Koristi se mnoštvo razvojnih ploča koje često koristimo, od samog Arduina do mnogih drugih MCU jedinice ili mikrokontroleri. Neki vitalni čipovi da bi mogli programirati ove uređaje te da se upute koje je stvorio programer mogu obraditi da bi se dobili očekivani rezultati.
Međutim, Sektor mikrokontrolera prilično je širok., kao što je također slučaj s CPU-ima ili mikroprocesorima, jer ne samo da postoji mnogo dizajnera ili proizvođača, kao i modela, već postoji i mnogo različitih obitelji koje biste trebali poznavati. Stoga ćemo ovaj članak posvetiti upravo ovoj stvari, kako biste znali koja bi vas mogla najviše zanimati za vaše projekte…
Što je mikrokontroler ili MCU?
Un mikrokontroler ili MCU (MicroController Unit) To je kompaktni uređaj koji integrira funkcije središnjeg procesora (CPU), memorije i perifernih uređaja na jednom čipu. Ovaj je uređaj središnji dio mnogih elektroničkih sustava i temelj je u području ugrađene elektronike. Ukratko, izvrsna alternativa ožičenoj elektronici, koja omogućuje jednom čipu fleksibilno obavljanje mnoštva funkcija, budući da je programibilan.
Mikrokontroleri se koriste u a veliki izbor aplikacija zbog svoje svestranosti i učinkovitosti. Neki primjeri upotrebe mikrokontrolera uključuju sustave upravljanja u automobilima, kućanskim aparatima, sustavima industrijske automatizacije, sustavima upravljanja procesima, igračkama, sigurnosnim sustavima, razvojnim pločama i mnogim drugim elektroničkim uređajima.
Dijelovi mikrokontrolera
Mikrokontroleri su integrirani uređaji, a sve njihove komponente implementirane su na čipu ili integriranom krugu. Između najosnovniji dijelovi od ovih čipova su:
- CPU (Central Processing Unit): Središnja procesorska jedinica je mozak mikrokontrolera, i to njegov najvažniji dio. Ova jedinica je odgovorna za korištenje podataka i uputa programa za njihovu interpretaciju i odgovarajuću obradu u izvršnim jedinicama za dobivanje očekivanih rezultata. To jest, CPU provodi sve računske operacije i donosi odluke na temelju programske logike. Brzina i učinkovitost CPU-a uvelike određuju performanse mikrokontrolera. Osim toga, obično imaju i elementarne dijelove kao što su sustavi prekida, koji omogućuju mikrokontroleru pravovremenu reakciju na određene događaje. Kada se dogodi određeni događaj, kao što je ulaz signala ili mjerač vremena dosegne određenu vrijednost, mikrokontroler može prekinuti svoj trenutni zadatak kako bi odgovorio na ovaj događaj.
- Memorija: Obično imaju dvije vrste memorije kao što su RAM i flash. RAM se koristi za pohranjivanje privremenih podataka, kao što su instrukcije koje čine programe i podaci (varijable, konstante,...) tijekom izvođenja programa. Dok se flash memorija koristi za pohranjivanje programa koji se treba izvršiti, a ona je nepromjenjiva poput RAM-a, pa će program ostati kada se prekine napajanje ili isključi uređaj.
- Ulazno/izlazna periferija (I/O): omogućuje mikrokontroleru interakciju s vanjskim svijetom. To može uključivati digitalne I/O priključke, analogno-digitalne pretvarače (ADC), digitalno-analogne pretvarače (DAC), komunikacijska sučelja kao što su UART, SPI i I2C, razne kontrolere, mjerače vremena, brojače, GPIO i drugi.
Po čemu se razlikuje od mikroprocesora ili CPU-a?
Mikroprocesor i mikrokontroler dvije su temeljne komponente u području elektronike, ali imaju značajne razlike u smislu strukture i upotrebe, iako mnogi ljudi brkaju to dvoje ili vjeruju da su isti.
Dok CPU samo integrira funkcionalne jedinice za kontrolu i interpretaciju instrukcija, registara, kao i izvedbenih instrukcija kao što su ALU, FPU itd., a mogu se fleksibilnije kombinirati s drugim pomoćnim elementima, mikrokontroleri su nešto zatvoreniji u smislu da integriraju mnoge dijelove koje CPU izostavlja. Zapravo, dok je CPU mozak računala, MCU se može smatrati potpunim računalom, budući da uključuje sve osnovne dijelove na jednom čipu.
Međutim, nemojte brkati veću integraciju s uvjetima složenost i performanse. Dok su trenutni mikroprocesori izuzetno složeni i imaju vrlo visoke performanse, trenutni mikrokontroleri obično imaju integrirani CPU s mnogo nižim i jednostavnijim performansama. Zapravo, mnogi današnji mikrokontroleri mogu imati performanse slične mikroprocesorima od prije nekoliko desetljeća. Štoviše, kao što ćemo vidjeti kasnije, imamo čak i 8-bitne ili 16-bitne mikrokontrolere poput CPU-a iz 70-ih.
Razlike u odnosu na SoC?
Budući da mikrokontroler integrira nekoliko elemenata na istom čipu, Također se često brka sa SoC (sustav na čipu)Međutim, ni to nije isto. Kao i kod CPU-a protiv MCU-a, SoC-ovi također integriraju CPU s mnogo većim performansama od većine trenutnih mikrokontrolera. Nadalje, SoC je beskrajno složeniji i napredniji sustav. S druge strane, SoC obično ne integrira neke od dijelova koji su integrirani u mikrokontroler, budući da aplikacije za koje je namijenjen to ne zahtijevaju, poput RAM-a i flash memorije, ADC pretvarača itd.
Malo povijesti
Rani mikroprocesori s više krugova, poput AL1 iz Four-Phase Systems 1969. i MP944 iz Garrett AiResearch 1970., razvijeni su s višestrukim MOS LSI čipovima. Prvi mikroprocesor s jednim čipom bio je Intel 4004, izdan 1971. Ti su procesori zahtijevali nekoliko vanjskih čipova za implementaciju funkcionalnog sustava, što je bilo skupo. No, gotovo paralelno razvijalo se ono što danas poznajemo kao mikrokontroler. ON pripisuje se IT inženjerima Garyju Booneu i Michaelu Cochranu, uspješno stvaranje prvog mikrokontrolera 1971. godine, TMS 1000, koji je kombinirao memoriju samo za čitanje, memoriju za čitanje/pisanje, procesor i sat na jednom čipu. Zapravo, iako je to druga priča, ona je generirala patentni rat i tužbe oko autorstva mikroprocesora...
Tijekom 1970-ih, Japanski proizvođači elektronike počeli su proizvoditi mikrokontrolere za automobile. Postupno su postali popularni, a kao odgovor na postojanje TMS 1000 s jednim čipom, Intel je razvio računalni sustav na čipu optimiziranom za kontrolne aplikacije, Intel 8048, koji je kombinirao RAM i ROM na istom čipu zajedno s CPU-om. Prolaskom vremena, postojane memorije su poboljšane, i prošle su od snimanja u tvornici s trajnim programom poput prvih ROM-ova do uvođenja PROM-a ili EEPROM-a 1993., koji je omogućio njihovo brisanje i reprogramiranje drugim programom na jednostavan način i onoliko puta koliko želite.
Malo po malo, tvrtke su rođene oko ove vrste čipsa, kao što su Atmel, Microchip Technology i mnogi drugi. Druge tvrtke u sektoru također su počele distribuirati vlastite MCU-ove, kao što su Intel, Analog Devices, Cypress, AMD, ARM, Hitachi, EPSON, Motorola, Zilog, Infineon, Lattice, National Semiconductor, NEC, Panasonic, Renesas, Rockell, Sony , STMicroelectronics, Synopsis, Toshiba itd.
Danas su mikrokontroleri jeftini i lako dostupni hobistima i mnoštvu različitih industrijskih sektora. Nadalje, procjenjuje se da su prodani gotovo 5 milijardi 8-bitnih jedinica diljem svijeta, koji se trenutno najviše koristi. Možete ih pronaći u kućanskim aparatima, vozilima, računalima, telefonima, industrijskim strojevima i još mnogo toga. Nadalje, uspjeli su se minijaturizirati do maksimuma, stvarajući neka od najmanjih računala na svijetu, čak puno manja od zrna soli...
ISA i obitelji mikrokontrolera
Sada kada znate nešto više o tome što je MCU ili mikrokontroler, pogledajmo neke od njih najvažnije obitelji ovih mikrokontrolera. I, poput CPU-a, mogu se podijeliti prema ISA-i, to jest, repertoaru instrukcija, registara i tipova podataka koji se koriste, a kompatibilnost binarnih programa koji se mogu izvršiti ovisit će o tome. čineći ih nekompatibilnima između obitelji. A te su obitelji potpuno neovisne o modelu, marki ili jedinicama uključenim u čip.
Među najpopularnije obitelji imamo sljedeće:
- djeca: je generacija softcore-a za FPGA od Altere, koju je sada preuzeo Intel.
- crna peraja: je obitelj 16/32-bitnih mikroprocesora koje je razvio, proizveo i plasirao Analog Devices. Procesori također imaju ugrađenu funkciju digitalnog procesora signala (DSP), koju izvodi 16-bitna akumulacija množenja (MAC).
- TigerSHARC: kratica za Super Harvard Architecture Single-Chip Computer, također od Analog Devices. U ovom su slučaju idealni za aplikacije koje zahtijevaju visoke računalne performanse uz nisku potrošnju energije. Ovi procesori nude jedinstvenu memorijsku arhitekturu koja omogućuje učinkovit pristup podacima i uputama bez smanjenja performansi povezanih s arhitekturama Von Neumann sabirnice.
- Korteks-M- ARM-ovi Cortex-M mikrokontroleri su popularna obitelj 32-bitnih mikrokontrolera koji su vrlo energetski učinkoviti i nude dobre performanse. Posebno su popularni u industrijskim i potrošačkim aplikacijama, a trenutno predstavljaju većinu modernih čipova koje prodaju mnoge tvrtke.
- AVR32: To je 32-bitna RISC mikrokontrolerska arhitektura koju proizvodi Atmel, a možete je pronaći na mnogim razvojnim pločama, poput Arduina i njegovih klonova.
- RISC-V: Ovaj otvoreni ISA ima za cilj nadmašiti ARM, a malo po malo počeo je imati važnost u svijetu mikrokontrolera, budući da je vrlo fleksibilan i omogućuje korištenje bez plaćanja tantijema.
- PIC- obitelj su 8-bitnih mikrokontrolera koje je razvila tvrtka Microchip Technology, poznatih po svojoj naprednoj RISC arhitekturi i vrlo su popularni u industriji.
- PowerQUICC: temelje se na IBM-ovoj tehnologiji Power Architecture, a koristila ih je Motorola (sada Freescale), podržavaju cijeli spektar ugrađene mrežne opreme, industrijskih i općih ugrađenih aplikacija.
- Širenje: Ovo su Fujitsuovi MCU-ovi, fokusirani su na analogne i digitalne proizvode i dizajnirani za učinkovitost i uravnoteženu izvedbu.
- 8051: To je 8-bitni mikrokontroler koji je razvio Intel, iako ćete ga sada proizvoditi i u drugim tvrtkama. To je jedan od najpopularnijih mikrokontrolera i koristi se u širokom rasponu aplikacija. 8051 je CISC mikrokontroler temeljen na harvardskoj arhitekturi.
- TriCore: je mikrokontroler razvijen od strane Infineon Technologies. TriCore ujedinjuje elemente RISC procesorske jezgre, mikrokontrolera i DSP-a na jednom čipu. U to vrijeme to je bila revolucija.
- MC-48 ili 8048: Radi se o mikrokontroleru iz linije Intel, sa 64 bajta RAM-a i pristupom 4096 bajta vanjske programske memorije.
- Mico8- je obitelj 8-bitnih mikrokontrolera implementirana u potpunosti u memoriju opće namjene i logiku za Lattice FPGA.
- Propeler: 32-bitna višejezgrena arhitektura koju je razvio Parallax Inc. Svaki Propeller ima 8 identičnih 32-bitnih procesora spojenih na zajedničko čvorište.
- Osnovni pečat- je mikrokontroler s malim specijaliziranim BASIC interpreterom (PBASIC) ugrađenim u ROM. Proizvodi ga Parallax, Inc, i bio je prilično popularan proizvod za proizvođače koji su željeli napraviti mnoštvo projekata kod kuće prije nego što je Arduino pušten u prodaju.
- SuperH: je 32-bitna RISC računalna arhitektura skupa instrukcija koju je razvio Hitachi, a trenutno proizvodi Renesas, a fokusirana je na mikrokontrolere za ugrađene sustave.
- Tiva: je serijski mikrokontroler razvijen od strane Texas Instruments. Ima ugrađenu taktnu frekvenciju procesora do 80MHz s jedinicom s pomičnim zarezom (FPU), uz odlične performanse.
- Microblaze: je visoko integrirani procesorski sustav namijenjen aplikacijama kontrolera. MicroBlaze je u cijelosti implementiran u memoriju i logiku opće namjene Xilinx (sada AMD) FPGA, to jest, softcore.
- Picoblaze: sličan prethodnom, ali u ovom slučaju je 8-bitni i jednostavniji, za integriranije aplikacije.
- XCore: To su XMOS višejezgreni MCU-ovi, 32 bita koji su programirani u okruženju C jezika i rade deterministički i s malom latencijom. Vrlo su kompletne i mogu se implementirati u obliku pločica.
- Z8: je iz Ziloga, a to su 8-bitni uređaji koji nude širok raspon mogućnosti izvedbe i resursa. Ovi mikrokontroleri su idealni za velike količine, troškovno osjetljive aplikacije, uključujući potrošačke, automobilske, sigurnosne i HVAC proizvode.
- Z180: To je još jedan od popularnih unutar Ziloga prije izlaska novog eZ-a koji je ažurirao prethodne asortimane. Uključuje 8-bitni procesor, kompatibilan s velikom softverskom bazom napisanom za Z80. Obitelj Z180 dodaje veće performanse i integrirane periferne značajke kao što su generator takta, 16-bitni brojači/tajmeri, kontroler prekida, generatori stanja čekanja, serijski portovi i DMA kontroler.
- STM: Ova obitelj STMicroelectronics ima neke MCU jedinice temeljene na vlastitoj arhitekturi ove tvrtke, iako je u najnovijim modelima odabrano, kao i u mnogim drugim slučajevima, integrirati 32-bitnu ARM Cortex-M seriju. Nudi proizvode koji kombiniraju vrlo visoku izvedbu, mogućnosti u stvarnom vremenu, digitalnu obradu signala, rad niske snage/niskog napona i povezanost, uz zadržavanje potpune integracije i jednostavnosti razvoja.
Ima ih još, ali ovo su najvažniji…