение между задачами
- Не зависящая от работы CPU автоматическая пересылка данных, расширенный интеллектуальный сервис I/O (EI2OS)
- Встроенная схема PLL, умножающая частоту встроенного или внешнего источника тактового сигнала, позволяющая снизить уровень электромагнитного излучения
- Версии с субтактированием сигналом 32,768 кГц,
- Богатый набор режимов энергосбережения, режим чередующейся работы CPU
- Современная Flash память с внутрисхемным программированием и перепрограммированием в условиях применения
- Блочная организация, обеспечивающая по-секторное стирание и по-секторную защиту
- Возможность организации программных «заплат»
- Богатые наборы встроенной периферии и интерфейсов, в том числе:
- интерфейс CAN, ставший стандартным высокопроизводительным интерфейсом автомобильных и промышленных применений, и
- интерфейс младшего уровня LIN.
- Полностью статическая схемотехника малого потребления
- Встроенные средства отладки, существенно упрощающие процесс разработки
Микроконтроллеры, указанные в первой статье, были ориентированы на использование, в первую очередь, в качестве универсальных микроконтроллеров общего назначения, используемых как в промышленности и автомобильной технике, так и в сфере потребления.
Как показывает Таблица 1, номенклатура микроконтроллеров семейства F2MC-16LX существенно расширилась и совершенствование технологии производства позволило расширить возможности микроконтроллеров. Частота тактирования ядра в ряде случаев достигла 24 МГц, существенно увеличилось количество приборов, работающих в диапазоне напряжений питания от 2,4 до 3,6 В. Совершенствование схемотехники позволило организовать на ряде приборов двухрежимную Flash память, обеспечивающую одновременное выполнение программы и процедуры перепрограммирования – без перезагрузки кодов в RAM; позволило организовать на выводах I/O, в дополнение к CMOS логическим уровням, программирование, так называемых, «автомобильных уровней»; позволило реализовать на быстродействующих приборах модуляцию сигнала тактирования, снижающую уровень EMI излучения. Существенно увеличилось количество приборов, работающих в диапазоне температур от –40 до 105°C.
Фирма Fujitsu первой в мире выпустила 16-разрядные микроконтроллеры с двухрежимной (Dual-Operation) Flash памятью, оснастив ею ориентированный на использовании в автомобилях микроконтроллер MB90F897.
Двухрежимная Flash память позволяет выполнять перезапись содержимого одновременно с выполнением программы из Flash памяти, устраняя потребность в перемещении программы в RAM (см. Рис 1 и Рис.2). Следовательно, одним из преимуществ двухрежимной памяти стало исключение возможности потери кодов, перемещенных в RAM, при отказе питания и, кроме того, исключаются затраты времени на перегрузку кодов программы.
Рис. 1. Работа микроконтроллера MB90F897, оснащенного двухрежимной Flash памятью. Пока программа выполняется из верхнего банка Flash памяти, нижний банк может быть использован для операций записи/стирания (или наоборот).
Другим преимуществом двухрежимной Flash памяти может быть то, что она может быть использована для сохранения различных типов данных на время отключения питания - двухрежимная Flash память исключает потребность в EEPROM и связанных с этим внешних компонентах, что способствует снижению общей стоимости законченного устройства.
В микроконтроллере MB90F897 двухрежимная память организована в виде двух банков, в каждом из которых имеются по четыре EEPROM-подобных сектора небольшого объема (по 4 Кбайта, см. Рис. 1 ), обеспечивающих необходимый объем для записи данных.
Отметим высокое быстродействие процедуры записи в двухрежимную Flash память - типовое время записи 32 мкс/байт, что заметно быстрее, чем у EEPROM, и повышенную надежность записи данных - данные записываются в память без прохождения по внешним связям, чем исключается искажение данных на линиях пересылки, вызванные внешними шумами.
С использованием двухрежимной Flash памяти упрощается внедрение новых усовершенствований, например управление средой обитания, безопасностью и связью в автомобилях, включая сохранение информации о текущих (или типовых) настройках и режимах, включая накопление информации по эксплуатации автомобиля («черный ящик») для дальнейшего изучения.
