Jádro ARM7, které se může stát legendou jako 8051

Dnes nejpoužívanější mikroprocesory

jsou především osmibitové. Mezi důležité výrobce procesorů patří například Microchip (PIC), Atmel, Motorola, Intel atd.

V dnešní době jsou mikrokontroléry součástí téměř všech netriviálních elektrických zařízení počínaje od rádia, přes kuchyňské spotřebiče a mobilní telefony až po centrální jednotky v osobních automobilech. Mikrokontroléry samy o sobě nemají téměř žádnou cenu, snad pouze pořizovací. Užitnou hodnotu mohou mít až ve spojení s programem, které jim vdechne život.

U různých mikroprocesorových řad, se mohlo obvykle tvrdit, že co výrobce to jiný typ jádra. Co to znamená problém, pokud jste vystaveni situaci, kdy máte změnit výrobce mikroprocesorů. Taková to změna znamená, že se programátor musí doslova od začátku naučit myslet v intencích nového jádra a začít psát programy tak, aby byly pro toto jádro optimální. Mnoho problémů nastává v případě, že původní programy jsou psány v jazyku symbolických adres. V tomto případě většinou není jiné cesty než si nejdůležitější části programů přepsat ručně. Pokud programy vznikaly řadu let, je tento problém většinou klíčovým problémem, který zásadně ovlivňuje volbu nového mikroprocesoru.

Jedním z prvních osmibitových mikrokontrolérů je legendární 8051 od firmy Intel. Dosáhl veliké obliby a díky podpoře ze strany výrobců se stále používá. Vyrábí ho řada předních světových výrobců, jako například Philips, Siemens, nebo Dalas Semiconductor. Všichni tito výrobci mají různé procesory s různými parametry, periferiemi a výkonem, ale mají kompatibilní jádro a pro lze programy napsané pro procesor jedné firmy využít jednoduše i u procesorů ostatních výrobců. Dnes je ale to již zastaralý typ (pochází z roku 1980).

Dnešní zvyšování výkonu

Vysoké nároky na početní výkon vedly především ke zvyšování taktovací frekvence. Zvyšování frekvence nad 103Mhz sebou přináší značné zvyšování ceny, a proto výrobci hledají jiné výhodnější cesty pro výrazné zvýšení výkonu. Jednou z možností jak zvýšit výpočetní výkon je zvětšit šířku slova se kterou mikrokontroléry pracují. Proto se na trhu objevily 16ti bitové mikrokontroléry a pak 32bitové mikrokontroléry.

Ze začátku vypadalo vše jako u jiných mikroprocesorových řad, tj. co výrobce to jiný typ jádra. Bylo tedy otázkou času, zda někdo přinese i do této oblasti jednotící prvek. A touto firmou byla firma Acorn se svým jádrem označeným ARM7TDMI. Vhodnou licenční politikou tato firma dosáhla značného rozšíření svého jádra, které můžeme najít v mnoha mikroprocesorech světových výrobců jako je např. firma ST Microelectronics a ATMEL.

Acorn

Acorn není firmou vyrábějící mikroprocesory, v čemž je zásadní rozdíl. Firma je zaměřena na vývoj typu jader, a poté je nabízí dalším výrobcům, kteří dle svých potřeb k jádru přidají případné další periferie a vyrábí je. Zvláště pro menší výrobce je to životně důležité, protože takovýto výrobce nemůže diktovat podmínky a zákazníkovi vnutit vlastní procesor s jádrem, pro které nelze použít standardně napsaný zdrojový kód. Firma vyvinutá jádra označila ARM, Advanced RISC Machines.

Jádro ARM7 a periferie

Podle výkonů navrhla firma Acorn několik jader z nichž nejrozšířenější je ARM7.

Aby spotřeba byla minimalizována, používá výrobce technologii, která umožňuje použít pro jádro napájecí napětí pouhých 1,8V. Toto řešení přispělo ke snížení celkové spotřeby mikroprocesoru, která činí maximálně 60mA při frekvenci 48MHz řídicího kmitočtu. Téměř šokujícím je pak odběr při kmitočtu 32kHz, který je pouhých 500µA. Aby nebylo v aplikaci nutné používat externí stabilizátor, je tento integrován přímo v mikroprocesoru, takže tento může být napájen jak napětím 3,3V tak 5V. Velmi příjemnou vlastností je že i vstupní / výstupní brány je možno propojit s okolními obvody, které mohou být i starší generace, která je napájena ještě 5V. Tento fakt velmi usnadňuje postupný přechod od 5V obvodů k 3,3V obvodům.

Maximální taktovací frekvence se u různých typů procesorů pohybuje od 50 do 100MHz. Aby nebylo nutno provozovat vlastní oscilátor na této vysoké frekvenci, je mikrokontrolér vybaven smyčkou PLL, takže je možno provozovat oscilátor na nižší frekvenci než je pak skutečná pracovní frekvence jádra mikroprocesoru. Mimo faktu, že se tímto sníží výrazně elektromagnetické vyzařování, má uživatel možnost řídit rychlost mikroprocesoru, a tím i jeho spotřebu, dle momentální potřeby. Vzhledem k tomu, že procesor tedy může pracovat zároveň s vysokým výkonem (až 100MHz) taky i s minimální spotřebou 0,5mA (při 32kHz) je velmi vhodný pro bateriové přístroje, kterým přesto dodá velmi vysoký početní výkon.

Procesory ARM jak název napovídá (Advanced RISC Machines) mají omezenou instrukční sadu, RISC. To obecně přináší mnohé výhody, ovšem v těchto typech procesorů je potřebné mít na paměti, že všechny periferie byť jsou umístěny na tomtéž čipu, jsou obsluhovány přes tzv. bridge. Proto může být uživatel nemile překvapen v případě, že generování přesných průběhů programem nemusí být přesné tak jako v případě 8mi bitových mikroprocesorů, kdy periferie byly obsluhovány synchronně.

K vlastnímu jádru je ještě přímo připojen resetovací obvod a obvod generující řídicí kmitočet (tzv. "hodiny"). Pro programy má uživatel k dispozici dle typu a výrobce FLASH pamět s kapacitou 64kB - 256kB a 16kB - 64kB paměti RAM. Dále podle typů disponují velkým počtem periferií, jako jsou časovače, DMA řadiče, A/D převodník, sériová rozhraní všech možných typů jako např. USART, TWI, SCC a dnes velmi populární rozhraní USB.

Rodiny procesorů ARM se vyznačují i dalšími společnými vlastnostmi, jako jsou podpora různých operačních systémů (včetně Real-Time) zahrnujících Windows CE, Palm OS, Symbian OS a Linux. Současné procesory ARM mají kromě paměti na čipu také velké množství různých periferií. To je výhodné z hlediska minimální velikosti zařízení, nížší ceny a vyšší spolehlivostí celého zařízení.
 

V současné době je pro jednoduché aplikace nejrozšířenější jádro ARM7TDMI. Obvyklou oblastí aplikací jsou tiskárny, pagery, kamery, MP3 přehrávače, PDA, bezdrátové komunikace, síťové prvky, mobilní telefony, navigační systémy, řídící jednotky a atd.

Podpora v programování

Dnešní kvalitní mikroprocesory disponují rozhraním JTAG, které, kromě jiného, umožňuje "ovládat" mikroprocesor tak, že je možné tímto způsobem ladit programové vybavení přímo na mikroprocesoru bez nutnosti drahého hardwarového emulátoru. Samotné rozhraní by však nemuselo začínajícím uživatelům stačit, takže i přímo výrobce nabízí desky pro seznámení s těmito mikroprocesory. Jednu takovou desku můžeme vidět i na obrázku.

Díky těmto deskám má začínající uživatel jednak šanci okamžitě se začít seznamovat s vlastním instrukčním souborem mikroprocesoru a stylem jak kvalitně psát programy, jednak nemusí pracně zkušební desku vyrábět a složitě a pracně odhalovat, zda svůj první návrh zapojení s novým mikroprocesorem udělal správně či ne.

Předpokládá se široké využití a použití tohoto standardu dalšími výrobci

Důležitým faktem, který by mohl výrazně napomoci rozšíření těchto výkonných mikroprocesorů je fakt, že i mikroprocesory od různých výrobců mají shodný instrukční soubor a tudíž přenos programového vybavení by měl být velmi jednoduchý a to i v případě použití jazyka symbolických adres coby programovacího jazyka. Tento fakt umožňuje konstruktérovi vybrat ten nejvhodnější mikroprocesor napříč celým spektrem typů i výrobců. Jak je vidět, mikroprocesory založené na jádře ARM7 mají již velmi mnoho různých typů od jednotlivých výrobců.

I když by se mohlo zdát, že právě představené 32bitové mikroprocesory budou určeny pouze do drahých a náročných aplikací, kde cena není rozhodující, opak je pravdou. Srovnáme-li předpokládané ceny těchto mikroprocesorů s cenami dnešních špičkových 8mi bitových mikroprocesorů jakým je např. ATMEL Atmega128, budeme velmi mile překvapeni. Cena by neměla být o mnoho vyšší !! A to si myslím, je pádný důvod, začít vážně uvažovat o možnostech přechodu na tyto nové a perspektivní 32bitové mikroprocesory.

Vzhledem k předpokládané ceně a použitému pouzdru se zde nabízí možnost náhrady mikroprocesorů 80C51 při "modernizaci" aplikací, kde jsou tyto mikroprocesory použity tak, že se použije vhodná redukce s rozložením vývodů shodným s 80C51.