Глава 11 Анатомия микроконтроллера

Все жалуются на свою память, но никто не жалуется на свой разум.

Франсуа де Ларошфуко

Цифровые электронные устройства могут выполнять в автоматическом режиме довольно сложные функции. Устройства управления военной техникой в 40–50 годы XX века так и делали, для них строили специальные схемы на каждый раз, для каждой конкретной задачи, иногда очень «навороченные», и весьма остроумно придуманные. Эти схемы объединяли цифровые и аналоговые узлы, реализовывавшие различные функции, вплоть до решения в реальном времени сложнейших дифференциальных уравнений. Вы только представьте сложность задачи управления межконтинентальной баллистической ракетой, которая даже в те времена, когда не было ни спутников наведения, ни систем глобального позиционирования, обеспечивала точность попадания в радиусе нескольких десятков метров на расстоянии в тысячи километров!

Характерная черта таких устройств — они построены в принципе из одних и тех же основных элементов. Особенно это касается цифровой техники — со времен Клода Шеннона известно, что любая цифровая функция может быть реализована всего на нескольких базовых «кирпичиках», и мы видели в предыдущих главах, как на основе таких «кирпичиков» — логических элементов— строятся последовательно все более сложные устройства, вплоть до сумматоров и многофункциональных счетчиков, которые затем уже могут комбинироваться в схемы любой степени сложности. Возникает естественная мысль: а нельзя ли соорудить универсальное устройство, которое бы могло выполнять любые подобные функции, раз в какой-то глубинной основе своей они похожи?

К этой мысли человечество двигалось двумя совершенно разными путями. Один из них связан с никогда не покидавшей человечество мечтой о построении искусственного разума. Через арифмометр Паскаля, аналитическую машину Бэббиджа, математическую логику Буля, теоретические построения Тьюринга и Шеннона, через первые электромеханические компьютеры Конрада Цузе, Эйкена и Атанасова этот путь воплотился в ЭНИАКе — построенной в 1946 году электронной вычислительной машине, которая стала символом начала компьютерной эпохи (хотя, добавим, была не самой первой, и не единственной даже в те времена).

Ученые сразу поняли, каковы потенциальные возможности этого устройства — зародилось направление «искусственного интеллекта», стали обсуждаться проблемы автоматического перевода, шахматного компьютера, распознавания образов — в общем-то, многие из них не решены и до сих пор, несмотря на то, что мощность компьютеров возросла в миллионы раз, и вряд ли будут решены в ближайшее время[9]. А вот другая сторона этой революции до времени не обсуждалась столь широко: ведь по сути компьютер и есть то самое универсальное электронное устройство, которое может выполнить любую задачу— от наведения баллистической ракеты на цель до банального переключения режимов стиральной машины, нужно только иметь соответствующую программу. Но обсуждавшийся во введении принцип эквивалентности «железа» и программ, благодаря диссертации Шеннона понятный ученым и инженерам еще задолго до эпохи всеобщей компьютеризации, дошел до практики далеко не сразу, поскольку «железо» резко отставало от нужд практики. Как подумаешь, что вопрос «может ли машина мыслить» обсуждался во времена ЭВМ, по вычислительной мощности эквивалентных сегодняшнему двухдолларовому микроконтроллеру…

Более того, в этом вопросе движение было скорее с обратной стороны — нужды компьютерной отрасли вызвали бурное развитие электроники. И это логично, ведь первые ЭВМ были огромными, потребляли энергии, как небольшой завод, и требовали непрерывного обслуживания (плановое ежесуточное время работы первых советских ЭВМ — 16 часов, остальное — ремонт). Кому в те времена могла прийти мысль даже о том, чтобы дать компьютер каждому в персональное пользование, не то что управлять с его помощью стиральной машиной, правда? Революция произошла лишь с изобретением микропроцессора в фирме Intel в 1971 году. С этого момента инженерам-электронщикам пришлось учить программирование.

Рис. 11.1. Микропроцессор Intel 4004

Первоначально корпорация Intel не помышляла ни о каких процессорах и занималась разработкой и продажами микросхем памяти, на которые тогда как раз начиналось увеличение спроса. В 1969 г. в Intel появились несколько человек из Busicom — молодой японской компании, занимающейся производством калькуляторов. Им требовался набор из 12 интегральных схем в качестве основного элемента нового дешевого настольного калькулятора. Проект был разработан Масатоши Шима, который и представлял японскую сторону. Тед Хофф (Marcian Е. «Ted» Hoff, p. 1937), руководитель отдела, занимавшегося разработкой применений для продукции Intel, ознакомившись с проектом, понял, что вместо того, чтобы создать калькулятор с некоторыми возможностями программирования, можно сделать наоборот, компьютер, программируемый для работы в качестве калькулятора. Развивая идею, в течение осени 1969 г. Хофф определился с архитектурой будущего микропроцессора. Весной в отдел Хоффа пришел (все из той же уже известной нам Fairchild) новый сотрудник Фредерик Фэггин (Federico Faggin), который и придумал название для всей системы: «семейство 4000». Семейство состояло из четырех 16-выводных микросхем: 4001 содержал ROM на 2 килобайта; 4002 — RAM с 4-битным выходным портом для загрузки программ; 4003 представлял собой 10-битный расширитель ввода/вывода с последовательным вводом и параллельным выводом для связи с клавиатурой, индикатором и другими внешними устройствами; наконец, 4004 был 4-битным ЦПУ (центральным процессорным устройством). Он состоял из 2300 транзисторов и работал с тактовой частотой 108 кГц. 15 ноября 1971 г. было объявлено о создании первого микропроцессора. Busicom приобрела разработку, заплатив Intel $60 000. Но в Intel решили возвратить Busicom эти деньги, чтобы вернуть себе права на микропроцессор. i4004 обладал вычислительной мощностью, сравнимой с первым электронным компьютером ЭНИАК. Свое первое практическое применение 4004-й нашел в таких системах, как устройства управления дорожными светофорами и анализаторы крови. Он использован в бортовой аппаратуре межпланетного зонда Pioneer-10, который поставил рекорд долгожительства среди подобных аппаратов: он был запущен NASA в 1972 г., а к 1 сентября 2001 г. Pioneer-10 удалился от Земли на 11,78 млрд км и все еще работал.

Еще раз повторим — для понимания того, как работают микропроцессорные системы, нужно очень твердо усвоить, что программирование процессора и составление логических схем есть в полном смысле слова один и тот же процесс, только выраженный на разных языках: либо в виде последовательности команд процессора, либо в виде схемы. Грубо говоря, при переходе на МК вы заменяете паяльник персональным компьютером (ПК), причем программировать много проще, потому что гораздо легче поправить ошибку. Типичная иллюстрация принципа эквивалентности: на процессоре 8086 операции с действительными числами выполнялись с помощью подпрограмм, но выполнение программы всегда медленнее, чем работа «железок». Поэтому к нему сначала добавили арифметический сопроцессор (8087), а потом (начиная с 486-х) и вовсе интегрировали блок обработки чисел «с плавающей точкой» внутрь процессора. В результате программы упростились, а процессор усложнился, но с точки зрения пользователя ничего (кроме ускорения работы) не произошло.

Заметки на полях

Легкостью программирования современных электронных узлов стали широко пользоваться производители оборудования, особенно в последние годы, чтобы оптимизировать свои прибыли. Делается это примерно так: разрабатывается некое устройство (видеокарта, пишущий привод и т. п.) с некими новыми возможностями. Естественно, оно продается несколько дороже аналогичных более примитивных устройств. Спустя некоторое время конкуренты догоняют, тогда это устройство снимается с продажи, а на рынок выбрасывается аналогичная модель с еще более расширенной функциональностью — по той же цене или еще несколько дороже. Другой вариант той же политики — одновременно выпустить линейку похожих устройств разного класса (например, по быстродействию) с ценой, отличающейся иногда в разы (характерно, например, для видеокарт). И простодушному покупателю невдомек, что разработан был лишь самый дорогой и «продвинутый» вариант, а все более дешевые отличаются лишь программой — «прошивкой» (ну, иногда еще отсутствием некоторых микросхем на плате). Выпуская модели с искусственно урезанной функциональностью, производитель имеет значительно большую суммарную прибыль, т. к. фактически одно и то же устройство может продаваться годами без значительных инвестиций в его доработку, а также охватить все секторы рынка, от самых простых до эксклюзивных. Во многих случаях пользователь сам может превратить дешевое устройство в более дорогое, сменив лишь микропрограмму — классическим примером сезона 2005/2006 годов стала линейка пишущих приводов NEC 3540, 3550, 4550 и др.

С другой стороны, чем больше функций устройства реализовано программно, а не аппаратно, тем оно, во-первых, дешевле (сравните цены аппаратных модемов и софт-модемов), а во-вторых, тем легче исправляются недочеты при проектировании. Мой знакомый однажды, сменив прошивку дешевенькой «фотомыльницы», обнаружил, что она приобрела способность снимать чуть ли не в лунном свете, хотя до этого не вытягивала даже комнатное освещение!

Ну а теперь перейдем к рассмотрению того, как работает микропроцессор «вообще».

Как работает микропроцессор

Для того чтобы понять, как работает микропроцессор (МП), зададим себе вопрос: а как он должен работать? Есть теория (в основном созданная постфактум: после того, как первые ЭВМ были уже построены и функционировали), которая указывает, как именно строить алгоритмы, и что процессор в соответствии с этим должен делать. Мы, естественно, углубляться в это не будем, просто констатируем, что любой алгоритм есть последовательность неких действий, записанных в виде набора последовательно выполняемых команд (инструкций, операторов). При этом среди таких команд могут встречаться переходы, которые в некоторых случаях нарушают исходную последовательность выполнения операторов строго друг за другом. Среди прочих должны быть также команды ввода и вывода данных (программа должна как-то общаться с внешним миром?), а также команды выполнения арифметических и логических операций.

Команды необходимо где-то хранить, поэтому неотъемлемой частью всей системы должно быть устройство памяти программ. Где-то надо складывать и данные, как исходные, так и результаты работы программы, поэтому должно быть устройство памяти данных. Поскольку команды и данные в конечном счете все равно есть числа, то память может быть общая, только надо уметь отличать, где именно у нас команды, а где — данные. Это есть один из принципов фон Неймана, хотя и в микроконтроллерах, о которых мы будем говорить в дальнейшем, традиционно используют не фон-неймановскую, а так называемую гарвардскую архитектуру, когда память данных и программ разделены (это разделение, впрочем, может в определенных пределах нарушаться). Процессор, построенный по фон Нейману, более универсальный, например, он позволяет без особых проблем наращивать память и более эффективно ее перераспределять прямо по ходу работы. В то же время микроконтроллерам подобная гибкость не особенно требуется, на их основе, как правило, строятся узлы, выполняющие конкретную задачу и работающие по конкретной программе, так что нужную конфигурацию системы ничего не стоит предусмотреть заранее.

МП и МК

Кстати, а почему мы все время говорим так: то микропроцессоры, то микроконтроллеры? Микроконтроллер (МК) отличается от микропроцессора тем, что он предназначен для управления другими устройствами, и поэтому имеет встроенную развитую систему ввода/вывода, но, как правило, относительно более слабое арифметико-логическое устройство (АЛУ). Микроконтроллерам очень хорошо подходит термин, который в советское время имел, правда, несколько иное значение— «микроЭВМ», еще точнее звучит английское «computer-on-chip». В самом деле, для построения простейшего вычислительного устройства, которое могло бы выполнять что-то полезное, обычный микропроцессор, от i4004 до Pentium и Core Duo, приходится дополнять памятью, BIOS, устройствами ввода/вывода, контроллером прерываний, тактовым генератором с таймерами и т. п. — всем тем, что сейчас стало объединяться в т. н. «чипсеты». «Голый» МП способен выполнить только одно: правильно включиться, ему даже программу загрузки неоткуда взять.

В то же время для МК микропроцессор — это только ядро, даже не самая большая часть кристалла. Для построения законченной системы на типовом МК не требуется вообще ничего, кроме источника питания и периферийных исполняющих устройств, которые позволяли бы человеку определить, что система работает. Обычный МК может без дополнительных компонентов общаться с другими МК, внешней памятью, специальными микросхемами (вроде часов реального времени или флэш-памяти), с компьютером, управлять небольшими (а иногда — и большими) матричными панелями, к нему можно напрямую подключать датчики физических величин (в том числе— чисто аналоговые, АЦП тоже входят в МК), кнопки, клавиатуры, светодиоды и индикаторы, короче — в микроконтроллерах сделано все, чтобы как можно меньше приходилось паять и задумываться над подбором элементов. За это приходится расплачиваться пониженным быстродействием (которое, впрочем, не так и требуется в типовых задачах для МК) и некоторым ограничением в отдельных функциях — по сравнению с универсальными, но в сотни раз более дорогими и громоздкими системами на «настоящих» МП. Вы можете мне не поверить, но процессоры для ПК, о которых мы столько слышим, занимают в общем количестве выпускаемых процессоров лишь 6 %, — остальные 94 % составляют микроконтроллеры различного назначения.

В соответствии со сказанным основной цикл работы процессора должен быть таким: выборка очередной команды (из памяти), при необходимости выборка исходных данных для нее, выполнение команды, размещение результатов в памяти (опять же если это необходимо). Вся работа в этом цикле должна происходить автоматически по командам некоторого устройства управления, содержащего тактовый генератор — системные часы, по которым все синхронизируется. Кроме того, где-то это все должно происходить — складирование данных, кода команды, выполнение действий и т. п., так что процессор должен содержать некий набор рабочих регистров (по сути — очень небольшую по объему сверхбыструю память), определенным образом связанных между собой, а также с устройством управления и АЛУ, которое неизбежно должно присутствовать.

Решающую роль в работе процессора играет счетчик команд. Он автоматически устанавливается на нуль в начале работы, что соответствует первой команде, и автоматически же инкрементируется (т. е. увеличивается на единицу) с каждой выполненной командой. Если по ходу дела порядок команд нарушается, например, встречается команда перехода (ветвления), то в счетчик загружается соответствующий адрес команды от начала программы. К счастью, нам самим фактически не придется иметь дело со счетчиком команд, потому что все указания на этот счет содержатся в самой команде, и процессор все делает автоматически.

Блок-схема типичного микропроцессора показана на рис. 11.2.

Рис. 11.2. Блок-схема типичного микропроцессора

Здесь мы включили в состав процессора память программ, которая у ПК-процессоров находится всегда отдельно — сами знаете, программы какого объема бывают в персональных компьютерах. В то же время в большинстве современных микроконтроллеров постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) для программ входит в состав чипа и обычно составляет от 1 до 8 кбайт (но есть модели и со 256 кбайтами встроенной памяти!), чего для подавляющего большинства применений вполне достаточно, а если вдруг не хватит, то всегда можно подключить внешнюю память. Впрочем, внутреннее оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) того или иного объема имеется во всех современных процессорах, у процессоров для ПК это называется кэш-памятью (иногда — нескольких уровней). Типичный размер ОЗУ данных у микроконтроллеров — от 256 байт до 1 кбайта.

Подробности

В первых моделях микропроцессоров (включая и lntel-процессоры для ПК — от 8086 до 386) процессор выполнял команды строго последовательно: загрузить команду, определить, что ей нужны операнды, загрузить эти операнды (по адресу регистров, которые их должны содержать; адреса эти, как правило, хранятся сразу после собственно кода команды, или определены заранее), потом проделать нужные действия, складировать результаты… До нашего времени дошла архитектура суперпопулярных еще недавно микроконтроллеров 8051, выпускающихся и по сей день различными фирмами (Atmel, Philips), которые выполняли одну команду аж за 12 тактов (в современных системах, впрочем, это число несколько меньше). Для ускорения работы стали делить такты на части (например, срабатывать по переднему и заднему фронтам), но действительный прорыв произошел с внедрением конвейера. Со времен Генри Форда известно, что производительность конвейера зависит только от времени выполнения самой длинной операции — если поделить команды на этапы и выполнять их одновременно разными аппаратными узлами, то можно добиться существенного ускорения (хотя и не во всех случаях). Так, в рассматриваемых далее Atmel AVR конвейер двухступенчатый: когда очередная команда загружается и декодируется, предыдущая уже выполняется и пишет результаты. В AVR это позволило выполнять большинство команд за один такт (кроме команд ветвления, о чем подробнее будет рассказываться в главе 13).

Главное устройство в МП, которое связывает все узлы в единую систему, — внутренняя шина данных. По ней все остальные устройства обмениваются сигналами. Например, если МП требуется обратиться к внешней памяти, то при исполнении соответствующей команды на шину данных выставляется необходимый адрес, от устройства управления поступает через нее же запрос на обращение к нужным портам ввода/вывода. Если порты готовы, адрес поступает на выходы портов (т. е. на соответствующие выводы контроллера), затем по готовности принимающий порт выставляет на шину принятые из внешней памяти данные, которые загружаются в нужный регистр, после чего шина данных свободна. Для того чтобы все устройства не мешали друг другу, все это строго синхронизировано, при этом каждое устройство имеет, во-первых, собственный адрес, во-вторых, может находиться в трех состояниях: работать на ввод, на вывод или находиться в третьем состоянии, не мешая другим работать.

Под разрядностью МП обычно понимают разрядность чисел, с которыми работает АЛУ, соответственно, такую же разрядность имеют и рабочие регистры. Например, все ПК-процессоры от i386 до последних инкарнаций Pentium были 32-разрядными, последние модели от Intel и AMD стали 64-разрядными.

Большинство микроконтроллеров общего назначения 8-разрядные, но есть и 16- и 32-разрядные. При этом внутренняя шина данных может иметь и больше разрядов, например, чтобы одновременно передавать и адреса и данные.

Распределение рынка МК в первые годы тысячелетия было таким: немного меньше половины выпускаемых изделий составляют 8-разрядные кристаллы, а вторую половину поделили между собой 16- и 32-разрядные, причем доля последних неуклонно растет за счет 16-разрядных. Выпускаются даже 4-разрядные, потомки первого i4004, которые занимают не более 10 % рынка, но что любопытно, эта доля снижается очень медленно.

Заметки на полях

Обычно тактовая частота универсальных МК невелика (хотя типичному инженеру 1980-х, когда ПК работали на частотах не выше 6 МГц, она показалась бы огромной) — порядка 8—16 МГц, иногда до 24 МГц или несколько более. И это всех устраивает: дело в том, что обычные МК и не предназначены для разработки быстродействующих схем. Если требуется быстродействие, то используется другой класс интегральных схем — ПЛИС, «программируемые логические интегральные схемы». Простейшая ПЛИС представляет собой набор никак не связанных между собой логических элементов (более сложные могут включать в себя и некоторые законченные узлы, вроде триггеров и генераторов), которые в процессе программирования такого чипа соединяются в нужную схему. Комбинационная логика работает гораздо быстрее тактируемых контроллеров, и для построения различных логических схем в настоящее время применяют только ПЛИС, от проектирования на «рассыпухе» в массовых масштабах уже давно отказались. Еще одно преимущество ПЛИС — статическое потребление энергии для некоторых серий составляет единицы микроватт, в отличие от МК, которые во включенном состоянии потребляют всегда (если не находятся в режиме энергосбережения). В совокупности с более универсальными и значительно более простыми в обращении, но менее быстрыми и экономичными микроконтроллерами, ПЛИС составляют основу большинства массовых электронных изделий, которые вы видите на прилавках. В этой книге мы, конечно, рассматривать ПЛИС не будем — в любительской практике, в основном из-за дороговизны соответствующего инструментария и высокого порога его освоения, они не используются, и для конструирования одиночных экземпляров приборов даже для профессиональных применений нецелесообразны. А вот если вы закажете разработку некоего прибора профессиональной «конторе», имеющей нужные инструменты и разработчиков с соответствующей квалификацией— почти всегда получите что-нибудь на базе ПЛИС, потому что в конечном итоге так оказывается дешевле.

Если подробности внутреннего функционирования МП нас не очень волнуют (достаточно иметь общее представление о структуре микропроцессорного ядра, чтобы понимать, что именно происходит при выполнении команд), то обмен с внешней средой нас как раз интересует во всех деталях. Для этого служат порты ввода/вывода (I/0-port, от Input/Output). В этом термине имеется некоторая неопределенность, т. к. «порт ввода/вывода» в МК с точки зрения его внутреннего устройства обозначает прежде всего некий регистр для доступа к компонентам, внешним по отношению к вычислительному ядру. А это все узлы, которыми непосредственно управляет пользователь (от таймеров и последовательных портов до регистра флагов и управления прерываниями). Кроме разве что ОЗУ, доступ к которой обеспечивается специальными командами, все остальное в контроллере управляется через порты ввода/вывода.

Однако точно так же называются и внешние порты ввода/вывода, для обмена с «окружающей средой» (управляются они, естественно, внутренними портами ввода/вывода). На схеме рис. 11.2 они показаны в количестве трех (А, В и С). В разных МП их может быть и больше, и меньше. Еще важнее число выводов этих портов, которое чаще всего совпадает с разрядностью процессора (но не всегда, как это было у 8086, который имел внутреннюю 16-разрядную структуру, а внешне выглядел 8-разрядным). Если мы заставим 8-разрядные порты «общаться», например, с внешней памятью, то на двух из них можно выставить 16-разрядный адрес, а на оставшемся— принимать данные. А как быть, если портов два или вообще один? (К примеру, в микроконтроллере Atmel AVR 2313 портов формально два, но один усеченный, так что общее число линий составляет 15.) Для этого все внешние порты в МП всегда двунаправленные. Скажем, если портов два, то можно сначала выставить адрес, а затем переключить их на вход и принимать данные. Естественно, для этого порты должны позволять работу на общую шину, т. е. либо иметь третье состояние, либо выход с общим коллектором для объединения в «монтажное ИЛИ».

Варианты для обоих случаев организации выходной линии порта показаны на рис. 11.3, где приведены упрощенные схемы выходных линий микроконтроллеров семейства 8048 — широко когда-то использовавшегося предшественника популярного МК 8051 (например, 8048 был выбран в качестве контроллера клавиатуры в IBM PC). В самом 8051 построение портов несколько сложнее (в частности, вместо резистора там полевой транзистор), но для уяснения принципов работы это несущественно.

По первому варианту (рис. 11.3, а) в МК 8048 построены порты 1, 2 (всего там три порта). Когда в порт производится запись, то логический уровень поступает с прямого выхода защелки на статическом D-триггере на вход схемы «И», а с инверсного — на затвор транзистора VT2. Если этот уровень равен логическому нулю, то транзистор VT1 заперт, a VT2 открыт, на выходе также логический нуль. Если уровень равен логической единице, то на время действия импульса «Запись» транзистор VT1 открывается, а транзистор VT2 запирается (они одинаковой полярности). Если на выходе присутствует емкость (а она всегда имеется в виде распределенной емкости проводников и емкости входов других компонентов), то через VT1 протекает достаточно большой ток заряда этой емкости, позволяющий сформировать хороший фронт перехода из «0» в «1». Как только импульс «Запись» заканчивается, оба транзистора отключаются, и логическая единица на выходе поддерживается резистором R1. Выходное сопротивление открытого транзистора VT1 примерно 5 кОм, а резистора — 50 кОм. Любое другое устройство, подключенное к этой шине, при работе на выход может лишь либо поддержать логическую единицу, включив свой подобный резистор параллельно R1, либо занять линию своим логическим нулем — это, как видите, и есть схема «монтажное ИЛИ». При работе на вход состояние линии просто считывается со входного буфера (элемент «В» на рис. 11.3, а).

Рис. 11.3. Упрощенные схемы портов ввода/вывода МК 8048:

_{а — портов 1 и 2; б — порта 0}

Второй же вариант, по которому устроен портО (рис. 11.3, б), — это обычный выходной каскад КМОП с третьим состоянием, т. е. такой порт может работать на выход, только полностью занимая линию, остальные подключенные к линии устройства при этом должны «смиренно внимать» монополисту, воспринимая сигналы. Это обычно не создает особых трудностей и схемотехнически даже предпочтительно (ввиду симметрии выходных сигналов и высокого сопротивления для входных). Единственная сложность возникает при сопряжении такого порта с линией, работающей по первому варианту, т. к. при логической единице на выходе могут возникнуть электрические конфликты, если кто-то попытается выдать в линию логический нуль. Для обеспечения работы трехстабильного порта по схеме «монтажное ИЛИ» (в том числе для их параллельной работы) применяют хитрый прием: всю линию «подтягивают» к напряжению питания с помощью внешнего резистора (во многих МК существует встроенный отключаемый резистор, установленный аналогично R1 в схеме рис. 11.3, а), и нормальное состояние всех участвующих трехстабильных портов — работа на вход в третьем состоянии, тогда на линии всегда будет логическая единица. На выход же линию переключают только когда надо выдать логический нуль, в этом случае, даже при одновременной активности нескольких портов, конфликтов не возникнет.