Рис. 2. Последовательность операций при процедурах перезаписи обычной Flash памяти и двухрежимной Flash памяти
При инициировании процедуры перезаписи памяти оснащенных обычной Flash памятью микроконтроллеров, коды программ должны быть перегружены в RAM , поскольку одновременное выполнение процедур перезаписи и исполнения программ в обычной Flash памяти невозможны.
Двухрежимная память, организованная в виде двух банков, способна выполнять программу, находящуюся в старшем/младшем банке, при одновременном перепрограммировании/стирании младшего/старшего банка.
Еще одно преимущество двухрежимной Flash памяти заключается в том, что она обеспечивает выполнение одновременно с процедурой перепрограммирования обработку прерываний. Микроконтроллеры фирмы Fujitsu с обычной Flash памятью не способны обрабатывать прерывания во время выполнения переписанной в RAM программы (при перепрограммировании Flash памяти). После выдачи команды записи/стирания, программное обеспечение должно проверять соответствующий флаг с тем, чтобы определить, действительно ли завершена процедура записи/стирания. И лишь после завершения процедуры записи/стирания может быть начата обработка поступившего запроса прерывания.
В микроконтроллерах с двухрежимной Flash памятью сформированные любым источником могут выполняться сразу по выполнении команды записи/стирания, допуская, таким образом, обработку других программ после выдачи команды записи/стирания (см. Рис. 3). Таким образом, процедуры записи/стирания блоков Flash памяти выполняются непосредственно в процессе управления системой.
Рис. 3. Последовательность перезаписи Flash памяти при использовании прерываний
Векторы прерываний, находящиеся, например, в старшем банке, при необходимости перезаписи старшего банка, пересылаются в младший банк Flash памяти и наоборот. Таким образом, управление на основе прерываний обеспечивается при перезаписи любого банка.
Микроконтроллер MB90F897 оснащен устанавливаемыми битами защиты секторов. Установка такого бита в состояние 0 активирует (разрешает) функцию защиты сектора, предотвращая этим соответствующий сектор от нежелательной записи/стирания. При установленном в состояние 0 бите, изменение его состояния на состояние 1 (чтобы разрешить запись/ стирание) запрещено до тех пор, пока каким либо фактором не будет сгенерирован сброс. Этим гарантируется, что блоки Flash памяти полностью защищены от нежелательной записи/стирания даже в случае выхода программы из-под контроля. В планы фирмы заложена дальнейшая разработка микроконтроллеров, оснащаемых двухрежимной Flash памятью.
Поскольку микроконтроллер MB90F897, как уже отмечалось выше, предназначен для использования в автомобильной технике, в нем реализованы линии I / O общего назначения с так называемыми «автомобильными уровнями входа». Автомобильные уровни входа задаются записью соответствующих битов в регистры состояний линий I / O , как и традиционные CMOS уровни, и отличаются от них расширенным до 0,5 Vcc (против 0,3 Vcc ) максимальным значением низкого уровня логического сигнала (логического 0). Автомобильные уровни входа обеспечивают реализацию систем управления с повышенной устойчивостью к шумам, позволяя четче распознавать низкий уровень сигнала, способствуя улучшению надежности работы системы управления в целом. В Табл. 1 микроконтроллеры с автомобильными уровнями входа выделены полужирным шрифтом
Для использования преимущественно в автомобилях были разработаны и микроконтроллеры серий MB90340 и MB90345. Эти микроконтроллеры, располагающие большими объемами Flash памяти (до 512 Кбайтов), контроллерами интерфейса CAN (как и микроконтроллер MB90F897) и I / O с «автомобильными уровнями входа», были выпущены раньше, чем микроконтроллер MB 90F897 и не оснащены двухрежимной памятью. В то же время, ядра микроконтроллеров серий MB 90340 и MB 90345 способны работать с частотой тактирования 24 МГц, что на треть выше, чем у ранее разработанных микроконтроллеров (16 МГц). Эти микроконтроллеры оснащены многоканальным (до 24 каналов) 10-разрядным ADC c минимальным временем преобразования 3 мкс, модулем модулятора сигнала тактирования, способствующим снижению уровня электромагнитного излучения, и четырьмя модулями UART с возможностями LIN интерфейса, на котором реализуются, в частности в автомобилях, сети нижнего уровня. Отмечу, что описания модулей модулятора сигнала тактирования и LIN интерфейса приведено в «Справочном пособии» на примере микроконтроллера серии MB 90390.
