Вибір мікроконтролера

Переклад
ТзОВ "Торнадо Модульні Системи",
Росія, Новосибірськ, 1995

• Введення
  
• Призначення
  
• Процес вибору
  
• Критерії вибору
  
• Системні вимоги
  
• Основні особливості мікроконтролера
  
• Можливості мікроконтролера
  
• Набір команд мікроконтролера
  
• Переривання мікроконтролера
  
• Характеристика вашої компанії
  
• Характеристика постачальника
  
• Ххарактерістіка виробника
  
• Потдержка виробника
  
• Літературна Потдержка
  
• Закінчуючи вибір
  
• Робота команди
  
• Висновок
  

ВСТУП

Мабуть, саме вибір мікроконтролера є одним з найбільш важливих рішень, від яких залежить успіх або провал задуманого проекту. При виборі мікроконтролера необхідно врахувати і оцінити велику кількість чинників. За основу послідовності продуманих дій, що призводять до остаточного рішення, може бути прийнятий розглянутий в даній статті план. Об'єднавши свої власні знання та вимоги з інформацією, представленою в цій статті, читач повинен оцінити всі в цілому, щоб прийняти правильне рішення.

ПРИЗНАЧЕННЯ

Основна мета вибрати найменш дорогий мікроконтроллер (щоб знизити загальну вартість системи), але в той же час задовольняє специфікації системи, тобто вимогам по продуктивності, надійності, умовам застосування і т.д. Загальна вартість системи включає все: інженерні дослідження і розробку, виробництво (комплектуючі і праця), гарантійний ремонт, подальше вдосконалення, обслуговування, сумісність, простоту в обігу і т.д.

ПРОЦЕС ВИБОРУ

Приступаючи до вибору, розробник повинен спочатку задатися питанням: "Що повинен робити мікроконтроллер в моїй системі?" Відповідь на це просте питання визначає необхідні для розроблюваної системи характеристики мікроконтролера і, таким чином, є визначальним фактором в процесі вибору.
Другий крок проведення пошуку мікроконтролерів, які задовольняють всім системним вимогам. Він звичайно включає підбір літератури, технічних описів та технічних журналів, а також консультації. В даний час стала цілком доступною інформація про пропоновані як традиційних, що є промисловим стандартом мікроконтролерах, так і новітніх мікроконтролерах. Добре, якщо системним вимогам буде задовольняти добре знайомий мікроконтроллер, у противному випадку повинен бути проведений вторинний пошук, щоб знайти мікроконтроллер, який найбільш повно задовольняє пред'являються вимоги, має мінімум зовнішніх навісних компонентів і підходить за вартістю і габаритами. Ясно, що однокристальний мікроконтроллер краще изза ціни і надійності.
Остання стадія вибору складається з кількох етапів, мета яких звузити список прийнятних мікроконтролерів до одного. Ці етапи включають в себе аналіз ціни, доступності, засобів розробки, підтримки виробника, стабільності виробництва конкретних мікроконтролерів і наявності інших виробників або постачальників. Щоб прийти до оптимального рішення, можливо, весь процес доведеться повторити кілька разів.

КРИТЕРІЇ ВИБОРУ

Основні критерії вибору мікроконтролера представлені нижче в порядку значимості. Кожен критерій детально пояснюється надалі.

• Придатність для прикладної системи. Чи може вона бути зроблена на однокристальному мікроконтролері або її можна реалізувати на основі будь-якої спеціалізованої мікросхеми?
  • Чи має мікроконтроллер необхідне число контактів / портів введення / виводу, тому що в разі їх нестачі він не зможе виконати роботу, а в разі надлишку ціна буде занадто високою?
  • Чи має він всі необхідні периферійні пристрої, такі як послідовні порти введення / виводу, RAM, ROM, A / D, D / A і т.д.?
  • Чи має він інші периферійні пристрої, які не будуть потрібні в системі?
  • Чи забезпечує ядро ​​процесора необхідну продуктивність, тобто обчислювальну потужність, що дозволяє обробляти системні запити протягом усього життя системи на обраному прикладному мовою? Занадто багато марнотратно, занадто мало не буде працювати.
  • Виділено чи в бюджеті проекту достатньо коштів, щоб дозволити собі використовувати даний мікроконтроллер. Для відповіді на це питання, звичайно потрібні розцінки постачальника. Якщо цей мікроконтроллер не прийнятний для проекту, всі інші питання стають несуттєвими, і ви повинні почати пошуки іншого мікроконтролера.
• Доступність.
  • Чи існує пристрій в достатніх кількостях?
  • Проводиться воно зараз?
  • Що очікується в майбутньому?
• Підтримка розробника.
  • Асемблери.
  • Компілятори.
  • Засоби налагодження.
    • Оцінний модуль (EVM).
    • Внутрісхемний емулятори.
    • Насадки для логічних аналізаторів.
    • Налагоджувальні монітори.
    • Відладчики програм у вихідних текстах.
• Інформаційна підтримка
  • Приклади застосування.
  • Повідомлення про помилки.
  • Утиліти, в тому числі "безкоштовні" асемблери.
  • Приклади вихідних текстів.
• Підтримка застосувань у постачальника.
  • Чи є спеціальна група, яка займається тільки підтримкою застосувань?
  • Чи є інженери, техніки або продавці?
  • Наскільки кваліфікований підтримує персонал, чи справді він зацікавлений у допомозі вам при вирішенні вашої проблеми?
  • Чи існує телефонний і / або FAXовая зв'язок?
• Надійність фірми виробника.
  • Компетентність, підтверджена розробками.
  • Надійність виробництва, тобто якість продукції.
  • Час роботи в цій галузі.

СИСТЕМНІ ВИМОГИ

Проведення системного аналізу вашого проекту дозволить визначити і вимоги до мікроконтролера. Які потрібні периферійні пристрої? Чи застосовуються бітові операції або тільки числові? Скільки потрібно маніпуляцій для обробки даних? Чи повинна система управлятися по перериваннях, по готовності або за командами людини? Якою кількістю пристроїв (бітів введення / виводу) необхідно управляти? Які пристрої з числа багатьох можливих типів I / O пристроїв повинні контролюватися управлятися: термінали, вимикачі, реле, клавіші, сенсори (температура, світло, напругу і т.д.), звукові пристрої, візуальні індикатори (LCDдісплеі, LED), аналогоцифровими ( A / D), цифроаналогові (D / A) перетворювачі? Одне або декілька напруг живлення потрібен для системи? Наскільки отказоустойчів джерело харчування? Чи буде працювати пристрій при напрузі вашої мережі харчування? Чи повинні напруги утримуватися у вузькому фіксованому діапазоні змін, або ж система може працювати при великій нестабільності? Який робочий струм? Виріб повинен працювати від мережі або від батарей? Якщо від батарей, чи повинні використовуватися акумуляторні батареї і якщо це так, то яке час роботи без перезарядки, і яке для неї потрібен час? Чи існують обмеження за розміром, вагою, естетичним параметрам, таким як форма і / або колір? Чи існують будьякі специфічні вимоги до умов навколишнього середовища, таким як військові умови, температура, вологість, атмосфера (вибухонебезпечна, корозійна і т.д.), тиск / висота? Користувацька програмне забезпечення має базуватися на дисках або ROM? Виріб працює в реальному часі, і якщо так, чи збираєтеся ви створити або придбати ядро ​​програм реального часу або, можливо, буде достатньо звичайної широко використовуваної версії? Чи достатньо персоналу і часу для розвитку вашого власного ядра програм? Як будуть оплачуватися авторські права та програмне забезпечення? Для вирішення завдань реального часу потрібна велика дослідницька робота, щоб задовольнити їх особливим вимогам.

ОСНОВНІ ОСОБЛИВОСТІ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Мікроконтролери в цілому можна розділити на групи 8, 16 і 32разрядних за розміром їх арифметичних та індексних регістрів, хоча деякі розробники вважають, що 8/16/32разрядную архітектуру визначає розрядність шини. Чи здатний дешевий мікроконтролер задовольнити вимогам системи або потрібно дорогою 16 або 32разрядний? Чи може 8разрядная програмна емуляція особливостей 16/32разрядного мікроконтролера дозволити використання дешевого 8разрядного, жертвуючи розміром виконуваного коду та швидкістю? Наприклад, чи може 8разрядний мікроконтроллер бути використаний з програмним макросом, щоб емулювати 16разрядний акумулятор та операції індексування? Вибір прикладного мови (високого рівня замість асемблера) може сильно вплинути на продуктивність системи, яка потім може диктувати вибір 8/16/32разрядной архітектури, але обмеження за ціною може відкинути цей вибір.
Тактова частота або, більш точно, швидкість шини визначає, скільки обчислень може бути виконано за одиницю часу. Деякі мікроконтролери, в основному ранніх розробок мають вузький діапазон допустимої тактовою частоти, в той час як інші можуть працювати аж до нульової частоти. Іноді вибирається специфічна тактова частота, щоб згенерувати іншу тактову частоту, необхідну в системі, наприклад, для завдання швидкостей послідовної передачі. В основному, обчислювальна потужність, споживана потужність і вартість системи збільшуються з підвищенням тактової частоти. Ціна системи при підвищенні частоти збільшується за вартості не тільки мікроконтролера, але також і всіх потрібних додаткових мікросхем, таких як RAM, ROM, PLD та контролери шини.
Розглянемо технологію, з використанням якої виготовлено мікропроцесор: Nканальную металлокіселполупроводнік (NMOS), яка використовувалася в мікроконтролерах ранніх розробок, порівняємо з сучасною CMOS технологією з високим рівнем інтеграції (HCMOS). На відміну від ранніх NMOSпроцессоров, в HCMOS рівні сигналів змінюються в діапазоні від 0 до рівня напруги живлення. У зв'язку з цією обставиною перевага віддається HCMOS процесорам. Крім того, HCMOS споживають меншу потужність і, отже, менше нагріваються. Геометричні розміри елементів в HCMOS менше, що дозволяє мати більш щільні схеми і, таким чином, працювати при більш високих швидкостях. Більш щільний дизайн також зменшує вартість окремого мікроконтролера, тому що на кремнієвій пластині того ж розміру можна отримати більшу кількість чіпів. З цих причин сьогодні переважна більшість мікроконтролерів виробляються з використанням HCMOSтехнологіі.

МОЖЛИВОСТІ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

За рахунок досягнення більш високого рівня інтеграції та надійності при збереженні низької ціни, все мікроконтролери оснащені вбудованими додатковими пристроями. Ці пристрої під керуванням мікропроцесорного ядра мікроконтролера виконують певні функції. Вбудовані пристрої володіють підвищеною надійністю, оскільки вони не вимагають ніяких зовнішніх електричних ланцюгів. До найбільш відомих вбудованим пристроїв відносяться пристрої пам'яті і порти введення / виводу (I / O), таймери, системний годинник / генератор. Пристрої пам'яті включають оперативну пам'ять (RAM), постійні запам'ятовувальні пристрої (ROM), Перепрограмміруємая ROM (EPROM), електрично Перепрограмміруємая ROM (EEPROM). Таймери включають і годинник реального часу, і таймери переривань. Слід брати до уваги діапазон і дозвіл таймера, так само як і інші підфункції, такі як функції порівняння та / або захоплення вхідних ліній при вимірюванні тривалості сигналу. Засоби I / O включають послідовні порти зв'язку, паралельні порти (I / O лінії), аналогоцифровими перетворювачі (A / D), цифроаналогові перетворювачі (D / A), драйвери рідкокристалічного дисплея (LCD) або драйвери вакуумного флуоресцентного дисплея (VFD).
Іншими, рідше використовуються, вбудованими ресурсами є внутрішня / зовнішня шина, таймер стеження за нормальним функціонуванням системи сторожова схема, система виявлення відмов тактового генератора, можливість вибору конфігурації пам'яті та системний інтеграційний модуль (SIM). SIM зазвичай замінює зовнішню "склеюються" логіку, необхідну для організації взаємодії мікроконтролера із зовнішніми пристроями через задані контакти мікросхеми.
У більшість мікроконтролерів з внутрісхемний ресурсами включається блок конфігураційних регістрів для управління цими ресурсами. Іноді сам цей блок може бути відображений в різні місця карти пам'яті. Іноді є призначений для користувача і / або фабричний тестовий регістр, який вказує на те, яке значення виробник надає якості. Наявність конфігураційних регістрів призводить до проблеми випадкової зміни бажаної конфігурації "блукаючим" кодом. Для запобігання такої випадкової можливості використовується механізм "блокування", тобто до того, як регістр конфігурації може бути змінений, біти в іншому регістрі повинні бути змінені в певній послідовності. Хоча регістри конфігурації можуть спочатку налякати своєю складністю, вони вкрай цінні оскільки забезпечують високу гнучкість конфігурації при низькій вартості, так що одному мікроконтролеру можна знайти найрізноманітніші застосування.

НАБІР КОМАНД МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Необхідно уважно вивчити набір команд і регістрів кожного мікроконтролера, так як вони грають найважливішу роль у визначенні можливостей системи в цілому. Вивчили ваші програмісти індексні режими адресації у зв'язку з передбачуваними потребами вашої системи? Чи є будьякі спеціальні команди, які будуть використовуватися у вашій системі, такі як множення, ділення і табличне інтерполювання? Чи є будьякі режими енергозбереження для економії батарейного живлення, такі як стоповий, стоповий з низьким споживанням потужності та / або з очікуванням? Чи є будьякі команди бітових маніпуляцій (установка біта, очищення біта, тест біта, зміна біта, команди переходу за встановленим / очищеному біту), що полегшують застосування мікроконтролера, або команди маніпуляції з бітовими полями?
Будьте обережні з чудовими командами, які здійснюють багато дій в одній команді. Реальним критерієм продуктивності є кількість тактових циклів, необхідну для виконання завдання, а не кількість виконаних команд. Для справедливого порівняння краще закодувати однакову програму і порівняти повне число виконаних тактових циклів і використаних байтів. Чи є в карті операційних кодів нереалізовані інструкції і що вийде, якщо вони випадково виконуватися? Обробить чи система подібну ситуацію коректно обробником "виняткових" подій чи це призведе до виходу системи з ладу?

ПЕРЕРИВАННЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Перевірка структури переривань необхідна завжди, коли створюється система реального часу. Скільки ліній або рівнів переривання є і скільки їх потрібно для вашої системи? Чи є маска рівнів переривання? Коли рівень переривання підтверджений, чи є індивідуальні вектори для программиобработчіка переривання, або повинні опитуватися всі можливі джерела переривання, щоб визначити джерело? У критичних по швидкості застосуваннях, таких як управління принтером, критерієм вибору підходящого мікроконтролера може бути час реакції на переривання, тобто час від початку переривання (в гіршому випадку, фазованого щодо тактового генератора мікроконтролера) до виконання першої команди відповідного обробника переривання.

ХАРАКТЕРИСТИКА ВАШОЇ КОМПАНІЇ

Критически проанализируйте имущественное состояние вашей компании. Располагает ли ваша компания достаточными средствами для обучения персонала тонкостям производства систем на основе микроконтроллеров и использования средств их разработки? Обладает ли уже ваша компания достаточными средствами разработки, или же вы будете покупать или арендовать их? Если рассматривается новый микроконтроллер, существуют ли доступные средства разработки, такие как компиляторы языка высокого уровня, ассемблеры/компоновщики, прототипные модули и отладчики/эмуляторы? Достаточно ли легко расширяются имеющиеся у вас средства разработки для новых микроконтроллеров? Нужно ли нанимать и обучать дополнительный персонал для этого проекта? Можете ли вы привлечь эксперта для обучения остальных членов вашей команды? Позволяет ли вам бюджет наем дополнительного постоянного штата и/или работников по контракту? Удовлетворена ли ваша компания микроконтроллерами, имеющимися в настоящее времяна рынке, а также обслуживанием?

ХАРАКТЕРИСТИКА ПОСТАВЩИКА

Третий шаг в сокращении списка технически приемлемых микроконтроллеров проверка производителей и поставщиков микроконтроллеров, т.е. компаний, с которыми вы планируете вступить в длительные отношения на взаимовыгодной основе. Поставщик может быть производителем микроконтроллеров, или он может быть дилером, который является полномочным представителем нескольких производителей. Наилучшим образом удовлетворит ваши запросы поставщик с более широким ассортиментом продуктов и репутацией высокого качества, надежности, обслуживания и своевременной поставки при справедливой цене. Кроме того, чем больше продуктов вы покупаете у одного поставщика, тем большие преимущества вы получаете в отношении цены, услуг и поддержки. Всегда имейте в виду, что, хотя долларовый объем вашей покупки может казаться вам высоким, это всегда относительная величина к общему объему продаж поставщика. Поставщики, которые снабжают не только микроконтроллерами, но и памятью (RAM, ROM), дискретными устройствами (транзисторами, диодами и т.д.), стандартными цифровыми логическими устройствами (7400, 74HC00 и т.д.), специальными микросхемами, заказными приборами (CSIC), специализированными микросхемами (ASIC) и программируемыми логическими устройствами (PLD), смогут лучше удовлетворить ваши растущие запросы. Имеет ли производитель и/или поставщик какиелибо награды за качество, надежность, сервис и/ или поставку? Не следует слишком доверять самоприсуждаемым наградам.

ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОИЗВОДИТЕЛЯ

Другими критериями в выборе производителя/поставщика микроконтроллера являются стабильность, его монопольное положение, сведения из литературы и поддержка. Стабильность может быть надежно проверена путем установления стажа работы производителя в этой области и его достижений. Отдел снабжения и кредитный отдел вашей компании могут помочь вам в этих вопросах. Монопольное положение поставщика, к сожалению, обычно норма, т.к. большинство производителей микроконтроллеров редко пересекаются в производстве с другими производителями. Если производитель имеет хорошие показатели в снабжении, доставке и цене, то его монопольное положение не должно являться препятствием.

ПОДДЕРЖКА ПРОИЗВОДИТЕЛЯ

Прямая поддерка производителя включает маркетинг/продажи и прикладную инженерную поддержку. Когда вы звоните, обращаясь за помощью, можете ли вы прямо связаться с тем, кто вам нужен, или вам приходится играть в "глухой телефон"? Передаются ли звонки немедленно? Есть ли номер факса? Сколько доступно телефонных линий? Телефонные линии всегда заняты? Есть ли у них система коммутации или секретарь передает ваши сообщения ответственному за поддержку? В какие часы работает персонал поддержки? Имеют ли они другие обязанности кроме поддержки? Каков количественный состав обслуживающего персонала? С готовностью ли ему поможет заводской персонал, а именно, специалисты по готовой продукции, по производству, по качеству, электронщики, программисты? Дружат ли заводские инженеры с персоналом поддержки? Знающий ли персонал поддержки, имеет ли нужные навыки, и выполняют ли они своевременно то, что обещали, например, решить вашу проблему или выслать вам чтонибудь? Приходит ли это обычной почтой, платите ли вы за быструю доставку? Есть ли у производителя электронная доска объявлений (BBS) или страничка в Internet, на которых можно получить такую информацию, как прикладные программы, новости о продуктах, свежие программы, исходные тексты, сообщения об ошибках, электронную почту, конференции? Какие поддерживаются скорости передачи? Сколько телефонных линий доступно? Какие часы работы? Нужна ли вам особая марка компьютера и/или модема для доступа? Есть ли системный оператор (sysop)?

