Hlavné typy mikrokontrolérov a ich architektúra. Princíp činnosti mikrokontroléra pre rýchlovarnú kanvicu Ako funguje mikrokontrolér

Mikrokontroléry sú neoddeliteľnou súčasťou vstavaných systémov. Mikrokontrolér je lacný a malý počítač na jednom čipe, ktorý obsahuje procesor, malý objem Náhodný vstup do pamäťe a programovateľné I/O periférie. Sú určené na použitie v automaticky riadených produktoch a zariadeniach na vykonávanie vopred definovaných a naprogramovaných úloh. Aby sme získali lepšiu predstavu o tom, čo vlastne mikrokontrolér je, pozrime sa na príklad produktu, ktorý mikrokontrolér používa. Digitálny teplomer, ktorý zobrazuje teplotu životné prostredie používa mikrokontrolér, ku ktorému je pripojený snímač teploty a indikačná jednotka (ako LCD). Mikrokontrolér tu prijíma vstupné údaje zo snímača teploty v surovej forme, spracováva ich a zobrazuje na malom LCD displeji v ľudsky čitateľnej forme. Podobne sa jeden alebo viac mikrokontrolérov používa v mnohých elektronických zariadeniach podľa požiadaviek a zložitosti aplikácií.

Kde sa používajú mikrokontroléry?

Mikrokontroléry sa používajú vo vstavaných systémoch, najmä v rôznych produktoch a zariadeniach, ktoré sú kombináciou hardvéru a softvéru a sú určené na vykonávanie špecifických funkcií. Niekoľko príkladov vstavaných systémov, ktoré používajú mikrokontroléry, by mohlo byť: práčky, predajné automaty, mikrovlnné rúry, digitálne fotoaparáty, autá, zdravotnícke vybavenie, smartfóny, smart hodinky, roboty a rôzne domáce spotrebiče.

Prečo používame mikrokontroléry?

Mikrokontroléry sa používajú na automatizáciu vo vstavaných aplikáciách. Hlavným dôvodom obrovskej popularity mikrokontrolérov je ich schopnosť zmenšiť veľkosť a náklady na produkt alebo dizajn v porovnaní s dizajnom, ktorý musí byť zostavený pomocou samostatného mikroprocesora, pamäte a I/O zariadení.

Mikrokontroléry majú tiež funkcie ako vstavaný mikroprocesor, RAM, ROM, sériové rozhrania, paralelné rozhrania, analógovo-digitálny prevodník (ADC), digitálno-analógový prevodník (DAC) atď. aplikácie okolo neho. Programovacie prostredie mikrokontroléra navyše poskytuje rozsiahle možnosti riadenia rôzne druhy aplikácie podľa ich požiadaviek.

Rôzne typy mikrokontrolérov.

Na trhu je k dispozícii široká škála mikrokontrolérov. Rôzne spoločnosti ako Atmel, ARM, Microchip, Texas Instruments, Renesas, Freescale, NXP Semiconductors atď. atď výroba rôznych typov mikrokontrolérov s rôzne druhy funkcie. Pri pohľade na rôzne parametre, ako je programovateľná pamäť, veľkosť flash pamäte, napájacie napätie, I/O, rýchlosť atď., je možné vybrať ten správny mikrokontrolér pre ich aplikáciu.

Pozrime sa na tieto parametre a rôzne typy mikrokontrolérov podľa týchto parametrov.

Dátová zbernica (bitová kapacita):

Pri klasifikácii podľa bitovej veľkosti je väčšina mikrokontrolérov medzi 8-bitovými a 32-bitovými (k dispozícii sú aj vyššie bitové mikrokontroléry). 8-bitový mikrokontrolér má svoju dátovú zbernicu pozostávajúcu z 8 dátových liniek a 16-bitový mikrokontrolér má svoju dátovú zbernicu pozostávajúcu zo 16 dátových liniek a tak ďalej pre 32-bitové a vyššie mikrokontroléry.

Pamäť:

Mikrokontroléry potrebujú pamäť (RAM, ROM, EPROM, EEPROM, Flash pamäť atď.) na ukladanie programov a dát. Hoci niektoré mikrokontroléry majú vstavané pamäťové čipy, iné vyžadujú externú pamäť v balíku. Tieto sa nazývajú pamäť mikrokontroléra na čipe a pamäť externého mikrokontroléra. Kapacita vstavanej pamäte sa tiež líši medzi rôznymi typmi mikrokontrolérov a vo všeobecnosti by ste našli mikrokontroléry s 4B až 4 MB pamäte.

Počet vstupných/výstupných kontaktov:

Mikrokontroléry sa líšia počtom veľkostí I/O. Je možné vybrať konkrétny mikrokontrolér podľa požiadaviek aplikácie.

Sada príkazov:

Existujú dva typy inštrukčných sád - RISC a cisc. Mikrokontrolér môže využívať procesor RISC (Reduced Instruction Set Computer) alebo CISC (Computer Instruction Set). Ako už názov napovedá, RISC znižuje čas operácie, ktorý definuje cyklus hodín inštrukcie; a CISC umožňuje použiť jednu inštrukciu ako alternatívu k mnohým inštrukciám.

Architektúra pamäte:

Existujú dva typy mikrokontrolérov – architektúra pamäte mikrokontroléra Harvard a architektúra pamäte mikrokontroléra Princeton.

Tu je niekoľko populárnych mikrokontrolérov medzi študentmi a fanúšikmi.

Mikrokontroléry série 8051 (8-bitové)

Mikrokontroléry AVR od Atmel (ATtiny, séria atmega)

Microchip je séria pic mikrokontrolérov

Texas Instruments, mikrokontroléry msp430

Mikrokontroléry ARM

Vlastnosti mikrokontrolérov

Mikrokontroléry sa používajú vo vstavaných systémoch na ich rôzne vlastnosti. Ako je znázornené na blokovej schéme mikrokontroléra nižšie, pozostáva z procesora, I/O, sériových portov, časovačov, ADC, DAC a riadenia choppera.

Procesor alebo centrálna procesorová jednotka

Procesor je mozgom mikrokontroléra. Ak dostanete vstupný signál cez vstupné kolíky a inštrukcie cez programy, spracujte údaje a podľa toho ich poskytnite na výstupných kolíkoch.

V pamäti

Do mikrokontroléra sú integrované pamäťové čipy na ukladanie všetkých programov a údajov. Do mikrokontrolérov môžu byť integrované rôzne typy pamäte ako RAM, ROM, EPROM, EEPROM, flash pamäť atď.

I/O porty

Každý mikrokontrolér má vstupné výstupné porty. V závislosti od typu mikrokontrolérov sa počet vstupných pinov môže líšiť. Používajú sa na pripojenie externých vstupných a výstupných zariadení, ako sú snímače, zobrazovacie jednotky atď.

Sériové porty

Uľahčujú komunikáciu medzi mikrokontrolérom cez sériové rozhranie a periférnymi zariadeniami. Sériový port je sériové komunikačné rozhranie, cez ktoré sa informácie prenášajú na vstup alebo výstup po jednom bite.

ADC a DAC

Niekedy vstavané systémy používajú konverziu údajov z digitálneho na analógový a naopak. Preto je väčšina mikrokontrolérov kombinovaná so vstavaným ADC (analógovo-digitálny prevodník) a DAC (digitálne-analógový prevodník), aby sa vykonala požadovaná konverzia.

Časovače

Časovače a počítadlá sú dôležitými komponentmi vstavaných systémov. Sú potrebné pre rôzne operácie, ako je vytváranie impulzov, počítanie vonkajších impulzov, modulácia, oscilácia atď.

Kontrola prerušenia

Riadenie prerušení je jednou z výkonných funkcií mikrokontrolérov. Je to druh upozornenia, ktoré preruší aktuálny proces a dá mu pokyn na vykonanie úloh definovaných riadením prerušenia.

Aby sme to všetko zhrnuli, mikrokontroléry sú akési kompaktné minipočítače, ktoré sú určené na vykonávanie špecifických úloh v oblasti vstavaných systémov. Vďaka širokému spektru funkcií je ich význam a výhody enormné a možno ich nájsť vo výrobkoch a spotrebičoch pre všetky priemyselné odvetvia.

Mikrokontroléry vyzerajú ako malé mikroobvody. Na ich kryštáli je zostavený akýsi mikropočítač. To znamená, že pamäť, procesor a periférne zariadenia sú zabudované v puzdre jedného čipu, ktoré navzájom spolupracujú, s externými zariadeniami a pracujú pod vedením špeciálneho mikroprogramu uloženého vo vnútri puzdra.

Na čo slúži mikrokontrolér?

Mikrokontroléry sú určené na ovládanie rôznych elektronických zariadení a zariadení. Používajú sa nielen v počítačoch, ale aj v rôznych domácich spotrebičoch, v robotoch vo výrobe, v televízoroch, v obrannom priemysle.

Mikrokontrolér je univerzálny nástroj, ktorý sa používa na ovládanie rôznej elektroniky. Algoritmus riadiacich príkazov do nich zároveň človek vkladá nezávisle a môže ho kedykoľvek zmeniť v závislosti od situácie.

Zariadenie mikrokontroléra

Dnes sa vyrába mnoho rôznych typov foriem a sérií mikrokontrolérov, ale ich rozsah použitia, účel a princíp činnosti sú rovnaké.

Vo vnútri puzdra mikrokontroléra sú hlavné prvky celej jeho štruktúry. Existujú tri triedy takýchto zariadení: 8, 16 a 32-bitové. Z toho 8-bitové modely majú nízky výkon. Postačuje na riešenie jednoduchých problémov správy objektov. 16-bitové mikrokontroléry sú modernizované 8-bitové mikrokontroléry.

Majú rozšírený systém velenia. 32-bitové zariadenia obsahujú vysoko efektívny univerzálny procesor. Používajú sa na správu zložitých objektov.

1. Aritmetická logická jednotka slúži na vytváranie logických a aritmetických operácií, vykonáva prácu procesora spolu s univerzálnymi registrami.
2. Náhodný vstup do pamäťe slúži na dočasné uloženie informácií počas prevádzky mikrokontroléra.
3. Pamäť programu je jedným z hlavných konštrukčných prvkov. Je založený na pamäti iba na čítanie s možnosťou preprogramovania a slúži na uloženie mikroprogramu na riadenie činnosti mikrokontroléra. Volá sa to firmware. Je napísaný samotným vývojárom zariadenia. Pôvodne výrobca nič neukladá do pamäte programu a nie sú tam žiadne údaje. Vývojár zariadenia zapíše firmvér dovnútra pomocou programátora.
4. Dátová pamäť používané v niektorých modeloch mikrokontrolérov na zaznamenávanie rôznych konštantných hodnôt, tabuľkových údajov atď. Táto pamäť nie je dostupná vo všetkých mikrokontroléroch.
5. Pre komunikáciu s externými zariadeniami existujú I/O porty. Používajú sa tiež na pripojenie externej pamäte, rôznych senzorov, akčných členov, LED a indikátorov. Rozhrania vstupno/výstupných portov sú rôzne: paralelné, sériové, vybavené USB výstupmi, WI FI. Tým sa rozširujú možnosti využitia mikrokontrolérov pre rôzne oblasti riadenia.
6. Analógovo-digitálny prevodník potrebné na zavedenie analógového signálu na vstup mikrokontroléra. Jeho úlohou je konvertovať signál z analógového na digitálny.
7. Analógový komparátor slúži na porovnanie dvoch analógových signálov na vstupoch.
8. Časovače sa používajú na vykonanie nastavenia rozsahu a časového oneskorenia v prevádzke mikrokontroléra.
9. Digitálno-analógový prevodník vykonáva opačnú prácu prevodu z digitálneho signálu na analógový signál.
10. Činnosť mikrokontroléra je synchronizovaná s generátorom hodinových impulzov pomocou synchronizačnej jednotky, ktorá pracuje v spojení s firmvérom. Generátor hodín môžu byť interné alebo externé, to znamená, že hodinové impulzy môžu byť dodávané z externého zariadenia.

Výsledkom je, že mikrokontroléry možno nazvať elektronickými stavebnicami. Na ich základe môžete vytvoriť ľubovoľné ovládacie zariadenie. Pomocou programov môžete pripojiť alebo odpojiť základné prvky umiestnené vo vnútri a nastaviť si vlastné poradie akcií týchto prvkov.

Mikrokontroléry a ich aplikácie

Rozsah ich použitia sa neustále rozširuje. Mikrokontroléry sa používajú v rôznych mechanizmoch a zariadeniach. Ich hlavné oblasti použitia sú:

• Letecký priemysel.
• Robotické.
• Priemyselné zariadenia.
• Železničná doprava.
• Autá.
• Elektronické detské hračky.
• Automatické závory.
• Semafory.
• Počítačová technológia.
• Autorádiá.
• Elektronické hudobné nástroje.
• Komunikačné prostriedky.
• Riadiace systémy výťahov.
• Medicínske vybavenie.
• Spotrebiče.

Ako príklad zvážte použitie mikrokontrolérov v automobilovej elektronike. Niektoré autá Peugeot majú v sebe zabudovaných 27 rôznych mikrokontrolérov. V elitných modeloch BMW sa používa viac ako 60 takýchto zariadení. Ovládajú tuhosť zavesenia, vstrekovanie paliva, činnosť osvetľovacích zariadení, stieračov čelného skla, elektricky ovládaných okien a ďalších mechanizmov.

Pri vývoji číslicového systému je potrebné urobiť správny model mikrokontroléra. Hlavným cieľom je výber lacného ovládača na zníženie celkových nákladov na celý systém. Je však potrebné, aby spĺňal špecifiká systému, požiadavky na spoľahlivosť, výkon a podmienky používania.

Hlavné faktory pri výbere mikrokontroléra sú:

• Schopnosť pracovať s aplikačnými systémami. Možnosť implementácie tohto systému na jednočipový mikrokontrolér, prípadne na špecializovaný čip.
• Prítomnosť požadovaného počtu portov a kontaktov v mikrokontroléri, pretože ak ich nie je dostatok, nebude môcť dokončiť úlohu, a ak existujú ďalšie porty, náklady sa zvýšia.
• Dostupnosť potrebných periférnych zariadení: rôzne prevodníky, komunikačné rozhrania.
• Prítomnosť ďalších pomocných zariadení, ktoré sú pre prácu zbytočné, čo zvyšuje náklady.
• Bude jadro radiča schopné poskytnúť požadovaný výkon: výpočtový výkon, ktorý umožní spracovávať systémové požiadavky v konkrétnom aplikačnom programovacom jazyku.
• Má rozpočet projektu dostatok financií na použitie drahého mikrokontroléra? Ak to nie je vhodné pre cenu, zostávajúce otázky sú zbytočné a vývojár musí hľadať iný mikrokontrolér.
• Dostupnosť. Tento faktor zahŕňa nasledujúce položky:

Požadované množstvo.
Je momentálne vo výrobe?
Dostupnosť podpory pre vývojárov.
Dostupnosť programovacích jazykov, in-circuit emulátorov, ladiacich nástrojov a kompilátorov.

• Informačná podpora vrátane:

Spojenie s profesionálnymi špecialistami.
Kvalifikácia personálu a jeho záujem pomáhať a riešiť problémy.
Príklady programových textov.
Programy a bezplatné assemblery.
Chybové hlásenia.
Príklady použitia.

• Spoľahlivosť výrobcu. Tento faktor zahŕňa:

Obdobie práce na tejto téme.
Kvalita produktu, spoľahlivosť výroby.
Odborná spôsobilosť potvrdená vedeckým vývojom.

Ak si predstavíte všetky typy moderných mikrokontrolérov (MCU), budete ohromení obrovským množstvom rôznych zariadení tejto triedy, ktoré má spotrebiteľ k dispozícii. Všetky tieto priority však možno rozdeliť do nasledujúcich hlavných typov:

• Vstavané 8-bitové mikrokontroléry;
• 16- a 32-bitové MCU;
• Digitálne signálové procesory.

Priemysel vyrába veľmi širokú škálu vstavaných mikrokontrolérov. V nich sú všetky potrebné zdroje (pamäť, vstupné/výstupné zariadenia atď.) umiestnené na rovnakom čipe s jadrom procesora. Ak na príslušné vstupy MK privediete napájanie a hodinové impulzy, môžeme povedať, že „ožije“ a môžete s ním pracovať. Mikrokontroléry spravidla obsahujú značné množstvo pomocných zariadení, čo zabezpečuje ich zahrnutie do reálneho systému s použitím minimálneho počtu prídavných komponentov. Medzi tieto MK patria:

• Obvod počiatočného spustenia procesora (Reset);
• Generátor hodín;
• CPU;
• Programová pamäť (E(E)PROM) a softvérové ​​rozhranie;
• Zariadenia na vstup/výstup dát;
• Časovače, ktoré zaznamenávajú počet príkazových cyklov.

Všeobecná štruktúra MC je znázornená na obr. 1.1. Táto štruktúra dáva predstavu o tom, ako MI komunikuje s vonkajším svetom.


Zložitejšie vstavané mikrokontroléry môžu navyše implementovať nasledujúce funkcie:

• Vstavaný programový monitor/ladiaci program;
• Programovacie nástroje internej programovej pamäte (ROM);
• Spracovanie prerušení z rôznych zdrojov;
• analógové I/O;
• Sériové I/O (synchrónne a asynchrónne);
• Paralelný vstup/výstup (vrátane rozhrania s počítačom);
• Pripojenie externej pamäte (režim mikroprocesora).

Všetky tieto vlastnosti výrazne zvyšujú flexibilitu používania MK a uľahčujú proces vývoja systémov na ňom založených.
Niektoré MCU (najmä 16- a 32-bitové) používajú iba externú pamäť, ktorá zahŕňa programovú pamäť (ROM) a určité množstvo dátovej pamäte (RAM) potrebné pre aplikáciu. Používajú sa v systémoch, ktoré vyžadujú veľké množstvo pamäte a relatívne malý počet vstupno/výstupných zariadení (portov). Typickým príkladom použitia takéhoto MK s externou pamäťou je radič pevného disku (HDD) s vyrovnávacou vyrovnávacou pamäťou, ktorý zabezpečuje medziskladovanie a distribúciu veľkého množstva dát (rádovo niekoľko megabajtov). Externá pamäť umožňuje takémuto mikrokontroléru pracovať vyššou rýchlosťou ako vstavaný mikrokontrolér.
Digitálne signálové procesory (DSP) sú relatívne novou kategóriou procesorov. Účelom DSP je prijímať aktuálne dáta z analógového systému, spracovávať dáta a generovať vhodnú odpoveď v reálnom čase. Zvyčajne sú súčasťou systémov, používajú sa ako ovládacie zariadenia pre externé zariadenia a nie sú určené na samostatné použitie.

Príkazový systém

V závislosti od počtu použitých operačných kódov možno riadiace systémy MK rozdeliť do dvoch skupín: CISC a RISC. Termín CISC znamená Complex Instruction Set Computer a je skratkou pre anglickú definíciu Complex Instruction Set Computer. Podobne výraz RISC znamená redukovaný súbor inštrukcií a pochádza z anglického Reduce Instruction Set Computer. Príkazový systém MK 8051 možno klasifikovať ako typ CISC. Napriek rozšírenému používaniu týchto pojmov však treba uznať, že samotné názvy neodrážajú hlavný rozdiel medzi inštrukčnými systémami CISC a RISC. Hlavnou myšlienkou architektúry RISC je starostlivý výber takých kombinácií operačných kódov, ktoré by bolo možné vykonať v jednom hodinovom cykle generátor hodín. Hlavným prínosom tohto prístupu je dramatické zjednodušenie hardvérovej implementácie CPU a možnosť výrazne zvýšiť jeho výkon.
Je zrejmé, že vo všeobecnosti jeden príkaz CISC zodpovedá niekoľkým príkazom RISC. Zvyčajne však zisky zo zvýšenia výkonu RISC prevažujú nad stratami z menej efektívnej inštrukčnej sady, čo vedie k vysoká účinnosť Systémy RISC vo všeobecnosti v porovnaní s CISC.
V súčasnosti sa však hranica medzi architektúrou CISC a RISC rýchlo stiera. Napríklad MCU rodiny Atmel AVR majú príkazový systém 120 inštrukcií, čo zodpovedá typu CISC. Väčšina z nich sa však vykonáva v jednom hodinovom cykle, čo je charakteristickým znakom architektúry RISC. Dnes sa všeobecne uznáva, že znakom architektúry RISC je vykonávanie inštrukcií v jednom taktovom cykle hodinového generátora. Na počte tímov ako takom už nezáleží.

Typy pamäte MK

V MK sa používajú tri hlavné typy pamäte:
A) programová pamäť;
b) dátová pamäť;
V) MK registruje.
Pamäť programu je permanentná pamäť určená na ukladanie programového kódu a konštánt. Táto pamäť nemení obsah počas vykonávania programu.
Dátová pamäť navrhnutý na ukladanie premenných počas vykonávania programu .
MK registruje– tento typ pamäte zahŕňa interné procesorové registre a registre, ktoré sa používajú na ovládanie periférnych zariadení.
Programy sú zvyčajne uložené v jednom z nasledujúcich typov pamäte iba na čítanie: ROM (maskovaná ROM), PROM (programovateľná jednorazová ROM), EPROM (elektricky programovateľná ROM s možnosťou vymazať ultrafialovým žiarením) alebo EEPROM (elektricky zapisovateľná-vymazávacia ROM, typu obsahuje aj moderné mikroobvody Flash pamäť). Všetky tieto typy pamätí sú energeticky nezávislé – to znamená, že obsah pamäte zostáva zachovaný aj po vypnutí MK.
Opakovane programovateľné ROM - EPROM a EEPROM (Electrally Erasable Programmable Memory) sa delia na ROM s vymazateľnosťou ultrafialovým (UV) žiarením (dostupné v baleniach s okienkom), a MK s elektricky preprogramovateľnou pamäťou, resp.
V súčasnosti programovacie protokoly pre moderné pamäte EEPROM umožňujú programovanie MK priamo ako súčasť systému, v ktorom pracuje. Táto metóda programovania sa nazýva ISP (In System Programming). A teraz môžete pravidelne aktualizovať softvér MK bez toho, aby ste ho odstránili z dosky. To poskytuje obrovskú výhodu v počiatočných fázach vývoja systémov založených na MK alebo v procese ich štúdia, keď sa veľa času strávi opakovaným hľadaním príčin nefunkčnosti systému a vykonávaním následných cyklov vymazávania a programovania programovej pamäte.
Funkčne sa Flash pamäť len málo líši od EEPROM. Hlavným rozdielom je schopnosť vymazať zaznamenané informácie. V pamäti EEPROM sa vymazávanie vykonáva samostatne pre každú bunku a v pamäti Flash sa vymazáva v celých blokoch.
RAM(RAM) je pamäťové zariadenie s náhodným prístupom používané na ukladanie údajov. Táto pamäť sa nazýva aj dátová pamäť. Počet cyklov čítania a zápisu v RAM je neobmedzený, ale po vypnutí napájania sa všetky informácie stratia.

Mikrokontrolér je špeciálny čip určený na ovládanie rôznych elektronických zariadení. Mikrokontroléry sa prvýkrát objavili v tom istom roku ako mikroprocesory na všeobecné použitie (1971).

Vývojári mikrokontrolérov prišli s geniálnym nápadom – spojiť procesor, pamäť, ROM a periférie do jedného balenia, ktoré vyzerá ako bežný mikroobvod. Odvtedy produkcia mikrokontrolérov ročne mnohonásobne prevyšuje produkciu procesorov a ich potreba neklesá.

Mikrokontroléry vyrábajú desiatky spoločností a vyrábajú nielen moderné 32-bitové mikrokontroléry, ale aj 16 a dokonca 8-bitové (ako i8051 a analógy). V rámci každej rodiny často nájdete takmer identické modely, ktoré sa líšia rýchlosťou procesora a kapacitou pamäte.

Mikrokontroléry spravidla nepracujú samostatne, ale sú spájkované do obvodu, kde sú okrem toho pripojené obrazovky, vstupy klávesnice, rôzne senzory atď.

Softvér pre mikrokontroléry môže pritiahnuť pozornosť tých, ktorí milujú „naháňanie bitov“, pretože pamäť v mikrokontroléroch sa zvyčajne pohybuje od 2 do 128 KB. Ak menej, musíte písať v assembleri alebo Forte, ak je to možné, použite špeciálne verzie BASIC, Pascal, ale väčšinou C. Pred finálnym naprogramovaním mikrokontroléra sa testuje v emulátoroch – softvérových alebo hardvérových.

Tu môže vzniknúť otázka: sú mikroprocesor a mikrokontrolér len rôzne názvy pre to isté zariadenie, alebo sú to stále odlišné veci?

Mikroprocesor je centrálnym zariadením každého počítača, vyrobený pomocou integrovanej technológie. Už samotný názov napovedá, že práve v ňom prebiehajú výpočtové procesy. Aby sa z neho stal počítač, aj keď nie príliš moderný a výkonný (spomeňte si na amatérske konštrukcie Radio-86 či Sinclair), treba ho doplniť externými zariadeniami. V prvom rade ide o RAM a vstupné/výstupné porty.

Mikrokontrolér obsahuje procesor, RAM, programovú pamäť a navyše celú sadu periférnych zariadení, ktoré z procesora spravia plne funkčný počítač. Podľa starej terminológie sovietskych čias sa takéto zariadenia nazývali jednočipové mikropočítače. Sovietska výpočtová technika sa však, ako vieme, dostala do slepej uličky a s ňou aj OMEVM.

Zahraničná výpočtová technika nezostala stáť, a tak sa OMEVM začali nazývať kontroléry (z anglického Control - riadiť, kontrolovať). A v skutočnosti sa ovládače ukázali ako veľmi vhodné na ovládanie rôznych zariadení, dokonca aj nie príliš zložitých.

MIKROCONTROLLER už nie je procesor, ale ani počítač.

Centrálny procesor nachádzajúci sa v každom počítači je hlavný počítač. Hoci počítač nie je určený výhradne na výpočtovú záťaž, jeho hlavným prvkom je procesor. Ale nielen počítač má procesor.

Ak sa nad tým zamyslíte a pozriete sa bližšie, zistíte, že procesory sa používajú vo väčšine domácich spotrebičov. Iba oni používajú nie rovnaké procesory ako v počítači, ale mikroprocesory a dokonca aj mikrokontroléry.

Čo je teda mikrokontrolér a ako sa líši od samotného procesora, alebo sú to úplne iné elektronické súčiastky?

Veľké integrované obvody alebo vysoko integrované obvody sú procesory. Mikroprocesory sú v podstate rovnaké procesory, ale kvôli predpone „mikro“ je ich podstata určená tým, že sú menšie ako ich „veľké“ náprotivky. Vo svojej historickej dobe mohol procesor s jeho veľkosťou zaberať viac ako jednu miestnosť, je vhodné ich nazvať, ako vyhynutých dinosaurov, makroprocesory, aby sme ich nejako zefektívnili v modernom poňatí elektroniky.

Menší a zabalený procesor zaberá menej miesta a možno ho umiestniť do kompaktnejšieho produktu, ide o mikroprocesor. Samotný procesor však nie je schopný robiť nič iné, než len prenášať dáta medzi registrami a vykonávať na nich nejaké aritmetické a logické operácie.

Aby mikroprocesor mohol posielať dáta do pamäte, musí byť táto pamäť prítomná buď na samotnom čipe, na ktorom je umiestnený samotný procesný prvok, alebo napojená na externú RAM vyrobenú vo forme samostatného čipu alebo modulu.

Okrem pamäte musí procesor spolupracovať s externými zariadeniami – perifériami. V opačnom prípade, aký prínos môžete očakávať od práce procesora, miešania a presúvania údajov tam a späť? Význam prichádza, keď procesor interaguje s I/O zariadeniami. Pre počítač je to klávesnica, myš a zobrazovacie zariadenia ako displej, voliteľne tlačiareň a napríklad aj skener, opäť na zadávanie informácií.

Na ovládanie I/O zariadení sú potrebné vhodné vyrovnávacie obvody a prvky. Na ich základe je implementované rozhranie tzv. Metódy interakcie s prvkami rozhrania vyžadujú prítomnosť obvodov I/O portov, dekodérov adries a ovládačov zbernice s vyrovnávacími obvodmi na zvýšenie zaťažiteľnosti mikroprocesora.

Integrácia procesora so všetkými potrebnými doplnkovými prvkami, aby tento produkt vyústil do nejakého uceleného dizajnu, vedie k vytvoreniu mikrokontroléra. Mikroobvod alebo čip mikrokontroléra implementuje procesor a obvody rozhrania na jednom čipe.

Príkladom typického mikrokontroléra je sebestačný čip, ktorý obsahuje takmer všetko, takže stačí postaviť hotový produkt. Napríklad elektronické náramkové hodinky alebo budík majú vo vnútri mikrokontrolér, ktorý implementuje všetky funkcie takéhoto zariadenia. Jednotlivé periférne zariadenia sa pripájajú priamo na piny čipu mikrokontroléra, prípadne sa spolu používajú prídavné prvky alebo malé či malé čipy. stredný stupeň integrácia.

Mikrokontroléry sú široko používané v produktoch, ktoré obsahujú celý systém výlučne v jednom miniatúrnom čipe, často nazývanom mikrozostava. Napríklad „čipová“ kreditná karta obsahuje mikrokontrolér vo vnútri v plastovej základni. Vo vnútri obsahuje aj mikrokontrolér. A príklady použitia a aplikácie mikrokontrolérov sú v modernom svete také rozsiahle, že je ľahké odhaliť prítomnosť ovládača v akomkoľvek viac či menej inteligentnom zariadení, od detskej hračky až po bezdrôtový headset k mobilnému telefónu.

Pozri aj na našej webovej stránke:

Pozrite si tiež vzdelávacie video kurzy Maxima Selivanova na túto tému:

Kur je pre tých, ktorí už ovládajú základy elektroniky a programovania, poznajú základné elektronické súčiastky, zostavujú jednoduché obvody, vedia držať spájkovačku a chcú sa posunúť na kvalitatívne novú úroveň, no tento prechod neustále odkladajú kvôli ťažkosti so zvládnutím nového materiálu.

Kurz je skvelý aj pre tých, ktorí len nedávno urobili prvé pokusy naučiť sa programovať mikrokontroléry, no už sú pripravení to vzdať, pretože im nič nefunguje alebo nefunguje, ale nie tak, ako by potrebovali (znie to povedome?!).

Kurz bude užitočný aj pre tých, ktorí už montujú jednoduché (alebo možno nie až také jednoduché) obvody na mikrokontroléroch, ale nerozumejú dobre podstate toho, ako mikrokontrolér funguje a ako interaguje s externými zariadeniami.

Kurz je venovaný výučbe programovania mikrokontrolérov v jazyku C. Charakteristickým rysom kurzu je učenie sa jazyka na veľmi hlbokej úrovni. Školenie prebieha na príklade mikrokontrolérov AVR. Ale v zásade je vhodný aj pre tých, ktorí používajú iné mikrokontroléry.

Kurz je určený pre školených študentov. To znamená, že kurz nepokrýva základné základy informatiky a elektroniky a mikrokontrolérov. Ale na zvládnutie kurzu budete potrebovať minimálne znalosti programovania mikrokontrolérov AVR v akomkoľvek jazyku. Znalosť elektroniky je žiaduca, nie však nutná.

Kurz je ideálny pre tých, ktorí sa práve začali učiť programovať mikrokontroléry AVR v jazyku C a chcú si prehĺbiť svoje znalosti. Je to dobré aj pre tých, ktorí majú trochu znalosti programovania mikrokontrolérov v iných jazykoch. Je vhodný aj pre bežných programátorov, ktorí si chcú prehĺbiť znalosti jazyka C.

Tento kurz je pre tých, ktorí sa nechcú obmedzovať vo svojom vývoji na jednoduché alebo hotové príklady. Kurz je ideálny pre tých, ktorí majú záujem vytvárať zaujímavé zariadenia s úplným pochopením ich fungovania. Kurz je vhodný pre tých, ktorí už poznajú programovanie mikrokontrolérov v jazyku C a pre tých, ktorí ich programujú už dlhšiu dobu.

Materiál kurzu je zameraný predovšetkým na praktické využitie. Preberané sú tieto témy: rádiofrekvenčná identifikácia, prehrávanie zvuku, bezdrôtová výmena dát, práca s farebnými TFT displejmi, dotykové obrazovky, práca so súborovým systémom FAT SD karty.

Mikrokontroléry takmer úplne zaplnili moderný svet elektroniky. Preto sa s týmito zdanlivo záhadnými zariadeniami skôr či neskôr stretne každý nováčik alebo skúsený elektrotechnik. Mikrokontrolér je v podstate len kúsok kremíka v plastovom obale s kovovými vodičmi, ktorý sám o sebe nevykonáva žiadne funkcie. Je však schopný vyriešiť veľa zložitých problémov pomerne vysokou rýchlosťou, ak je v ňom nahraný (“napevno” pripojený) program. Našou úlohou je preto naučiť sa písať programy pre mikrokontrolér, a tým ho premeniť z kúska kremíka na kúsok „zlata“.

Prirodzene vyvstávajú otázky: čo je mikrokontrolér, kde ho začať študovať a aký typ si vyberiete? Odpovede na tieto a ďalšie otázky nájdeme nižšie. Zatiaľ sa pozrime, ako by mohli vyzerať a stručne sa pozrime na rozsah a niektoré možnosti mikrokontrolérov.

Typy puzdier mikrokontrolérov

Vonkajšie sa mikrokontroléry nelíšia od iných mikroobvodov. Kryštály MK sú umiestnené v štandardných puzdrách, ktoré majú presne definovaný počet kolíkov. Mikrokontroléry sa vyrábajú tromi základnými spôsobmi: odlišné typy budov.

DIP balík

Prvý typ zahŕňa DIP rám. Skratka pre angličtinu D ual ja n— L ine P priznanie– puzdro s dvomi radmi svoriek. Rozstup kolíkov je 0,1 palca, čo sa rovná 2,54 mm. Tiež sú označené podobné prípady PDIP. Prvé písmeno „P“ znamená, že puzdro je plastové – P lastický. V takom balíku použijeme aj mikrokontroléry, pretože takéto mikrokontroléry sa jednoducho inštalujú na dosku, čo značne uľahčuje ladenie.

Obr. 1 – MikrokontrolérATmega8 palcovDIPtelo

SOIC balík

Ďalej, v poradí klesajúcich rozmerov, budú SOIC rám. Jeho skratka znamená: S nákupné centrum— O obrysová čiara ja integrovaný C obvod. Používa sa na spájkovanie na povrch, t.j. kolíky mikroobvodu sú prispájkované k podložkám umiestneným na povrchu dosky, a nie vložené do otvorov ako DIP balík. Vzdialenosť medzi SOIC kryty majú kolíky, ktoré sú o polovicu menšie ako tie v DIP a majú 1,27 mm.

Ryža. 2 – MikrokontrolérAT89 C2051 v balení SOIC

Balíky QFP a TQFP

Typ puzdra má ešte menšie rozmery QFP (Q uad F lat P priznanie) alebo TQFP (T hin Q uad F lat P priznanie) (ryža. 3). Jeho charakteristickým znakom je umiestnenie kolíkov na všetkých štyroch stranách a samotné telo má štvorcový tvar. Páči sa mi to SOIC, TQFP je určený pre povrchová montáž. Vzdialenosť medzi kolíkmi je 3-krát menšia ako u obalov DIP.

Ryža. 3 – MikrokontrolérATmega328 PVTQFPtelo

Kryt QFN

Najexotickejšie z pohľadu amatérskej praxe je telo QFN (Q uad F lat N o— vedie) . Tento prípad má najmenšie rozmery spomedzi všetkých uvažovaných prípadov. Piny, ktoré sa tu používajú, sú kontakty, ktorých vzdialenosť je 6-krát menšia ako u puzdier DIP. Z tohto dôvodu ich rádioamatéri používajú len zriedka. V priemysle sú takéto prípady široko používané, pretože rozmery hotového elektronického zariadenia je možné zmenšiť desiatky krát. Zapnuté Obr.4 môžete jasne vidieť rozdiely v rozmeroch rovnakého mikrokontroléra (ATmega8) v DIP A QFN budov.

Ryža. 4 – MikrokontrolérATmega8 palcovDIPAQFNbudov

Pre porovnanie sú zobrazené mikrokontroléry v rôznych typoch balení ryža. 5. Mikrokontroléry budeme používať výhradne v PID balíkoch, aspoň v počiatočných fázach programovania.

Ryža. 5 – Mikrokontroléry v rôznych typoch krytov

Mikrokontroléry nás obklopujú všade

Rozsah aplikácie MK sa každým dňom viac a viac rozširuje. Používajú sa vo väčšine rôzne zariadenia: od hudobnej pohľadnice po vysokorýchlostný elektrický vlak, lietadlo a raketu. MK sa široko používajú v domácich spotrebičoch: hriankovače, mikrovlnné rúry, kávovary, chladničky, práčky. Sú široko používané v mobilné telefóny, tablety, elektronické hodinky, autách, teda takmer vo všetkých elektronických zariadeniach. A to nie je prekvapujúce, pretože vďaka mikrokontrolérom sú zariadenia kompaktnejšie, ľahšie, spoľahlivejšie a lacnejšie; znižuje sa ich spotreba energie.

Samostatne je potrebné poznamenať, že mikrokontroléry sa čoraz viac používajú v robotike, konkrétne v riadiacich systémoch robotov, najjednoduchších aj pomerne zložitých.

Základné vlastnosti mikrokontrolérov

Mikrokontroléry sú schopné prijímať signály, napríklad z rôznych senzorov, tlačidiel alebo klávesníc, spracovávať ich a vytvárať riadiace signály, napríklad na zobrazovanie informácií na displejoch z tekutých kryštálov.

Pomocou MK môžete vytvárať veľmi presné časové intervaly vďaka prítomnosti vstavaných časovačov-počítačov. To umožňuje vytvárať hodiny, časovače, stopky a ďalšie zariadenia, kde je potrebné brať do úvahy časové úseky.

MK sa používajú aj na počítanie impulzov, čo umožňuje spočítať počet operácií zariadenia. Môžete napríklad spočítať, koľkokrát relé funguje na riadenie alebo automatizáciu konkrétneho procesu.

Prítomnosť vstavaného zariadenia s moduláciou šírky impulzov (PWM) vám umožňuje ovládať rýchlosť hriadeľa motora.

Mnoho mikrokontrolérov má na čipe analógovo-digitálne prevodníky, ktoré možno použiť na vytváranie rôznych meracích zariadení, ako sú voltmetre, ampérmetre, ohmetre, merače kapacity atď.

Mikrokontroléry si tiež môžu vymieňať dáta medzi počítačom a iným mikrokontrolérom. Na tento účel má takmer každý MK zabudované jedno alebo viac rozhraní na prenos údajov: USART, SPI, CAN, USB atď.

Taktiež sú v MK zabudované ďalšie funkčné celky, ako sú rôzne prerušenia, watchdogové časovače a pod. Dúfam však, že aj uvedené funkcie a možnosti mikrokontrolérov vás zaujmú a inšpirujú k ich ďalšiemu štúdiu.

Aký je rozdiel medzi mikrokontrolérom a mikroprocesorom?

Mikrokontrolér sa často nazýva mikroprocesor, nie je to však úplne pravda. Mikroprocesor vykonáva iba sériu aritmetických a logických operácií. Mikrokontrolér obsahuje mikroprocesor a ďalšie funkčné jednotky, ako sú vstupno-výstupné porty, pamäť, analógovo-digitálne prevodníky, PWM atď. Vo všeobecnosti je mikrokontrolér analogický k základnej doske počítača, na ktorej sú umiestnené všetky zariadenia vrátane centrálneho procesora. Mikroprocesor je len samostatný prvok s vysokým výpočtovým výkonom.

Aký typ mikrokontroléra by som si mal vybrať pre úvodnú štúdiu?

Aby ste zvládli programovanie mikrokontrolérov na celkom dobrej úrovni, musíte sa najskôr naučiť programovať jeden typ mikrokontroléra a naštudovať si všetky jeho možnosti. Potom bude oveľa jednoduchšie zvládnuť iné typy MK.

Medzi hlavné kritériá pre výber MK patrí:

— dostupnosť, t.j. MK možno ľahko zakúpiť v každom obchode s rádiami;

- nízke náklady. Tu je všetko jasné;

— dostupnosť podrobnej technickej dokumentácie;

— slobodný softvér;

— dostupnosť literatúry a dostatočný počet príkladov na vybraný typ mikrokontroléra.

Posledný bod vyzdvihujem ako najdôležitejší. Pretože iba ak máte veľa jasných a zaujímavých príkladov, môžete dobre zvládnuť programovanie mikrokontrolérov bez toho, aby ste stratili záujem o túto činnosť, ktorá je pri dlhodobom štúdiu mikrokontrolérov veľmi dôležitá.

Podľa môjho názoru a osobná skúsenosť Všetky tieto kritériá spĺňa mikrokontrolér ATmega8 od spoločnosti Atmel. Vezmeme to ako základ.