Audytor.ru

Теплоснабжение "Аудитор"
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Энциклопедия электроники

В зависимости от разрядности (как правило, шины данных) микроконтроллеры бывают: 4, 8, 16, 32 битные.

В настоящее время существует большое число архитектур микроконтроллеров. Наиболее распространены МК Гарвардской архитектуры с системой команд RISC. Ниже перечислены некоторые из них:

  • AVR – семейство 8ми битных МК выпускаемые фирмой Microchip (ранее выпускались фирмой Atmel).
  • PIC – семейство 8, 16 и 32 битных МК выпускаемые фирмой Microchip.
  • SAM – семейство 32 битных МК на базе ядра ARM Cortex выпускаемые фирмой Microchip.
  • STM8 – семейство 8ми битных МК выпускаемых фирмой ST.
  • STM32 – семейство 32 битных МК на базе ядра ARM Cortex выпускаемых фирмой ST.

Семейство восьмибитных микроконтроллеров PIC делится на несколько серий:

  • PIC10 – серия самых простых микроконтроллеров в малом корпусе с сокращенной системой команд;
  • PIC12/PIC16 – наиболее массовая серия микроконтроллеров, содержит разнообразную периферию: SPI, I2C, USART, LCD, АЦП;
  • PIC18 – серия продвинутых восьмибитных микроконтроллеров в больших корпусах (от 28 до 100 выводов), содержит сложную периферию: CAN, USB, Ethernet, LCD, драйвер сенсорных кнопок.

Семейство восьмибитных микроконтроллеров AVR делится на несколько серий:

  • tinyAVR – серия микроконтроллеров в малом корпусе;
  • megaAVR – наиболее массовая серия микроконтроллеров, содержит разнообразную периферию: SPI, USART, ЦАП, PWM и т.д.;
  • XMEGA – серия продвинутых восьмибитных микроконтроллеров в больших корпусах (от 44 до 100 выводов), содержит сложную периферию: USB, DMA.

Содержание

Однокристальные микроконтроллеры К145 ВГ1, ИК5, ИК13, ИК18, ИК19 представляют собой микро-ЭВМ последовательного действия [1] , имеют малую потребляемую мощность, сравнительно высокую помехозащищённость и ориентированы на применение в быту. Сделаны по МОП-технологии p-типа. Используют уровень напряжения питания -15 или -27 В. Характерной особенностью является применение высокого уровня напряжения (0…-2 В) для логического нуля, и низкого (−8… −27 В) для логической единицы [3] .

  • К145ИК5xx, К145ИК13xx — серия специализированных микроконтроллеров для построения микрокалькуляторов.
  • К145ИК18xx — серия специализированных микроконтроллеров широкого применения.
  • К145ИК19xx — основа для специализированных контроллеров с привязкой управляющих сигналов ко времени.

Отличаются друг от друга емкостью ОЗУ и ПЗУ, количеством портов ввода-вывода. Кроме того, у К145ИК19 имеется встроенный тактовый генератор и возможность отсчёта точного времени.

К145ИК18 [ править | править код ]

Микросхема К145ИК18 является базовой для семейства микросхем микроконтроллеров К145ИК18xx (xx — двузначное число, вариант прошивки), из которой изменением фотошаблонов (в процессе изготовления микросхем) получали различные специализированные варианты. Имеет в своей структуре: устройство управления, операционное устройство, устройство синхронизации [en] .

Устройство управления состоит из: триггера для клавиатуры, регистра ветвлений, счётчика команд, ПЗУ команд, ПЗУ синхропрограмм, ПЗУ микрокоманд.

ПЗУ на 128 19-разрядных слов, содержащих поля: кода условного ветвления, кода операции (КОП, 5 бит), кода модификации синхропрограммы (КОМ, 3 бита).

Код операции вместе с кодом модификации синхропрограммы даёт часть адреса ПЗУ синхропрограмм, вторая же часть поступает из устройства синхронизации. Коды команд из ПЗУ синхропрограмм подаются на ПЗУ микрокоманд синхронно с передачей данных в ОЗУ. ПЗУ микрокоманд выдаёт управляющие сигналы (микрокоманды) для выполнения требуемых действий [3] .

Операционное устройство хранит и обрабатывает исходную информации, формирует выходные управляющие сигналы Y1 — Y24 для внешних устройств. Операционное устройство имеет в своём составе:

  • входной регистр
  • сумматор
  • регистр статуса (L) — перенос единицы в старшую тетраду, дополнительные параметры выбора адресации
  • аккумулятор (S)
  • два оперативных регистра (РгМ и РгR) — сдвиговые регистры с программно-управляемой разрядностью
  • регистр адреса (РгА)
  • матрица управляющих сигналов
  • выходной регистр
Читайте так же:
Обнуление счетчика принтера samsung scx 4300

Регистр адреса РгА и матрица управляющих сигналов нужны для считывания информации из регистра РгR и её преобразования в коды входных управляющих сигналов для входного и выходного регистров.

Предназначение устройства синхронизации — формирование временны́х интервалов B1—B4, E1—EЗ, D1—D12 и привязки ко времени всех процессов обработки данных. Состоит из трёх последовательных кольцевых счётчиков на базе динамических сдвиговых регистров. Имеется вход для синхронизации от внешних устройств.

К145ИК19 [ править | править код ]

Микросхема К145ИК19 — базовая для семейства К145ИК19xx. Её структура подобна К145ИК18, так как содержит почти те же самые блоки. Используется для решения задач, в которых необходима привязка управляющих сигналов ко времени.

Объём ПЗУ программ 128 двадцатиразрядных слов, стандартных команд для арифметико-логического устройства. Каждое слово имеет:

  • трехразрядное поле кода условного перехода
  • семиразрядный код адреса следующей команды
  • адреса ПЗУ синхропрограмм
  • код модификации синхропрограммы. Постоянное запоминающее устройство

Устройство синхронизации содержит:

  • тактовый генератор прямоугольных импульсов Ф1 — Ф4 с возможностью подключения времязадающих RC-цепей или внешнего кварцевого резонатора 32768 Гц (в силу чего скорость обмена с памятью равна 32768 бит/с).
  • двоичный счетчик для формирования временны́х последовательностей синхронизирующих импульсов Е1—ЕЗ, D1—D4.

Назначение микроконтроллеров серии К145ИК18 и К145ИК19 с различными прошивками [ править | править код ]

Микросхемы применялись в контрольно-измерительной аппаратуре, вычислительной технике, бытовой технике, автомобильной электронике, медицинской технике, электронных часах и т. п. [3] :

  • К145ИК1801 — в контрольно-измерительных комплексах на базе К145ИК5 и К745ИК13 (Электроника МК-46, МК-64, МС 1103, МК-52 — К745ИК1801) — контроллер сопряжения вычислительных средств с датчиками контрольно-измерительного комплекса [1]
  • К145ИК1802 — управление печатающим устройством типа DK-278 в микрокалькуляторах на базе К145ИК508 (Elwro 330)
  • К145ИК1803 — для устройств ввода-вывода, сопряжение с запоминающими устройствами и с Электроника-60
  • К145ИК1805 — для управления устройством термопечати «Электроника УТП-15» в составе программируемых микрокалькуляторов
  • К145ИК1807 — одна из наиболее универсальных больших интегральных схем в семействе К145ИК18. Предназначалась для управления бытовыми приборами — стиральными машинами, холодильниками, микроволновыми печами и т. п. Имеет возможность управления работой внешних устройств с заданием времени включения-выключения и с учётом состояния программно-контролируемых датчиков[3] .

К145ИК1807 имеет 48 выводов, из которых 15 используются как входы и 24 — как выходы. Вход 20 внешней коммутации (ВК) требует подачи на него синхронизирующих импульсов частотой 50 Гц сети переменного тока. Для программирования использовался «Программатор ПУ-07». [3] . Выполнена в корпусе 244.48-5, содержит 12417 интегральных элементов. Номинальное напряжение питания −27 В ± 5 %. Выходное напряжение низкого уровня на управляющих выходах не более −1 В, на выходах СИ, Рг, ВК не более −2 В. Напряжение высокого уровня на управляющих выходах не менее −2,5 В, на выходах СИ, Рг, ВК не выше −9,5 В. Динамический ток потребления (то есть, ток потребления в режиме переключения на рабочей частоте) не более 2 мА. Входная ёмкость не более 10 пФ [4] .

Интеллектуальные карты

Интеллектуальная карта представляет собой пластиковую карту со встроенной микросхемой. Назначение ИК – одно- или двухфакторная аутентификация пользователей, хранение ключевой информации и проведение криптографических операций в доверенной среде. Контактная карта является разновидностью интеллектуальных карт с контактной площадкой и интерфейсом, обеспечивающим взаимодействие карты и считывателя при подаче напряжения на контакты.

Читайте так же:
Счетчик кликов для joomla

Стандарты ISO/IEC 7816 и ISO/IEC 7810 регламентируют форму карты, количество контактов, их расположение и назначение. Стандарт ISO/IEC 7816 регламентирует также протоколы обмена и определяет другие требования к ИК в соответствии с ее назначением. В РФ на основе международных стандартов разработаны и утверждены ГОСТ Р ИСО/МЭК 7810 и ГОСТ Р ИСО/МЭК 7816.

Кристалл интегральной микросхемы (ИМС) упаковывается в специальный контактный модуль, контакты которого конструктивно объединены на ультратонкой печатной плате. Затем модуль имплантируется в пластиковый корпус карты с применением клеевого материала.

Рис. 1. Отрезок ленты с 8-контактными модулями

Рис. 2. модуль в карте

Микроконтроллер К5004ВЕ1

Микроконтроллер К5004ВЕ1 для карт с многоуровневой системой защиты, является продолжением ранее разработанного в АО «Ангстрем» 8-разрядного микроконтроллера КР1878ВЕ1. Микроконтроллеры основаны на микроконтроллерном ядре «ТЕСЕЙ», предназначенном для построения 8-разрядных RISC-контроллеров реального времени.

Характерные особенности микроконтроллеров семейства ТЕСЕЙ:

  • гарвардская RISC-архитектура, позволяющая выполнять любую из 52 команд за два такта частоты процессора;
  • единая система команд для всего семейства с возможностью адресации до двух операндов, находящихся в памяти;
  • малое время реакции на прерывание и сохранение контекста;
  • широкий диапазон конфигураций внутренних памяти команд, памяти данных и периферийных устройств.

Рис.3 Кристалл К5004ВЕ1

На основе К5004ВЕ1 был разработан ряд специализированных операционных систем (ОС) для ИС ИК, в которых реализованы алгоритмы криптографической защиты информации, что позволяет создавать ИК с высоким уровнем интеллекта и защиты информации для широкого спектра областей применения.

Рис.3 Модули К5004ВЕ1Х в ленте

Структурная схема К5004ВЕ1

Основные характеристики

  • система команд 52 команды;
  • масочное ПЗУ ОС 8Кх16;
  • ОЗУ данных 256×8;
  • ЭСППЗУ 128×128, секторами по 16 байт;
  • Перепрограммирование 5 мс;
  • тактовая частота 10 МГц;
  • время выполнения любой команды при частоте 10 МГц 200 нс;
  • реакция на прерывание 400 нс;
  • криптозащита информации:
    • по ГОСТ 28 147 89 1 мс,
    • noTriple-DES 12 мс;
    • < 10 мА;
    • < 80 мкА в режиме WAIT

    Показатели устойчивости

    Микросхема устойчива к механическим и климатическим воздействиям по ГОСТ 18 725 и ГОСТ 15150 (исполнение В категории 4), в том числе:

    • линейным ускорениям – 5 000м/с2 (500д)
    • пониженной рабочей температуре – -10°С
    • повышенной рабочей температуре – +70°С
    • пониженной предельной температуре – -60°С
    • повышенной предельной температуре – +85°С
    • изменениям температуры среды – -60°+85°С
    Показатели надёжности:

    Наработка на отказ:

