MCU: seznamte se s nejdůležitějšími rodinami mikrokontrolérů

Používáme velké množství vývojových desek, které často používáme, od samotného Arduina až po mnoho dalších Jednotky MCU nebo mikrokontroléry. Některé životně důležité čipy, aby bylo možné naprogramovat tato zařízení a že instrukce vytvořené programátorem mohou být zpracovány pro získání očekávaných výsledků.

Nicméně, Sektor mikrokontrolérů je poměrně široký., stejně jako je tomu v případě CPU nebo mikroprocesorů, protože nejenže existuje mnoho návrhářů nebo výrobců, stejně jako modelů, ale existuje také mnoho různých rodin, které byste měli znát. Tento článek tedy budeme věnovat právě této věci, abyste věděli, který by vás mohl pro vaše projekty nejvíce zajímat…

Co je to mikrokontrolér nebo MCU?

Un mikrokontrolér nebo MCU (MicroController Unit) Jedná se o kompaktní zařízení, které integruje funkce centrálního procesoru (CPU), paměti a periferií na jediném čipu. Toto zařízení je středobodem mnoha elektronických systémů a je zásadní v oblasti vestavěné elektroniky. Stručně řečeno, skvělá alternativa k drátové elektronice, která umožňuje jednomu čipu flexibilně vykonávat množství funkcí, protože je programovatelný.

Mikrokontroléry se používají v a široké spektrum aplikací díky své univerzálnosti a účinnosti. Některé příklady použití mikrokontrolérů zahrnují řídicí systémy v automobilech, domácí spotřebiče, průmyslové automatizační systémy, systémy řízení procesů, hračky, bezpečnostní systémy, vývojové desky a mnoho dalších elektronických zařízení.

Části mikrokontrolérů

Mikrokontroléry jsou integrovaná zařízení a všechny jejich součásti jsou implementovány na čipu nebo integrovaném obvodu. Mezi nejzákladnější části z těchto čipů jsou:

• CPU (Central Processing Unit): Centrální procesorová jednotka je mozkem mikrokontroléru a jeho nejdůležitější částí. Tato jednotka je zodpovědná za používání dat a instrukcí programu k jejich vhodné interpretaci a zpracování v prováděcích jednotkách k získání očekávaných výsledků. To znamená, že CPU provádí všechny výpočetní operace a rozhoduje na základě programové logiky. Rychlost a účinnost CPU do značné míry určuje výkon mikrokontroléru. Kromě toho mají také obvykle elementární části jako jsou přerušovací systémy, které umožňují mikrokontroléru včas reagovat na určité události. Když nastane určitá událost, jako je vstup signálu nebo časovač, který dosáhne určité hodnoty, mikrokontrolér může přerušit svůj aktuální úkol, aby na tuto událost reagoval.
• Paměť: Obvykle mají dva typy paměti, jako je RAM a flash. RAM se používá k ukládání dočasných dat, jako jsou instrukce, které tvoří programy a data (proměnné, konstanty,...) během provádění programu. Zatímco flash paměť se používá k uložení programu, který se má provést, a je energeticky nezávislá jako RAM, takže když dojde k přerušení napájení nebo vypnutí zařízení, program zůstane.
• Vstupní/výstupní periferie (I/O): umožnit mikrokontroléru interakci s vnějším světem. Mohou zahrnovat digitální I/O porty, analogově-digitální převodníky (ADC), digitálně-analogové převodníky (DAC), komunikační rozhraní jako UART, SPI a I2C, různé řadiče, časovače, čítače, GPIO a ostatní.

Jak se liší od mikroprocesoru nebo CPU?

Mikroprocesor a mikrokontrolér jsou dvě základní součásti v oblasti elektroniky, ale mají významné rozdíly pokud jde o strukturu a použití, i když mnoho lidí zaměňuje tyto dva nebo věří, že jsou stejné.

Zatímco CPU pouze integruje funkční jednotky pro ovládání a interpretaci instrukcí, registrů i prováděcích instrukcí jako ALU, FPU atd. a lze je flexibilněji kombinovat s dalšími pomocnými prvky, mikrokontroléry jsou poněkud uzavřenější ve smyslu integrace mnoho částí, které CPU vynechává. Ve skutečnosti, zatímco CPU je mozkem počítače, MCU lze považovat za kompletní počítač, protože obsahuje všechny základní části na jediném čipu.

Nezaměňujte však větší integraci s podmínkami složitost a výkon. Zatímco současné mikroprocesory jsou extrémně složité a s velmi vysokým výkonem, současné mikrokontroléry mají obvykle integrovaný CPU s mnohem nižším a jednodušším výkonem. Ve skutečnosti může mít mnoho dnešních mikrokontrolérů výkon podobný mikroprocesorům před desítkami let. A co víc, jak uvidíme později, máme dokonce 8bitové nebo 16bitové mikrokontroléry jako CPU ze 70. let.

Rozdíly oproti SoC?

Protože mikrokontrolér integruje několik prvků na stejném čipu, Často se také zaměňuje s SoC (System on a Chip)Ani to však není stejné. Stejně jako u CPU vs MCU, SoC také integrují CPU s mnohem vyšším výkonem než většina současných mikrokontrolérů. Kromě toho je SoC nekonečně složitější a pokročilejší systém. Na druhou stranu SoC obvykle neintegruje některé části, které jsou integrovány do mikrokontroléru, protože aplikace, pro které je určen, to nevyžadují, jako jsou RAM a flash paměti, převodníky ADC atd.

Trocha historie

První víceobvodové mikroprocesory, jako AL1 od Four-Phase Systems v roce 1969 a MP944 od Garrett AiResearch v roce 1970, byly vyvinuty s více čipy MOS LSI. Prvním jednočipovým mikroprocesorem byl Intel 4004, vydaný v roce 1971. Tyto procesory vyžadovaly několik externích čipů k implementaci funkčního systému, což bylo drahé. Téměř paralelně však bylo vyvinuto to, co dnes známe jako mikrokontrolér. ON přisuzovaný IT inženýrům Garymu Booneovi a Michaelu Cochranovi, úspěšné vytvoření prvního mikrokontroléru v roce 1971, TMS 1000, který kombinoval paměť pouze pro čtení, paměť pro čtení/zápis, procesor a hodiny na jediném čipu. Ve skutečnosti, ačkoli toto je jiný příběh, vyvolal patentovou válku a soudní spory o autorství mikroprocesoru...

Během 1970. let minulého století se Japonští výrobci elektroniky začali vyrábět mikrokontroléry pro automobily. Postupně se staly populárními a v reakci na existenci jednočipového TMS 1000 vyvinul Intel počítačový systém na čipu optimalizovaném pro řídicí aplikace Intel 8048, který kombinoval RAM a ROM na stejném čipu spolu s CPU. Postupem času byly energeticky nezávislé paměti vylepšeny a přešly od záznamu v továrně s trvalým programem jako první ROM až do představení PROM nebo EEPROM z roku 1993, což umožnilo jejich vymazání a přeprogramování. s jiným programem jednoduchým způsobem a tolikrát, kolikrát chcete.

Kolem tohoto typu čipů se postupně rodily firmy, jako např Atmel, Microchip Technology a mnoho dalších. Další společnosti v tomto sektoru také začaly distribuovat své vlastní MCU, jako jsou Intel, Analog Devices, Cypress, AMD, ARM, Hitachi, EPSON, Motorola, Zilog, Infineon, Lattice, National Semiconductor, NEC, Panasonic, Renesas, Rockell, Sony , STMicroelectronics , Synopsis, Toshiba atd.

Dnes jsou mikrokontroléry levné a snadno dostupné pro fandy a pro mnoho různých průmyslových odvětví. Navíc se odhaduje, že jsou prodány téměř 5 miliard 8bitových jednotek po celém světě, která je v současnosti nejpoužívanější. Najdete je v domácích spotřebičích, vozidlech, počítačích, telefonech, průmyslových strojích a mnoha dalších. Navíc se jim podařilo miniaturizovat na maximum a vznikly tak jedny z nejmenších počítačů na světě, dokonce mnohem menší než zrnko soli...

ISA a rodiny mikrokontrolérů

Nyní, když víte trochu více o tom, co je MCU nebo mikrokontrolér, pojďme se podívat na některé z nich nejdůležitější rodiny těchto mikrokontrolérů. A stejně jako CPU je lze rozdělit podle ISA, tedy repertoáru instrukcí, registrů a datových typů, které se používají, a na tom bude záviset kompatibilita binárních programů, které lze spustit. mezi rodinami. A tyto rodiny jsou zcela nezávislé na modelu, značce nebo jednotkách obsažených v čipu.

Mezi nejoblíbenější rodiny máme následující:

• Děti: je generace softcore pro FPGA od Altera, nyní pohlcená Intelem.
• Černá ploutev: je rodina 16/32bitových mikroprocesorů vyvinutých, vyráběných a uváděných na trh společností Analog Devices. Procesory mají také vestavěnou funkci digitálního signálového procesoru (DSP), kterou provádí 16bitová multiplikační akumulace (MAC).
• TigerSHARC: je zkratka pro Super Harvard Architecture Single-Chip Computer, také od Analog Devices. V tomto případě jsou ideální pro aplikace, které vyžadují vysoký výpočetní výkon s nízkou spotřebou energie. Tyto procesory nabízejí jedinečnou architekturu paměti, která umožňuje efektivní přístup k datům a instrukcím bez snížení výkonu spojeného s architekturami sběrnic Von Neumann.
• Cortex-M- Mikrokontroléry Cortex-M od ARM jsou oblíbenou rodinou 32bitových mikrokontrolérů, které jsou velmi energeticky účinné a nabízejí dobrý výkon. Jsou obzvláště oblíbené v průmyslových a spotřebitelských aplikacích a v současnosti představují většinu moderních čipů prodávaných mnoha společnostmi.
• AVR32: Jedná se o 32bitovou architekturu mikrokontroléru RISC od společnosti Atmel a můžete ji najít na mnoha vývojových deskách, jako je Arduino a jeho klony.
• RISC-V: Tato otevřená ISA má za cíl překonat ARM a postupně začala mít ve světě mikrokontrolérů důležitost, protože je velmi flexibilní a umožňuje její použití bez placení licenčních poplatků.
• PIC- jsou rodina 8bitových mikrokontrolérů vyvinutých společností Microchip Technology, která je známá svou pokročilou architekturou RISC a jsou v tomto odvětví velmi populární.
• PowerQUICC: jsou založeny na technologii IBM Power Architecture a byly použity společností Motorola (nyní Freescale), podporují celé spektrum vestavěných síťových zařízení, průmyslových a obecných vestavěných aplikací.
• Rozpínání: Toto jsou MCU Fujitsu a jsou zaměřeny na analogové a digitální produkty a jsou navrženy pro efektivitu a vyvážený výkon.
• 8051: Jde o 8bitový mikrokontrolér vyvinutý společností Intel, i když jej nyní najdete vyráběný i jinými společnostmi. Je to jeden z nejpopulárnějších mikrokontrolérů a používá se v široké škále aplikací. 8051 je mikrokontrolér CISC založený na architektuře Harvard.
• TriCore: je mikrokontrolér vyvinutý společností Infineon Technologies. TriCore spojuje prvky RISC procesorového jádra, mikrokontroléru a DSP na jediném čipu. V té době to byla revoluce.
• MC-48 nebo 8048: Jedná se o mikrokontrolér z řady Intel s 64 bajty RAM a přístupem k 4096 bajtů externí programové paměti.
• mico8- je rodina 8bitových mikrokontrolérů implementovaná výhradně v obecné paměti a logice pro mřížkové FPGA.
• Vrtule: 32bitová vícejádrová architektura vyvinutá společností Parallax Inc. Každá vrtule má 8 identických 32bitových procesorů připojených ke společnému rozbočovači.
• Základní razítko- je mikrokontrolér s malým specializovaným interpretem BASIC (PBASIC) zabudovaným do paměti ROM. Vyrábí ho Parallax, Inc a byl docela oblíbeným produktem pro tvůrce, kteří chtěli doma dělat velké množství projektů, než bylo Arduino vydáno.
• SuperH: je 32bitová architektura RISC výpočetní instrukční sady vyvinutá společností Hitachi a v současnosti vyráběná společností Renesas a zaměřená na mikrokontroléry pro vestavěné systémy.
• tiva: je sériový mikrokontrolér vyvinutý společností Texas Instruments. Má vestavěnou taktovací frekvenci procesoru až 80 MHz s plovoucí desetinnou čárkou (FPU) s velkým výkonem.
• Microblaze: je vysoce integrovaný procesorový systém určený pro řídicí aplikace. MicroBlaze je plně implementován v paměti a obecné logice Xilinx (nyní AMD) FPGA, tedy softcore.
• Picoblaze: podobný předchozímu, ale v tomto případě je 8bitový a jednodušší, pro integrovanější aplikace.
• XCore: Jsou to vícejádrové MCU XMOS, 32 bitů, které jsou naprogramovány v prostředí jazyka C a fungují deterministicky a s nízkou latencí. Jsou velmi kompletní a lze je realizovat ve formě dlaždic.
• Z8: je od společnosti Zilog a jsou to 8bitová zařízení, která nabízejí širokou škálu možností výkonu a zdrojů. Tyto mikrokontroléry jsou ideální pro velkoobjemové aplikace, které jsou citlivé na náklady, včetně spotřebitelských, automobilových, bezpečnostních a HVAC produktů.
• Z180: Je to další z populárních v Zilog před vydáním nového eZ, které aktualizovaly předchozí řady. Obsahuje 8bitový procesor, kompatibilní s velkou softwarovou základnou napsanou pro Z80. Řada Z180 přidává vyšší výkon a integrované periferní funkce, jako je generátor hodin, 16bitové čítače/časovače, řadič přerušení, generátory stavu čekání, sériové porty a řadič DMA.
• STM: Tato rodina STMicroelectronics má některé jednotky MCU založené na vlastní architektuře této společnosti, i když v nejnovějších modelech bylo zvoleno, jako v mnoha jiných případech, k integraci 32bitové řady ARM Cortex-M. Nabízí produkty, které kombinují velmi vysoký výkon, schopnosti v reálném čase, digitální zpracování signálu, provoz s nízkou spotřebou/nízkým napětím a konektivitu při zachování úplné integrace a snadného vývoje.

Je jich více, ale tyto jsou nejdůležitější…