Een groot aantal ontwikkelborden die we vaak gebruiken, van de Arduino zelf tot vele andere, gebruiken MCU-eenheden of microcontrollers. Enkele essentiële chips om te kunnen programmeer deze apparaten en dat de door de programmeur gecreëerde instructies kunnen worden verwerkt om de verwachte resultaten te verkrijgen.
Echter De microcontrollersector is vrij breed., zoals ook het geval is met CPU's of microprocessors, want er zijn niet alleen veel ontwerpers of fabrikanten, maar ook modellen, maar er zijn ook veel verschillende families die je moet kennen. Daarom gaan we dit artikel hieraan wijden, zodat u weet welke u het meest zou kunnen interesseren voor uw projecten...
Wat is een microcontroller of MCU?
Un microcontroller of MCU (MicroController Unit) Het is een compact apparaat dat de functies van een centrale processor (CPU), geheugen en randapparatuur op één chip integreert. Dit apparaat is het middelpunt van veel elektronische systemen en is van fundamenteel belang op het gebied van ingebedde elektronica. Kortom een prima alternatief voor bedrade elektronica, waardoor één chip flexibel een veelheid aan functies kan vervullen, omdat hij programmeerbaar is.
Microcontrollers worden gebruikt in a grote verscheidenheid aan toepassingen vanwege zijn veelzijdigheid en efficiëntie. Enkele voorbeelden van het gebruik van microcontrollers zijn onder meer besturingssystemen in auto's, huishoudelijke apparaten, industriële automatiseringssystemen, procescontrolesystemen, speelgoed, beveiligingssystemen, ontwikkelingsborden en vele andere elektronische apparatuur.
Onderdelen van microcontrollers
Microcontrollers zijn geïntegreerde apparaten en al hun componenten zijn geïmplementeerd op een chip of geïntegreerd circuit. Tussen de meest fundamentele onderdelen van deze chips zijn:
- CPU (Central Processing Unit): De centrale verwerkingseenheid is het brein van de microcontroller en het belangrijkste onderdeel ervan. Deze eenheid is verantwoordelijk voor het gebruik van de gegevens en instructies van het programma om deze op de juiste manier te interpreteren en te verwerken in de uitvoeringseenheden om de verwachte resultaten te verkrijgen. Dat wil zeggen dat de CPU alle berekeningsbewerkingen uitvoert en beslissingen neemt op basis van de programmalogica. De snelheid en efficiëntie van de CPU bepalen grotendeels de prestaties van de microcontroller. Daarnaast beschikken ze meestal ook over elementaire onderdelen zoals interruptsystemen, waardoor de microcontroller tijdig op bepaalde gebeurtenissen kan reageren. Wanneer zich een specifieke gebeurtenis voordoet, zoals een signaalingang of een timer die een specifieke waarde bereikt, kan de microcontroller zijn huidige taak onderbreken om op deze gebeurtenis te reageren.
- geheugen: Ze hebben meestal twee soorten geheugen, zoals RAM en flash. RAM wordt gebruikt om tijdelijke gegevens op te slaan, zoals de instructies waaruit de programma's bestaan en de gegevens (variabelen, constanten,...) tijdens de uitvoering van het programma. Hoewel flashgeheugen wordt gebruikt om het uit te voeren programma op te slaan, en het net als RAM niet-vluchtig is, blijft het programma behouden als de stroom wordt onderbroken of het apparaat wordt uitgeschakeld.
- Ingangs-/uitgangsrandapparatuur (I/O): laat de microcontroller communiceren met de buitenwereld. Hierbij kunt u denken aan digitale I/O-poorten, analoog-naar-digitaal-converters (ADC), digitaal-naar-analoog-converters (DAC), communicatie-interfaces zoals UART, SPI en I2C, variëteitcontrollers, timers, tellers, GPIO en anderen.
Hoe verschilt dit van een microprocessor of CPU?
Een microprocessor en een microcontroller zijn twee fundamentele componenten op het gebied van de elektronica, maar dat is wel zo significante verschillen qua structuur en gebruik, ook al verwarren veel mensen de twee of denken ze dat ze hetzelfde zijn.
Terwijl de CPU alleen maar integreert functionele eenheden voor de aansturing en interpretatie van instructies, registers, maar ook uitvoeringsinstructies zoals de ALU, FPU etc., en flexibeler te combineren met andere hulpelementen, zijn microcontrollers wat geslotener in de zin van dat integreren veel van de onderdelen die de CPU weglaat. Hoewel de CPU het brein van een computer is, kan de MCU in feite als een complete computer worden beschouwd, omdat deze alle basisonderdelen op één chip bevat.
Verwar grotere integratie echter niet met termen van complexiteit en prestaties. Hoewel de huidige microprocessors extreem complex zijn en zeer hoge prestaties leveren, hebben de huidige microcontrollers meestal een geïntegreerde CPU met veel lagere en eenvoudigere prestaties. In feite kunnen veel van de huidige microcontrollers prestaties leveren die vergelijkbaar zijn met die van microprocessors van tientallen jaren geleden. Bovendien hebben we, zoals we later zullen zien, zelfs 8-bit of 16-bit microcontrollers, zoals de CPU's uit de jaren '70.
Verschillen ten opzichte van een SoC?
Omdat de microcontroller meerdere elementen op dezelfde chip integreert, Het wordt ook vaak verward met de SoC (System on a Chip)Het is echter ook niet hetzelfde. Net als bij de CPU versus MCU integreren SoC's ook een CPU met veel hogere prestaties dan de meeste huidige microcontrollers. Bovendien is de SoC een oneindig complexer en geavanceerder systeem. Aan de andere kant integreert de SoC meestal niet een aantal onderdelen die in een microcontroller zijn geïntegreerd, omdat de toepassingen waarvoor hij bedoeld is dit niet nodig hebben, zoals RAM en flashgeheugen, ADC-converters, enz.
Een beetje geschiedenis
Vroege microprocessors met meerdere circuits, zoals de AL1 van Four-Phase Systems in 1969 en de MP944 van Garrett AiResearch in 1970, werden ontwikkeld met meerdere MOS LSI-chips. De eerste microprocessor met één chip was de Intel 4004, uitgebracht in 1971. Deze processors hadden verschillende externe chips nodig om een functioneel systeem te implementeren, wat duur was. Bijna parallel werd echter ontwikkeld wat we vandaag de dag kennen als een microcontroller. HIJ toegeschreven aan IT-ingenieurs, Gary Boone en Michael Cochran, de succesvolle creatie van de eerste microcontroller in 1971, de TMS 1000, die alleen-lezen geheugen, lees-/schrijfgeheugen, processor en klok op één chip combineerde. Hoewel dit een ander verhaal is, leidde het in feite tot een patentoorlog en rechtszaken over het auteurschap van de microprocessor...
In de jaren zeventig heeft de Japanse elektronicafabrikanten begonnen microcontrollers voor auto's te produceren. Ze werden geleidelijk populair, en als reactie op het bestaan van de TMS 1000 met één chip ontwikkelde Intel een computersysteem op een chip die was geoptimaliseerd voor besturingstoepassingen, de Intel 8048, die RAM en ROM combineerde op dezelfde chip, samen met een CPU. Met het verstrijken van de tijd werden niet-vluchtige herinneringen verbeterd, en gingen ze van opname in de fabriek met een permanent programma zoals de eerste ROM's tot de introductie van de PROM, of de EEPROM van 1993, waardoor deze kon worden gewist en opnieuw geprogrammeerd met een ander programma op een eenvoudige manier en zo vaak als je wilt.
Beetje bij beetje ontstonden er bedrijven rond dit soort chips, zoals Atmel, Microchip Technology en vele anderen. Andere bedrijven in de sector begonnen ook hun eigen MCU's te distribueren, zoals Intel, Analog Devices, Cypress, AMD, ARM, Hitachi, EPSON, Motorola, Zilog, Infineon, Lattice, National Semiconductor, NEC, Panasonic, Renesas, Rockell, Sony , STMicroelectronics, Synopsis, Toshiba, enz.
Tegenwoordig zijn microcontrollers goedkoop en gemakkelijk toegankelijk voor hobbyisten en een groot aantal verschillende industriële sectoren. Bovendien wordt geschat dat ze worden verkocht bijna 5 miljard 8-bits eenheden wereldwijd, momenteel het meest gebruikt. Je vindt ze in huishoudelijke apparaten, voertuigen, computers, telefoons, industriële machines en nog veel meer. Bovendien zijn ze erin geslaagd om het maximale te miniaturiseren, waardoor enkele van de kleinste computers ter wereld zijn ontstaan, zelfs veel kleiner dan een korreltje zout...
ISA- en microcontrollerfamilies
Nu u iets meer weet over wat een MCU of microcontroller is, laten we eens kijken naar enkele van de belangrijkste gezinnen van deze microcontrollers. En net als CPU's kunnen ze worden onderverdeeld volgens de ISA, dat wil zeggen het repertoire aan instructies, registers en datatypen dat wordt gebruikt, en de compatibiliteit van de binaire programma's die kunnen worden uitgevoerd zal hiervan afhangen. tussen gezinnen. En deze families zijn volledig onafhankelijk van het model, merk of eenheden die in de chip zitten.
Onder de meest populaire gezinnen we hebben het volgende:
- Kinderen: is een generatie softcores voor FPGA's van Altera, nu geabsorbeerd door Intel.
- Zwartvin: is een familie van 16/32-bit microprocessors, ontwikkeld, geproduceerd en op de markt gebracht door Analog Devices. De processors hebben ook een ingebouwde functionaliteit voor digitale signaalprocessors (DSP), uitgevoerd door 16-bit multiplicatie-accumulatie (MAC).
- TijgerSHARC: staat voor Super Harvard Architecture Single-Chip Computer, ook van Analog Devices. In dit geval zijn ze ideaal voor toepassingen die hoge rekenprestaties vereisen met een laag stroomverbruik. Deze processors bieden een unieke geheugenarchitectuur die efficiënte toegang tot gegevens en instructies mogelijk maakt zonder prestatieverlies dat gepaard gaat met Von Neumann-busarchitecturen.
- Cortex-M- De Cortex-M-microcontrollers van ARM vormen een populaire familie van 32-bits microcontrollers die zeer energiezuinig zijn en goede prestaties leveren. Ze zijn vooral populair in industriële en consumententoepassingen en vertegenwoordigen momenteel de meerderheid van de moderne chips die door veel bedrijven worden verkocht.
- APR32: Het is een 32-bits RISC-microcontrollerarchitectuur geproduceerd door Atmel, en je kunt deze vinden op veel ontwikkelingsborden, zoals Arduino en klonen ervan.
- RISC-V: Deze open ISA heeft tot doel ARM te overtreffen, en beetje bij beetje begint het belang te krijgen in de wereld van microcontrollers, omdat het zeer flexibel is en het gebruik ervan mogelijk maakt zonder royalty's te betalen.
- PIC- zijn een familie van 8-bit microcontrollers ontwikkeld door Microchip Technology, bekend om hun geavanceerde RISC-architectuur, en zijn behoorlijk populair in de industrie.
- PowerQUICC: zijn gebaseerd op de Power Architecture-technologie van IBM en werden gebruikt door Motorola (nu Freescale). Ze ondersteunen het volledige spectrum van embedded netwerkapparatuur, industriële en algemene embedded applicaties.
- Spansie: Dit zijn de MCU's van Fujitsu en zijn gericht op analoge en digitale producten, en ontworpen voor efficiëntie en gebalanceerde prestaties.
- 8051: Het is een 8-bit microcontroller ontwikkeld door Intel, hoewel je hem nu ook door andere bedrijven zult vinden. Het is een van de meest populaire microcontrollers en wordt in een breed scala aan toepassingen gebruikt. De 8051 is een CISC-microcontroller gebaseerd op de Harvard-architectuur.
- TriCore: is een microcontroller ontwikkeld door Infineon Technologies. TriCore verenigt de elementen van een RISC-processorkern, een microcontroller en een DSP op één chip. Destijds was het een revolutie.
- MC-48 of 8048: Het is een microcontroller uit de Intel-lijn, met 64 bytes RAM en toegang tot 4096 bytes extern programmageheugen.
- mico8- is een 8-bits microcontrollerfamilie die volledig is geïmplementeerd in algemeen geheugen en logica voor Lattice FPGA's.
- Propeller: 32-bit multicore-architectuur ontwikkeld door Parallax Inc. Elke Propeller heeft 8 identieke 32-bit processors die zijn aangesloten op een gemeenschappelijke hub.
- Basisstempel- is een microcontroller met een kleine gespecialiseerde BASIC-interpreter (PBASIC) ingebouwd in de ROM. Het wordt vervaardigd door Parallax, Inc, en was een behoorlijk populair product voor makers die thuis een groot aantal projecten wilden uitvoeren voordat Arduino werd uitgebracht.
- SuperH: is een 32-bits RISC-computerinstructiesetarchitectuur ontwikkeld door Hitachi en momenteel geproduceerd door Renesas, en gericht op microcontrollers voor ingebedde systemen.
- tiva: is een serie microcontroller ontwikkeld door Texas Instruments. Het heeft een ingebouwde processorklokfrequentie tot 80 MHz met een floating point unit (FPU), met geweldige prestaties.
- Microblazer: is een sterk geïntegreerd processorsysteem bedoeld voor controllertoepassingen. MicroBlaze is volledig geïmplementeerd in het geheugen en de algemene logica van Xilinx (nu AMD) FPGA's, dat wil zeggen een softcore.
- Picoblaze: vergelijkbaar met de vorige, maar in dit geval is het 8-bit en eenvoudiger, voor meer geïntegreerde toepassingen.
- XCore: Het zijn XMOS multicore MCU's, 32 bits die zijn geprogrammeerd in een C-taalomgeving en deterministisch en met lage latentie werken. Ze zijn zeer compleet en kunnen in de vorm van tegels worden uitgevoerd.
- Z8: is van Zilog en het zijn 8-bits apparaten die een breed scala aan prestatie- en resource-opties bieden. Deze microcontrollers zijn ideaal voor kostengevoelige toepassingen met grote volumes, waaronder consumenten-, automobiel-, beveiligings- en HVAC-producten.
- Z180: Het is weer een van de populaire binnen Zilog vóór de release van de nieuwe eZ die de vorige reeksen heeft bijgewerkt. Het bevat een 8-bits processor, compatibel met de grote softwarebasis die voor de Z80 is geschreven. De Z180-familie voegt hogere prestaties en geïntegreerde randfuncties toe, zoals een klokgenerator, 16-bit tellers/timers, interruptcontroller, wachtstatusgeneratoren, seriële poorten en een DMA-controller.
- STM: Deze STMicroelectronics-familie heeft enkele MCU-units gebaseerd op de eigen architectuur van dit bedrijf, hoewel er in de nieuwste modellen, zoals in veel andere gevallen, voor is gekozen om de 32-bits ARM Cortex-M-serie te integreren. Het biedt producten die zeer hoge prestaties, real-time mogelijkheden, digitale signaalverwerking, werking op laag vermogen/laagspanning en connectiviteit combineren, terwijl volledige integratie en ontwikkelingsgemak behouden blijven.
Er zijn er nog meer, maar dit zijn de belangrijkste...