Алексей Сигаев

Микроконтроллеры фирмы Hitachi

 В предыдущих номерах журнала уже рассказывалось о микроконтроллерах таких известных производителей, как Atmel, AMD, NEC, Philips Semiconductors, Texas Instruments и др. Продолжая тему микроконтроллеров, в этом номере вниманию читателей предлагается обзор продукции еще одного из крупнейших мировых производителей полупроводниковых компонентов — фирмы Hitachi Semiconductor.

 Являясь одним из мировых лидеров в области производства цифровых микросхем, фирма Hitachi естественным образом не могла обойти стороной и такой обширный сегмент рынка, как микроконтроллеры. К настоящему времени фирмой Hitachi разработаны и выпускаются два больших микроконтроллерных семейства. К первому, условно названному H8, относятся восьми- и шестнадцатиразрядные встраиваемые МК, а второе — SuperH — включает в себя несколько тридцатидвухразрядных RISC-контроллеров. Остановимся на этих двух семействах более подробно.

1. Семейство микроконтроллеров H8

 Семейство H8 содержит в себе большое количество восьми- и шестнадцатиразрядных микроконтроллеров CISC-архитектуры, совместимых между собой снизу вверх. Продукция Hitachi в настоящее время лидирует на рынке шестнадцатиразрядных микроконтроллеров (объем ее продаж уже перевалил за отметку в $1 млн, что составляет около 30 % от общего объема), а на рынке восьмиразрядных микроконтроллеров Hitachi уже долгое время входит в пятерку ведущих производителей.

Рис. 1

 Семейство H8 (рис. 1) состоит из микроконтроллеров четырех серий:

• H8/300L — серия восьмиразрядных микроконтроллеров начального уровня, ориентированных на применение в тех системах, где ключевыми факторами являются сверхнизкое энергопотребление и малая стоимость;
• H8/300 — серия микроконтроллеров, совместимых по коду с H8/300L, но имеющих в два раза меньшее время выполнения инструкций и расширенное до 64 Кбайт адресное пространство; как и в серии H8/300L, система команд и архитектура серии H8/300 оптимизированы для поддержки компиляторов языков высокого уровня;
• H8/300H — серия шестнадцатиразрядных микроконтроллеров, совместимых снизу вверх с сериями H8/300 и H8/300L, имеющих производительность до 10 MIPS и расширенное до 16 Mбайт адресное пространство; кроме того, микроконтроллеры серии H8/300H могут иметь значительный (до 128 Кбайт) объем flash-памяти программ и большое количество разнообразных интегрированных периферийных устройств;
• H8S — серия совместимых с H8/300H шестнадцатиразрядных микроконтроллеров, имеющих полностью статическое ядро, что позволило уменьшить энергопотребление в standby-режиме до 0,03 мкВт; кроме того, за счет уменьшившегося до одного такта времени выполнения большинства инструкций и возросшей до 25 MГц тактовой частоты значительно возросла производительность микроконтроллеров данной серии, достигшая, как и в серии H8/300H, 25 MIPS; микроконтроллеры серии H8S имеют богатый набор периферии, до 256 Кбайт памяти программ и до 16 Кбайт RAM.

 Микроконтроллеры семейства H8 поддерживают множество различных режимов пониженного энергопотребления:

• Sleep — работает тактовый генератор, CPU остановлен, состояние регистров CPU, периферии и RAM сохраняется;
• Software Standby — тактовый генератор остановлен, сохраняется только состояние регистров CPU и содержимое RAM;
• Hardware Standby (кроме H8/300L) — тактовый генератор остановлен, сохраняется только содержимое RAM;
• Medium Speed (только H8/300L и H8S) — Bus Master работает на пониженной частоте, периферия функционирует в нормальном режиме;
• Subsleep/Watch (только H8/300L и H8S) — CPU остановлен, работают только таймеры на частоте 32 кГц;
• Subactive (только H8/300L и H8S) — CPU и таймеры работают на частоте 32 кГц;
• Module Standby (только H8/300H и H8S) — остановка одного или нескольких интегрированных периферийных устройств.

 В табл. 1 приведена информация по энергопотреблению микроконтроллеров семейства H8 при работе в различных режимах, а в табл. 2 — по максимально доступным для микроконтроллеров семейства H8 объемам интегрированной памяти.

Таблица 1. Энергопотребление микроконтроллеров семейства Н8

1. Все измерения проводились на микроконтроллерах H8/3644 (для H8/300L), H8/3437 ( для H8/300), H8/3048 (для H8/300H) и H8S/2237 (для H8S).
2. Значения потребляемой энергии приведены для работы на максимальной тактовой частоте при напряжении питания 3 В.
3. Р8.300Р и H8S также поддерживают "Clock Gearing-Down" - программно-управляемое понижение тактовой частоты.

Таблица 2. Максимально доступный объем памяти микроконтроллеров семейства H8

 Остановимся теперь более подробно на каждой из серий семейства H8.

1.1. Микроконтроллеры серии H8/300L

 Всего в серии H8/300L насчитывается более 45 микроконтроллеров (табл. 3), ключевыми особенностями которых являются сверхнизкое энергопотребление, возможность работы при пониженном вплоть до 1,8 В напряжении питания, а также наличие микроконтроллеров со встроенными драйверами для управления LCD или законченным LCD-контроллером. В серии также присутствуют микроконтроллеры с flash-памятью программ, объем которой может достигать 60 Кбайт, а объем встроенной RAM варьируется от 512 байт до 2 Кбайт. Все микроконтроллеры имеют большое число портов ввода/вывода, а также встроенный восьми- или десятиразрядный многоканальный АЦП. Кроме того, микроконтроллеры серии H8/300L поддерживают большое число режимов энергосбережения, что в сочетании со встроенным контроллером LCD делает их удобными для применения в портативных устройствах.

Таблица 3. Характеристики микроконтроллеров серии Н8/300L

1.2. Микроконтроллеры серии H8/300

 Микроконтроллеры этой серии в целом повторяют серию H8/300L, отличаясь повышенным быстродействием и гораздо более развитой периферией. Так, практически все микроконтроллеры серии H8/300 (за исключением изделий группы H8/3297) имеют интегрированный контроллер I2C, контроллер интерфейса с шиной ISA и контроллер клавиатуры, а некоторые имеют также встроенный двухканальный ЦАП (табл. 4).

Таблица 4. Характеристики микроконтроллеров серии Н8/300

1.3. Микроконтроллеры серии H8/300H

 Микроконтроллеры серии H8/300H являются представителями младшей линейки шестнадцатиразрядных МК фирмы Hitachi. Являясь совместимыми снизу вверх с восьмиразрядными микроконтроллерами, они отличаются от них помимо повышенной разрядности уменьшенным до двух тактов средним временем выполнения инструкций, повышенной до 20 МГц максимальной тактовой частотой и, как следствие, значительно возросшей производительностью. Кроме того, все изделия серии H8/300H имеют расширенное до 16 Мбайт адресное пространство. Максимальный объем встроенной памяти может достигать 128 Кбайт. МК содержат интегрированный контроллер внешней памяти (SRAM или DRAM), который позволяет подключать внешнюю память без использования дополнительных микросхем. В состав встроенной периферии могут входить контроллеры DMA, до пяти шестнадцатиразрядных PWM с расширенными возможностями, двухканальный цифро-аналоговый преобразователь и Smartcard-интерфейс (табл. 5). Все старшие модели контроллеров каждой группы в этой серии имеют варианты с flash-памятью программ, что облегчает и удешевляет разработку систем с их использованием.

Таблица 5. Характеристики микроконтроллеров серии Н8/300Н

1.4. Микроконтроллеры серии H8S

 Серия микроконтроллеров H8S является дальнейшим развитием шестнадцатиразрядных микроконтроллеров фирмы Hitachi. Она хотя и является совместимой снизу вверх с микроконтроллерами серии H8/300H, но базируется на новом статическом ядре. Минимальное время выполнения инструкций составляет всего один такт, что позволяет повысить производительность практически вдвое по сравнению с устройствами серии H8/300H. Еще одним значительным нововведением является появившийся в некоторых микроконтроллерах серии H8S модуль аппаратного умножения с накоплением (MAC) — 16Ѕ16+42 бит. Кроме того, значительно расширился набор встроенной периферии, которая теперь может включать в себя I2C-, IrDA-, SmartCard- и CAN-контроллеры, а к возможностям интегрированного контроллера внешней памяти добавилась поддержка BurstROM. Все МК серии H8S имеют множество различных режимов понижения энергопотребления, включая помодульное отключение периферийных устройств, что позволяет использовать их в автономных устройствах, для которых энергопотребление является немаловажным фактором. Более подробные характеристики микроконтроллеров серии H8S приведены в табл. 6 и 7.

Таблица 6. Характеристики микроконтроллеров серии H8S/2100

Таблица 7. Характеристики микроконтроллеров серии H8S/2200/2300/2600

2. Семейство RISC-контроллеров SuperH

 Семейство контроллеров SuperH (табл. 8) базируется на тридцатидвухразрядном RISC-ядре с длиной инструкции 16 бит, выполняющем по одной инструкции за такт. Все семейство SuperH состоит из нескольких серий (SH-1, SH-2, SH-DSP, SH-3, SH3-DSP, SH-4), каждая из которых оптимизирована для определенных применений. Остановимся на них немного более подробно.

Таблица 8. Характеристики RISC-микроконтроллеров семейства SuperH

 Микроконтроллеры серии SH-1 (SH7020/ 21/32/34) имеют производительность, достигающую 26 MIPS, встроенную память программ объемом до 64 Кбайт и не требующий дополнительных компонентов интерфейс для подключения внешней памяти (DRAM или SRAM). Встроенная периферия микроконтроллеров этой серии включает в себя специальные таймеры для построения систем управления электродвигателями, четырехканальный контроллер DMA и два последовательных порта. Благодаря своему низкому энергопотреблению (в среднем 200 мВт в рабочем режиме) микроконтроллеры этой серии оказываются удобными для применения в автономных системах, где требуется высокая производительность, например, таких, как навигационные приемники.

 Микроконтроллеры серии SH-2 (SH7014/ 16/17/40...45/50...55 и SH7604), обладая большей по сравнению с серией SH-1 функциональностью, имеют в то же время значительно возросшую производительность — до 43 MIPS. В серии имеются микроконтроллеры (SH7044/45) с flash-памятью программ объемом до 256 Кбайт, программируемой при напряжении 5 В. Кроме того, все микроконтроллеры этой серии имеют большой набор многофункциональных таймеров и многоканальный десятиразрядный АЦП, что делает их удобными для применения в индустриальных системах и в системах управления двигателями. Один из наиболее мощных микроконтроллеров данной серии, SH7055, имеет 512 Кбайт flash-памяти программ, два CAN2.0B-совместимых порта и 13 таймеров и предназначен для применения в системах управления автомобильными двигателями. Для тех применений, где необходимо использование внешней памяти, предназначен чип SH7604, контроллер памяти которого имеет поддержку SDRAM. Серия SH-DSP состоит из трех чипов (SH7410, SH7612 и SH7065), каждый из которых помимо тридцатидвухразрядного RISC-ядра включает в себя полнофункциональный шестнадцатиразрядный целочисленный DSP, архитектура которого позволяет производить умножение 16Ѕ16 бит за один такт. Производительность микроконтроллеров серии SH-DSP составляет до 87 MIPS или 133 MOPS. Наличие модуля DSP в сочетании с высокой производительностью и памятью программ объемом до 256 Кбайт позволяет применять микроконтроллеры этой серии для построения высокопроизводительных систем и для систем прецизионного управления двигателями. Серия SH3-DSP состоит из единственного чипа — SH7729, который ориентирован на применение в Voice-over-IP (VoIP) системах. Этот микроконтроллер содержит на одном кристалле RISC-ядро, DSP, 16 Кбайт RAM, 16 Кбайт кэш-памяти, контроллер внешней памяти с поддержкой SDRAM и встроенный модуль отладки.

 Производительность данного МК достигает 173 MIPS или 266 MOPS при работе на частоте 133 МГц. Кроме того, для микроконтроллеров серий SH-DSP и SH3-DSP были разработаны библиотеки, реализующие стандарты сжатия звука G.729 и G.723, которые применяются в цифровой телефонии, что облегчает разработку систем с использованием микроконтроллеров этих серий.

 Микроконтроллеры серии SH-3 (SH7707/ 08/09/18) имеют производительность до 173 MIPS. Интегрированная периферия может включать в себя контроллер IrDA, SmartCard-интерфейс, часы реального времени, до трех последовательных портов, контроллер памяти с поддержкой SDRAM, встроенный модуль отладки и многое другое. Наличие в чипе модуля управления памятью (MMU), широкий набор периферии и малое энергопотребление делают микроконтроллеры этой серии удобными для построения на их базе «ручных» PC, систем беспроводной связи и других портативных устройств, для которых эффективное управление энергопотреблением играет большую роль в продлении времени работы от одного запаса батарей.

 Серия SH-4, так же как и SH3-DSP, состоит из единственного чипа — SH7750, который на сегодняшний день является одним из самых производительных RISC-контроллеров (его производительность достигает 360 MIPS на частоте до 200 МГц). Однако, несмотря на столь высокую производительность, его энергопотребление составляет порядка 1,5 Вт при работе на максимальной частоте, что позволяет использовать его в «ручных» PC и подобных мультимедиа-продуктах, а также в автомобильных навигационных системах. Кроме того, высокая производительность позволяет применять этот контроллер и в коммуникационных продуктах.

 Архитектура контроллеров семейства SuperH была лицензирована такими фирмами, как STMicroelectronics, Sony, Epson и NTT, а средства разработки ПО для процессоров этого семейства производятся такими крупными фирмами, как Microsoft, Sun, HP, WindRiver, ATI, Green Hills, GNU и многими другими, что свидетельствует о высокой популярности микроконтроллеров семейства SuperH.

phantom@tversu.ru

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы