MCU'lar: en önemli mikrodenetleyici aileleri hakkında bilgi edinin

Arduino'nun kendisinden diğerlerine kadar sıklıkla kullandığımız çok sayıda geliştirme kartı, MCU birimleri veya mikro denetleyiciler. Yapılması gereken bazı hayati çipler bu cihazları programlayın ve programcı tarafından oluşturulan talimatların beklenen sonuçları elde etmek için işlenebilmesi.

Sin ambargo, Mikrodenetleyici sektörü oldukça geniştir.CPU'larda veya mikroişlemcilerde de olduğu gibi, çünkü yalnızca çok sayıda tasarımcı veya üretici ve model yoktur, aynı zamanda bilmeniz gereken birçok farklı aile de vardır. Bu yüzden bu makaleyi tam da bu konuya ayıracağız, böylece projeleriniz için hangisinin ilginizi en çok çekebileceğini bilirsiniz…

Mikrodenetleyici veya MCU nedir?

Un mikrodenetleyici veya MCU (MikroDenetleyici Birimi) Merkezi işlemcinin (CPU), belleğin ve çevre birimlerinin işlevlerini tek bir yonga üzerinde birleştiren kompakt bir cihazdır. Bu cihaz birçok elektronik sistemin merkezinde yer alır ve gömülü elektronik alanında temeldir. Kısacası, kablolu elektroniklere harika bir alternatif, programlanabilir olduğundan tek bir çipin çok sayıda işlevi esnek bir şekilde yerine getirmesine olanak tanıyor.

Mikrodenetleyiciler bir alanda kullanılır çok çeşitli uygulamalar çok yönlülüğü ve verimliliği nedeniyle. Mikrodenetleyicilerin kullanım örnekleri arasında otomobillerdeki kontrol sistemleri, ev aletleri, endüstriyel otomasyon sistemleri, proses kontrol sistemleri, oyuncaklar, güvenlik sistemleri, geliştirme kartları ve diğer birçok elektronik ekipman yer alır.

Mikrodenetleyicilerin parçaları

Mikrodenetleyiciler entegre cihazlardır ve tüm bileşenleri bir çip veya entegre devre üzerinde gerçekleştirilir. Arasında en temel parçalar bu çiplerden bazıları:

• CPU (Merkezi İşlem Birimi): Merkezi işlem birimi mikro denetleyicinin beynidir ve en önemli parçasıdır. Bu birim, programın veri ve talimatlarını kullanarak, beklenen sonuçları elde etmek için bunları yürütme birimlerinde uygun şekilde yorumlamak ve işlemekten sorumludur. Yani CPU tüm hesaplama işlemlerini gerçekleştirir ve program mantığına göre kararlar alır. CPU'nun hızı ve verimliliği mikrodenetleyicinin performansını büyük ölçüde belirler. Ek olarak, genellikle mikro denetleyicinin belirli olaylara zamanında yanıt vermesini sağlayan kesme sistemleri gibi temel parçalara da sahiptirler. Bir sinyal girişi veya zamanlayıcının belirli bir değere ulaşması gibi belirli bir olay meydana geldiğinde, mikro denetleyici bu olaya yanıt vermek için mevcut görevini kesebilir.
• bellek: Genellikle RAM ve flash olmak üzere iki tip hafızaya sahiptirler. RAM, programları oluşturan talimatlar ve programın yürütülmesi sırasındaki veriler (değişkenler, sabitler,...) gibi geçici verileri depolamak için kullanılır. Flash bellek yürütülecek programın saklanması için kullanılır ve RAM gibi kalıcı olduğundan, elektrik kesildiğinde veya cihaz kapatıldığında program kalır.
• Giriş/Çıkış Çevre Birimleri (G/Ç): Mikrodenetleyicinin dış dünyayla etkileşime girmesine izin verin. Bunlar, dijital G/Ç bağlantı noktalarını, analogdan dijitale dönüştürücüleri (ADC), dijitalden analoğa dönüştürücüleri (DAC), UART, SPI ve I2C gibi iletişim arayüzlerini, çeşitli denetleyicileri, zamanlayıcıları, sayaçları, GPIO'yu ve diğerleri.

Mikroişlemci veya CPU'dan farkı nedir?

Mikroişlemci ve mikrodenetleyici elektronik alanında iki temel bileşendir ancak önemli farklılıklar Yapı ve kullanım açısından pek çok kişi ikisini karıştırsa da ya da aynı olduğuna inansa da.

CPU yalnızca entegre olurken fonksiyonel birimler talimatların, kayıtların ve ayrıca ALU, FPU vb. yürütme talimatlarının kontrolü ve yorumlanması için ve diğer yardımcı elemanlarla daha esnek bir şekilde birleştirilebilir, mikrodenetleyiciler bu entegrasyon anlamında biraz daha kapalıdır. CPU'nun dışarıda bıraktığı parçaların çoğu. Aslında CPU bir bilgisayarın beyni olsa da MCU, tüm temel parçaları tek bir çip üzerinde içerdiğinden tam bir bilgisayar olarak düşünülebilir.