    • в полном диапазоне условий – 50 000 ч
    • в режиме (Ucc = 3 В ±5%) – 60 000 ч
    • интенсивность отказов – <1 х 10-6 1/ч
    • гамма процентный срок сохраняемости – 10 лет
    Средства защиты микроконтроллера

    В К5004ВЕ1 предусмотрены меры по защите ИС от попыток злоумышленников получить доступ к ключам шифрования и другим данным:

    • ИС имеет сектор индивидуальных данных с однократным программированием;
    • никаким воздействием нельзя привести ИС в исходное состояние до персонализации;
    • имеются датчики, отслеживающие отклонение питающего напряжения за определенный диапазон;
    • манипуляции уровнями и длительностями входных сигналов не приводят к непредсказуемым отказам в работе микросхемы;
    • имеются схемотехнические, конструктивные и технологические средства защиты блоков ПЗУ и ЭСППЗУ от попыток доступа к его содержимому и др.

    Поскольку микроконтроллер КБ5004ВЕ1 разработан на основе микроконтроллерного ядра ТЕСЕЙ, для его программирования и отладки используются соответствующие средства программирования и отладки ТЕСЕЙ с добавлением элементов криптографической защиты. Система включает:

    • компилятор ассемблера микроконтроллера;
    • программный эмулятор микроконтроллера, обеспечивающий возможность эскизной проработки программного обеспечения микроконтроллера на ПЭВМ типа 1ВМ РС без применения специализированных аппаратных средств;
    • криптографическая библиотека;
    • программная библиотека управления ресурсами кристалла.

    Помимо микроконтроллера К5004ВЕ1 для использования в высокозащищённых микропроцессорных ИК в АО «Ангстрем» были разработаны и серийно выпускаются ИМС для функционально более простых и, соответственно, более доступных видов ИК, к которым относятся:

    • Микросхемы для карт памяти, построенные на основе ИС специально организованного постоянного (ПЗУ) или электрически стираемого перепрограммируемого запоминающего устройства (ЭСППЗУ) с защитой информации. ИК с ПЗУ используются преимущественно в качестве идентификаторов, а ИК с ЭСППЗУ — в системах с предоплатой по тарифу, в информационных системах и т.п.
      • К5004РС1 — 4-х проводное ЭСППЗУ 1К (64х16)
      • К5004РС2 — 2-х проводное ЭСППЗУ 2К (256х8)
      • К5004РР4 — 2-х проводное ЭСППЗУ 4К (64 страницы по 8 байт)
      • КБ5004РР1 — Счетчик на ЭСППЗУ для таксофонных карт с встроенными средствами для аутентификации с высокой криптостойкостью. (16 бит ПЗУ + 616 бит ЭСППЗУ)
      • КБ5004РР2 — ЭСППЗУ 16 Кбит с четырьмя зонами парольной защиты
      • КБ5004РР3 — ЭСППЗУ 256х8 для идентификационных карт
      • ИМС КБ5004ХК1 – бесконтактное радиочастотное ППЗУ ёмкостью 64 бит с частотой радиоканала 13,56 МГц. ИС является основой идентификаторов КИБИ-002, КИБИ-002 МТ, БИБ-002, БИЖ-002, БИД-002-1 и БИМ-002.
      • ИМС КБ5004ХК2 – бесконтактное радиочастотное ППЗУ ёмкостью 64 бит, с частотой радиоканала 125 кГц. ИС является основой идентификаторов КИБИ-001 и БИБ-001
      • КБ5004ХК3 – бесконтактное радиочастотное криптозащищенное ЭСППЗУ ёмкостью 8 Кбит, с частотой радиоканала 13,56 МГц. ИС является основой идентификаторов КИБИК

      Микроконтроллер К5004ВЕ1 нашёл широкое применение для различных проектов, например:

      • в банковских платежных системах UnionCard и Автобанк;
      • в высокозащищенных системах контроля и управления доступом ФГУП НТЦ «Атлас»;
      • в высокозащищенных системах защиты персональных документов ФГУП НТЦ «Атлас», ФГУП НТЦ «Базис», ЗАО «Терна» и ряде других государственных и коммерческих предприятий;
      • в качестве модуля безопасности фирм «БелТелеком» и URMET (Италия, в таксофонах, применяемых в России) и других вариантах применения ИК платформ 1, 2 и 3.
      • В качестве средства фискализации платежей – для криптографической защиты информации в контрольно-кассовой технике. Он является обязательной частью электронной контрольной ленты защищенной (ЭКЛЗ), которая должна быть в каждом кассовом аппарате, что позволяет вести учет доходов и исчисление налогов.