Пример реализации системы управления кондиционированием салона автомобиля, на основе микроконтроллеров серий MB 90340 или MB 90345 показан на Рис. 4.
Рис. 4. Конфигурация типовой системы кондиционирования салона автомобиля
Что-то все об автомобилях и автомобилях? Как будто других областей применения не существует.
Действительно, мировой автомобильный рынок колоссален. Даже в России существуют островки потребления автомобилей высокого класса, с локальными сетями, использующими большое количество микроконтроллеров. Тем не менее, рынок потребительских товаров может поглотить во много крат большее количество микроконтроллеров. Тем более, Российский рынок потребительских товаров.
Вероятно так же рассуждали специалисты фирмы Fujitsu. И, возможно, что такого рода соображения побудили разработчиков фирмы Fujitsu расширить номенклатуру, ориентированную на использование, в первую очередь, в промышленных применениях, приборами для товаров массового применения. Так были начаты работы по 16-разрядным микроконтроллерам серий MB90800, MB 90330/35 и MB 90370.
Обращаю внимание на то, что в таблице обозначения микроконтроллеров серий MB 90800 и MB 90330/35 напечатаны курсивом. Это означает, что к моменту подготовки статьи на эти приборы отсутствовали Data Sheet . Прибор MB 90370 в таблице даже не показан. Тем не менее, считаю необходимым представить эти приборы и их основные особенности, основываясь на опубликованной фирмой информации.
Главная особенность микроконтроллеров серии MB 90800, ориентированных на применение в аудио/видео аппаратуре, в критичных к потреблению мобильных применениях, в домашней аппаратуре – контроллер LCD дисплея, способный управлять 192 элементами отображения (формат 4 x 48). Разработка этих приборов стала ответом фирмы на потребность современной аппаратуры потребительского назначения в недорогих дисплеях с расширенными возможностями отображения как символьной, так и графической (сегментной) информации. Другие особенности: частота тактирования ядра до 25 МГц; напряжение питания 3 В; 12-канальный ADC , обеспечивающий работу с большим количеством датчиков; большое количество коммуникационных функций, типовая периферия; таймеры, PPG и т.п.
В микроконтроллерах серий MB 90330/ MB 90335 реализована новая для микроконтроллеров 16 LX функция – встроенный интерфейс USB . Сегодня USB используется как стандартное оборудование коммуникационного интерфейса не только в периферийных устройствах PC, но также и в качестве хостов, с которыми соединяются домашние цифровые применения типа цифровых камер, аудио устройств и телефонов. Для полной реализации современных функциональных возможностей этих оснащенных USB применений необходимы высокопроизводительные микроконтроллеры, располагающие большим объемом памяти, способные организовать интерфейс человек-машина, реализовать другие коммуникационные функции. Именно для этих целей, фирма Fujitsu и разработала микроконтроллеры серий MB90330/ MB 90335 , открыв новое направление в применении микроконтроллеров в семействе F2MC-16LX.
Функция USB новых приборов, поддерживающая до 6 оконечных точек, обеспечивает производительность до 12 Mbps с поддержкой пересылок control/interrupt/bulk/isochronous. Микроконтроллеры кроме обычной функции USB реализуют также функцию мини-хоста USB, обеспечивающую обмен данными между USB устройствами без посредничества PC. Функция мини-хост поддерживает и низкоскоростную (1,5 Mbps) и полноскоростную работу (12 Mbps), однако не поддерживает функцию хаба и изохронных пересылок.
По сравнению с 8-разрядными микроконтроллерами, оснащенными USB , микроконтроллеры серий MB 90330/ MB90335 имеют более высокоскоростное CPU (при частоте тактирования CPU 24 МГц частота USB составляет 48 МГц), большие объемы памяти, они оснащены многоканальными аналого-цифровыми преобразователями, UART и интерфейсами I 2 C. Все это обеспечит гибкую поддержку не только периферийных устройств PC, но и перспективных домашних цифровых применений, оборудуемых USB, типа телевизионных приемников, аудио аппаратуры, телефонов и пр.
Рис. 5. Примеры использования функции мини-хоста USB
Отмечу и то, что оснащенные USB микроконтроллеры серии MB90330, располагающие интерфейсом внешней шины, упакованы в 120-выводные корпуса LQFP с шагом выводов 0,4 или 0,5 мм , тогда как приборы серии MB90335 размещены в 64-выводных корпусах QFP . Это лишний раз свидетельствует о стремлении фирмы предоставить пользователям микроконтроллеры минимальных размеров (в таблице показаны приборы даже в 48-выводных корпусах с размерами 7 x 7 мм 2 ). Однако при сокращении количества выводов приходится жертвовать некоторыми функциями - приборы серии MB90335 внешней шины не имеют, исключен многофункциональный модуль, исключен еще ряд функций.
Наверняка, многие еще помнят утверждение начала 80-х годов, что микроконтроллер такой же универсальный компонент, что и транзистор – его можно использовать практически в любом применении. Под специальные применения разрабатывались и изготавливались заказные приборы. Развитие технологии проектирования и производства позволило собирать из стандартных функциональных модулей микроконтроллеры с набором функций наиболее близко соответствующим конкретному применению. Тем не менее, фирма Fujitsu , разрабатывая микроконтроллеры семейства 16 LX , придерживалась принципа предоставления пользователю микроконтроллеров с максимальной универсальностью, с возможностью использовать приборы в разнообразных применениях, как в промышленных контроллерах, так и в товарах потребительского назначения. Микроконтроллеры серий MB90330/ MB90335 уже довольно далеко ушли от понятия «универсальный», еще дальше от этого понятия ушли микроконтроллеры серии MB90370.
Микроконтроллеры серии MB90370 – клавиатурные контроллеры с хост интерфейсом и функцией управления потреблением, предназначенные для использования в ноутбук персональных компьютерах.
Тенденция к все большему уменьшению габаритов ноутбук персональных компьютеров требует всемерного сокращения площади устанавливаемых в них печатных плат. В свою очередь, сокращение площади печатных плат требует использования приборов в миниатюрных корпусах со все большим уровнем интеграции функций в едином кристалле. Ответом фирмы Fujitsu на эти требования и стали микроконтроллеры серии MB90370.
Новые приборы оснащены интерфейсом управления PS /2, шиной LPC ( Low Pin Count ) и последовательным IRQ для связи с хост CPU компьютерной системы. Средства управления потреблением, компаратор мониторинга батарейного питания и шина многоадресного I 2 C (с поддержкой SM bus Rev 1.1) способствуют снижению потребления контроллера клавиатуры. В микроконтроллерах серии организованы и стандартная для семейства периферия, в том числе и контроллер LCD форматом 4 x 9, ADC , DAC , UART , PPG и таймеры.
Рис. 6. Конфигурация системы ноутбук PC с использованием микроконтроллера серии MB90370
Чуть подробнее о новых для семейства 16 LX функциях, реализованных в микроконтроллерах серии MB90370 .
Шина LPC ( Low Pin Count ). Шина LPC - новый интерфейс, идущий на замену ISA шине (внутренняя шина PC ). Шина LPC обеспечивает сокращение количества используемых линий на плате и количества контактов соединителей, что способствует получению компактной платы. Обмен данными синхронизируется PCI тактовым сигналом (33 МГц).
Последовательный IRQ. В отличие от обычного IRQ , поступающего по параллельным линиям, последовательный IRQ передается по одиночной линии, что актуально для мобильных PC , где очень важно уменьшение размеров соединителей и снижение количества выводов.
