Множество плат для разработки, которые мы часто используем, от самой Arduino до многих других, используют Блоки MCU или микроконтроллеры. Некоторые важные фишки, чтобы иметь возможность запрограммировать эти устройства и что инструкции, созданные программистом, можно обрабатывать для получения ожидаемых результатов.
Тем не менее, Сектор микроконтроллеров довольно широк., как и в случае с процессорами или микропроцессорами, поскольку существует не только множество дизайнеров или производителей, а также моделей, но также существует множество различных семейств, о которых вам следует знать. Итак, мы собираемся посвятить эту статью именно этому, чтобы вы знали, какой из них может вас больше всего заинтересовать для ваших проектов…
Что такое микроконтроллер или MCU?
Un микроконтроллер или MCU (блок микроконтроллера) Это компактное устройство, объединяющее функции центрального процессора (ЦП), памяти и периферийных устройств на одном кристалле. Это устройство является центральным элементом многих электронных систем и имеет основополагающее значение в области встроенной электроники. Короче говоря, это отличная альтернатива проводной электронике, позволяющая одному чипу гибко выполнять множество функций, поскольку он программируется.
Микроконтроллеры используются в широкий спектр приложений благодаря своей универсальности и эффективности. Некоторые примеры использования микроконтроллеров включают системы управления в автомобилях, бытовой технике, системах промышленной автоматизации, системах управления процессами, игрушках, системах безопасности, макетных платах и многих других электронных устройствах.
Детали микроконтроллеров
Микроконтроллеры представляют собой интегрированные устройства, и все их компоненты реализованы на кристалле или интегральной схеме. Между самые фундаментальные части из этих чипов:
- CPU (Central Processing Unit): Центральный процессор — это мозг микроконтроллера и его важнейшая часть. Этот блок отвечает за использование данных и инструкций программы для их правильной интерпретации и обработки в исполнительных блоках для получения ожидаемых результатов. То есть ЦП выполняет все вычислительные операции и принимает решения на основе логики программы. Скорость и эффективность ЦП во многом определяют производительность микроконтроллера. Кроме того, они также обычно имеют элементарные части, такие как системы прерываний, которые позволяют микроконтроллеру своевременно реагировать на определенные события. Когда происходит определенное событие, например, входной сигнал или таймер, достигающий определенного значения, микроконтроллер может прервать свою текущую задачу, чтобы отреагировать на это событие.
- память: Обычно они имеют два типа памяти, такие как ОЗУ и флэш-память. ОЗУ используется для хранения временных данных, таких как инструкции, составляющие программы, и данных (переменных, констант и т. д.) во время выполнения программы. При этом флэш-память используется для хранения выполняемой программы, и она энергонезависима, как и ОЗУ, поэтому при прерывании питания или выключении устройства программа останется.
- Периферийные устройства ввода/вывода (I/O): разрешить микроконтроллеру взаимодействовать с внешним миром. Они могут включать цифровые порты ввода-вывода, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), коммуникационные интерфейсы, такие как UART, SPI и I2C, различные контроллеры, таймеры, счетчики, GPIO и другие.
Чем он отличается от микропроцессора или центрального процессора?
Микропроцессор и микроконтроллер — два фундаментальных компонента в области электроники, но они имеют значительные различия с точки зрения структуры и использования, хотя многие люди путают эти два понятия или считают, что это одно и то же.
Хотя процессор интегрирует только функциональные единицы для управления и интерпретации инструкций, регистров, а также инструкций выполнения, таких как ALU, FPU и т. д., и могут более гибко комбинироваться с другими вспомогательными элементами, микроконтроллеры несколько более закрыты в том смысле, что интегрируют многие части, которые процессор не учитывает. Фактически, хотя ЦП является мозгом компьютера, MCU можно считать законченным компьютером, поскольку он включает в себя все основные части на одном кристалле.
Однако не путайте большую интеграцию с условиями сложность и производительность. Хотя современные микропроцессоры чрезвычайно сложны и обладают очень высокой производительностью, современные микроконтроллеры обычно имеют встроенный процессор с гораздо более низкой и простой производительностью. Фактически, многие из сегодняшних микроконтроллеров могут иметь производительность, аналогичную микропроцессорам десятилетней давности. Более того, как мы увидим позже, у нас даже есть 8-битные или 16-битные микроконтроллеры, подобные процессорам 70-х годов.
Различия по сравнению с SoC?
Поскольку микроконтроллер объединяет несколько элементов на одном кристалле, Его также часто путают с SoC (системой на кристалле).Однако это тоже не то же самое. Как и в случае с процессором и микроконтроллером, SoC также интегрируют процессор с гораздо более высокой производительностью, чем большинство современных микроконтроллеров. Более того, SoC — это бесконечно более сложная и продвинутая система. С другой стороны, SoC обычно не интегрирует некоторые части, интегрированные в микроконтроллер, поскольку приложения, для которых он предназначен, не требуют этого, например ОЗУ и флэш-память, преобразователи АЦП и т. д.
Немного истории
Ранние многосхемные микропроцессоры, такие как AL1 от Four-Phase Systems в 1969 году и MP944 от Garrett AiResearch в 1970 году, были разработаны с использованием нескольких микросхем MOS LSI. Первым однокристальным микропроцессором был Intel 4004, выпущенный в 1971 году. Этим процессорам требовалось несколько внешних микросхем для реализации функциональной системы, что было дорого. Однако почти параллельно было разработано то, что мы знаем сегодня как микроконтроллер. ОН приписывается ИТ-инженерам Гэри Буну и Майклу Кокрану, успешное создание первого микроконтроллера в 1971 году, TMS 1000, который объединил постоянную память, память чтения/записи, процессор и часы на одном кристалле. На самом деле, хоть это и другая история, но она породила патентную войну и судебные иски за авторство микропроцессора...
В течение 1970-х годов Японские производители электроники начали выпуск микроконтроллеров для автомобилей. Постепенно они стали популярными, и в ответ на существование однокристального TMS 1000 компания Intel разработала компьютерную систему на чипе, оптимизированном для приложений управления, Intel 8048, который объединил ОЗУ и ПЗУ на одном чипе вместе с ЦП. С течением времени энергонезависимая память была улучшена и прошла путь от записи на заводе с помощью постоянной программы, как первые ПЗУ, до появления PROM или EEPROM 1993 года, что позволило ее стирать и перепрограммировать. с другой программой простым способом и столько раз, сколько захотите.
Постепенно вокруг этого типа чипов рождались компании, такие как Atmel, Microchip Technology и многие другие.. Другие компании в этом секторе также начали распространять свои собственные микроконтроллеры, такие как Intel, Analog Devices, Cypress, AMD, ARM, Hitachi, EPSON, Motorola, Zilog, Infineon, Lattice, National Semiconductor, NEC, Panasonic, Renesas, Rockell, Sony. , STMicroelectronics, Synopsis, Toshiba и т. д.
Сегодня микроконтроллеры дешевы и легко доступны любителям и множеству различных отраслей промышленности. Более того, предполагается, что они продаются почти 5 миллиардов 8-битных устройств по всему миру, являющийся наиболее используемым в настоящее время. Их можно найти в бытовой технике, транспортных средствах, компьютерах, телефонах, промышленных машинах и многом другом. Более того, им удалось максимально миниатюризировать, создав одни из самых маленьких компьютеров в мире, даже намного меньше, чем крупинка соли...
Семейства ISA и микроконтроллеров
Теперь, когда вы знаете немного больше о том, что такое MCU или микроконтроллер, давайте посмотрим на некоторые из них. самые важные семьи этих микроконтроллеров. И, как и процессоры, их можно разделить по ISA, то есть по репертуару используемых инструкций, регистров и типов данных, и от этого будет зависеть совместимость бинарных программ, которые могут выполняться. между семьями. И эти семейства совершенно не зависят от модели, бренда или блоков, входящих в состав чипа.
Среди самые популярные семьи у нас есть следующее:
- Дети: — это поколение программных ядер для FPGA от Altera, теперь поглощенное Intel.
- Черноперый: — семейство 16/32-битных микропроцессоров, разработанных, производимых и продаваемых компанией Analog Devices. Процессоры также имеют встроенный цифровой сигнальный процессор (DSP), выполняющий 16-битное умножение-накопление (MAC).
- ТигрSHARC: означает однокристальный компьютер с супергарвардской архитектурой, также от Analog Devices. В этом случае они идеально подходят для приложений, требующих высокой вычислительной производительности при низком энергопотреблении. Эти процессоры предлагают уникальную архитектуру памяти, которая обеспечивает эффективный доступ к данным и инструкциям без снижения производительности, связанного с шинной архитектурой фон Неймана.
- Кортекс-М- Микроконтроллеры ARM Cortex-M — популярное семейство 32-разрядных микроконтроллеров, которые очень энергоэффективны и обеспечивают хорошую производительность. Они особенно популярны в промышленных и потребительских приложениях и в настоящее время составляют большинство современных микросхем, продаваемых многими компаниями.
- АВР32: Это 32-битная RISC-архитектура микроконтроллера производства Atmel, и вы можете найти ее на многих платах разработки, таких как Arduino и ее клоны.
- RISC-V: Эта открытая ISA нацелена на то, чтобы превзойти ARM, и постепенно она начала приобретать значение в мире микроконтроллеров, поскольку она очень гибкая и позволяет ее использовать без уплаты лицензионных отчислений.
- ПИК— семейство 8-битных микроконтроллеров, разработанных компанией Microchip Technology, известных своей передовой RISC-архитектурой и довольно популярных в отрасли.
- PowerQUICC: основаны на технологии IBM Power Architecture и используются Motorola (теперь Freescale). Они поддерживают полный спектр встроенного сетевого оборудования, промышленных и общих встраиваемых приложений.
- Размах: Это микроконтроллеры Fujitsu, ориентированные на аналоговые и цифровые продукты и разработанные для обеспечения эффективности и сбалансированной производительности.
- 8051: Это 8-битный микроконтроллер, разработанный Intel, хотя теперь его производят и другие компании. Это один из самых популярных микроконтроллеров, который используется в широком спектре приложений. 8051 — это CISC-микроконтроллер, основанный на Гарвардской архитектуре.
- Трикор: микроконтроллер, разработанный Infineon Technologies. TriCore объединяет элементы процессорного ядра RISC, микроконтроллера и DSP на одном кристалле. В то время это была революция.
- МС-48 или 8048: Это микроконтроллер из линейки Intel, с 64 байтами оперативной памяти и доступом к 4096 байтам внешней программной памяти.
- Мико8- семейство 8-битных микроконтроллеров, полностью реализованных в памяти общего назначения и логике для решетчатых ПЛИС.
- Пропеллер: 32-битная многоядерная архитектура, разработанная Parallax Inc. Каждый пропеллер имеет 8 одинаковых 32-битных процессоров, подключенных к общему концентратору.
- Базовый штамп- представляет собой микроконтроллер со встроенным в ПЗУ небольшим специализированным интерпретатором Бейсика (PBASIC). Он производится компанией Parallax, Inc и был довольно популярным продуктом среди производителей, которые хотели реализовать множество проектов дома до выпуска Arduino.
- СуперХ: представляет собой 32-битную RISC-архитектуру набора вычислительных команд, разработанную Hitachi и в настоящее время производимую Renesas и ориентированную на микроконтроллеры для встраиваемых систем.
- Тива: серийный микроконтроллер, разработанный Texas Instruments. Он имеет встроенную тактовую частоту процессора до 80 МГц с модулем с плавающей запятой (FPU) и обеспечивает отличную производительность.
- Микроблейз: высокоинтегрированная процессорная система, предназначенная для контроллерных приложений. MicroBlaze полностью реализован в памяти и логике общего назначения ПЛИС Xilinx (теперь AMD), то есть в программном ядре.
- Пикоблейз: аналогичен предыдущему, но в данном случае 8-битный и проще, для более интегрированных приложений.
- XCore: Это многоядерные микроконтроллеры XMOS, 32 бита, которые запрограммированы в среде языка C и работают детерминированно и с низкой задержкой. Они очень полные и могут быть реализованы в виде плиток.
- Z8: от Zilog, это 8-битные устройства, предлагающие широкий спектр возможностей производительности и ресурсов. Эти микроконтроллеры идеально подходят для крупносерийных и экономичных приложений, включая потребительские, автомобильные, охранные и HVAC-продукты.
- Z180: Это еще один из популярных в Zilog до выпуска нового eZ, который обновил предыдущие диапазоны. Он включает в себя 8-битный процессор, совместимый с большой базой программного обеспечения, написанной для Z80. Семейство Z180 отличается более высокой производительностью и встроенными периферийными функциями, такими как тактовый генератор, 16-разрядные счетчики/таймеры, контроллер прерываний, генераторы состояний ожидания, последовательные порты и контроллер DMA.
- STM: В этом семействе STMicroelectronics есть некоторые блоки MCU, основанные на собственной архитектуре этой компании, хотя в последних моделях была выбрана, как и во многих других случаях, интеграция 32-битной серии ARM Cortex-M. Он предлагает продукты, которые сочетают в себе очень высокую производительность, возможности работы в реальном времени, цифровую обработку сигналов, работу с низким энергопотреблением и низким напряжением и возможность подключения, сохраняя при этом полную интеграцию и простоту разработки.
Есть еще кое-что, но это самое важное…