ЛИТЕРАТУРНАЯ ПОДДЕРЖКА

Литература охватывает широкий набор печатных материалов, которые могут помочь вам сделать правильный выбор. Она включает выпуски производителя, такие как технические описания и рекомендации по применению, также издания, доступные в местном книжном магазине и/или библиотеке. Издания из местного магазина и/или библиотеки не только указывают на популярность производителя/микроконтроллера, но и предлагают беспристрастные мнения, если они высказаны независимыми от производителя авторами.

ЗАКАНЧИВАЯ ВЫБОР

Для окончательного шага в процессе выбора постройте таблицу, содержащую рассматриваемые микроконтроллеры в одной графе, а их важные характеристики в другой. Затем приложите бланки технических описаний производителей, чтобы получить справедливое наглядное сравнение. Некоторые производители имеют предварительно сделанные сравнительные описания их микроконтроллеров, которые упростят вашу задачу, но проверьте по техническим описаниям, все ли новейшие продукты представлены. Среди возможных характеристик цена (на ожидаемый объем продукции, включая предсказание будущей цены, т.е. уменьшится ли цена, если вы вольетесь в производство?), RAM, ROM, EPROM, EEPROM, таймер(ы), A/D, D/A, последовательные порты, параллельные порты, скорость шины (минимальная/максимальная), специальные команды (умножение, деление и т.д.), число доступных прерываний, время отклика прерывания (время от начала прерывания до выполнения первой команды, управляемой прерыванием), размер корпуса/тип (керамический DIP или LCC, пластиковый 0.3" DIP или 0.6" DIP, сжатый DIP (расстояние между контактами .071"), PLCC, PQFP, EIAJQFP, SOIC; некоторые из них используют технологию поверхностного монтажа), требования по питанию и другие детали, важные для устройства вашей системы.

Якщо після всього цього у вас в списку все ще більше одного мікроконтролера, розгляньте можливості розширення системи і вартість. Яке розширення, на вашу думку, може знадобитися в майбутніх версіях цього продукту? І нарешті, розгляньте ціну, тому що якщо два мікроконтролера коштують однаково, але один пропонує трохи більше можливостей, які не потрібні сьогодні, але зробили б майбутні розширення доступними без додаткових витрат, вибирайте цей мікроконтроллер.

РОБОТА КОМАНДИ

Як лідер проекту ви можете робити всю дослідницьку роботу один, або ж можете почати залучати вашу команду, ставлячи перед її членами дослідницькі завдання, такі як оцінка програмістами набору команд кожного розглянутого мікроконтролера. Залучаючи свою команду в процес вибору на ранніх етапах, ви не тільки створите дух команди, а й отримаєте індивідуальні зобов'язання по відношенню до проекту через активну участь в ньому. Цей підхід, без сумніву, призводить до деяких конфліктів, тому що кожен має свою власну думку, але ваша задача як лідера проекту бути посередником. Вислухавши всі думки, вибираєте все ж ви. Як у політичних виборах, як тільки з'являється переможець у попередніх виборах, всі члени партії готові до повної підтримки лідера, так і команда проекту повинна підтримувати рішення лідера для досягнення успіху у виконанні проекту.

ВИСНОВОК

Остаточний вибір відповідного мікроконтролера для вашого проекту нелегке рішення. Мікроконтролери стали більш складними пристроями з тих пір, як були додані внутрісхемний ресурси. І з тих пір, як процес рухається в бік все більшої внутрішньосхемною інтеграції зовнішніх ресурсів для зниження вартості системи, рішення стає все більш складним. Дана стаття не нав'язує розробнику какойлібо вибір, її мета вказати всі можливі критерії вибору, які повинні бути прийняті до уваги в процесі прийняття рішення.