Ancak daha fazla entegrasyonu, daha fazla entegrasyonla karıştırmayın. karmaşıklık ve performans. Mevcut mikroişlemciler son derece karmaşık ve çok yüksek performansa sahipken, mevcut mikrodenetleyiciler genellikle çok daha düşük ve daha basit performansa sahip entegre bir CPU'ya sahiptir. Aslında günümüzün mikrodenetleyicilerinin çoğu, onlarca yıl önceki mikroişlemcilere benzer performansa sahip olabilir. Dahası, daha sonra göreceğimiz gibi, 8'lerdeki CPU'lar gibi 16-bit veya 70-bit mikrodenetleyicilerimiz bile var.

SoC ile karşılaştırıldığında farklar var mı?

Mikrodenetleyici birden fazla elemanı aynı çip üzerinde birleştirdiğinden, Ayrıca sıklıkla SoC (Çip Üzerindeki Sistem) ile karıştırılır.Ancak aynı şey de değil. CPU ve MCU'da olduğu gibi SoC'ler de mevcut mikro denetleyicilerin çoğundan çok daha yüksek performansa sahip bir CPU'yu entegre eder. Ayrıca SoC çok daha karmaşık ve gelişmiş bir sistemdir. Öte yandan SoC, RAM ve flash bellek, ADC dönüştürücüler vb. gibi amaçlanan uygulamalar bunu gerektirmediğinden genellikle bir mikro denetleyiciye entegre edilen bazı parçaları entegre etmez.

Biraz tarih

1'da Four-Phase Systems'in AL1969'i ve 944'de Garrett AiResearch'ün MP1970'ü gibi ilk çok devreli mikroişlemciler, birden fazla MOS LSI yongasıyla geliştirildi. İlk tek çipli mikroişlemci, 4004'de piyasaya sürülen Intel 1971'tü. Bu işlemciler, işlevsel bir sistemi uygulamak için birkaç harici çip gerektiriyordu ve bu da pahalıydı. Ancak neredeyse paralel olarak bugün mikrodenetleyici olarak bildiğimiz şey geliştirildi. O BT mühendisleri Gary Boone ve Michael Cochran'a atfediliyor1971 yılında salt okunur belleği, okuma/yazma belleğini, işlemciyi ve saati tek bir çip üzerinde birleştiren ilk mikro denetleyici olan TMS 1000'in başarılı bir şekilde yaratılması. Aslında bu başka bir hikaye olsa da, mikroişlemcinin yazarlığı konusunda bir patent savaşına ve davalara yol açtı...

1970'li yıllarda, Japon elektronik üreticileri otomobiller için mikrodenetleyiciler üretmeye başladı. Yavaş yavaş popüler hale geldiler ve tek çipli TMS 1000'in varlığına yanıt olarak Intel, kontrol uygulamaları için optimize edilmiş bir çip üzerinde, RAM ve ROM'u bir CPU ile birlikte aynı çipte birleştiren Intel 8048 adlı bir bilgisayar sistemi geliştirdi. Zamanın geçmesiyle birlikte, kalıcı hafızalar gelişti ve ilk ROM'lar gibi kalıcı bir programla fabrikada kaydedilmekten PROM'un veya 1993'teki EEPROM'un silinmesine ve yeniden programlanmasına izin verene kadar geçti. başka bir programla basit bir şekilde ve istediğiniz kadar.

Yavaş yavaş şirketler bu tür çiplerin etrafında doğdu, örneğin Atmel, Mikroçip Teknolojisi ve diğerleri. Intel, Analog Devices, Cypress, AMD, ARM, Hitachi, EPSON, Motorola, Zilog, Infineon, Lattice, National Semiconductor, NEC, Panasonic, Renesas, Rockell, Sony gibi sektördeki diğer firmalar da kendi MCU'larını dağıtmaya başladı. , STMicroelectronics, Özet, Toshiba, vb.

Günümüzde mikrodenetleyiciler ucuzdur ve hobiciler ve çok sayıda farklı endüstriyel sektör tarafından kolaylıkla erişilebilir durumdadır. Ayrıca satıldıkları tahmin ediliyor Dünya çapında neredeyse 5 milyar 8 bitlik birimşu anda en çok kullanılanıdır. Bunları ev aletlerinde, araçlarda, bilgisayarlarda, telefonlarda, endüstriyel makinelerde ve çok daha fazlasında bulabilirsiniz. Dahası, maksimum düzeyde minyatürleştirmeyi başardılar, dünyadaki en küçük bilgisayarlardan bazılarını yarattılar, hatta bir tuz tanesinden çok daha küçük...

ISA ve mikrodenetleyici aileleri

Artık bir MCU'nun veya mikrodenetleyicinin ne olduğu hakkında biraz daha bilgi sahibi olduğunuza göre, bazılarına bakalım. en önemli aileler bu mikrodenetleyicilerden Ve CPU'lar gibi ISA'ya, yani kullanılan talimat, kayıt ve veri türlerinin repertuarına göre bölünebilirler ve yürütülebilecek ikili programların uyumluluğu buna bağlı olacaktır. aileler arasında. Ve bu aileler çipin içerdiği model, marka veya birimlerden tamamen bağımsızdır.

Arasında en popüler aileler şunlara sahibiz:

• Çocuklar: Altera'nın FPGA'lere yönelik bir softcore neslidir ve artık Intel tarafından benimsenmektedir.
• