שפע של לוחות פיתוח בהם אנו משתמשים לעתים קרובות, מהארדואינו עצמו ועד רבים אחרים יחידות MCU או מיקרו-בקרים. כמה שבבים חיוניים כדי להיות מסוגלים לתכנת את המכשירים הללו וכי ניתן לעבד את ההוראות שנוצרו על ידי המתכנת להשגת התוצאות הצפויות.
עם זאת, מגזר המיקרו-בקרים הוא די רחב., כפי שקורה גם במעבדים או מיקרו-מעבדים, שכן לא רק שיש הרבה מעצבים או יצרנים, כמו גם דגמים, אלא שיש גם הרבה משפחות שונות שכדאי להכיר. אז, אנחנו הולכים להקדיש את המאמר הזה בדיוק לדבר הזה, כדי שתדע איזה מהם עשוי לעניין אותך ביותר עבור הפרויקטים שלך...
מהו מיקרו-בקר או MCU?
Un מיקרו-בקר או MCU (יחידת מיקרו-בקר) זהו מכשיר קומפקטי המשלב את הפונקציות של מעבד מרכזי (CPU), זיכרון וציוד היקפי על שבב אחד. מכשיר זה הוא החלק המרכזי של מערכות אלקטרוניות רבות והוא מהותי בתחום האלקטרוניקה המשובצת. בקיצור, אלטרנטיבה מצוינת לאלקטרוניקה קווית, ובכך מאפשרת לשבב בודד לבצע מספר רב של פונקציות בצורה גמישה, מכיוון שהוא ניתן לתכנות.
מיקרו-בקרים משמשים ב- a מגוון רחב של יישומים בשל הרבגוניות והיעילות שלו. כמה דוגמאות לשימוש במיקרו-בקרים כוללות מערכות בקרה במכוניות, מכשירי חשמל ביתיים, מערכות אוטומציה תעשייתיות, מערכות בקרת תהליכים, צעצועים, מערכות אבטחה, לוחות פיתוח וציוד אלקטרוני רב אחר.
חלקים של מיקרו-בקרים
מיקרו-בקרים הם מכשירים משולבים, וכל הרכיבים שלהם מיושמים על שבב או מעגל משולב. בין ה החלקים הבסיסיים ביותר מהשבבים האלה הם:
- מעבד (יחידת עיבוד מרכזית): יחידת העיבוד המרכזית היא המוח של המיקרו-בקר, והחלק החשוב ביותר שלו. יחידה זו אחראית להשתמש בנתונים ובהוראות התוכנית כדי לפרש ולעבד אותם כראוי ביחידות הביצוע להשגת התוצאות הצפויות. כלומר, המעבד מבצע את כל פעולות החישוב ומקבל החלטות על סמך הלוגיקה של התוכנית. המהירות והיעילות של המעבד קובעות במידה רבה את הביצועים של המיקרו-בקר. בנוסף, לרוב יש להם גם חלקים אלמנטריים כמו מערכות פסיקה, המאפשרות למיקרו-בקר להגיב לאירועים מסוימים בזמן. כאשר מתרחש אירוע מסוים, כגון קלט אות או טיימר המגיע לערך מסוים, המיקרו-בקר יכול להפריע למשימה הנוכחית שלו כדי להגיב לאירוע זה.
- זיכרון: בדרך כלל יש להם שני סוגי זיכרון כגון זיכרון RAM ופלאש. RAM משמש לאחסון נתונים זמניים, כגון ההוראות המרכיבות את התוכניות והנתונים (משתנים, קבועים,...) במהלך ביצוע התוכנית. בעוד שזיכרון פלאש משמש לאחסון התוכנית לביצוע, והוא אינו נדיף כמו זיכרון RAM, כך שכאשר המתח יופסק או המכשיר כבוי, התוכנית תישאר.
- ציוד היקפי לקלט/פלט (I/O): אפשר למיקרו-בקר ליצור אינטראקציה עם העולם החיצון. אלה עשויים לכלול יציאות I/O דיגיטליות, ממירים אנלוגיים לדיגיטליים (ADC), ממירים דיגיטליים לאנלוגיים (DAC), ממשקי תקשורת כגון UART, SPI ו-I2C, בקרי מגוון, טיימרים, מונים, GPIO ו אחרים.
במה זה שונה ממעבד או מעבד?
מיקרו-מעבד ומיקרו-בקר הם שני מרכיבים בסיסיים בתחום האלקטרוניקה, אבל יש להם הבדלים משמעותיים מבחינת מבנה ושימוש, למרות שאנשים רבים מבלבלים בין השניים או מאמינים שהם זהים.
בעוד המעבד רק משתלב יחידות פונקציונליות עבור בקרה ופרשנות של הוראות, רגיסטרים, כמו גם הוראות ביצוע כגון ALU, FPU וכו', וניתן לשלב אותם עם אלמנטים עזר אחרים בצורה גמישה יותר, מיקרו-בקרים סגורים מעט יותר במובן של אינטגרציה זו. רבים מהחלקים שה-CPU משאיר בחוץ. למעשה, בעוד שה-CPU הוא המוח של מחשב, ה-MCU יכול להיחשב למחשב שלם, שכן הוא כולל את כל החלקים הבסיסיים בשבב בודד.
עם זאת, אל תבלבל אינטגרציה גדולה יותר עם מונחים של מורכבות וביצועים. בעוד שהמיקרו-מעבדים הנוכחיים הם מורכבים ביותר ובעלי ביצועים גבוהים מאוד, למיקרו-בקרים נוכחיים יש בדרך כלל מעבד משולב עם ביצועים נמוכים ופשוטים בהרבה. למעשה, רבים מהמיקרו-בקרים של ימינו יכולים לקבל ביצועים דומים למיקרו-מעבדים מלפני עשרות שנים. יתרה מכך, כפי שנראה בהמשך, יש לנו אפילו מיקרו-בקרים של 8 סיביות או 16 סיביות כמו המעבדים של שנות ה-70.
הבדלים בהשוואה ל-SoC?
מכיוון שהמיקרו-בקר משלב מספר אלמנטים באותו שבב, זה גם מבולבל לעתים קרובות עם SoC (מערכת על שבב)עם זאת, זה גם לא אותו דבר. כמו ב-CPU לעומת MCU, SoCs גם משלבים מעבד עם ביצועים גבוהים בהרבה מרוב המיקרו-בקרים הנוכחיים. יתר על כן, ה-SoC היא מערכת מורכבת ומתקדמת לאין שיעור. מצד שני, ה-SoC לא משלב בדרך כלל חלק מהחלקים המשולבים במיקרו-בקר, שכן האפליקציות להן הוא מיועד אינן מצריכות זאת, כמו זיכרון RAM וזיכרון פלאש, ממירי ADC וכו'.
קצת היסטוריה
מעבדי מיקרו-מעגלים מוקדמים, כגון AL1 מבית Four-Phase Systems ב-1969 וה-MP944 מ-Garrett AiResearch ב-1970, פותחו עם שבבי MOS LSI מרובים. המיקרו-מעבד הראשון עם שבב יחיד היה אינטל 4004, שיצא בשנת 1971. מעבדים אלה דרשו מספר שבבים חיצוניים כדי ליישם מערכת פונקציונלית, שהייתה יקרה. עם זאת, כמעט במקביל, פותח מה שאנו מכירים כיום כמיקרו-בקר. הוא מיוחס למהנדסי IT, גארי בון ומייקל קוקרן, היצירה המוצלחת של המיקרו-בקר הראשון ב-1971, ה-TMS 1000, ששילב זיכרון לקריאה בלבד, זיכרון קריאה/כתיבה, מעבד ושעון על שבב אחד. למעשה, למרות שזה סיפור אחר, זה יצר מלחמת פטנטים ותביעות משפטיות על מחבר המיקרו-מעבד...
במהלך שנות ה-1970, ה יצרני אלקטרוניקה יפניים החלו לייצר מיקרו-בקרים עבור מכוניות. הם הפכו לפופולאריים בהדרגה, ובתגובה לקיומו של ה-TMS 1000 עם שבב יחיד, אינטל פיתחה מערכת מחשב על שבב מותאם ליישומי בקרה, ה-Intel 8048, ששילבה RAM ו-ROM על אותו שבב יחד עם מעבד. עם חלוף הזמן, הזיכרונות הבלתי נדיפים שופרו, ועברו מהקלטה במפעל עם תוכנית קבועה כמו ה-ROMs הראשונים ועד להצגת ה-PROM, או ה-EEPROM של 1993, שאפשרו את מחיקתו ותכנותו מחדש. עם תוכנית אחרת בצורה פשוטה וכמה פעמים שתרצה.
לאט לאט נולדו חברות סביב סוג זה של שבבים, כגון Atmel, Microchip Technology ועוד רבים אחרים. חברות אחרות במגזר החלו גם להפיץ MCU משלהן, כמו אינטל, Analog Devices, Cypress, AMD, ARM, Hitachi, EPSON, Motorola, Zilog, Infineon, Lattice, National Semiconductor, NEC, Panasonic, Renesas, Rockell, Sony , STMicroelectronics , Synopsis, Toshiba וכו'.
כיום, מיקרו-בקרים זולים ונגישים בקלות לחובבים ולמגוון סקטורים תעשייתיים שונים. יתר על כן, ההערכה היא שהם נמכרים כמעט 5 מיליארד יחידות 8 סיביות ברחבי העולם, בהיותו הכי בשימוש כרגע. אתה יכול למצוא אותם במכשירי חשמל ביתיים, כלי רכב, מחשבים, טלפונים, מכונות תעשייתיות ועוד ועוד. יתר על כן, הם הצליחו למזער למקסימום, ויצרו כמה מהמחשבים הקטנים בעולם, אפילו קטנים בהרבה מגרגר מלח...
ISA ומשפחות מיקרו-בקרים
עכשיו כשאתה יודע קצת יותר על מה זה MCU או מיקרו-בקר, בוא נראה חלק מהדברים המשפחות החשובות ביותר של המיקרו-בקרים האלה. ובדומה למעבדים, ניתן לחלק אותם לפי ה-ISA, כלומר, רפרטואר ההוראות, האוגרים וסוגי הנתונים שבהם נעשה שימוש, והתאימות של התוכניות הבינאריות שניתן להפעיל תהיה תלויה בכך. מה שהופך אותן לא תואמות. בין משפחות. והמשפחות הללו אינן תלויות לחלוטין בדגם, במותג או ביחידות הכלולים בשבב.
בין המשפחות הפופולריות ביותר יש לנו את הדברים הבאים:
- יְלָדִים: הוא דור של ליבות רכות עבור FPGAs מבית Altera, הנקלט כעת על ידי אינטל.
- שחור סנפיר: היא משפחה של מעבדי 16/32 סיביות שפותחו, יוצרו ומשווקים על ידי Analog Devices. למעבדים יש גם פונקציונליות מובנית של מעבד אותות דיגיטלי (DSP), המבוצע על ידי 16 סיביות צבירת כפל (MAC).
- TigerSHARC: ראשי תיבות של Super Harvard Architecture Single-Chip Computer, גם מ-Analog Devices. במקרה זה הם אידיאליים עבור יישומים הדורשים ביצועי מחשוב גבוהים עם צריכת חשמל נמוכה. מעבדים אלה מציעים ארכיטקטורת זיכרון ייחודית המאפשרת גישה יעילה לנתונים והוראות ללא עונש הביצועים הקשור בארכיטקטורות האוטובוס של Von Neumann.
- קליפת המוח- המיקרו-בקרים Cortex-M של ARM הם משפחה פופולרית של מיקרו-בקרים של 32 סיביות חסכוניים מאוד בצריכת החשמל ומציעים ביצועים טובים. הם פופולריים במיוחד ביישומים תעשייתיים וצרכניים, ומייצגים כיום את רוב השבבים המודרניים הנמכרים על ידי חברות רבות.
- AVR32: זוהי ארכיטקטורת מיקרו-בקר RISC של 32 סיביות המיוצרת על ידי Atmel, ותוכלו למצוא אותה בלוחות פיתוח רבים, כמו Arduino ושיבוטים שלו.
- RISC-V: ה-ISA הפתוחה הזו שואפת להתעלות על ARM, ולאט לאט היא החלה לקבל חשיבות בעולם המיקרו-בקרים, שכן היא מאוד גמישה ומאפשרת שימוש בה ללא תשלום תמלוגים.
- PIC- הם משפחה של מיקרו-בקרים של 8 סיביות שפותחו על ידי Microchip Technology, הידועים בארכיטקטורת RISC המתקדמת שלהם, והם פופולריים למדי בתעשייה.
- PowerQUICC: מבוססים על טכנולוגיית Power Architecture של IBM, והיו בשימוש על ידי מוטורולה (כיום Freescale), הם תומכים בכל הספקטרום של ציוד רשת משובץ, יישומים משובצים תעשייתיים וכלליים.
- התפשטות: אלו הם ה-MCUs של Fujitsu, והם ממוקדים במוצרים אנלוגיים ודיגיטליים, ומיועדים ליעילות וביצועים מאוזנים.
- 8051: זהו מיקרו-בקר של 8 סיביות שפותח על ידי אינטל, אם כי כעת תמצא אותו מיוצר על ידי חברות אחרות. זהו אחד המיקרו-בקרים הפופולריים ביותר ומשמש במגוון רחב של יישומים. ה-8051 הוא מיקרו-בקר CISC המבוסס על ארכיטקטורת הרווארד.
- טריקור: הוא מיקרו-בקר שפותח על ידי Infineon Technologies. TriCore מאחדת את המרכיבים של ליבת מעבד RISC, מיקרו-בקר ו-DSP על שבב אחד. בזמנו זו הייתה מהפכה.
- MC-48 או 8048: זהו מיקרו-בקר מקו אינטל, עם 64 בתים של זיכרון RAM וגישה ל-4096 בתים של זיכרון תוכניות חיצוני.
- מיקו8- היא משפחת מיקרו-בקרים של 8 סיביות המיושמת כולה בזיכרון ובהיגיון למטרות כלליות עבור רשתות FPGA.
- מדחף: ארכיטקטורת מרובת ליבות של 32 סיביות שפותחה על ידי Parallax Inc. לכל פרופלר יש 8 מעבדי 32 סיביות זהים המחוברים לרכזת משותפת.
- חותמת בסיסית- הוא מיקרו-בקר עם מתורגמן BASIC קטן מיוחד (PBASIC) המובנה ב-ROM. הוא מיוצר על ידי Parallax, Inc, והיה מוצר פופולרי למדי עבור יצרנים שרצו לבצע שפע של פרויקטים בבית לפני שחרורו של Arduino.
- SuperH: היא ארכיטקטורת ערכת הוראות מחשוב RISC של 32 סיביות שפותחה על ידי Hitachi ומיוצרת כיום על ידי Renesas, ומתמקדת במיקרו-בקרים למערכות משובצות.
- טיווה: הוא מיקרו-בקר מסדרה שפותח על ידי Texas Instruments. יש לו תדר שעון מובנה של מעבד של עד 80MHz עם יחידת נקודה צפה (FPU), עם ביצועים מעולים.
- Microblaze: היא מערכת מעבד משולבת במיוחד המיועדת ליישומי בקרים. MicroBlaze מיושם כולו בזיכרון ובלוגיקה למטרות כלליות של רכיבי FPGA של Xilinx (כיום AMD), כלומר ליבה רכה.
- Picoblaze: דומה לקודם, אבל במקרה זה הוא 8 סיביות ופשוט יותר, ליישומים משולבים יותר.
- XCore: הם XMOS MCUs מרובי ליבות, 32 סיביות המתוכנתות בסביבת שפת C ופועלים באופן דטרמיניסטי ועם חביון נמוך. הם שלמים מאוד וניתן ליישם אותם בצורה של אריחים.
- Z8: הוא מבית Zilog, והם התקני 8 סיביות המציעים מגוון רחב של אפשרויות ביצועים ומשאבים. מיקרו-בקרים אלה הם אידיאליים עבור יישומים בנפח גבוה, רגיש לעלות, כולל מוצרי צריכה, רכב, אבטחה ומוצרי HVAC.
- Z180: זה עוד אחד מהפופולריים בתוך Zilog לפני שחרורו של ה-eZ החדש שעדכנו את הטווחים הקודמים. הוא כולל מעבד 8 סיביות, תואם לבסיס התוכנה הגדול שנכתב עבור ה-Z80. משפחת Z180 מוסיפה ביצועים גבוהים יותר ותכונות היקפיות משולבות כגון מחולל שעון, מונים/טיימרים של 16 סיביות, בקר פסיקה, מחוללי מצב המתנה, יציאות טוריות ובקר DMA.
- STM: למשפחת STMicroelectronics יש כמה יחידות MCU המבוססות על הארכיטקטורה של החברה הזו, למרות שבדגמים האחרונים היא נבחרה, כמו במקרים רבים אחרים, לשלב 32-bit ARM Cortex-M Series. היא מציעה מוצרים המשלבים ביצועים גבוהים מאוד, יכולות בזמן אמת, עיבוד אותות דיגיטלי, תפעול וקישוריות בהספק נמוך/מתח נמוך, תוך שמירה על אינטגרציה מלאה וקלות פיתוח.
יש עוד, אבל אלה החשובים ביותר...