MCU: pelajari tentang keluarga pengawal mikro yang paling penting

Pelbagai papan pembangunan yang kerap kami gunakan, daripada Arduino itu sendiri kepada yang lain, gunakan Unit MCU atau mikropengawal. Beberapa cip penting untuk dapat atur cara peranti ini dan arahan yang dibuat oleh pengaturcara boleh diproses untuk mendapatkan hasil yang diharapkan.

Walau bagaimanapun, Sektor mikropengawal agak luas., seperti juga kes CPU atau mikropemproses, kerana bukan sahaja terdapat banyak pereka atau pengilang, serta model, tetapi terdapat juga banyak keluarga berbeza yang perlu anda ketahui. Jadi, kami akan mendedikasikan artikel ini untuk perkara ini, supaya anda tahu yang mana satu mungkin menarik minat anda untuk projek anda…

Apa itu mikrokontroler atau MCU?

Un mikropengawal atau MCU (Unit Pengawal Mikro) Ia adalah peranti padat yang mengintegrasikan fungsi pemproses pusat (CPU), memori dan peranti pada satu cip. Peranti ini adalah bahagian tengah banyak sistem elektronik dan asas dalam bidang elektronik terbenam. Ringkasnya, alternatif yang hebat kepada elektronik berwayar, dengan itu membenarkan satu cip untuk melaksanakan pelbagai fungsi secara fleksibel, kerana ia boleh diprogramkan.

Pengawal mikro digunakan dalam a pelbagai aplikasi kerana serba boleh dan kecekapannya. Beberapa contoh penggunaan untuk mikropengawal termasuk sistem kawalan dalam kereta, perkakas rumah, sistem automasi industri, sistem kawalan proses, mainan, sistem keselamatan, papan pembangunan dan banyak peralatan elektronik lain.

Bahagian mikropengawal

Pengawal mikro ialah peranti bersepadu, dan semua komponennya dilaksanakan pada cip atau litar bersepadu. Antara bahagian paling asas daripada cip ini ialah:

• CPU (Unit Pemprosesan Pusat): Unit pemprosesan pusat ialah otak mikropengawal, dan bahagian terpentingnya. Unit ini bertanggungjawab menggunakan data dan arahan program untuk mentafsir dan memprosesnya dengan sewajarnya dalam unit pelaksanaan untuk mendapatkan hasil yang diharapkan. Iaitu, CPU menjalankan semua operasi pengiraan dan membuat keputusan berdasarkan logik program. Kelajuan dan kecekapan CPU sebahagian besarnya menentukan prestasi mikropengawal. Di samping itu, mereka juga biasanya mempunyai bahagian asas seperti sistem gangguan, yang membolehkan mikropengawal bertindak balas terhadap peristiwa tertentu tepat pada masanya. Apabila peristiwa tertentu berlaku, seperti input isyarat atau pemasa mencapai nilai tertentu, mikropengawal boleh mengganggu tugas semasanya untuk bertindak balas kepada peristiwa ini.
• memori: Mereka biasanya mempunyai dua jenis memori seperti RAM dan flash. RAM digunakan untuk menyimpan data sementara, seperti arahan yang membentuk atur cara dan data (pembolehubah, pemalar,...) semasa pelaksanaan atur cara. Walaupun memori kilat digunakan untuk menyimpan program yang akan dilaksanakan, dan ia tidak meruap seperti RAM, jadi apabila kuasa terganggu atau peranti dimatikan, atur cara akan kekal.
• Peranti Input/Output (I/O): membenarkan mikropengawal berinteraksi dengan dunia luar. Ini mungkin termasuk port I/O digital, penukar analog-ke-digital (ADC), penukar digital-ke-analog (DAC), antara muka komunikasi seperti UART, SPI dan I2C, pengawal pelbagai, pemasa, pembilang, GPIO dan yang lain.

Bagaimanakah ia berbeza daripada mikropemproses atau CPU?

Mikropemproses dan mikropengawal adalah dua komponen asas dalam bidang elektronik, tetapi mereka mempunyai perbezaan yang ketara dari segi struktur dan penggunaan, walaupun ramai yang mengelirukan kedua-duanya atau percaya ia adalah sama.

Walaupun CPU hanya berintegrasi unit berfungsi untuk kawalan dan tafsiran arahan, daftar, serta arahan pelaksanaan seperti ALU, FPU, dsb., dan boleh digabungkan dengan elemen tambahan lain dengan cara yang lebih fleksibel, mikropengawal agak lebih tertutup dalam erti kata penyepaduan itu. banyak bahagian yang CPU tinggalkan. Malah, walaupun CPU adalah otak komputer, MCU boleh dianggap sebagai komputer yang lengkap, kerana ia merangkumi semua bahagian asas pada satu cip.

Walau bagaimanapun, jangan mengelirukan penyepaduan yang lebih besar dengan istilah kerumitan dan prestasi. Walaupun mikropemproses semasa adalah sangat kompleks dan dengan prestasi yang sangat tinggi, mikropengawal semasa biasanya mempunyai CPU bersepadu dengan prestasi yang jauh lebih rendah dan lebih mudah. Malah, kebanyakan mikropengawal hari ini boleh mempunyai prestasi yang serupa dengan mikropemproses sejak beberapa dekad yang lalu. Lebih-lebih lagi, seperti yang akan kita lihat nanti, kita juga mempunyai mikropengawal 8-bit atau 16-bit seperti CPU tahun 70-an.

Perbezaan berbanding dengan SoC?

Oleh kerana mikropengawal mengintegrasikan beberapa elemen pada cip yang sama, Ia juga sering dikelirukan dengan SoC (System on a Chip)Namun, ia juga tidak sama. Seperti CPU vs MCU, SoC juga menyepadukan CPU dengan prestasi yang jauh lebih tinggi daripada kebanyakan mikropengawal semasa. Tambahan pula, SoC ialah sistem yang jauh lebih kompleks dan maju. Sebaliknya, SoC biasanya tidak mengintegrasikan beberapa bahagian yang disepadukan ke dalam mikropengawal, kerana aplikasi yang dimaksudkan tidak memerlukannya, seperti RAM dan memori denyar, penukar ADC, dsb.

Sedikit sejarah

Mikropemproses berbilang litar awal, seperti AL1 daripada Sistem Empat Fasa pada tahun 1969 dan MP944 daripada Garrett AiResearch pada tahun 1970, telah dibangunkan dengan berbilang cip MOS LSI. Mikropemproses cip tunggal pertama ialah Intel 4004, dikeluarkan pada tahun 1971. Pemproses ini memerlukan beberapa cip luaran untuk melaksanakan sistem berfungsi, yang mahal. Walau bagaimanapun, hampir selari, apa yang kita tahu hari ini sebagai mikropengawal telah dibangunkan. DIA dikaitkan dengan jurutera IT, Gary Boone dan Michael Cochran, kejayaan penciptaan mikropengawal pertama pada tahun 1971, TMS 1000, yang menggabungkan memori baca sahaja, memori baca/tulis, pemproses dan jam pada satu cip. Malah, walaupun ini adalah cerita lain, ia menghasilkan perang paten dan tindakan undang-undang ke atas kepengarangan mikropemproses...

Semasa tahun 1970-an, the Pengeluar elektronik Jepun mula mengeluarkan mikropengawal untuk kereta. Mereka secara beransur-ansur menjadi popular, dan sebagai tindak balas kepada kewujudan cip tunggal TMS 1000, Intel membangunkan sistem komputer pada cip yang dioptimumkan untuk aplikasi kawalan, Intel 8048, yang menggabungkan RAM dan ROM pada cip yang sama bersama-sama dengan CPU. Dengan peredaran masa, ingatan yang tidak menentu telah dipertingkatkan, dan beralih daripada dirakam di kilang dengan program tetap seperti ROM pertama sehingga pengenalan PROM, atau EEPROM 1993, yang membolehkannya dipadamkan dan diprogramkan semula dengan program lain dengan cara yang mudah dan seberapa banyak yang anda mahu.

Sedikit demi sedikit, syarikat dilahirkan di sekitar jenis kerepek ini, seperti Atmel, Teknologi Microchip, dan banyak lagi. Syarikat lain dalam sektor ini juga mula mengedarkan MCU mereka sendiri, seperti Intel, Peranti Analog, Cypress, AMD, ARM, Hitachi, EPSON, Motorola, Zilog, Infineon, Lattice, National Semiconductor, NEC, Panasonic, Renesas, Rockell, Sony , STMicroelectronics , Sinopsis, Toshiba, dsb.

Hari ini, mikropengawal adalah murah dan mudah diakses oleh penggemar dan pelbagai sektor perindustrian yang berbeza. Tambahan pula, dianggarkan ia dijual hampir 5 bilion unit 8-bit di seluruh dunia, menjadi yang paling banyak digunakan pada masa ini. Anda boleh menemuinya dalam perkakas rumah, kenderaan, komputer, telefon, mesin industri dan banyak lagi. Tambahan pula, mereka telah berjaya mengecilkan secara maksimum, mencipta beberapa komputer terkecil di dunia, malah lebih kecil daripada sebutir garam...

ISA dan keluarga pengawal mikro

Sekarang setelah anda mengetahui lebih lanjut tentang apa itu MCU atau mikropengawal, mari lihat beberapa daripadanya keluarga terpenting mikropengawal ini. Dan, seperti CPU, ia boleh dibahagikan mengikut ISA, iaitu himpunan arahan, daftar dan jenis data yang digunakan, dan keserasian program binari yang boleh dilaksanakan akan bergantung pada ini. menjadikannya tidak serasi. antara keluarga. Dan keluarga ini benar-benar bebas daripada model, jenama atau unit yang disertakan dalam cip.

Antara keluarga paling popular kami mempunyai perkara berikut:

• Kanak-kanak: ialah generasi softcore untuk FPGA daripada Altera, kini diserap oleh Intel.
• Sirip hitam: ialah keluarga mikropemproses 16/32-bit yang dibangunkan, dihasilkan dan dipasarkan oleh Peranti Analog. Pemproses juga mempunyai fungsi pemproses isyarat digital (DSP) terbina dalam, dilakukan oleh 16-bit pendaraban-akumulasi (MAC).
• TigerSHARC: singkatan kepada Super Harvard Architecture Single-Chip Computer, juga daripada Peranti Analog. Dalam kes ini ia sesuai untuk aplikasi yang memerlukan prestasi pengkomputeran tinggi dengan penggunaan kuasa yang rendah. Pemproses ini menawarkan seni bina memori unik yang membolehkan capaian yang cekap kepada data dan arahan tanpa penalti prestasi yang dikaitkan dengan seni bina bas Von Neumann.
• Korteks-M- Mikrokontroler Cortex-M ARM ialah keluarga popular mikropengawal 32-bit yang sangat cekap kuasa dan menawarkan prestasi yang baik. Ia amat popular dalam aplikasi perindustrian dan pengguna, dan pada masa ini mewakili majoriti cip moden yang dijual oleh banyak syarikat.
• AVR32: Ia adalah seni bina mikropengawal RISC 32-bit yang dihasilkan oleh Atmel, dan anda boleh menemuinya pada banyak papan pembangunan, seperti Arduino dan klonnya.
• RISC-V: ISA terbuka ini bertujuan untuk mengatasi ARM, dan sedikit demi sedikit ia telah mula mempunyai kepentingan dalam dunia mikropengawal, kerana ia sangat fleksibel dan membenarkan penggunaannya tanpa membayar royalti.
• PIC- ialah keluarga mikropengawal 8-bit yang dibangunkan oleh Microchip Technology, yang terkenal dengan seni bina RISC termaju mereka, dan agak popular dalam industri.
• KuasaQUICC: adalah berdasarkan teknologi Seni Bina Kuasa IBM, dan digunakan oleh Motorola (kini Freescale), ia menyokong spektrum penuh peralatan rangkaian terbenam, aplikasi terbenam industri dan am.
• Pengembangan: Ini adalah MCU Fujitsu, dan tertumpu pada produk analog dan digital, dan direka untuk kecekapan dan prestasi yang seimbang.
• 8051: Ia adalah mikropengawal 8-bit yang dibangunkan oleh Intel, walaupun anda kini akan mendapati ia dikeluarkan oleh syarikat lain juga. Ia adalah salah satu mikropengawal yang paling popular dan digunakan dalam pelbagai aplikasi. 8051 ialah mikropengawal CISC berdasarkan seni bina Harvard.
• TriCore: ialah mikropengawal yang dibangunkan oleh Infineon Technologies. TriCore menyatukan elemen teras pemproses RISC, mikropengawal dan DSP pada satu cip. Pada masa itu ia adalah revolusi.
• MC-48 atau 8048: Ia adalah mikropengawal daripada barisan Intel, dengan 64 bait RAM dan akses kepada 4096 bait memori program luaran.
• Mico8- ialah keluarga pengawal mikro 8-bit yang dilaksanakan sepenuhnya dalam memori dan logik tujuan umum untuk FPGA Lattice.
• Propeller: Seni bina berbilang teras 32-bit yang dibangunkan oleh Parallax Inc. Setiap Propeller mempunyai 8 pemproses 32-bit yang sama disambungkan ke hab biasa.
• Setem Asas- ialah mikropengawal dengan penterjemah ASAS khusus kecil (PBASIC) terbina dalam ROM. Ia dihasilkan oleh Parallax, Inc, dan merupakan produk yang cukup popular untuk pembuat yang ingin melakukan banyak projek di rumah sebelum Arduino dikeluarkan.
• SuperH: ialah seni bina set arahan pengkomputeran RISC 32-bit yang dibangunkan oleh Hitachi dan kini dihasilkan oleh Renesas, dan memfokuskan pada mikropengawal untuk sistem terbenam.
• Tiva: ialah mikropengawal siri yang dibangunkan oleh Texas Instruments. Ia mempunyai frekuensi jam pemproses terbina dalam sehingga 80MHz dengan unit titik terapung (FPU), dengan prestasi hebat.
• Microblaze: ialah sistem pemproses yang sangat bersepadu bertujuan untuk aplikasi pengawal. MicroBlaze dilaksanakan sepenuhnya dalam ingatan dan logik tujuan umum FPGA Xilinx (kini AMD), iaitu teras lembut.
• Picoblaze: serupa dengan yang sebelumnya, tetapi dalam kes ini ia adalah 8-bit dan lebih mudah, untuk aplikasi yang lebih bersepadu.
• XCore: Ia adalah MCU berbilang teras XMOS, 32 bit yang diprogramkan dalam persekitaran bahasa C dan beroperasi secara deterministik dan dengan kependaman rendah. Mereka sangat lengkap dan boleh dilaksanakan dalam bentuk jubin.
• Z8: adalah daripada Zilog, dan ia adalah peranti 8-bit yang menawarkan pelbagai pilihan prestasi dan sumber. Pengawal mikro ini sesuai untuk aplikasi volum tinggi, sensitif kos, termasuk produk pengguna, automotif, keselamatan dan HVAC.
• Z180: Ia adalah satu lagi yang popular dalam Zilog sebelum keluaran eZ baharu yang telah mengemas kini julat sebelumnya. Ia termasuk pemproses 8-bit, serasi dengan pangkalan perisian besar yang ditulis untuk Z80. Keluarga Z180 menambah prestasi yang lebih tinggi dan ciri persisian bersepadu seperti penjana jam, pembilang/pemasa 16-bit, pengawal gangguan, penjana keadaan tunggu, port bersiri dan pengawal DMA.
• STM: Keluarga STMicroelectronics ini mempunyai beberapa unit MCU berdasarkan seni bina syarikat ini sendiri, walaupun dalam model terkini ia telah dipilih, seperti dalam banyak kes lain, untuk menyepadukan Siri ARM Cortex-M 32-bit. Ia menawarkan produk yang menggabungkan prestasi sangat tinggi, keupayaan masa nyata, pemprosesan isyarat digital, operasi kuasa rendah/voltan rendah dan ketersambungan, sambil mengekalkan penyepaduan lengkap dan kemudahan pembangunan.

Terdapat lebih banyak, tetapi ini adalah yang paling penting…