Прибор поддерживает и непрерывный режим, и режим одиночных запросов, и способен запрашивать до 6 типов хост прерываний
Компаратор управления потреблением. Компаратор управления потреблением способен устанавливать гистерезис при обнаружении подключения питания через адаптер сети переменного тока, способен вести мониторинг напряжения батареи и обнаруживать отключение батареи. Возможность детектирования заданного напряжения от внешнего источника позволяет реализовать эффективную стратегию управления батареями в потребительских системах. Компаратор поддерживает до трех батарей с программным выбором управления параллельным или последовательным разрядом.
I2C и многоадресная I2C ( MI2C ). Микроконтроллеры серии MB 90370 поддерживают три функции, предоставляемые шиной SM bus Rev 1.1 для минимизации загрузки программных средств: автоматическое вычисление ошибок управления пакетами ( Packet Error Checking ), автоматическое обнаружение простоев тактирования LOW и автоматическое обнаружение накопленных простоев тактирования LOW . Более того, компоновка функции обнаружения стартовых условий I2C ( SDA line startup ) и активации из режима Stop , делает его способным принимать данные во время Stop режима.
При использовании многоадресной I2C любой из шести дополнительных адресов может быть установлен как адрес ведомого. В сочетании со схемой моста поддерживается и система управления батареями Smart Battery System Manager Rev 1.1.
3-канальный интерфейс PS /2. Интерфейс PS /2 обеспечивает связь с любой клавиатурой, мышью или координатным устройством, поддерживающими PS /2.
Более того, терминал сигнала тактирования PS /2 устройств оснащен функцией прерывания обнаружения падающего фронта сигнала тактирования, что позволяет организовать программный прием данных. Прибор способен выполнять контроль четности принятых программным способом данных. Двойная, аппаратного приема данных и программного приема данных, поддержка увеличивает надежность принимаемых данных.
Примечательно, что Data Sheet на микроконтроллеры серии MB 90370 уже существует. Однако в материалах, показанных представителями Европейского Центра Разработки микроконтроллеров ( European Microcontroller Design Center – EMDC ) фирмы Fujitsu на проходившей в Москве в мае 2004 года выставке «ЭкспоЭлектроника», эта серия не фигурирует. Смею предположить, что специалисты фирмы рассматривают эти приборы как заказные и изготавливают их только для конкретного заказчика. Надеюсь, однако, что представленная здесь информация представит интерес для читателя, поскольку некоторые решения могут быть реализованы в перспективных приборах семейства.
О перспективах развития 16-разрядных микроконтроллеров удалось перекинуться несколькими словами с теми же представителями EMDC фирмы Fujitsu . Как оказалось, дальнейшее развитие 16-разрядных микроконтроллеров пойдет на основе нового ядра, получившего обозначение 16 FX , и вычислительная мощность которого будет раз в пять выше вычислительной мощности ядра 16 LX . Так частота тактирования ядра будет составлять 48 МГц с дальнейшим ростом до 64 МГц. Будет увеличена относительная производительность ( MIPS /МГц) и относительное потребление ( MIPS /мВт) с доведением тока до уровня менее 1 мА/МГц. Другими важными особенностями будут: использование таких интерфейсов отладки как JTAG или Nexus , использование корпусов с количеством выводов от 144 вплоть до 30. Еще одной важной особенностью является то, что микроконтроллеры на основе ядра 16 FX будут исполнять ассемблерный исходный код ядра 16 LX .
По официальным заявлениям начало поставок первых образцов микроконтроллеров на основе ядра 16 FX предполагается только с 2005/2006. Тем не менее, в частной беседе прозвучало, что эти сроки определены с большим запасом и новые 16-разрядные приборы могут появиться значительно раньше.
Литература:
- «Справочное пособие. 16-разрядные Flash микроконтроллеры фирмы Fujitsu ». Приложение – два CD - ROM с документацией и программными средствами.
Издание Консультационно-Технического Центра по микроконтроллерам (КТЦ-МК)
- Материалы сайта http:// www.cec - mc.ru
- Материалы сайта http://www.fme.fujitsu.com
Евгений Крылов
|
