Документ описывает основные компоненты и архитектуры микроконтроллеров, включая транзисторы, триггеры, регистры и арифметико-логические устройства. Он также рассматривает различия между архитектурами CISC и RISC, а также специфические особенности микроконтроллеров ARM, включая их регистры и блоки управления. В завершение предоставляется информация о библиотеке CMSIS для работы с контроллерами Cortex-M.

1. «Вжух» и получился компьютер 2
Александр Сурков
Microsoft MVP, IoT Community Leader

2. В предыдущей серии…

6. Транзисторный элемент И-НЕ
ТТЛ версия И-НЕ

7. Булева Алгебра
Основа всех основ.
Операции:
•И
•ИЛИ
•НЕ
•XOR

8. Базовые элементы

9. Базовые элементы

10. Работает не мгновенно

11. Гонки и Синхронизация

12. Триггеры
Триггером называют логическую схему с положительной
обратной связью, способную формировать 2 устойчивых
состояния на своих выходах Q и не Q, изменения которых
происходит под действием входных сигналов.
Предназначен в основном для хранения одного бита
информации, т.е. логических «0»или «1». Схема триггера
обеспечивает запись, считывание, хранение и стирание
двоичной информации.

13. RS триггер

14. D триггер – запоминание входа

15. T триггер – счетный триггер

16. JK триггер – Универсальный триггер

17. Дешифратор – сигнал по шифру

18. Мультиплексор – включить сигнал по
номеру

19. Регистры
Регистром называют группу или линейку
запоминающих элементов (чаще триггеров),
предназначенных для: записи, хранения,
сдвига, выдачи двоичного слова.

20. Параллельный регистр

21. Последовательный (сдвиговый) регистр

22. Счетчики
Счетчики могут выполнять операции:
•Установка в «0».
•Запись входных импульсов (информации).
•Хранение информации.
•Инкремент – увеличение хранящегося кода на «1».
•Декремент – уменьшение хранящегося кода на «1».
•Деление частоты входных сигналов.

23. Суммирующий счетчик

24. Вычитающий счетчик

25. Компараторы
Компаратор – это узел для сравнения двух
чисел. Простейший компаратор сравнивает 2
числа (слова) А и В и выдает однобитовый
сигнал: при равенстве А=В - 1, при
неравенстве – 0.

26. Компаратор

27. Еще чуть-чуть…

28. Блок логических операций

29. Сумматор

30. Самое главное – АЛУ

31. Важнейший постулат
Вычитание, деление и
умножение в двоичном коде
можно сделать через
сложение.

32. Арифметико-логическое устройство
ALU – функционально законченный узел процессора ЭВМ,
предназначенный для выполнения арифметических и логических
операций по обработке информации.
Основные операции, выполняемые ALU:
•Арифметические (все они сводятся к сложению), до 50% от всех
выполняемых операций.
•Логические (до 16 операций – до 45% от всех выполняемых операций).
•Остальные 5% - операции управления.

33. Арифметико-логическое устройство

34. Пока можно выдохнуть 

35. Итак что у нас есть
•Элемент И-НЕ - на основе транзистора
•Булевы элементы – логические операции на основе И-НЕ
•Триггер – единица памяти на основе булевых элементов
•Регистр – Набор триггеров для хранения данных
•Шифратор, дешифратор, мультиплексор – управляющие сигналы
•Сумматор – математические операции над числами

36. Зачем все это знать?
Чтобы понимать как работает
микроконтроллер и чем
отличаются разные архитектуры
контроллеров

37. Выполнение команды
•Считывание операндов
•Считывание команды и ее
выполнение
•Сохранение результата

38. CPU

39. Типы архитектур
•Гарвардская (например Intel 8051):
• Память и данные физически разные модули
• Шина команд и шина данных так же разделены
• Считывать данные и команды можно одновременно
•Фон Неймана (например ARM):
• Единая шина данных для команд и данных
• Едина память для команд и данных
• Работают медленнее, но физически и логически проще

40. Разрядность микроконтроллера
•8,16 и 32 бита
•Это число – количество бит, которые
параллельно может обработать CPU. Как
правило соответствует ширине шины данных
и разрядности ALU.
•Например, в Intel 8051 шина данных 8 бит а
шина адреса 16 бит

41. Организация памяти
•8 разрядов шины адреса – 256 байт
•16 разрядов шины адреса – 64 Кб
•32 разряда шины адреса – 4 Гб
Больше пропускная способность шины и
больше памяти можно адресовать

42. И что мы имеем в итоге ?

43. CISC & RISC
•CISC – complex instruction set computer – сложные инструкции,
которые быстро выполняются, но долго подготавливаются.
Сложно распараллелить
•RISC – reduced instruction set computer – упрощенные инструкции,
которые быстрее подготавливаются к выполнению. Хорошо
поддаются распараллеливанию.
Есть еще
•MISC
•OISC

44. Конвеер
•IF (Instruction Fetch) — получение инструкции,
•ID (Instruction Decode) — раскодирование инструкции,
•EX (Execute) — выполнение,
•MEM (Memory access) — доступ к памяти,
•WB (Register write back) — запись в регистр.

45. Самые распространенные архитектуры
•MCS51 (Intel)
•MSP430 (TI)
•ARM
•AVR (Atmel)
•PIC (Microchip)

46. Что у них общего
•CPU – вычислительное ядро, умеющее исполнять инструкции
•Interrupt Controller – аппаратный контроллер прерываний
•RAM (оперативная память) – энергозависимая быстрая память
•ROM (ПЗУ, Flash) – энергонезависимая, но более медленная память
•Clock Unit – модуль настройки тактовой частоты
•Watchdog – модуль слежения за «подвисанием» ядра
•GPIO – порты ввода-вывода общего назначения
•Набор «периферии» - SPI,UART,I2C,USB,ADC,DAC, и т.д.

48. MSP430

49. AVR

50. PIC16F887

51. CortexM0

52. Вроде все одинаково, но в чем отличия ?
С точки зрения C/C++ программиста кажется что отличия в
мелочах – ассемблер (который все равно скрыт под C/C++) и
способы управления тем или иным узлом с помощью регистров и
наборы регистров.
Но это очень серьезные отличия.

53. Микроконтроллеры ARM

54. Что такое ARM
1) Компания ARM Ltd – разрабатывающая архитектуру ARM
2) ARM - Advanced RISC Machine - 32х разрядная
микропроцессорная RISC архитектура фон Неймана,
разрабатываемая компанией ARM

55. Какие бывают ARM ядра
ARM7 – мк для встраеваемых устройств
ARM9 и ARM11 – мощные микропроцессоры
CortexM – замена ARM7
CortexA – замена ARM9 и ARM11

56. A – application, R – real-time, M - microcontroller

57. Семейство Cortex M

58. На примере Cortex M0

59. Cortex M0 processor core - ARMv6-M
•Архитектура фон Неймана
•RISC
•32 разрядное ядро
•Наборы инструкций ARM,Thumb,Thumb2
•3х ступенчатый конвеер

60. CPU

61. Регисты общего и специального
назначения
Эти регистры в ядре, вне
адресного пространства
•SP – указатель стека (2
режима)
•LR – информация,
возвращаемая из
подпрограмм
•PC – счетчик команд

62. Program Status Register (PSR)
N – флаг отрицательного значения Exception Number – номер прерывания
Z – флаг нуля
C – флаг переноса разряда
V – флаг переполнения
T`- Флаг Thump state

63. Exception mask register (PRIMASK)
Делает только одно. Его младший (0) бит запрещает или
разрешает все прерывания. По отдельности работы с
прерываниями идет через блок NVIC.

64. Control register (CONTROL)
Бит 1 определяет какой
из регистров PSP или
MSP использовать как
регистр стека:
0 = Main Stack Pointer (MSP).
1 = Process Stack Pointer (PSP).

65. Память
•Архитектура фон Неймана
•единое адресное пространство 4 Гб
•Распределена на блоки по своему
функционалу.
•Little-endian формат

66. Память
•Code - Executable region for program code.
•SRAM - Executable region for data. You can also put code here.
•Peripheral - External device memory.
•External RAM - Executable region for data.
•External device - External device memory.
•Private Peripheral Bus - This region includes the NVIC, System timer
and System Control Block.
•Device - Vendor specific.

67. Функциональные блоки Cortex M
•NVIC – контроллер прерываний, который тесно интегрирован с
вычислительным ядром
•System Control Block – блок управления, позволяющий делать
небольшие настройки работы ядра
•System Timer – системный таймер/счетчик, который используется
на низком уровне операционными системами.
Регистры управляющие этими блоками находятся в едином
адресном пространстве в блоке Private Peripheral Bus

68. NVIC – контроллер прерываний
ISER (0xE000E100 ) - Interrupt Set-enable Register - разрешение
ICER (0xE000E180 ) - Interrupt Clear-enable Register - запрет
ISPR (0xE000E200 ) - Interrupt Set-pending Register - ожидание
ICPR (0xE000E280) - Interrupt Clear-pending Register – снятие с ожидания
IPR0-7 (0xE000E400-0xE000E41C) - Interrupt Priority Registers - приоритет
)

69. System Control Block – блок управления
CPUID (0xE000ED00) – processor part number, version и т.д.
ICSR (0xE000ED04 ) – Interrupt Control and State Register
AIRCR (0xE000ED0C) – Application Interrupt and Reset Control
SCR (0xE000ED10) – System Control Register
CCR (0xE000ED14) – Configuration and Control Register
SHPR2 (0xE000ED1C) – System Handler Priority Register 2
SHPR3 (0xE000ED20) – System Handler Priority Register 3

70. System Timer – системный таймер/счетчик
SYST_CSR (0xE000E010) - SysTick Control and Status Register
SYST_RVR (0xE000E014) - SysTick Reload Value Register
SYST_CVR (0xE000E018) - SysTick Current Value Register
SYST_CALIB (0xE000E01C) - SysTick Calibration Value Register

71. CMSIS
Cortex Microcontroller Software Interface Standard
Свободно распространяемая библиотека, написанная на С, позволяющая
удобно работать со всеми выше описанными блоками.

72. Заключение
•Мы рассмотрели основные составляющие части Cortex M контроллеров.
•Мы не рассмотрели еще много всего:
• Этапы загрузки
• Детали работы прерываний
• Режимы работы ядра
• И т.д.
Все что мы изучили – Ядро Cortex M – есть во всех Cortex M контроллерах.
Но все, что кроме ядра везде будет разное. Набор периферии и
компонентов примерно одинаков, но вот наборы управляющих регистров и
логика работы модулей своя у каждого производителя.

73. Ссылка
http://infocenter.arm.com/help/index.jsp -
большой справочник от самой ARM Ltd
Чтобы найти там Cortex M0:
Cortex-M series processors –> Cortex-M0->Revision: r0p0

74. Хотите знать больше про Internet of Things?
Присоединяйтесь к нам!
IoT Community:
•https://www.facebook.com/groups/RU.IoT.Community/
•http://vk.com/iot_community
•https://www.meetup.com/IoTCommunity/

75. «Вжух» и получился компьютер 2
Александр Сурков, Microsoft MVP, IoT Community leader
@AOSurkov