Разработчики микроконтроллеров выдумали смышленую идею — соединить микропроцессор, память, ПЗУ и периферию снутри 1-го корпуса, снаружи схожего на обыденную микросхему. С того времени создание микроконтроллеров раз в год во много раз превосходит создание микропроцессоров, а потребность в их не понижается.
Микроконтроллеры выпускают 10-ки компаний, при этом выполняются не только лишь современные 32-битные микроконтроллеры, да и 16, и даже 8-битные (как i8051 и аналоги). Снутри каждого семейства нередко можно повстречать практически однообразные модели, различающиеся скоростью работы ЦПУ и объемом памяти.
Вот поэтому самые старенькые типы микроконтроллеров еще до сего времени в ходу — они почти все могут: от автоматического открывания дверей и включения полива газонов до интеграции в систему «умный дом».
При всем этом есть и поболее массивные микроконтроллеры, способные делать сотки миллионов операций за секунду и обшитые периферией «до зубов». У их и задачки надлежащие.
Таким макаром, разработчик поначалу оценивает задачку, а позже выбирает под нее подходящее «железо».
На сегодня существует более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых 2-мя десятками компаний, и огромное количество микроконтроллеров других типов.
Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC компании Microchip Technology и AVR компании Atmel, 16-битные MSP430 компании TI, также 32-битные микроконтроллеры, архитектуры ARM, которую разрабатывает компания ARM Limited и продаёт лицензии другим фирмам для их производства.
16-битный 28-pin PDIP PIC24 микроконтроллер
Микроконтроллер Atmel AVR ATmega8 в корпусе DIP
Устройство микроконтроллера AVR
Микроконтроллер характеризуется огромным числом характеристик, так как он сразу является сложным программно-управляемым устройством и электрическим прибором (микросхемой). Приставка «микро» в заглавии микроконтроллера значит, что производится он по микроэлектронной технологии.
В процессе работы микрконтроллер считывает команды из памяти либо порта ввода и исполняет их. Что значит любая команда, определяется системой команд микроконтроллера. Сиситема команд заложена в архитектуре микрконтроллера и выполнение кода команды выражается в проведении внутренними элементами микросхемы определенных микроопераций.
Микроконтроллеры позволяют гибко управлять разными электрическими и электронными устройствами. Некие модели микроконтроллеров так сильны, что могут конкретно переключать реле (например, на елочных гирляндах).
Микроконтроллеры, обычно, не работает в одиночку, а запаивается в схему, где, не считая него, подключаются экраны, клавиатурные входы, разные датчики и т.д.
Софт для микроконтроллеров может привлечь внимание тех, кто любит «гоняться за битами», потому что обычно память в микроконтроллерах составляет от 2 до 128 Кб.
Если меньше, то писать приходится на ассемблере либо Форте, если есть возможность, то употребляют особые версии Бейсика, Паскаля, но в главном — Си.
До того как совсем запрограммировать микроконтроллер, его тестируют в эмуляторах — программных либо аппаратных.
МИКРОКОНТРОЛЛЕР — это уже не микропроцессор, но ещё и не компьютер.
Центральный микропроцессор, имеющийся в каждом компьютере — главный вычислитель. Хотя компьютер и не предназначен только для вычислительной нагрузки, микропроцессор является в нём головным элементом. Но не только лишь в компьютере имеется микропроцессор.
Если вникнуть и приглядеться, то можно найти, что микропроцессоры используются в большинстве устройств бытового назначения. Только там употребляются не такие микропроцессоры как в компьютере, а процессоры и даже микроконтроллеры.
Так что все-таки такое микроконтроллер и чем отличается от фактически микропроцессора либо это совсем разные электрические составляющие?
Огромные интегральные микросхемы либо микросхемы с большой степенью интеграции и есть микропроцессоры.
Процессоры, на самом деле те же микропроцессоры, но из-за приставки «микро» определяется их сущность, что они миниатюрнее собственных «больших» братьев.
В своё историческое время микропроцессор со своим размером мог занимать не одну комнату, впору их именовать как вымерших динозавров макро-процессорами, чтоб и их как-то упорядочить в современном представлении об электронике.
Уменьшенный в габаритах и скомпонованный микропроцессор занимает меньше места и его можно поместить в более малогабаритное изделие, это и есть процессор. Но сам микропроцессор не достаточно что способен делать, не считая как данные пересылать меж регистрами и совершать какие-то арифметические и логические деяния над ними.
Чтоб процессор мог переслать данные в память, именно эта память должна находиться или на самом кристалле, на котором находится сам процессорный элемент, или подключаться к наружной оперативки выполненной в виде отдельного кристалла либо модуля.
Не считая памяти микропроцессор должен вести взаимодействие с наружными устройствами — периферией. По другому какой полезности можно ждать от работы микропроцессора, перемешивающего и перемещающего данные туда-сюда.
Смысл появляется тогда, когда микропроцессор ведет взаимодействие с устройствами ввода-вывода.
У компьютера это клавиатура, манипулятор мышь и устройства отображения как экран, опционально — принтер и, к примеру, сканер снова же для ввода инфы.
Чтоб управлять устройствами ввода-вывода, обязательно нужны надлежащие буферные схемы и элементы. На их базе реализуются интерфейсные так именуемые аппаратные средства. Методы взаимодействия с интерфейсными элементами подразумевают наличие схем портов ввода-вывода, дешифраторов адреса и формирователей шин с буферными схемами, для роста нагрузочной возможности процессора.
Интеграция микропроцессора со всеми необходимыми дополнительными элементами, для того чтоб это изделие изливалось в некий завершённый конструктив и приводит к образованию микроконтроллера. Микросхема либо микроконтроллерный чип реализует на одном кристалле микропроцессор и интерфейсные схемы.
Самодостаточный чип, который содержит фактически всё, чтоб этого хватало для построения законченного изделия и есть пример типового микроконтроллера.
К примеру наручные электрические часы либо часы-будильник имеют снутри микроконтроллер, который реализует все функции такого устройства.
Отдельные периферийные устройства подключаются конкретно к ножкам микросхемы микроконтроллера, или вместе употребляются дополнительные элементы либо микросхемы малой или средней степени интеграции.
Микроконтроллеры обширно употребляются в изделиях которые содержат всю систему полностью только в одной маленькой микросхеме, нередко именуемой микросборкой. К примеру «чиповая» кредитная карточка содержит микроконтроллер снутри в пластмассовой базе.
Пилюля домофона так же в себе содержит микроконтроллер.
И примеров использования и внедрения микроконтроллеров так широк в современном мире, что просто найти наличие контроллера в любом мало-мальски умственном устройстве от детской игрушки до беспроводной гарнитуры мобильника.
Что такое микроконтроллеры (назначение, устройство, софт)
Микроконтроллер — это специальная микросхема, предназначенная для управления различными электронными устройствами. Микроконтроллеры впервые появились в том же году, что и микропроцессоры общего назначения (1971)
Разработчики микроконтроллеров придумали остроумную идею – объединить процессор, память, ПЗУ и периферию внутри одного корпуса, внешне похожего на обычную микросхему. С тех пор производство микроконтроллеров ежегодно во много раз превышает производство процессоров, а потребность в них не снижается.
Микроконтроллеры выпускают десятки компаний, причем производятся не только современные 32-битные микроконтроллеры, но и 16, и даже 8-битные (как i8051 и аналоги). Внутри каждого семейства часто можно встретить почти одинаковые модели, различающиеся скоростью работы ЦПУ и объемом памяти.
Дело в том, что микроконтроллеры применяются преимущественно во встроенных системах, в игрушках, в станках, в массовой домашней технике, в домашней автоматике – там, где нужна не мощность процессора, а, скорее, баланс между ценой и достаточной функциональностью.
Именно поэтому самые старые типы микроконтроллеров еще до сих пор в ходу – они многое могут: от автоматического открывания дверей и включения полива газонов до интеграции в систему «умный дом».
При этом существуют и более мощные микроконтроллеры, способные выполнять сотни миллионов операций в секунду и обвязанные периферией «до зубов». У них и задачи соответствующие.
Таким образом, разработчик сначала оценивает задачу, а уж потом выбирает под нее подходящее «железо».
На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов.
Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, 16-битные MSP430 фирмы TI, а также 32-битные микроконтроллеры, архитектуры ARM, которую разрабатывает фирма ARM Limited и продаёт лицензии другим фирмам для их производства.
16-битный 28-pin PDIP PIC24 микроконтроллер
Микроконтроллер Atmel AVR ATmega8 в корпусе DIP
Устройство микроконтроллера AVR
Микроконтроллер характеризуется большим числом параметров, поскольку он одновременно является сложным программно-управляемым устройством и электронным прибором (микросхемой). Приставка «микро» в названии микроконтроллера означает, что выполняется он по микроэлектронной технологии.
В ходе работы микрконтроллер считывает команды из памяти или порта ввода и исполняет их. Что означает каждая команда, определяется системой команд микроконтроллера. Сиситема команд заложена в архитектуре микрконтроллера и выполнение кода команды выражается в проведении внутренними элементами микросхемы определенных микроопераций.
Микроконтроллеры позволяют гибко управлять различными электронными и электрическими устройствами. Некоторые модели микроконтроллеров настолько мощны, что могут непосредственно переключать реле (к примеру, на елочных гирляндах).
Микроконтроллеры, как правило, не работает в одиночку, а запаивается в схему, где, кроме него, подключаются экраны, клавиатурные входы, различные датчики и т.д.
Софт для микроконтроллеров может привлечь внимание тех, кто обожает «гоняться за битами», так как обычно память в микроконтроллерах составляет от 2 до 128 Кб.
Если меньше, то писать приходится на ассемблере или Форте, если есть возможность, то используют специальные версии Бейсика, Паскаля, но в основном – Си.
Прежде чем окончательно запрограммировать микроконтроллер, его тестируют в эмуляторах – программных или аппаратных.
МИКРОКОНТРОЛЛЕР — это уже не процессор, но ещё и не компьютер.
Центральный процессор, имеющийся в каждом компьютере — главный вычислитель. Хотя компьютер и не предназначен исключительно для вычислительной нагрузки, процессор является в нём головным элементом. Но не только в компьютере имеется процессор.
Если вдуматься и присмотреться, то можно обнаружить, что процессоры применяются в большинстве приборов бытового предназначения. Только там используются не такие процессоры как в компьютере, а микропроцессоры и даже микроконтроллеры.
Так что же такое микроконтроллер и чем отличается от собственно процессора или это совершенно различные электронные компоненты?
Большие интегральные микросхемы или микросхемы с большой степенью интеграции и есть процессоры.
Микропроцессоры, по сути те же процессоры, но из-за приставки «микро» определяется их суть, что они миниатюрнее своих «больших» собратьев.
В своё историческое время процессор со своим размером мог занимать не одну комнату, впору их назвать как вымерших динозавров макро-процессорами, чтобы и их как-то упорядочить в современном представлении об электронике.
Уменьшенный в габаритах и скомпонованный процессор занимает меньше места и его можно поместить в более компактное изделие, это и есть микропроцессор. Но сам процессор мало что способен делать, кроме как данные пересылать между регистрами и совершать какие-то арифметические и логические действия над ними.
Чтобы микропроцессор мог переслать данные в память, эта самая память должна присутствовать либо на самом кристалле, на котором находится сам процессорный элемент, либо подключаться к внешней оперативной памяти выполненной в виде отдельного кристалла или модуля.
Кроме памяти процессор должен взаимодействовать с внешними устройствами – периферией. Иначе какой пользы можно ожидать от работы процессора, перемешивающего и перемещающего данные туда-сюда.
Смысл возникает тогда, когда процессор взаимодействует с устройствами ввода-вывода.
У компьютера это клавиатура, манипулятор мышь и устройства отображения как дисплей, опционально – принтер и, например, сканер опять же для ввода информации.
Чтобы управлять устройствами ввода-вывода, непременно необходимы соответствующие буферные схемы и элементы. На их основе реализуются интерфейсные так называемые аппаратные средства.
Способы взаимодействия с интерфейсными элементами предполагают наличие схем портов ввода-вывода, дешифраторов адреса и формирователей шин с буферными схемами, для увеличения нагрузочной способности микропроцессора.
Интеграция процессора со всеми необходимыми дополнительными элементами, для того чтобы это изделие выливалось в какой-то завершённый конструктив и приводит к образованию микроконтроллера. Микросхема или микроконтроллерный чип реализует на одном кристалле процессор и интерфейсные схемы.
Самодостаточный чип, который содержит практически всё, чтобы этого хватало для построения законченного изделия и есть пример типового микроконтроллера.
Например наручные электронные часы или часы-будильник имеют внутри микроконтроллер, который реализует все функции такового устройства.
Отдельные периферийные устройства подключаются непосредственно к ножкам микросхемы микроконтроллера, либо совместно используются дополнительные элементы или микросхемы малой либо средней степени интеграции.
Микроконтроллеры широко используются в изделиях которые содержат всю систему целиком исключительно в одной миниатюрной микросхеме, часто называемой микросборкой. Например «чиповая» кредитная карточка содержит микроконтроллер внутри в пластиковой основе.
Таблетка домофона так же внутри себя содержит микроконтроллер.
И примеров использования и применения микроконтроллеров настолько обширен в современном мире, что легко обнаружить наличие контроллера в любом мало-мальски интеллектуальном устройстве от детской игрушки до беспроводной гарнитуры сотового телефона.
Что такое микроконтроллер. Применение микроконтроллеров — Основы электроники
В этой статье второго выпуска журнала Электрон, я хочу затронуть очень интересную тему, касающуюся цифровой электроники. Сегодня я хочу ответить на вопрос что такое микроконтроллер.
Итак, микроконтроллер это небольшая микросхема, на кристалле которой собран настоящий микрокомпьютер! Это означает, что внутри одной микросхемы смонтировали процессор, память (ПЗУ и ОЗУ), периферийные устройства, заставили их работать и взаимодействовать между собой и внешним миром с помощью специальной микропрограммы, которая храниться внутри микроконтроллера.
Основное назначение микроконтроллеров – это управление различными электронными устройствами. Таким образом, они применяются не только в персональных компьютерах, но и почти во всей бытовой технике, автомобилях, телевизорах, промышленных роботах, даже в военных радиолокаторах.
Можно сказать, что микроконтроллер это универсальный инструмент управления электронными устройствами, причем алгоритм управления вы закладываете в него сами и можете в любое время его поменять в зависимости от задачи, возложенной на микроконтроллер.
Так выглядят современные микроконтроллеры.
В настоящее время существует множество различных платформ и семейств микроконтроллеров, однако назначение, применение и суть их функционирования почти одинакова.
Мы сказали, что микроконтроллер это своего рода микрокомпьютер (старое название однокристальные микроЭВМ). Представим его в виде черного ящика. Внутри этого ящика расположены основные структурные элементы микроконтроллера.
- Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения арифметических и логических операций, на самом деле в совокупности с регистрами общего назначения АЛУ выполняет функции процессора.
- Оперативно – запоминающее устройство (ОЗУ) – предназначено для временного хранения данных при работе микроконтроллера.
- Память программ — выполнена в виде перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства и предназначена для записи микропрограммы управления микроконтроллером, так называемая прошивка.
Память данных применяется в некоторых микроконтроллерах в качестве памяти для хранения все возможных констант, табличных значений функций и т.д.
- Микроконтроллер в своем составе может иметь и другие вспомогательные элементы.
- Аналоговый компаратор – предназначен для сравнения двух аналоговых сигналов на его входах
- Таймеры в микроконтроллерах применяются для осуществления различных задержек и установки различных интервалов времени в работе микроконтроллера.
- Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) необходим для ввода аналогового сигнала в микроконтроллер и его функция перевести аналоговый сигнал в цифровой.
- Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) выполняет обратную функция, то есть сигнал из цифрового вида преобразует в аналоговый вид.
- Работа микроконтроллера синхронизируется тактовыми импульсами с генератора и управляется устройством управления микроконтроллера.
Таким образом, микроконтроллер это электронный конструктор, с помощью которого вы можете собрать свое устройство управления. Путем программирования микроконтроллера вы отключаете или подключаете составные устройства внутри микроконтроллера, задаете свои алгоритмы работы этих устройств.
- Предлагаю вам посмотреть видео, в котором я рассказываю, что такое микроконтроллер и привожу пару примеров практического применения микроконтроллеров.
- Кстати тем, кто заинтересовался темой и хочет создать самостоятельно устройство на основе микроконтроллеров фирмы Atmel, предлагаю посмотреть следующее видео.
- Видео посвящено видеокурсу о программировании микроконтроллеров фирмы Atmel , пройдя который вы не только познакомитесь с замечательным миром микроконтроллеров, но и научитесь программировать микроконтроллеры, а следовательно самостоятельно создавать электронные устройства на микроконтроллерах.
В результате изучения вы получите те знания с помощью которых сможете самостоятельно разработать устройство любой сложности.
Микроконтроллер
Микроконтроллер 1993 года с УФ стиранием памяти 62E40 европейской фирмы STMicroelectronics.
Микроконтроллер ATtiny2313 американской фирмы Atmel.
СБИС контроллера на плате управления жёстким диском Fujitsu MAP3735NC.
Микроконтро́ллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами.
Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять относительно простые задачи.
Отличается от микропроцессора интегрированными в микросхему устройствами ввода-вывода, таймерами и другими периферийными устройствами.
История
С появлением однокристальных микро-ЭВМ связывают начало эры массового применения компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому[источник не указан 117 дней], это обстоятельство и определило термин «контроллер» (англ. controller — регулятор, управляющее устройство).
В связи со спадом отечественного производства и возросшим импортом техники, в том числе вычислительной, термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микроЭВМ».
Первый патент на однокристальную микроЭВМ был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам американской Texas Instruments. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только процессор, но и память с устройствами ввода-вывода.
В 1976 году[1] американская фирма Intel выпускает микроконтроллер i8048. В 1978 году фирма Motorola выпустила свой первый микроконтроллер MC6801, совместимый по системе команд с выпущенным ранее микропроцессором MC6800. Через 4 года, в 1980 году, Intel выпускает следующий микроконтроллер: i8051.
Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер i8051 являлся для своего времени очень сложным изделием — в кристалле было использовано 128 тыс.
транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре i8086.
На сегодняшний день[2] существует более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов.
Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, 16-битные MSP430 фирмы TI, а также 32-битные микроконтроллеры архитектуры ARM, которую разрабатывает фирма ARM Limited и продаёт лицензии другим фирмам для их производства.
Несмотря на популярность в России микроконтроллеров, упомянутых выше, по данным Gartner Group от 2009 года мировой рейтинг по объёму продаж выглядит иначе:[3] первое место с большим отрывом занимает Renesas Electronics на втором Freescale, на третьем Samsung, затем идут Microchip и TI, далее все остальные.
В СССР велись разработки оригинальных микроконтроллеров, также осваивался выпуск клонов наиболее удачных зарубежных образцов[4]
[5]
[6]
[7].
В 1979 году в СССР НИИ ТТ разработали однокристальную 16-разрядную ЭВМ К1801ВЕ1, микроархитектура которой получила название «Электроника НЦ».
Описание
При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать компромисс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно.
Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д.
В отличие от обычных компьютерных микропроцессоров, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.
Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Многие модели контроллеров вообще не имеют шин для подключения внешней памяти.
Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись, либо хранимая программа записывается в кристалл на этапе изготовления (конфигурацией набора технологических масок).
Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться.
Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи программы в энергонезависимой памяти.
Неполный список периферийных устройств, которые могут использоваться в микроконтроллерах, включает в себя:
- универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод;
- различные интерфейсы ввода-вывода, такие, как UART, I²C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet;
- аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
- компараторы;
- широтно-импульсные модуляторы (ШИМ-контроллер);
- таймеры;
- контроллеры бесколлекторных двигателей, в том числе шаговых;
- контроллеры дисплеев и клавиатур;
- радиочастотные приемники и передатчики;
- массивы встроенной флеш-памяти;
- встроенные тактовый генератор и сторожевой таймер;
Ограничения по цене и энергопотреблению ограничивает тактовую частоту контроллеров. Хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания.
Во многих моделях микроконтроллеров используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это даёт контроллеру возможность работать на меньших частотах и даже не терять данные при полной остановке тактового генератора.
Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения, в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль.
Известные семейства
- MCS 51 (Intel)
- ESP8266 и ESP32 (Espressif)
- MSP430 (TI)
- ARM (ARM Limited)
- ST Microelectronics STM32 ARM-based MCUs
- ARM Cortex, ARM7 и ARM9-based MCUs
- Texas Instruments Stellaris MCUs
- NXP ARM-based LPC MCUs
- Toshiba ARM-based MCUs
- Analog Devices ARM7-based MCUs
- Cirrus Logic ARM7-based MCUs
- Freescale Semiconductor ARM9-based MCUs
- Silicon Labs EFM32 ARM-based MCUs
- AVR (Atmel)
- ATmega
- ATtiny
- XMega
- PIC (Microchip)
- STM8 (STMicroelectronics)
- С8051F34x
- RL78 (Renesas Electronics)
Применение
Использование в современном микроконтроллере достаточного мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств.
Используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:
- в вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков, CD и DVD, калькуляторах;
- электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления — стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах, различных роботах, системах «умный дом», и др..
В промышленности:
- устройства промышленной автоматики — от программируемого реле и встраиваемых систем до ПЛК,
- систем управления станками
В то время как 8-разрядные микропроцессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться.
Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость.
В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие больши́ми вычислительными возможностями, например, цифровые сигнальные процессоры, применяющиеся для обработки большого потока данных в реальном времени (например, аудио-, видеопотоков).
Программирование
Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на языке ассемблера или Си, хотя существуют компиляторы для других языков, например, Форта и Бейсика. Используются также встроенные интерпретаторы Бейсика.
Известные компиляторы Си для МК:
- GNU Compiler Collection — поддерживает ARM, AVR, MSP430 и многие другие архитектуры
- Small Device C Compiler — поддерживает множество архитектур
- CodeVisionAVR (для AVR)
- IAR [1] (для любых МК)
- WinAVR (для AVR и AVR32)
- Keil (для архитектуры 8051 и ARM)
- HiTECH (для архитектуры 8051 и PIC от Microchip)
Известные компиляторы бейсика для МК:
- MikroBasic (архитектуры PIC, AVR, 8051 и ARM)
- Bascom (архитектуры AVR и 8051)
- FastAVR (для архитектуры AVR)
- PICBasic (для архитектуры PIC)
- Swordfish (для архитектуры PIC)
Для отладки программ используются программные симуляторы (специальные программы для персональных компьютеров, имитирующие работу микроконтроллера), внутрисхемные эмуляторы (электронные устройства, имитирующие микроконтроллер, которые можно подключить вместо него к разрабатываемому встроенному устройству) и отладочный интерфейс, например, JTAG.
См. также
- Программируемый логический контроллер
- Система на кристалле
- Однокристальный микроконтроллер
Примечания
- ↑ Васильев А. Е. , Микроконтроллеры: разработка встраиваемых приложений, изд. «БХВ-Петербург» 2008
- ↑ [10 октября 2013]
Микроконтроллер и микропроцессор — в чём разница?
В составе разных электронных устройств часто встречаются как микроконтроллеры, так и микропроцессоры. Оба этих компонента берут из памяти команды и по ним выполняют логические и арифметические операции, работая при этом с устройствами ввода/вывода и прочей периферией. Так в чём тогда разница?
Микроконтроллер
Микроконтроллер — (далее МК) это микросхема, предназначенная для программного управления электронными схемами. МК выполняется на одном кристалле.
На нём расположено как вычислительное устройство, так и ПЗУ и ОЗУ. Кроме этого, в составе МК чаще всего находятся порты ввода/вывода, таймеры, АЦП, последовательные и параллельные интерфейсы.
В некоторых даже можно заметить Wi-Fi-/Bluetooth-модуль и даже поддержку NFC.
Первый патент на микроконтроллер был выдан в 1971 году компании Texas Instruments. Инженеры этой компании предложили размещать на кристалле не только процессор, но и память с устройствами ввода/вывода.
Структурная схема микроконтроллера
Несмотря на то, что всё необходимое для работы микроконтроллера в нём уже есть, иногда они используются в паре с внешними периферийными устройствами.
К примеру, когда внутренней ПЗУ не хватает (или она попросту отсутствует), подключают внешнюю. Именно так сделали с микроконтроллерами серии ESP. У ESP8266 встроенной памяти нет вообще, а у ESP32 есть незначительные 448 КБ.
Поэтому к ним в корпус (точнее под радиатор) помещается flash-память ёмкостью 1–16 МБ.
Тогда почему бы не сделать какой-нибудь портативный компьютер на основе микроконтроллера? Дело в том, что вычислительной мощности у МК чаще всего достаточно мало. Её хватает на управление например, системой полива, микроволновкой или же каким-нибудь станком.
Например, одна из мощных плат платформы Arduino — Due. Она находится под управлением 32-битного AVR-микроконтроллера AT91SAM3X8E. Его тактовая частота 84 МГц. Постоянной памяти тут 512 КБ, а оперативной — 96 КБ. МК имеет 54 цифровых GPIO (12 из которых с поддержкой ШИМ), 12 аналоговых входов и 2 аналоговых выхода (ЦАП). Тут так же присутствуют различные интерфейсы, такие как UART, SPI, I2C.
Не смотря на такие незначительные характеристики, микроконтроллеры очень популярны. Они используются там, где не требуется большой вычислительной мощности — робототехника, контроллеры теплиц, бытовая техника.
Микропроцессор
С микропроцессором (далее МП) дела обстоят немного иначе. Он содержит в себе арифметико-логическое устройство, блок синхронизации и управления, запоминающие устройство, регистры и шину.
То есть МП содержит в себе только то, что непосредственно понадобится для выполнения арифметический и логических операций.
Все остальные комплектующие (ОЗУ, ПЗУ, устройства ввода/вывода, интерфейсы) нужно подключать извне.
Структурная схема микропроцессорного устройства
Первые микропроцессоры появились тоже в начале 70-х. Самым популярным на тот момент считался 4004. Это микропроцессор, разработанный компанией Intel и представленный 15 ноября 1971 года. Он имел внушающие на тот период характеристики:
- 2300 транзисторов;
- тактовая частота — 740 кГц;
- разрядность регистров и шины — 4 бита;
- техпроцесс — 10 мкм;
- площадь кристалла: — 12 мм².
К слову, 4004 был выполнен в обычном DIP-16 корпусе. Этот МП является самой популярной микросхемой для коллекционирования. Некоторые экземпляры продаются по 400 $ за штуку. Менее раритетные стоят около 250 $.
Уже через пару лет 8-битные МП позволили создавать первые бытовые микрокомпьютеры.
Естественно, тут преимуществом является то, что к МП можно на выбор подключать разную периферию с разными характеристиками (что не во всех случаях можно на МК).
Второе основное отличие микропроцессора от микроконтроллера в том, что МП имеют больше вычислительной мощности. Их не имеет смысла ставить в микроволновки и «умные» лампочки.
Микропроцессоры применяют там, где вычислительная мощность МК уже не справляется — игровые приставки, сложные вычислительные устройства и приборы, гаджеты.
Получается, чтобы обеспечить работоспособность микропроцессора, нужно подключить ему хотя бы минимальный набор периферии. Минусы:
- Размер — если в случае МК всё уже находится в одном корпусе, то минимальный набор элементов для работы МП занимает больше места.
- Цена — обычно, вся «сборка» комплектующих для МП выходит гораздо дороже «голых» микроконтроллеров.
Плюсы:
- Производительность — микропроцессоры обладают большей производительностью, чем микроконтроллеры.
- Выбор — в случае МП у вас есть возможность подобрать комплектующие. Это позволит поставить более подходящую под ваши цели периферию.
Применение
Микроконтроллер обладает явной простотой: требуется меньше аппаратного обеспечения, с ним легче работать на программном уровне, да и стоимость начинается с копеек. Но эта простота касается и производительности.
Как говорилось выше, микроконтроллер не способен обеспечить высокую производительность наравне с микропроцессорами.
Микропроцессоры хоть и требуют внешней коммутации «железа» и относительно МК сложны в работе, но они уже спокойно могут применяться в более сложных устройствах.
Однако иногда в сети появляются умельцы, которые впихивают в микроконтроллер ESP32 DOOM и даже эмулятор NES-игр.
Устройство микроконтроллеров avr
| CISC и RISC По числу команд микропроцессоры подразделяют на CISC (Complex Instruction Set Computer) и RISC (Reduced Instruction Set Computer). Термин CISC обозначает сложную систему команд, RISC — сокращенную. Идея RISC — это тщательный подбор команд, которые можно было бы выполнить за один такт. Т. о. упрощается аппаратная реализация процессора, сокращается число транзисторов, снижается потребляемая мощность и цена. Очевидно, что в общем случае одной CISC-команде должны соответствовать несколько RISC-команд. Однако обычно выигрыш в быстродействии у RISC перекрывает потери. Так, самая быстрая команда у 8051 выполняется за 12 тактов. Даже если для каждой CISC-инструкции потребуется выполнить три RISC-инструкции, то в итоге RISC-архитектура будет в 4 раза производительней. В настоящее время грань между RISC и CISC стирается. Например, AVR имеют 133 команды, что соответствует CISC, но большинство из них выполняется за один такт, что является признаком RISC. Поэтому основным признаком RISC стало принято считать выполнение команд за один такт. |
Сердцем микроконтроллеров AVR является 8-битное микропроцессорное ядро или центральное процессорное устройство (ЦПУ), построенное на принципах RISC-архитектуры. Основой этого блока служит арифметико-логическое устройство (АЛУ). По системному тактовому сигналу из памяти программ в соответствии с содержимым счетчика команд (Program Counter — PC) выбирается очередная команда и выполняется АЛУ. Во время выбора команды из памяти программ происходит выполнение предыдущей выбранной команды, что и позволяет достичь быстродействия 1 MIPS на 1 МГц. АЛУ подключено к регистрам общего назначения РОН (General Purpose Registers — GPR). Регистров общего назначения всего 32, они имеют байтовый формат, то есть каждый из них состоит из восьми бит. РОН находятся в начале адресного пространства оперативной памяти, но физически не являются ее частью. Поэтому к ним можно обращаться двумя способами (как к регистрам и как к памяти). Такое решение является особенностью AVR и повышает эффективность работы и производительность микроконтроллера. Отличие между регистрами и оперативной памятью состоит в том, что с регистрами можно производить любые операции (арифметические, логические, битовые), а в оперативную память можно лишь записывать данные из регистров.
| Фоннеймановская и гарвардская архитектура В 1945 г. американский математик Джон фон Нейман сформулировал основные принципы работы современных компьютеров. Им была предложена архитектура, получившая его имя (von Neumann architecture) и предполагающая хранение программ и данных в общей памяти (1946 г.). Сегодня такая архитектура наиболее характерна для микропроцессоров, ориентированных на использование в компьютерах. Примером могут служить микропроцессоры семейства х86. Архитектура, предполагающая раздельное использование памяти программ и данных, носит название гарвардской (Harvard architecture). Гарвардская архитектура позволяет центральному процессору работать одновременно как с памятью программ, так и с памятью данных, что существенно увеличивает производительность. |
В микроконтроллерах AVR реализована Гарвардская архитектура, в соответствии с которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но и шины доступа к ним. Каждая из областей памяти данных (оперативная память и EEPROM) также расположена в своем адресном пространстве.
- Память программ (Flash ROM или Flash ПЗУ)
- Память данных
- Регистровая память (РОН и РВВ)
Память программ предназначена для хранения последовательности команд, управляющих функционированием микроконтроллера, и имеет 16-ти битную организацию. Все AVR имеют Flash-память программ, которая может быть различного размера — от 1 до 256 КБайт. Ее главное достоинство в том, что она построена на принципе электрической перепрограммируемости, т. е. допускает многократное стирание и запись информации. Программа заносится во Flash-память AVR как с помощью обычного программатора, так и с помощью SPI-интерфейса, в том числе непосредственно на собранной плате. Возможностью внутрисхемного программирования (функция ISP) через коммуникационный интерфейс SPI обладают все микроконтроллеры AVR, кроме Tiny11 и Tiny28. Все микроконтроллеры семейства Mega имеют возможность самопрограммирования, т. е. самостоятельного изменения содержимого своей памяти программ. Эта особенность позволяет создавать на их основе очень гибкие системы, алгоритм работы которых будет меняться самим микроконтроллером в зависимости от каких-либо внутренних условий или внешних событий. Гарантированное число циклов перезаписи Flash-памяти у микроконтроллеров AVR второго поколения составляет не менее 10 тыс. циклов при типовом значении 100 тыс. циклов. (В официальной технической документации Atmel Corp. указывается значение 10 тыс. циклов.) Память данных разделена на три части: регистровая память, оперативная память (ОЗУ — оперативное запоминающее устройство или RAM) и энергонезависимая память (ЭСППЗУ или EEPROM). Регистровая память включает 32 регистра общего назначения (РОН или GPR), объединенных в файл, и служебные регистры ввода/вывода (РВВ). И те и другие расположены в адресном пространстве ОЗУ, но не являются его частью.
В области регистров ввода/вывода расположены различные служебные регистры (регистры управления микроконтроллером, регистры состояния и т. п.), а также регистры управления периферийными устройствами, входящими в состав микроконтроллера. По сути, управление микроконтроллером заключается в управлении этими регистрами.
- Энергонезависимая память данных (EEPROM)
- Оперативная память (ОЗУ или RAM)
- Порты ввода/вывода (I/O)
- Прерывания (INTERRUPTS)
- Таймеры/счетчики (TIMER/COUNTERS)
- Сторожевой таймер (WDT)
- Аналоговый компаратор (AC)
- Аналого-цифровой преобразователь (A/D CONVERTER)
- Универсальный последовательный приемопередатчик (UART или USART)
- Последовательный периферийный интерфейс SPI
- Двухпроводной последовательный интерфейс TWI
- Интерфейс JTAG
- Тактовый генератор
- Система реального времени (RTC)
Для долговременного хранения различной информации, которая может изменяться в процессе функционирования микроконтроллерной системы, используется EEPROM-память. Все AVR имеют блок энергонезависимой электрически перезаписываемой памяти данных EEPROM от 64 Байт до 4 КБайт. Этот тип памяти, доступный программе микроконтроллера непосредственно в ходе ее выполнения, удобен для хранения промежуточных данных, различных констант, коэффициентов, серийных номеров, ключей и т.п. EEPROM может быть загружена извне как через SPI интерфейс, так и с помощью обычного программатора. Число циклов стирание/запись — не менее 100 тыс. Внутренняя оперативная статическая память Static RAM (SRAM) имеет байтовый формат и используется для оперативного хранения данных. Размер оперативной памяти может варьироваться у различных чипов от 64 Байт до 4 КБайт. Число циклов чтения и записи в RAM не ограничено, но при отключении питающего напряжения вся информация теряется. Для некоторых микроконтроллеров возможна организация подключения внешнего статического ОЗУ объемом до 64К. Периферия микроконтроллеров AVR включает: порты (от 3 до 48 линий ввода и вывода), поддержку внешних прерываний, таймеры-счетчики, сторожевой таймер, аналоговые компараторы, 10-разрядный 8-канальный АЦП, интерфейсы UART, JTAG и SPI, устройство сброса по понижению питания, широтно-импульсные модуляторы. Порты ввода/вывода AVR имеют число независимых линий «вход/выход» от 3 до 53. Каждая линия порта может быть запрограммирована на вход или на выход. Мощные выходные драйверы обеспечивают токовую нагрузочную способность 20 мА на линию порта (втекающий ток) при максимальном значении 40 мА, что позволяет, например, непосредственно подключать к микроконтроллеру светодиоды и биполярные транзисторы. Общая токовая нагрузка на все линии одного порта не должна превышать 80 мА (все значения приведены для напряжения питания 5 В). Архитектурная особенность построения портов ввода/вывода у AVR заключается в том, что для каждого физического вывода (пина) существует 3 бита контроля/управления, а не 2, как у распространенных 8-разрядных микроконтроллеров (Intel, Microchip, Motorola и т.д.). Это позволяет избежать необходимости иметь копию содержимого порта в памяти для безопасности и повышает скорость работы микроконтроллера при работе с внешними устройствами, особенно в условиях внешних электрических помех. Система прерываний — одна из важнейших частей микроконтроллера. Все микроконтроллеры AVR имеют многоуровневую систему прерываний. Прерывание прекращает нормальный ход программы для выполнения приоритетной задачи, определяемой внутренним или внешним событием. Для каждого такого события разрабатывается отдельная программа, которую называют подпрограммой обработки запроса на прерывание (для краткости — подпрограммой прерывания), и размещается в памяти программ. При возникновении события, вызывающего прерывание, микроконтроллер сохраняет содержимое счетчика команд, прерывает выполнение центральным процессором текущей программы и переходит к выполнению подпрограммы обработки прерывания. После выполнения подпрограммы прерывания осуществляется восстановление предварительно сохраненного счетчика команд и процессор возвращается к выполнению прерванной программы. Для каждого события может быть установлен приоритет. Понятие приоритет означает, что выполняемая подпрограмма прерывания может быть прервана другим событием только при условии, что оно имеет более высокий приоритет, чем текущее. В противном случае центральный процессор перейдет к обработке нового события только после окончания обработки предыдущего. Микроконтроллеры AVR имеют в своем составе от 1 до 4 таймеров/счетчиков с разрядностью 8 или 16 бит, которые могут работать и как таймеры от внутреннего источника тактовой частоты, и как счетчики внешних событий. Их можно использовать для точного формирования временных интервалов, подсчета импульсов на выводах микроконтроллера, формирования последовательности импульсов, тактирования приемопередатчика последовательного канала связи. В режиме ШИМ (PWM) таймер/счетчик может представлять собой широтно-импульсный модулятор и используется для генерирования сигнала с программируемыми частотой и скважностью. Таймеры/счетчики способны вырабатывать запросы прерываний, переключая процессор на их обслуживание по событиям и освобождая его от необходимости периодического опроса состояния таймеров. Поскольку основное применение микроконтроллеры находят в системах реального времени, таймеры/счетчики являются одним из наиболее важных элементов. Сторожевой таймер (WatchDog Timer) предназначен для предотвращения катастрофических последствий от случайных сбоев программы. Он имеет свой собственный RC-генератор, работающий на частоте 1 МГц. Как и для основного внутреннего RC-генератора, значение 1 МГц является приближенным и зависит прежде всего от величины напряжения питания микроконтроллера и от температуры. Идея использования стоpожевого таймеpа предельно проста и состоит в pегуляpном его сбpасывании под упpавлением пpогpаммы или внешнего воздействия до того, как закончится его выдеpжка вpемени и не пpоизойдет сбpос пpоцессоpа. Если пpогpамма pаботает ноpмально, то команда сбpоса стоpожевого таймеpа должна pегуляpно выполняться, пpедохpаняя поцессоp от сбpоса. Если же микpопpоцессоp случайно вышел за пpеделы пpогpаммы (напpимеp, от сильной помехи по цепи питания) либо зациклился на каком-либо участке пpогpаммы, команда сбpоса стоpожевого таймеpа скоpее всего не будет выполнена в течение достаточного вpемени и пpоизойдет полный сбpос пpоцессоpа, инициализиpующий все pегистpы и пpиводящий систему в pабочее состояние. Аналоговый компаратор (Analog Comparator) сравнивает напряжения на двух выводах (пинах) микроконтроллера. Результатом сравнения будет логическое значение, которое может быть прочитано из программы. Выход аналогового компаратора можно включить на прерывание от аналогового компаратора. Пользователь может установить срабатывание прерывания по нарастающему или спадающему фронту или по переключению. Присутствует у всех современных AVR, кроме Mega8515 Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) служит для получения числового значения напряжения, поданного на его вход. Этот результат сохраняется в регистре данных АЦП. Какой из выводов (пинов) микроконтроллера будет являться входом АЦП, определяется числом, занесенным в соответствующий регистр. Универсальный асинхронный или универсальный синхронно/асинхронный приемопередатчик (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver and Transmitter — UART или USART) — удобный и простой последовательный интерфейс для организации информационного канала обмена микроконтроллера с внешним миром. Способен работать в дуплексном режиме (одновременная передача и прием данных). Он поддерживает протокол стандарта RS-232, что обеспечивает возможность организации связи с персональным компьютером. (Для стыковки МК и компьютера обязательно понадобится схема сопряжения уровней сигналов. Для этого существуют специальные микросхемы, например MAX232.) Последовательный периферийный трехпроводный интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface) предназначен для организации обмена данными между двумя устройствами. С его помощью может осуществляться обмен данными между микроконтроллером и различными устройствами, такими, как цифровые потенциометры, ЦАП/АЦП, FLASH-ПЗУ и др. С помощью этого интерфейса удобно производить обмен данными между несколькими микроконтроллерами AVR. Кроме того, через интерфейс SPI может осуществляться программирование микроконтроллера. Двухпроводной последовательный интерфейс TWI (Two-wire Serial Interface) является полным аналогом базовой версии интерфейса I2C (двухпроводная двунаправленная шина) фирмы Philips. Этот интерфейс позволяет объединить вместе до 128 различных устройств с помощью двунаправленной шины, состоящей из линии тактового сигнала (SCL) и линии данных (SDA). Интерфейс JTAG был разработан группой ведущих специалистов по проблемам тестирования электронных компонентов (Joint Test Action Group) и был зарегистрирован в качестве промышленного стандарта IEEE Std 1149.1-1990. Четырехпроводной интерфейс JTAG используется для тестирования печатных плат, внутрисхемной отладки, программирования микроконтроллеров. Многие микроконтроллеры семейства Mega имеют совместимый с IEEE Std 1149.1 интерфейс JTAG или debugWIRE для встроенной отладки. Кроме того, все микроконтроллеры Mega с флэш-памятью емкостью 16 кбайт и более могут программироваться через интерфейс JTAG. Тактовый генератор вырабатывает импульсы для синхронизации работы всех узлов микроконтроллера. Внутренний тактовый генератор AVR может запускаться от нескольких источников опорной частоты (внешний генератор, внешний кварцевый резонатор, внутренняя или внешняя RC-цепочка). Минимальная допустимая частота ничем не ограничена (вплоть до пошагового режима). Максимальная рабочая частота определяется конкретным типом микроконтроллера и указывается Atmel в его характеристиках, хотя практически любой AVR-микроконтроллер с заявленной рабочей частотой, например, в 10 МГц при комнатной температуре легко может быть «разогнан» до 12 МГц и выше. RTC реализована во всех микроконтроллерах Mega и в двух кристаллах «classic» — AT90(L)S8535. Таймер/счетчик RTC имеет отдельный предделитель, который может быть программным способом подключен или к источнику основной тактовой частоты, или к дополнительному асинхронному источнику опорной частоты (кварцевый резонатор или внешний синхросигнал). Для этой цели зарезервированы два вывода микросхемы. Внутренний осциллятор оптимизирован для работы с внешним «часовым» кварцевым резонатором 32,768 кГц. AVR функционируют при напряжениях питания от 1,8 до 6,0 Вольт. Ток потребления в активном режиме зависит от величины напряжения питания и частоты, на которой работает микроконтроллер, и составляет менее 1 мА для 500 кГц,5 … 6 мА для 5 МГц и 8 … 9 мА для частоты 12 МГц. AVR могут быть переведены программным путем в один из трех режимов пониженного энергопотребления.
Режим холостого хода (IDLE). Прекращает работу только процессор и фиксируется содержимое памяти данных, а внутренний генератор синхросигналов, таймеры, система прерываний и сторожевой таймер продолжают функционировать. Ток потребления не превышает 2,5 мА на частоте 12 МГц.
Стоповый режим (POWER DOWN). Сохраняется содержимое регистрового файла, но останавливается внутренний генератор синхросигналов, и, следовательно, останавливаются все функции, пока не поступит сигнал внешнего прерывания или аппаратного сброса. При включенном сторожевом таймере ток потребления в этом режиме составляет около 80 мкА, а при выключенном — менее 1 мкА. (Все приведенные значения справедливы для напряжения питания 5 В). Экономичный режим (POWER SAVE). Продолжает работать только генератор таймера, что обеспечивает сохранность временной базы. Все остальные функции отключены.
Сброс при снижении напряжения питания (BOD)
Схема BOD (Brown-Out Detection) отслеживает напряжение источника питания. Если схема включена, то при снижении питания ниже некоторого значения она переводит микроконтроллер в состояние сброса. Когда напряжение питания вновь увеличится до порогового значения, запускается таймер задержки сброса. После формирования задержки внутренний сигнал сброса снимается и происходит запуск микроконтроллера.