Память программ и данных МК (Лекция)
В МК используется три основных вида памяти. Память программ представляет собой постоянную память (ПЗУ), предназначенную для хранения программного кода (команд) и констант. Ее содержимое в ходе выполнения программы не изменяется. Память данных предназначена для хранения переменных в процессе выполнения программы и представляет собой ОЗУ. Регистры МК – этот вид памяти включает в себя внутренние регистры процессора и регистры, которые служат для управления периферийными устройствами (регистры специальных функций).
1. Память программ
Основным свойством памяти программ является ее энергонезависимость, то есть возможность хранения программы при отсутствии питания. С точки зрения пользователей МК следует различать следующие типы энергонезависимой памяти программ :
· ПЗУ масочного типа – mask-ROM. Содержимое ячеек ПЗУ этого типа заносится при ее изготовлении с помощью масок и не может быть впоследствии заменено или допрограммировано. Поэтому МК с таким типом памяти программ следует использовать только после достаточно длительной опытной эксплуатации.
КАК РАБОТАЕТ ПАМЯТЬ КОМПЬЮТЕРА | ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ
Основным недостатком данной памяти является необходимость значительных затрат на создание нового комплекта фотошаблонов и их внедрение в производство. Обычно такой процесс занимает 2-3 месяца и является экономически выгодным только при выпуске десятков тысяч приборов. ПЗУ масочного типа обеспечивают высокую надежность хранения информации по причине программирования в заводских условиях с последующим контролем результата.
· ПЗУ, программируемые пользователем, с ультрафиолетовым стиранием – EPROM (Erasable Programmable ROM). ПЗУ данного типа программируются электрическими сигналами и стираются с помощью ультрафиолетового облучения. Ячейка памяти EPROM представляет собой МОП-транзистор с «плавающим» затвором, заряд на который переносится с управляющего затвора при подаче соответствующих электрических сигналов.
Для стирания содержимого ячейки она облучается ультрафиолетовым светом, который сообщает заряду на плавающем затворе энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера и стекания на подложку. Этот процесс может занимать от нескольких секунд до нескольких минут. МК с EPROM допускают многократное программирование и выпускаются в керамическом корпусе с кварцевым окошком для доступа ультрафиолетового света. Такой корпус стоит довольно дорого, что значительно увеличивает стоимость МК . Для уменьшения стоимости МК с EPROM его заключают в корпус без окошка (версия EPROM с однократным программированием).
· ПЗУ, однократно программируемые пользователем, – OTPROM (One-Time Programmable ROM). Представляют собой версию EPROM, выполненную в корпусе без окошка для уменьшения стоимости МК на его основе. Сокращение стоимости при использовании таких корпусов настолько значительно, что в последнее время эти версии EPROM часто используют вместо масочных ПЗУ.
· ПЗУ, программируемые пользователем, с электрическим стиранием – EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM). ПЗУ данного типа можно считать новым поколением EPROM, в которых стирание ячеек памяти производится также электрическими сигналами за счет использования туннельных механизмов. Применение EEPROM позволяет стирать и программировать МК , не снимая его с платы.
Таким способом можно производить отладку и модернизацию программного обеспечения. Это дает огромный выигрыш на начальных стадиях разработки микроконтроллерных систем или в процессе их изучения, когда много времени уходит на поиск причин неработоспособности системы и выполнение циклов стирания-программирования памяти программ . По цене EEPROM занимают среднее положение между OTPROM и EPROM. Технология программирования памяти EEPROM допускает побайтовое стирание и программирование ячеек. Несмотря на очевидные преимущества EEPROM, только в редких моделях МК такая память используется для хранения программ. Связано это с тем, что, во-первых, EEPROM имеют ограниченный объем памяти. Во-вторых, почти одновременно с EEPROM появились Flash-ПЗУ, которые при сходных потребительских характеристиках имеют более низкую стоимость;
· ПЗУ с электрическим стиранием типа Flash – Flash-ROM. Функционально Flash-память мало отличается от EEPROM. Основное различие состоит в способе стирания записанной информации. В памяти EEPROM стирание производится отдельно для каждой ячейки, а во Flash-памяти стирать можно только целыми блоками.
Если необходимо изменить содержимое одной ячейки Flash-памяти, потребуется перепрограммировать весь блок. Упрощение декодирующих схем по сравнению с EEPROM привело к тому, что МК с Flash-памятью становятся конкурентоспособными по отношению не только к МК с однократно программируемыми ПЗУ, но и с масочными ПЗУ также.
2. Память данных
Память данных МК выполняется, как правило, на основе статического ОЗУ. Термин «статическое» означает, что содержимое ячеек ОЗУ сохраняется при снижении тактовой частоты МК до сколь угодно малых значений (с целью снижения энергопотребления). Большинство МК имеют такой параметр, как «напряжение хранения информации» – USTANDBY.
При снижении напряжения питания ниже минимально допустимого уровня UDDMIN, но выше уровня USTANDBY работа программы МК выполняться не будет, но информация в ОЗУ сохраняется. При восстановлении напряжения питания можно будет сбросить МК и продолжить выполнение программы без потери данных. Уровень напряжения хранения составляет обычно около 1 В, что позволяет в случае необходимости перевести МК на питание от автономного источника (батареи) и сохранить в этом режиме данные ОЗУ.
Объем памяти данных МК , как правило, невелик и составляет обычно десятки и сотни байт. Это обстоятельство необходимо учитывать при разработке программ для МК . Так, при программировании МК константы, если возможно, не хранятся как переменные, а заносятся в ПЗУ программ. Максимально используются аппаратные возможности МК , в частности, таймеры. Прикладные программы должны ориентироваться на работу без использования больших массивов данных.
3. Регистры МК
Как и все МПС, МК имеют набор регистров, которые используются для управления его ресурсами. В число этих регистров входят обычно регистры процессора (аккумулятор, регистры состояния, индексные регистры), регистры управления (регистры управления прерываниями, таймером), регистры, обеспечивающие ввод/вывод данных (регистры данных портов, регистры управления параллельным, последовательным или аналоговым вводом/выводом). Обращение к этим регистрам может производиться по-разному.
В МК с RISC-процессором все регистры (часто и аккумулятор) располагаются по явно задаваемым адресам. Это обеспечивает более высокую гибкость при работе процессора.
Одним из важных вопросов является размещение регистров в адресном пространстве МК . В некоторых МК все регистры и память данных располагаются в одном адресном пространстве. Это означает, что память данных совмещена с регистрами. Такой подход называется «отображением ресурсов МК на память».
В других МК адресное пространство устройств ввода/вывода отделено от общего пространства памяти. Отдельное пространство ввода/вывода дает некоторое преимущество процессорам с гарвардской архитектурой, обеспечивая возможность считывать команду во время обращения к регистру ввода/вывода.
4. Стек МК
В микроконтроллерах ОЗУ данных используется также для организации вызова подпрограмм и обработки прерываний. При этих операциях содержимое программного счетчика и основных регистров (аккумулятор, регистр состояния и другие) сохраняется и затем восстанавливается при возврате к основной программе.
В фон-неймановской архитектуре единая область памяти используется, в том числе, и для реализации стека . При этом снижается производительность устройства, так как одновременный доступ к различным видам памяти невозможен. В частности, при выполнении команды вызова подпрограммы следующая команда выбирается после того, как в стек будет помещено содержимое программного счетчика.
В гарвардской архитектуре стековые операции производятся в специально выделенной для этой цели памяти. Это означает, что при выполнении программы вызова подпрограмм процессор с гарвардской архитектурой производит несколько действий одновременно.
Необходимо помнить, что МК обеих архитектур имеют ограниченную емкость памяти для хранения данных. Если в процессоре имеется отдельный стек и объем записанных в него данных превышает его емкость, то происходит циклическое изменение содержимого указателя стека , и он начинает ссылаться на ранее заполненную ячейку стека . Это означает, что после слишком большого количества вызовов подпрограмм в стеке окажется неправильный адрес возврата. Если МК использует общую область памяти для размещения данных и стека , то существует опасность, что при переполнении стека произойдет запись в область данных либо будет сделана попытка записи загружаемых в стек данных в область ПЗУ.
5. Внешняя память
Несмотря на существующую тенденцию по переходу к закрытой архитектуре МК , в некоторых случаях возникает необходимость подключения дополнительной внешней памяти (как памяти программ , так и данных).
Если МК содержит специальные аппаратные средства для подключения внешней памяти, то эта операция производится штатным способом (как для МП).
Второй, более универсальный, способ заключается в том, чтобы использовать порты ввода/вывода для подключения внешней памяти и реализовать обращение к памяти программными средствами. Такой способ позволяет задействовать простые устройства ввода/вывода без реализации сложных шинных интерфейсов, однако приводит к снижению быстродействия системы при обращении к внешней памяти.
Источник: mc-plc.ru
Типы памяти микроконтроллеров: память программ, память данных, регистры.
Основным свойством памяти программ является ее энергонезависимость, то есть возможность хранения программы при отсутствии питания. С момента появления МК технология энергонезависимых запоминающих устройств претерпела множество изменений, которые позволили не только повысить информационную емкость, быстродействие, надежность хранения информации, но и привели к появлению принципиально новых технологий программирования памяти МК. С точки зрения пользователей МК следует различать пять типов энергонезависимой памяти программ.
1. ПЗУ масочного типа – Mask ROM. Содержание ячеек ПЗУ этого типа заносится на заводе-изготовителе МК с помощью масок и не может быть заменено или «допрограммировано». Поэтому МК с такой памятью программ следует использовать только после достаточно длительной опытной эксплуатации.
Основным недостатком данной памяти является необходимость значительных затрат на создание нового комплекта фотошаблонов и их внедрение в производство. Обычно такой процесс занимает 2 – 3 месяца и является экономически выгодным только при выпуске несколько десятков тысяч приборов. Достоинством ПЗУ масочного типа является высокая надежность хранения информации по причине программирования в заводских условиях с последующим контролем качества.
2. ПЗУ, однократно программируемые пользователем – OTPROM (One-Time Programmable ROM). В незапрограммированном состоянии каждая ячейка памяти однократно программируемого ПЗУ при считывании возвращает код FFh. Программированию подлежат только те разряды, которые должны содержать «0».
Если в процессе программирования некоторые разряды какой-либо ячейки памяти были установлены в «0», то восстановить в этих разрядах единичное значение уже невозможно. Поэтому рассматриваемый тип памяти и носит название «однократно программируемые ПЗУ». Технология записи информации состоит в многократном приложении импульсов повышенного напряжения к элементарным ячейкам байта памяти (т.е. к битам), подлежащим программированию. МК с однократно программируемым ПЗУ рекомендуется использовать в изделиях, выпускаемых небольшими партиями.
3. ПЗУ, программируемые пользователем с ультрафиолетовым стиранием – EPROM (Erasable Programmable ROM). ПЗУ данного типа программируются электрическим сигналами и стираются с помощью ультрафиолетового облучения. Ячейка памяти EPROM представляет собой МОП-транзистор с «плавающим» затвором, заряд на который переносится с управляющего затвора при подаче на него высокого напряжения.
При этом МОП-транзистор переключается в открытое состояние, и при обращении к ячейке считывается «0». Для стирания содержимого ячейки она облучается ультрафиолетовым светом, который сообщает заряду на плавающем затворе энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера и стекания на подложку. Этот процесс может занимать от десятков секунд до нескольких минут.
Число циклов стирания/программирования ПЗУ данного типа ограничено и составляет 15-25 раз. Обычно микросхемы EPROM выпускаются в керамическом корпусе с кварцевым окошком для доступа ультрафиолетового света. МК с ПЗУ данного типа имеют высокую стоимость, поэтому их рекомендуется использовать только в опытных образцах изделий.
4. ПЗУ, программируемые пользователем с электрическим стиранием – EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM). Электрически программируемые и электрически стираемые ПЗУ совместили в себе положительные качества рассмотренных выше типов памяти. Максимальное число циклов стирания/программирования ПЗУ типа EEPROM в составе МК обычно равно 100000.
Эта память позволяет реализовать побайтное стирание и побайтное программирование. По цене ЕEPROM занимают среднее положение между OTPROM и EPROM. Основное преимущество использования ЕEPROM заключается в том, что можно многократно стирать и программировать МК, не снимая его с платы. Таким способом можно производить отладку и модернизацию программного обеспечения.
Это дает огромный выигрыш на начальных стадиях разработки микроконтроллерных устройств или в процессе их изучения, когда много времени уходит на поиск причин программ. Несмотря на очевидные преимущества, только в редких моделях современных МК такая память используется для хранения программ. Связано это с тем, что, во-первых, ПЗУ типа ЕEPROM имеют ограниченную емкость и могут использоваться в качестве резидентной памяти программ только в маловыводных МК с небольшим объемом памяти. Во-вторых, почти одновременно с ЕEPROM появились ПЗУ типа Flash, которые при сходных потребительских характеристиках имеют более низкую стоимость.
5. ПЗУ с электрическим стиранием типа Flash – Flash ROM. Электрически программируемые и электрически стираемые ПЗУ типа Flash функционально мало отличаются от ЕEPROM. Основное отличие состоит в способе стирания записанной информации.
Для увеличения объема памяти транзистор адресации каждой элементарной ячейки был удален, что не дает возможности программировать каждый бит памяти отдельно. Память типа Flash стирается и программируется страницами или блоками. Страница, как правило, составляет 8, 16 или 32 байта памяти, блоки могут объединять некоторое число страниц, вплоть до полного объема резидентного ПЗУ МК. Если необходимо изменить содержимое одной ячейки Flash-памяти, потребуется перепрограммировать весь блок. Упрощение декодирующих схем, произошедшее из-за уменьшения числа транзисторов, и, как следствие, снижение стоимости и размеров привели к тому, что МК с Flash-памятью в настоящее время становятся конкурентоспособными не только по отношению к МК с однократно программируемыми ПЗУ, но и с масочными ПЗУ также.
Выше отмечалось, что ЕEPROM ПЗУ практически никогда не используется для хранения программ, но оно имеет режим побайтного программирования. Данное обстоятельство сделало ЕEPROM идеальным энергонезависимым запоминающим устройством для хранения изменяемых в процессе эксплуатации изделия настроек пользователя. В качестве примера достаточно вспомнить современный телевизор: настройки каналов сохраняются при отключении питания. Одной из тенденций совершенствования резидентной памяти 8-разрядных МК стала интеграция на кристалл МК сразу двух моделей энергонезависимой памяти: OTPROM или Flash ROM – для хранения программ и EЕPROM – для хранения перепрограммируемых констант.
Память данных (ПД) микроконтроллеров предназначена для хранения промежуточных данных в ходе выполнения программы. В современных микроконтроллерах память данных подразделяется по выполняемым функция и способу реализации на два вида:
1) оперативная память – ОЗУ;
2) память хранения данных в EEPROM.
Оперативная память (англоязычный термин RAM) является ОЗУ статического типа, так как ячейки ее выполняются на основе триггеров. Эта память энергозависима, так как ее содержимое теряется при выключении электропитания. Достоинством статического ОЗУ является высокое быстродействие, простота управления памятью. Однако такое ОЗУ имеет существенные недостатки: большое энергопотребление и большое количество активных компонентов (транзисторов), необходимых для ее реализации. Объем оперативной памяти данных МК, как правило, невелик и составляет обычно десятки или сотни байт.
Второй вид ПД – это память хранения данных в EEPROM. Эту память можно использовать для данных, которые необходимо сохранить при выключении электропитания, а также неоперативных данных. Неоперативными данными могут быть настроечные параметры, изменяемые константы. Объем памяти хранения данных небольшой и обычно составляет несколько десятков байт.
Эту память нельзя использовать в качестве оперативной. Во-первых, она является очень «медленной». Так время записи в ее ячейку составляет несколько миллисекунд. Во-вторых, она имеет ограниченное количество циклов записи-стирания.
Подобно всем МПС микроконтроллеры имеют набор регистров, которые используются для управления их ресурсами. В число этих регистров входят обычно регистры процессора (аккумулятор, регистр состояния, индексные регистры), регистры управления (управления прерываниями, таймером), регистры, обеспечивающие ввод/вывод данных (регистры данных портов, регистры управления параллельным, последовательным или аналоговым вводом/выводом). Обращение к этим регистрам может производиться различными способами, а это оказывает существенное влияние на производительность.
В МК с RISC-процессором все регистры (часто и аккумулятор) располагаются по явно задаваемым адресам. Это обеспечивает более высокую гибкость при работе процессора.
Одним из важнейших вопросов является размещение регистров в адресном пространстве МК. В некоторых МК все регистры и память данных располагаются в одном адресном пространстве. Это означает, что память данных совмещена с регистрами. Такой подход называется «отображением ресурсов МК на память».
В других МК адресное пространство устройств ввода/вывода отделено от пространства памяти. Отдельное пространство ввода/вывода дает некоторое преимущество процессорам с Гарвардской архитектурой, обеспечивая возможность считывать команду во время обращения к регистру ввода/вывода.
Статьи к прочтению:
- Типы сигналов: аналоговые и цифровые. модемы
- Типология методов анализа риска
Программирование микроконтроллеров: Урок 2. Организация памяти данных(регистры)
Похожие статьи:
- Энергонезависимая память данных (eeprom). Все микроконтроллеры семейства Mega имеют в своем составе энергонезависимую память (EEPROM-память). Объем этой памяти колеблется от 256 байт в моделях…
- Работа № 1. основы программирования микроконтроллеров ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) А.А. Егоров, В.Г. Осипов, С.Ю. Соловьёв…
Источник: csaa.ru