      На момент своего создания микроконтроллер К5004ВЕ1 обладал выдающимися техническими характеристиками, которые выгодно выделяли его на фоне зарубежных аналогов, имел исключительно надежную систему защиты, которая полностью соответствовала и российским, и зарубежным стандартам криптографической защиты информации.

      В последнее десятилетие в сфере применения ИК произошли существенные изменения. Произошло широкомасштабное внедрение ИК следующего поколения – бесконтактных карт, а также дуальных, использующих одновременно и контактный, и бесконтактный протокол. Серьёзные изменения произошли в области требований к криптографической защите ИК – официально утверждены стандарты ГОСТ 34.10-2012, описывающие алгоритмы формирования и проверки электронной цифровой подписи и ГОСТ Р 34.12-2015, описывающий алгоритм блочного шифрования.

      Перспективы развития Применение в других областях

      Внедрение новых стандартов и расширение номенклатуры карт следующего поколения неизбежно сузили сферу применения микроконтроллера К5004ВЕ1, исключив из банковской сферы, имеющей повышенные требования к персонификации пользователей.

      Тем не менее, область применения микроконтроллера К5004ВЕ1 остаётся весьма широкой, включая в себя СКУД широкого применения. К5004ВЕ1 полностью удовлетворяет корпоративным требованиям к одно- и двухфакторной аутентификации пользователей, требованиям по стойкости к воздействию климатических, механических и специальных факторов. Серия 5004 хорошо себя зарекомендовала по соотношению цена – степень защищенности, что поддерживает на нее высокий спрос на рынке. Кроме того, она имеет потенциал для дальнейшего развития и модернизации.

      Развитие новых форматов

      АО «Ангстрем», имея большой опыт в разработке и производстве микроконтроллеров для ИК, внес заметный вклад в устранение доминирования в России зарубежные ИК-систем. В условиях высокой конкуренции и политического обострения, доминирование иностранных разработок в сфере защиты информации могло привести к весьма неблагоприятным последствиям. Поэтому АО «Ангстрем», имея свой микроконтроллер, привлекло к сотрудничеству российских производителей ИК, разработчиков ОС и прикладного программного обеспечения (ПО), создав целое семейство надежных и эффективных интеллектуальных карт различного назначения.

      Подобный опыт свидетельствует о том, что только в кооперации отечественных разработчиков и производителей электронной техники, разработчиков ПО, производителей техники в других отраслях можно создавать микроэлектронику, достойную великой страны.

      АО «Ангстрем», имея собственную производственную базу, испытательный комплекс и самое важное – разработчиков ИС, готово к широкой кооперации с партнёрами на всех этапах разработки. Совместная работа на стадиях схемотехнического и топологического проектирования, кристального, сборочного и аппаратного производства, разработки системного и прикладного ПО, разработки проектной, конструкторской и технологической документации позволит найти оптимальные решения сложных задач и поддержать отечественную микроэлектронную отрасль на высоком уровне.

      В частности, АО «Ангстрем» готово осуществлять совместную разработку схемотехнических и топологических решений МС, интегрировать разработанные партнёрами кристаллы, прикладное и системное ПО, обеспечивать опытное и серийное производство ИК и ИС. В рамках технической и финансовой кооперации есть возможность запустить целый ряд проектов, например:

      Тотальный микроконтроль. Какие бывают микроконтроллеры и как выбрать подходящий

      Микроконтроллер (Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами.

      Определение выше что-то напоминает. Ах да, микропроцессор! Эти два сложных (в сравнении с остальными) электронных компонента похожи. Они обрабатывают цифровую информацию и выполняют программы. Но микроконтроллер несколько интереснее: он уже содержит оперативную память (RAM), постоянную память (ROM), память программы (Flash) и некоторую встроенную периферию. С ним легче начать работать, ему не нужно много обвязки для функционирования.

      С появления в 70-х годах первых микроконтроллеров необходимость в проектировании сложного устройства отпала. Долгое время монополию на их производство держала компания Motorola, но их продукция была дороговата для обывателей. Сейчас же американские компании теснят конкуренты из Азии, которые готовы осчастливить каждого за чисто символическую сумму.

      Давай вместе попробуем разобраться в современном рынке микроконтроллеров. Замечу, что говорить мы будем только о бюджетных и широко специализированных модельных линейках, то есть о тех, которые используют электронщики.

      Логотип компании Microchip Technology

      Логотип компании Microchip Technology

      Открывает наш парад компания Microchip Technology с серией PIC. Эти МК отличаются между собой разрядностью (8/16/32), набором периферии и корпусом чипа. Восьмибитные варианты же делятся на четыре семейства: baseline, mid-range, enhanced mid-range и PIC18. Более подробная информация приведена в таблице.

      Также есть 16-битные «пики» — PIC24F и DsPIC30/33F. Ну и 32-битные — PIC32MX. Эти непонятные сочетания букв и цифр — часть идентификатора чипа. То же, что и марки у машин. Например, широко распространенный камень PIC16F628A расшифровывается так: семейство PIC16F6 (Mid-range), а остальная часть имени — указатель на конкретный камень. У рассмотренных далее МК в имени может содержаться еще больше информации.

      Микроконтроллер PIC16F628A

      Микроконтроллер PIC16F628A

      Эти микроконтроллеры имеют среднюю стоимость. Например, камень PIC6F628 в Chipdip стоит около 150 рублей, а PIC18F2550 — 620 рублей.

      Более дешевые экземпляры имеют в своем составе минимум периферии. У упомянутого ранее PIC6F628 следующие характеристики: встроенный тактовый генератор для работы с частотой 4 или 8 МГц; 18 пинов, из них 16 — ввод/вывод, а 2 — питание; для работы на более высоких частотах можно подключить кварцевый резонатор; Flash-память объемом 2048 слов; 4 аналоговых входа; два 8-битных таймера и один 16-битный; 224 байта ОЗУ (самому смешно); 128 байт EEPROM (это программно перезаписываемая энергонезависимая память, вроде жесткого диска); интерфейс UART.

      Программирование и использование PIC

      Программируют для микроконтроллеров, как правило, на ассемблере и на Си. Есть множество сред разработки: MPASM и MPLAB, MicroC, JALedit (язык JAL, сам про него впервые слышу).

      Как правило, на таких МК собирают простенькие устройства вроде мигалки или таймера. Эти контроллеры долго имели монополию на постсоветском пространстве, и в результате в интернете есть огромное множество русскоязычных сервисов и статей, посвященных этим моделям МК. При сборке устройства часто можно даже не писать прошивку, ведь она легко находится в интернете, даже в нескольких вариантах.

      Вторым плюсом можно указать встроенные независимые (от тактового генератора) счетчики. Благодаря этому факту семейство зарекомендовало себя в качестве «мозгов» для частотомеров. Пара таких контроллеров лежит у меня в мастерской на черный день. Из минусов можно выделить только высокую стоимость оригинальных программаторов, которые зовутся PICkit.

      PICKIT3

      PICKIT3

      В интернете есть множество статей по сборке достойных аналогов таких программаторов. Но вся соль в том, что для сборки программатора тебе нужно что? Правильно, программатор. На этот случай был разработан программатор Громова. Для его сборки почти ничего не нужно, а работает он от COM-порта компьютера. На момент его разработки популярность этой серии МК была высока, да и COM-порты были у всех ПК. Сейчас все это уже редкость, так что придется преодолеть порог вхождения либо раскошелиться.

      Продолжение доступно только участникам

      Вариант 1. Присоединись к сообществу «Xakep.ru», чтобы читать все материалы на сайте

      Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», позволит скачивать выпуски в PDF, отключит рекламу на сайте и увеличит личную накопительную скидку! Подробнее

      голоса
      Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector