Co mogły mikrokontrolery i FPGA 25 lat temu?

MIKROKONTROLERY I FPGA TEMAT NUMERU Wehikuł czasu elektronika konstruktora 25 lat minęło... Co mogły mikrokontrolery i FPGA 25 lat temu? Oczywistym banałem jest stwierdzenie, że możliwości, wyposażenie, cechy funkcjonalne współczesnych mikrokontrolerów i układów FPGA są nieporównywalnie większe niż te, które były dostępne dla konstruktorów w chwili ukazania się pierwszego numeru EP na rynku (styczeń 1993). Oczywistym banałem jest także stwierdzenie, że jakości, funkcjonalności, wygody użytkowania i dostępności narzędzi do realizacji projektów w tych układach także nie da się bezpośrednio porównać. Trzecim banałem jest fakt, że pamięć ludzka działa w specyficzny sposób idealizując przeszłość, co spowodowało, że pisząc ten artykuł dokonałem kilku odkryć, które wprawiły mnie w osłupienie. Jest ono skutkiem uświadomionej sobie skali zmian jakie zaszły w elektronice. 25 lat temu wcale nie było różowo Pierwszym poważnym jaki musiał pokonać w 1993 polski elektronik, zamierzający wykonać swój projekt na mikrokontrolerze lub jakimkolwiek układzie programowalnym, był bardzo trudny dostęp do dokumentacji. Była ona dostępna wyłącznie w wersji papierowej (serio!), jednym z popularniejszych sposobów docierania do niezbędnych materiałów był zakup kserówek oryginalnych katalogów na warszawskim Wolumenie. Bardziej dociekliwi mogli skorzystać z zasobów bibliotek technicznych poukrywanych w różnych Instytutach, niezłym także wyjściem było szperanie w bibliotekach uczelni technicznych, które w tajemniczy sposób potrafiły zdobywać opasłe księgi wydawane przez National Semiconductor, Texas Instruments, Motorolę, Intela czy Philipsa (fotografia 1). Zdeterminowani elektronicy po zdobyciu niezbędnej dokumentacji stawali przed drugim problemem: gdzie zdobyć oprogramowanie? Tu z pomocą przychodziła giełda komputerowa przy ulicy Grzybowskiej w Warszawie, gdzie na dyskietkach 5,25 cala można Fotografia 1. 25 lat temu tego typu katalogi były bezcenne dla praktykujących elektroników Fotografia 2. Oryginalne oprogramowanie narzędziowe było 25 lat temu rzadkością, także w polskich firmach 54 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2018

było znaleźć pośród wielu gier uruchamianych na perełki w postaci programów typu 8749asm.exe, 8051sim.exe czy asm6502.com (fotografia 2). Ooops, pominąłem ważny aspekt tego wątku: zdobywanie oprogramowania miało sens w przypadku, kiedy zdobywający miał dostęp do odpowiedniego komputera, bo jego posiadanie w domu nie było oczywiste (serio!). Kilka osób znanych Czytelnikom z zespołu redakcyjnego EP wykazało się wystarczająca determinacją żeby stać się posiadaczami dokumentacji, oprogramowania, mieli także własne PC. Pozostał przedostatni problem do rozwiązania: jak zdobyć niezbędne programatory (fotografia 3 i 4), przydatne emulatory i niezbędne wówczas kasowniki ultrafioletowe, które pozwalały czyścić pamięci EPROM, powszechnie wówczas używane jako pamięci programu zarówno w systemach mikroprocesorowych, mikrokontrolerowych jaki i systemach FPGA/PLD. Problem ten był rozwiązywany na różne sposoby, jednym z nich było samodzielne wykonanie odpowiedniego sprzętu, w czym częściowo w kolejnych latach pomagała także Elektronika Praktyczna. Przykładem takiego działania był m.in. emulator sprzętowy 8051 (AVT-282 fotografia 5, opisany w EP3/1995), który doskonale współpracował z komputerem na 8051 (AVT-222, fotografia 6, opisany w EP11/1994) oraz pierwszym w historii EP zestawem startowym AVT-107 z mikrokontrolerem 8051 (fotografia 7, opisany w EP9/1993). Ogromną pomocą sprzętową dla ówczesnych projektantów systemów mikroprocesorowych i mikrokontrolerowych był opracowany w redakcji, bardzo nowoczesny symulator pamięci EPROM AVT-270. Udawał on wszystkie popularne typy pamięci o pojemnościach od 16 do 512 kb, znacznie przyspieszając testowanie oprogramowania. Fotografia 3. Inwestycja w taki zestaw była niezbędną podstawą dla biura konstrukcyjnego, co wiązało się z czasami niebagatelnym wysiłkiem finansowym Fotografia 5. Kopia fotografii ilustrującej wygląd zestawu AVT-282 opisanego w EP3/1995 Fotografia 4. Redakcyjny programator-emulator mikrokontrolerów 68HC05J1A, dzięki któremu powstało kilka projektów opublikowanych w EP w latach 90 ubiegłego wieku Fotografia 6. Kopia fotografii ilustrującej wygląd zestawu startowego AVT-222 opisanego w EP11/1994 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2018 55

MIKROKONTROLERY I FPGA TEMAT NUMERU Wehikuł czasu elektronika konstruktora 25 lat minęło... Mikrokontrolery 1993-2018 Elektronicy, którzy przetrwali opisane powyżej testy determinacji i uporu, przechodzili do kolejnego etapu, w którym musieli pokonać dwa ostatnie problemy: ekonomiczny: cenę mikrokontrolerów (średnia pensja w Polsce w 1993 wynosiła 4 mln zł, co w przeliczeniu zrobiłem to na podstawie cen i kursów publikowanych na stronie http://bigmacindex.org było równowartością ok. 160 USD) logistycznym: czy pożądany element da się kupić w Polsce, bowiem firmy dystrybucyjne (poza brytyjskim Macro, która to firma miała przedstawicielstwo w Warszawie) dopiero dowiadywały się, że nasz rynek w ogóle istnieje. Łatwo więc nie było, a stan nie-łatwości pogłębiał fakt, że zasoby i wyposażenie zarówno zdobytych w pocie czoła mikrokontrolerów oraz ówczesnych układów PLD nie były oszałamiające Mikrokontrolery obierały swoją współczesną postać już w latach 70 ubiegłego wieku, kiedy to na rynku pojawiły się produkowane przez Texas Instruments układy z rodziny TMS1000. Na początku lat 90 dużą popularnością cieszyły się mikrokontrolery Intela z rodziny 8x4x, wyposażone w 1-4 kb pamięci programu typu ROM lub EPROM, 64-256 B pamięci RAM, a także ograniczoną liczbę pinów I/O. Relatywnie łatwo dostępne były także wersje mikrokontrolerów z rodziny 803x, pozbawionych wewnętrznej pamięci programu. Na bazie tych układów oraz nowszych wersji z rodziny 8051, już w pierwszym roku wydawania Elektroniki Praktycznej przygotowaliśmy kilka projektów. Były to m.in. cyfrowy minutnik AVT-56 (EP7/1993), tuner satelitarny AVT-66 (EP9/1993). W roku 1994 pojawiły się kolejne opracowania mikrokontrolerowe, w tym m.in. spektakularny zegar DCF (AVT-217) czy opracowany przez jednego z naszych Czytelników system mikroprocesorowy zdalnego sterowania, którego opis opublikowaliśmy w EP8/1994. W międzyczasie próbę zaistnienia na polskim rynku półprzewodników podjęła firma SGS-Thomson (obecnie STMicroelectronics), która była producentem mało wtedy znanej rodziny mikrokontrolerów ST62. Były to stosunkowo proste mikrokontrolery z 8-bitowym CPU, ale w odróżnieniu od rodzin intelowskich miały wbudowane różnego rodzaju peryferia sprzętowe, jak np. przetwornik A/C, proste timery, interfejsy komunikacyjne UART oraz SPI, większe wersje także kontrolery segmentowych LCD. Wszystkie modele ST62 miały wbudowaną pamięć EPROM lub EPROM-OTP o pojemności 1-8 kb, RAM o pojemności do 320 B, niektóre modele także wewnętrzny EEPROM o pojemności 64 lub 128 B. Mikrokontrolery ST62 dość szybko podbiły serca kilku osób w redakcji, co zaowocowało powstaniem sporej liczby projektów bazujących na różnych modelach mikrokontrolerów z tej rodziny, jak np. mikroprocesorowy miernik częstotliwości AVT-42 (fotografia 8), autoalarm Asher AVT-507 (w ramach Produkcji rozproszonej, EP9/1994), centrala alarmowa AVT-206 (EP6/1995), programator Fotografia 8. Wygląd mikroprocesorowego miernika częstotliwości AVT-42 z mikrokontrolerem ST62 Fotografia 9. Wygląd odbiornika GPS AVT-888 z mikrokontrolerem z rodziny ST62 - opis w EP6/1999 Fotografia 7. Kopia fotografii ilustrującej wygląd zestawu startowego AVT-107 z mikrokontrolerem 8051, który został opisany w EP9/1993 56 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2018

Rysunek 10. Kontroler mikroprocesorowy z 68HC05J1A do programowanego zasilacza laboratoryjnego AVT-366 (EP12/1997) REKLAMA mikrokontrolerów AVT-363 (EP11/1997), czytnik-programator kart chipowych AVT-468 w EP9/1998 czy odbiornik GPS AVT-888 (EP6/1999 fotografia 9). Nieco bardziej awangardowe na naszym krajowym rynku były mikrokontrolery 68HC05 produkowane przez Motorolę (obecnie NXP, dawniej Freescale). Były to układy wyposażone w pamięć EEPROM, charakteryzujące się prostą, przejrzystą architekturą, które znalazły miejsce w kilku projektach przedstawionych na łamach EP. Były to m.in. programowany zasilacz laboratoryjnym AVT-366 z EP12/1997 (schemat części cyfrowej przypominamy na rysunku 10) i mikroprocesorowy odbiornik DTMF (AVT-329, EP6/1997). Redakcyjni konstruktorzy śledzili oczywiście zmiany zachodzące na rynku, dzięki czemu już w czerwcu 1995 roku pokazaliśmy naszym Czytelnikom mikrokontrolery PIC16C5x firmy Arizona Microchip Technology, które prezentowały nowoczesne podejście do budowy mikrokontrolerów, ale nadal były wyposażone w niezbyt atrakcyjną pamięć EPROM OTP. Fotografia 11. Opracowany w redakcji programator stacjonarny AVT 812 dla mikrokontrolerów AVR (EP4/1999)

MIKROKONTROLERY I FPGA TEMAT NUMERU Wehikuł czasu elektronika konstruktora 25 lat minęło... Mikrokontrolerowy przełom zaczął się w chwili wprowadzenia przez firmę Atmel do produkcji mikrokontrolerów 89C5x z wbudowaną pamięcią Flash i wkrótce po tym pierwszych mikrokontrolerów AVR programowanych w systemie (ISP). Po raz pierwszy o narzędziach dla rodziny AVR pisaliśmy w EP10/1998, a pierwszy programator stacjonarny dla tych mikrokontrolerów opisaliśmy na naszych łamach w EP4/1999 (AVT 812, fotografia 11). Nietrudno stwierdzić, że to wprowadzenie na rynek relatywnie tanich mikrokontrolerów z interfejsem ISP i reprogramowalną pamięcią Flash było momentem rewolucyjny w świecie elektroniki. Nie wyobrażamy sobie przecież obecnie innych metod programowania i debugowania pracy mikrokontrolerów niż za pośrednictwem interfejsu ISP, nie wyobrażamy sobie także czasu trwania cyklu pracy CPU na poziomie dziesiątek mikrosekund. AVR-y bardzo dużo zmieniły, niemniej jednak ich rynkowy kres nastał, a rynek bezpowrotnie zdominowały zhomogenizowane mikrokontrolery z rdzeniami Cortex-M. Stosowanie tych układów jest znacznie mniej romantyczne niż 25 lat temu, ale w międzyczasie przestaliśmy dokładnie liczyć pojemność dostępnej pamięci stałej (2-4 MB Flash nie jest obecnie specjalnym wyczynem) i RAM (16-128 kb to w zasadzie standard, dostępne są warianty mikrokontrolerów z wbudowaną 1 MB SRAM). Także inne zasoby mikrokontrolerów nie są dotknięte limitami sprzed 25 lat konstruktorzy obecnie bez trudu znajdą układy z wieloma interfejsami komunikacyjnymi, zaawansowanymi timerami, wielokanałowymi ADC i DAC, zautomatyzowanymi DMA, konfigurowalnymi kontrolerami przerwań, szybkimi CPU o mocach obliczeniowych wielokrotnie przekraczających moce komputerów stacjonarnych sprzed kilkunastu lat, a przy tym wszystkim pobierające kilkadziesiąt ma Rozbudowa możliwości mikrokontrolerów odcisnęła poważne piętno na ofercie producentów podzespołów, bowiem z rynku w zasadzie zniknęły procesory DSP i DSC o mniejszych mocach obliczeniowych (w aplikacjach DSP zastąpiły je układy z rdzeniami Cortex-M4 i Cortex-M7), a powszechnie dostępne (także w Cortex-M4 i M7) jednostki obliczeniowe FPU umożliwiły implementację w mikrokontrolerach złożonych algorytmów obliczeniowych, co było do niedawna domeną komputerów stacjonarnych. W tle rewolucji sprzętowej odbyła się także rewolucja programowa: dla większości rodzin mikrokontrolerów dostępne są kompletne i przy tym bezpłatne środowiska programistyczne i kompilatory. Z rynku praktycznie zniknęły narzędzia dla programistów korzystających z języków innych niż C/C++/C#, coraz częściej projekty bazują na gotowych bibliotekach udostępnianych przez producentów mikrokontrolerów. Zmianie uległ styl pisania programowów, który ewoluuje w stronę modelu warstwowego bazującego HAL, coraz mniej programistów wie, do jakiego rejestru pisze Fotografia 12. Schemat blokowy pierwszego projektu zaimplementowanego w CPLD, jaki został opublikowany w EP Większość zmian, jakie zaszły na rynku w ciągu ostatnich 25 lat miało na celu skrócenie czasu pisania oprogramowania, zwiększenie jego stabilności, a także po wprowadzeniu na rynek mikrokontrolerów z rdzeniami Cortex-M maksymalne uniezależnienie działania aplikacji użytkownika od detali sprzętu, co coraz częściej coraz lepiej się udaje. Jak się okazało, zmiany które zaszły na rynku, okazały się poważną próbą dla firm elektronicznych produkujących mikrokontrolery. Pośród grona rynkowych potęg z początku lat 90 mało kto pamięta o Zilogu, Motoroli, Philipsie, Fujitsu, Dallas Semiconductor, National Semiconductor, w obszary niepamięci odchodzi także Atmel. Na szczęście pojawiają się na rynku także nowe firmy, przy czym z mojego punktu widzenia niestety ich oferta jest coraz bardziej jednorodna, co wynika ze sposobu nowoczesnego budowania układów cyfrowych, który bazuje na językach opisu sprzętu i kupowanych IP core ach. Układy programowalne 1993-2018 Historia układów PLD w Elektronice Praktycznej sięga początków istnienia pisma: niepohamowana ciekawość świata ówczesnego redaktora naczelnego (profesora Wiesława Marciniaka) uruchomiła proces zakupu programatora stacjonarnego, który miał służyć do programowania różnych układów w serwisie technicznym firmy, a przy okazji ułatwić rozpoznanie o co tych FPGA tak naprawdę chodzi. Zaczęliśmy pozornie nieśmiało od reprogramowalnych układów PAL firmy AMD już w listopadzie 1993 roku. W tym samym numerze EP przedstawiliśmy podstawy działania układów PAL oraz narzędzie do implementacji w nich projektów kompilator języka CUPL. Ceny ówczesnych układów PLD, a zwłaszcza FPGA, były bardzo wysokie, co dłuższy czas trzymało nas pomimo posiadania dobrego programatora stacjonarnego przy ziemi, trudno było przekroczyć 58 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2018

barierę wyznaczoną przez maksymalne możliwości układów PAL. Udało się to w 1995 roku, kiedy to udało się zyskać dostęp do środowiska Altery o nazwie Max+Plus II i układów z serii MAX7000. W EP9/1995 opublikowaliśmy opis pierwszego projektu, wykonanego na bardzo wówczas nowoczesnym układzie CPLD (Complex PLD) z 32 makrokomórkami wewnątrz EPM7032. Ograniczona do 32 liczba dostępnych komórek spowodowała, że nie cały projekt licznika dało się zmieścić w CPLD (rysunek 12). Sukces implementacji logiki w tak poważnym środowisku i układzie zachęcił nas do dalszych prób, czego skutkiem był popularny przez dość długi czas częstościomierz AVT-267 (EP6/1996), którego całą część cyfrową zintegrowano w układzie EPM7128 (aż 128 komórek logicznych w środku!). Edukacyjne inklinacje działalności EP w zakresie logiki programowalnej znalazły odbicie m.in. w serii artykułów Co potrafią PLD? oraz cyklu artykułów dedykowanych nauce opis sprzętu na bazie układu ispgal220v10 firmy Lattice, który był sercem zestawu AVT-300 (EP3/1996). Przez długi czas układy PLD, CPLD i FPGA należały do ekskluzywnego grona podzespołów, mających de facto ograniczone możliwości ze względu na niewielkie zasoby logiczne, wymagających przy tym dostępu do relatywnie wyrafinowanych narzędzi sprzętowych i software owych, a także dość kosztownych. Bariery rozwojowe były dwie: technologiczna, utrudniająca implementację w krzemie zaawansowanych struktur logicznych przy zachowaniu akceptowalnej ceny rozwiązania, narzędziowa, wynikająca z niewielkiej mocy obliczeniowej ówczesnych komputerów, a także wysokich cen pamięci, co jest niezbędne dla efektywnej pracy narzędzi syntezy logicznej. Szybki postęp w obydwu problematycznych dziedzinach zniwelował bariery rozwojowe, czego skutkiem są powszechnie dostępne układy FPGA o zasobach logicznych sięgających milionów bramek przeliczeniowych, wyposażone w elastyczne komórki logiczne, dedykowane interfejsy sprzętowe, konfigurowalne pamięci SRAM, szybkie wewnętrzne magistrale komunikacyjne, generatory taktujące PLL, pamięć Flash (jak np. w układach FPGA z rodziny MAX10 używanych m.in. w opracowanym i produkowanym w Polsce zestawie maximator fotografia 13), a nawet przetworniki A/C i zintegrowane w krzemie duże procesory (bazujące na architekturach PowerPC lub Cortex-A). Współczesne układy FPGA udostępniają konstruktorom ogromne zasoby konfigurowalnej logiki w znacznie niższej niż 25 lat temu cenie, mają wielokrotnie większe maksymalne częstotliwości taktowania, pobierają wielokrotnie mniej prądu energii podczas pracy, a pomimo ogromnej Fotografia 13. Zestaw maximator z nowoczesnym układem z rodziny Intel MAX10 kosztuje mniej niż układ EPM7128 w roku 1996 złożoności projektów zazwyczaj wielokrotnie większych niż 25 lat temu czas ich implementacji i diagnostyki wydłużył się w sposób ciągle akceptowalny. Dla przybliżenia skali zjawisk, jakie zaszły, słowo wielokrotnie oznacza wartość z zakresu 100-1000, postęp jest naprawdę olbrzymi. Podsumowanie Artykuł zacząłem od zdefiniowania banałów, z jakimi z natury rzeczy musi się wiązać poruszana w nim tematyka. Dodam do nich banał kolejny: szybki postęp wyzwala w wielu osobach (pozornie całkiem nieuzasadniony) sentyment do technologii, rozwiązań i podzespołów, które krócej lub dłużej były na topie rynku techniki i zniego zniknęły. Stąd biorą się tak fajne pomysły jak opisywany w EP komputer SDC_One (wykonany na mikroprocesorach ery sprzed 25 lat, gdzie 32-bitowy STM32 spełnia rolę konfigurowalnego zestawu peryferii, z uruchomionym systemem CP/M), implementacje ZX Spectrum w jednym układzie FPGA, czy też współczesne systemy budowane na produkowanych w USA mikroprocesorach 65C02 (Western Digital). Elektronika Praktyczna 25 lat temu zaczęła budować podłoże do rozwiązań, które dzisiaj wzbudzają wiele sentymentów, ale drugą nogą jest ciągle w przyszłości. Konsekwentnie od 25 lat sprawdźcie w archiwum na www.ep.com.pl! Piotr Zbysiński, EP REKLAMA http://sklep.avt.pl ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2018 59