Лечение амнезии

В 1965 г. в Иллинойском университете был запущен один из самых передовых компьютеров по тому времени — ILLIAC–IV. Это был первый компьютер, в котором была применена быстрая память на микросхемах — каждый чип (производства Fairchild Semiconductor) имел емкость 256 бит, а всего было набрано 1 Мбайт. Стоимость этой памяти составила ощутимую часть от всей стоимости устройства, обошедшегося заказчику— NASA— в $31 млн. Через 10 лет один из первых персональных компьютеров Altair 8800 (1975 г.), продававшийся в виде набора «сделай сам», при стоимости порядка $500 имел всего 256 байт (именно байт, а не килобайт) памяти. В том же году для распространения языка Basic for Altair Биллом Гейтсом и Полом Алленом была создана фирма, получившая первоначальное название Micro-Soft. Одна из самых серьезных проблем, которую пришлось решать — нехватка памяти, потому что созданный ими интерпретатор Basic требовал аж 4 кбайтов!

Проблема объемов памяти и ее дороговизна преследовала разработчиков до самого последнего времени, еще в конце 90-х стоимость памяти для ПК можно было смело прикидывать на уровне $ 1/Мбайт, что при требовавшихся уже тогда для комфортной работы объемах ОЗУ порядка 128–256 Мбайт могло составлять значительную часть стоимости устройства. Сейчас гигабайтом памяти в настольном ПК и даже ноутбуке никого не удивишь, к тому же все современные ОС «умеют» автоматически дополнять недостающий объем ОЗУ за счет дискового пространства. Это привело, в частности, к кардинальным изменениям в самом подходе к программированию: если еще при программировании под DOS о компактности программ и экономии памяти в процессе работы нужно было специально заботиться, то теперь это практически не требуется.

Но в программировании для микроконтроллеров это все еще не так. Хотя гейтсовский интерпретатор Basic «влезет» в большинство современных однокристальных МК, но экономная программа легче отлаживается (а значит, содержит меньше ошибок) и быстрее выполняется. Три-четыре такта, потерянных на вызове процедуры, могут стать причиной какой-нибудь трудновылавливаемой ошибки времени выполнения, например, если за это время произойдет вызов прерывания. Поэтому память в МК стоит экономить, даже если вы располагаете заведомо достаточным ее объемом.

Согласно упоминавшимся принципам фон Неймана, которые до сих пор являются основополагающими для разработчиков компьютерных систем, память должна быть организована иерархически, от памяти малого объема, но с высоким быстродействием, до медленной памяти большой емкости. Именно так и проектируют современные компьютеры, которые содержат очень быструю кэш-память на одном кристалле с процессором (а иногда два или три уровня такой памяти), потом идет быстродействующее ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, та самая память, которая указывается в характеристиках ПК), а затем более медленные устройства типа жестких дисков или CD- и DVD-ROM.

Далее мы рассмотрим основные разновидности памяти, используемые как в составе микроконтроллеров, так и во внешних узлах. И начнем с того, что попробуем сами сконструировать устройство долговременной памяти — ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Как мы увидим, любая память в принципе есть не что иное, как преобразователь кодов.

Изобретаем простейшую ROM

Всем известное благодаря распространению оптических дисков сокращение ROM — Read Only Memory — и есть не что иное, как «западное» название ПЗУ. На самом деле это название («память только для чтения») не очень точно характеризует суть дела, отечественный термин «постоянное запоминающее устройство» более корректен, самое же правильное называть такую память «энергонезависимой». ПЗУ отличается от других типов памяти не тем, что его можно только читать, а записывать нельзя, а тем, что информация в нем не пропадает при выключении питания. Сама по себе невозможность записи теперь нехарактерна даже для компакт-дисков, однако название ROM сохранилось.

Тем не менее первыми разновидностями ПЗУ, изобретенными еще в 1956 году, были именно нестираемые кристаллы, которые носят наименование OTP ROM (One-Time Programmable ROM, «однократно программируемое ПЗУ»). До недавнего времени на них делали память программ МК для удешевления серийных устройств. Вы отлаживаете программу на перезаписываемой памяти, а в серию пускаете приборы с «прожигаемой» OTP ROM. И лишь в последние годы «прожигаемая» память стала постепенно вытесняться более удобной flash-памятью, когда последняя подешевела настолько, что смысл в использовании одноразовых кристаллов пропал. Они продолжают выпускаться лишь за счет инерции производства: в 2007 году доля однократно программируемых и масочных (т. е. программируемых прямо на производстве) микроконтроллеров составит, по прогнозам, не более 1/4 всех выпускаемых чипов.

Мы сконструируем подобие «прожигаемого» ПЗУ с помощью диодов. Простейший вариант такого ПЗУ представлен на рис. 11.4. В данном случае он представляет собой не что иное, как преобразователь из десятичного кода в семисегментный.

Рис. 11.4. Простейшее ПЗУ — преобразователь кода

Если на входе поставить дешифратор типа 561ИД1, то мы получим аналог микросхемы 561ИД5. Представьте себе, что первоначально на всех пересечениях между строками и столбцами диоды присутствовали — это вариант незаполненной памяти, в которой записаны все единицы. Затем мы взяли и каким-то образом (например, подачей высокого напряжения) разрушили те диоды, которые нам не нужны, в результате чего получили нужную конфигурацию. Эта схема не содержит активных элементов и потому возможности ее ограничены, например, выходы устройства, подающего активный высокий уровень по входным линиям, должны «тащить» всю нагрузку по зажиганию сегментов. Обычная микросхема ПЗУ построена на транзисторных ячейках и поэтому без всяких хитростей принимает и выдает обычные логические уровни. К тому же она включает в себя и дешифрирующую логику, поэтому на вход подается двоичный, а не десятичный код.

Постойте, а при чем тут ПЗУ вообще? Дело в том, что любое ПЗУ можно представить, как универсальный преобразователь кодов, если рассматривать входной код, как адрес ячейки, а код, получающийся на выходе — как содержимое этой ячейки. Причем удобство состоит в том, что изначально в ПЗУ не записано ничего (одни нули или единицы), и мы можем реализовать на нем любую логическую функцию, все зависит только от емкости. В том числе, такую простую, как преобразователь кодов. Или такую сложную, как операционная система Windows. Последнее мы каждый раз и делаем, когда устанавливаем Windows на компьютер, причем в качестве ПЗУ выступает жесткий диск. Из этого примера отчетливо видно, что каким бы сложным ни был алгоритм, он все равно в конечном итоге сводится к совокупности однозначных логических уравнений, которые можно реализовать как через ПЗУ, так и с помощью устройства памяти любого другого типа.

Общее устройство памяти

Общее устройство однобитной ячейки памяти (любого типа) показано на рис. 11.5.

Рис. 11.5. Общее устройство ЗУ с однобитным выходом

Из нее видно, что память всегда имеет матричную структуру. В данном случае матрица имеет 8 х 8 = 64 ячейки. На рис. 11.5 показано, как производится вывод и загрузка информации в память с помощью мультиплексоров/демультиплексоров (вроде 561КП2, см. главу 9). Код, поступающий на мультиплексор слева (х₃ - х₅) подключает к строке с номером, соответствующим этому коду, активирующий уровень напряжения (это может быть логическая единица или ноль, неважно). Код на верхнем мультиплексоре (х₀ - х₂) выбирает аналогичным образом столбец, в результате к выходу этого мультиплексора подключается ячейка, стоящая на пересечении выбранных строки и столбца.

Легко заметить, что сама по себе организация матрицы при таком однобитном доступе для внешнего мира не имеет значения. Если она будет выглядеть, как 4x16 или 32x2 или даже 64x1 — в любом случае код доступа (он называется адресным кодом) будет 6-разрядным, а выход один-единственный. Поэтому всем таким ЗУ приписывается организация Nx1 бит, где N — общее число битов. Для того чтобы получить байтную организацию, надо просто взять 8 таких микросхем и добавить к адресной линии еще три разряда, которыми через отдельный мультиплексор можно управлять выборкой одной из этих микросхем (для этого каждая такая микросхема имеет специальный вывод, называемый «выбор кристалла» — chip select, или CS). В данном примере мы получим в сумме 9 адресных разрядов, что соответствует емкости памяти (64 х 8 = 512 бит или 2⁹). Один из битов можно использовать при этом для контроля четности, так что у нас получается хорошая модель типового модуля емкостью 256 байт, вроде тех, что были в упомянутом ILLIAC–IV. Большинство выпускаемых интегральных ЗУ также сложены из таких отдельных однобитных модулей (только в наше время уже значительно большей емкости) и имеют 8 или 16 параллельных выходов, но бывают кристаллы и с последовательным (побитным) доступом.

В качестве примера можно привести, скажем, ПЗУ с организацией 64Кх16 типа АТ27С1024 фирмы Atmel. Это однократно программируемое КМОП ПЗУ с напряжением питания 5 В и емкостью 1024 Мбита, что составляет 128 кбайт или 64 К двухбайтных слов (как мы увидим, такая организация очень удобна в качестве внешней памяти программ в контроллерах той же Atmel). Следует отметить, что в области микросхем памяти сложилась счастливая ситуация, когда все они, независимо от производителя и даже технологии, совпадают по выводам, разводка которых зависит только от организации матрицы (даже, как правило, не от объема!) и, соответственно, от применяемого корпуса (в данном случае — DIP-40). Для разных типов (RAM, ROM, EEPROM и т. д.) различается разводка выводов, управляющих процессом программирования, но можно спокойно заменять одну микросхему на другую (с той же организацией и, соответственно, в таком же корпусе) без переделки платы. Разводка выводов АТ27С1024 показана на рис. 11.6.

Рис. 11.6. Разводка выводов АТ27С1024

RAM

Традиционное название энергозависимых типов памяти, как и в случае ROM, следует признать довольно неудачным. RAM значит Random Access Memory, т. е. «память с произвольным доступом», по-русски это звучит как ЗУПВ — «запоминающее устройство с произвольной выборкой». Главным же признаком класса является не «произвольная выборка», а то, что при выключении питания память стирается. EEPROM (о которой далее), к примеру, тоже позволяет произвольную выборку и при записи, и при чтении. Но так сложилось исторически, и не нам нарушать традиции.

Устройства RAM делятся на две больших разновидности — статические и динамические ЗУПВ. Простейшее статическое ЗУПВ (SRAM, от слова «static») — это обычный триггер. И «защелки» из микросхемы 561ТМЗ, и регистры типа 561ИР2, и даже счетчик с предзагрузкой типа ИЕ11 (см. главу 9), — все это статические ЗУПВ с различными дополнительными функциями или без них. Регистры и доступная пользователю область ОЗУ (оперативного запоминающего устройства) микроконтроллеров, — все они также относятся к классу SRAM, и мы с ними еще познакомимся довольно близко.

По счастью, с динамическими разновидностями RAM (DRAM) нам в схемотехническом плане иметь дело не придется, но ввиду практической важности этой разновидности (на DRAM построена вся оперативная память компьютеров) стоит остановиться на ней подробнее. Устройство ячейки обычной DRAM показано на рис. 11.7, из которого видно, что ячейка состоит всего из одного транзистора и одного конденсатора Последний на схеме (рис. 11.7, а) выглядит маленьким, но на самом деле занимает места во много раз больше транзистора (рис. 11.7, б), только в основном вглубь кристалла. Потому ячейки DRAM можно сделать очень малых размеров, а, следовательно, упаковать их много на один кристалл, не теряя быстродействия.

Рис. 11.7. Устройство ячейки DRAM:

_{а — схематическое устройство; б — микрофотография среза кристалла DRAM (вытянутые вниз структуры — накопительные конденсаторы)}

Как происходит чтение данных с такой ячейки? Для этого вы подаете высокий уровень на линию строк (см. рис. 11.7), транзистор открывается и заряд, хранящийся на конденсаторе данной ячейки, поступает на вход усилителя, установленного на выходе столбца. Отсутствие заряда на обкладках соответствует логическому нулю на выходе, а его наличие — логической единице. Обратите внимание, что подача высокого уровня на линию строк откроет все транзисторы выбранной строки, и данные окажутся на выходе усилителей по всем столбцам сразу. Естественно, при этом все подключенные конденсаторы почти немедленно разрядятся (если они были заряжены), отчего процедура чтения из памяти обязана заканчиваться регенерацией данных (как оно в действительности и происходит, причем совершенно автоматически).

На практике регенерация в первых IBM PC и заключалась в осуществлении «фиктивной» операции чтения данных каждые 15 мкс с помощью системного таймера. Естественно, в таком решении было много подводных камней. Во-первых, регенерация всей памяти занимает много времени, в течение которого ПК неработоспособен. Потому-то сигнал на регенерацию и подавался с такой большой частотой, ведь каждый раз проверялась всего 1/256 памяти, так что полный цикл восстановления занимал около 3,8 мс. Во-вторых, такое решение потенциально опасно: любая зловредная программа спокойно может попросту остановить системный таймер, отчего компьютер уже через несколько миллисекунд обязан впасть в полный «ступор». И все современные микросхемы DRAM занимаются восстановлением данных самостоятельно, да еще и так, чтобы не мешать основной задаче — процессам чтения/записи.

Впервые принцип DRAM — хранение информации на конденсаторах с периодической регенерацией — применил еще Дж. Атанасов в самом первом электронном компьютере ABC (1941 г.). А зачем вообще нужна регенерация? Ввиду микроскопических размеров и, соответственно, емкости конденсатора в ячейке DRAM записанная информация хранится всего лишь сотые доли секунды. Несмотря на высококачественные диэлектрики с огромным электрическим сопротивлением, заряд, состоящий в рядовом случае всего из нескольких сотен, максимум тысяч электронов, успевает утечь так быстро, что вы и глазом моргнуть не успеете.

Огромный плюс DRAM — простота и дешевизна. В отличие от нее, ячейка SRAM, как вы знаете, представляет собой D-триггер, и содержит много логических элементов, занимая большую площадь кристалла. Потому SRAM много дороже, но зато не требует никакой регенерации. Фирма Dallas (ныне объединенная с MAXIM) одно время выпускала микросхемы энергонезависимой памяти (и некоторые другие устройства на их основе), представлявшие собой обычную SRAM со встроенной прямо в чип литиевой батарейкой.

EPROM, EEPROM и Flash

На заре возникновения памяти, сохраняющей данные при отключении питания (EPROM Erasable Programmable ROM — «стираемая/программируемая ROM». По-русски иногда называют ППЗУ — «программируемое ПЗУ»), основным типом ее была память, стираемая ультрафиолетом: UV-EPROM (Ultra-Violet EPROM, УФ-ППЗУ). Причем часто приставку UV опускали, т. к. всем было понятно, о чем речь — альтернативой УФ-ППЗУ были фактически только однократно программируемые кристаллы OTP ROM, которые имелись обычно в виду под сокращениями ROM (или ПЗУ) просто, без добавлений. Микроконтроллеры с УФ-памятью программ были распространены еще в середине 1990-х. В рабочих образцах подобных устройств кварцевое окошечко заклеивали кусочком черной ленты, т. к. информация в UV-EPROM медленно разрушалась на солнечном свету.

Рис. 11.8. Первая микросхема UV-EPROM фирмы Intel (1971) позволяла записать 256 байт информации

На рис. 11.9 показано устройство элементарной ячейки подобной EPROM, которая лежит в основе всех современных типов энергонезависимой памяти. Если исключить из нее то, что обозначено надписью «плавающий затвор», то мы получим самый обычный полевой транзистор — точно такой же, как тот, что входит в ячейку DRAM на рис. 11.7. Если подать на управляющий затвор такого транзистора положительное напряжение, то он откроется, и через него потечет ток (это считается состоянием «логической единицы»). На рис. 11.9 вверху изображен как раз такой случай, когда плавающий затвор не оказывает никакого влияния на работу ячейки, например, такое состояние характерно для чистой flash-памяти, в которую еще ни разу ничего не записывали.

Рис. 11.9. Устройство элементарной ячейки EPROM

Если же мы каким-то образом (каким — поговорим отдельно) ухитримся разместить на плавающем затворе некоторое количество зарядов — свободных электронов, которые показаны на рис. 11.9 внизу в виде темных кружочков со значком минуса, то они будут экранировать действие управляющего электрода, и такой транзистор вообще перестанет проводить ток. Это состояние «логического нуля».

Замечание

Строго говоря, в NAND-чипах (о которых далее) логика обязана быть обратной: если в обычной EPROM запрограммированную ячейку вы не можете открыть подачей считывающего напряжения, то там наоборот— ее нельзя запереть снятием напряжения. Поэтому, в частности, чистая NAND-память выдает все нули, а не единицы, как EPROM. Но это нюансы, которые не меняют суть дела.

Так как плавающий затвор потому так и называется, что он «плавает» в толще изолятора (двуокиси кремния, SiО₂), то сообщенные ему однажды заряды в покое никуда деваться не могут. И записанная таким образом информация может храниться десятилетиями (до последнего времени производители обычно давали гарантию на 10 лет, но на практике в обычных условиях время хранения значительно больше).

Осталось всего ничего — придумать, как размещать заряды на изолированном от всех внешних влияний плавающем затворе. И не только размещать — ведь иногда память и стирать приходится, потому должен существовать способ их извлекать оттуда. В UV-EPROM слой окисла между плавающим затвором и подложкой был достаточно толстым (если величину 50 нм можно охарактеризовать словом «толстый», конечно), и работало все это довольно «грубо». При записи на управляющий затвор подавали достаточно высокое положительное напряжение — иногда до 36–40 В, а на сток транзистора — небольшое положительное. При этом электроны, которые двигались от истока к стоку, настолько ускорялись полем управляющего электрода, что просто «перепрыгивали» барьер в виде изолятора между подложкой и плавающим затвором. Такой процесс называется еще «инжекцией горячих электронов».

Ток заряда при этом достигал миллиампера— можете себе представить, каково было потребление всей схемы, если в ней одновременно заряжать хотя бы несколько тысяч ячеек. И хотя такой ток требовался на достаточно короткое время (впрочем, с точки зрения быстродействия схемы не такое уж и короткое — миллисекунды), но это было крупнейшим недостатком всех старых образцов подобной EPROM-памяти. Еще хуже другое, то, что и изолятор, и сам плавающий затвор такого «издевательства» долго не выдерживали, и постепенно деградировали, отчего число циклов стирания/записи было ограничено нескольким сотнями, максимум — тысячами. Во многих образцах flash-памяти даже более позднего времени была предусмотрена специальная схема для хранения карты «битых» ячеек — в точности так, как это делается для жестких дисков. В современных моделях с миллионами ячеек такая карта, кстати, тоже, как правило, имеется, однако число циклов стирания/записи теперь возросло до соген тысяч. Как этого удалось добиться?

Сначала посмотрим, как осуществлялось в этой схеме стирание. В UV-EPROM при облучении ультрафиолетом фотоны высокой энергии сообщали электронам на плавающем затворе достаточный импульс для того, чтобы они «прыгали» обратно на подложку самостоятельно, без каких-либо электрических воздействий. Первые образцы электрически стираемой памяти (EEPROM, Electrically Erasable Programmable ROM — «электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ», ЭСППЗУ) были созданы в компании Intel в конце 1970-х при непосредственном участии будущего основателя Atmel Джорджа Перлегоса. Он использовал «квантовый эффект туннелирования Фаулера — Нордхейма» (Fowler — Nordheim). За этим непонятным названием кроется довольно простое по сути (но очень сложное с физической точки зрения) явление: при достаточно тонкой пленке изолятора (ее толщину пришлось уменьшить с 50 до 10 нм) электроны, если их слегка «подтолкнуть» подачей не слишком высокого напряжения в нужном направлении, могут просачиваться через барьер, не «перепрыгивая» его. Сам процесс показан на рис. 11.10 вверху (обратите внимание на знак напряжения на управляющем электроде).

Рис. 11.10. Процесс стирания в элементарной ячейке EEPROM

Старые образцы EEPROM именно так и работали: запись производилась «горячей инжекцией», а стирание — «квантовым туннелированием». Оттого они были довольно сложны в эксплуатации — разработчики со стажем помнят, что первые микросхемы EEPROM требовали два, а то и три питающих напряжения, причем подавать их при записи и стирании требовалось в определенной последовательности. Мало того, цена таких чипов была в свете нынешних тенденций почти запредельной. Автор этих строк сам покупал в середине 1990-х полумегабитную (т. е. 64-килобайтную) энергонезависимую память по цене 20 долл. за микросхему. Не забудьте еще про «битые» ячейки, возникновение которых в процессе эксплуатации приходилось все время отслеживать. Неудивительно, что на этом фоне разработчики предпочитали более дешевую, удобную, скоростную и надежную статическую память (SRAM), пристраивая к ней резервное питание от литиевых батареек, которые к тому времени уже достаточно подешевели.

Превращение EEPROM во Flash происходило по трем разным направлениям. В первую очередь — в направлении совершенствования конструкции самой ячейки. Для начала избавились от самой «противной» стадии — «горячей инжекции». Вместо нее запись стали осуществлять «квантовым туннелированием», как и при стирании. На рис. 11.10 внизу показан этот процесс: если при открытом транзисторе подать на управляющий затвор достаточно высокое (но значительно меньшее, чем при «горячей инжекции») напряжение, то часть электронов, двигающихся через открытый транзистор от истока к стоку, «просочится» через изолятор и окажется на плавающем затворе. Потребление тока при записи снизилось на несколько порядков. Изолятор, правда, пришлось сделать еще тоньше, что обусловило довольно большие трудности с внедрением этой технологии в производство.

Второе направление — ячейку сделали несколько сложнее, пристроив к ней второй транзистор (обычный, не двухзатворный), который разделил вывод стока и считывающую шину всей микросхемы. Благодаря этому (вместе с отказом от «горячей инжекции») удалось добиться значительного повышения долговечности — до сотен тысяч, а в настоящее время и до миллионов циклов записи/стирания (правда, последнее — при наличии схем коррекции ошибок, которые замедляют работу памяти). Кроме того, схемы формирования высокого напряжения и соответствующие генераторы импульсов записи/стирания перенесли внутрь микросхемы, отчего пользоваться этими типами памяти стало несравненно удобнее, т. к. они стали питаться от одного напряжения (5 или 3,3 В).

И, наконец, третье, чуть ли не самое главное усовершенствование заключалось в изменении организации доступа к ячейкам на кристалле, вследствие чего этот тип памяти и заслужил наименование — flash («молния»), ныне известное каждому владельцу цифровой камеры или карманного МРЗ-плеера. Так в середине 1980-х назвали разновидность EEPROM, в которой стирание и запись производились сразу целыми блоками — страницами. Процедура чтения из произвольной ячейки, впрочем, по понятным причинам замедлилась — для его ускорения приходится на кристаллах flash-памяти располагать промежуточную (буферную) SRAM. Для flash-накопителей это не имеет особого значения, т. к. там все равно данные читаются и пишутся сразу большими массивами, но для микроконтроллеров может оказаться неудобным.

Тем более там неудобен самый быстродействующий вариант технологии Flash— т. н. память типа NAND (от наименования логической функции «И-НЕ»), где читать и записывать память в принципе возможно только блоками по 512 байт (это обычная величина сектора на жестком диске, также читаемого и записываемого целиком за один раз— отсюда можно понять основное назначение NAND).

В МК обычно применяют традиционную (типа NOR) flash-пэмять программ, в которой страницы относительно невелики по размерам (порядка 64—256 байт). Впрочем, если пользователь сам не взялся за изобретение программатора для такой микросхемы, он может о страничном характере памяти и не догадываться. А для пользовательских данных применяют EEPROM либо с возможностью чтения произвольного байта, либо секционированную на очень маленькие блоки (например, по 4 байта), что также для пользователя значения не имеет.

Развитие технологий flash-памяти имело огромное значение для удешевления и повышения доступности микроконтроллеров. В дальнейшем мы будем иметь дело с энергонезависимой памятью не только в виде встроенных в микроконтроллер памяти программ и данных, но и с отдельными микросхемами, позволяющими записывать довольно большие объемы информации.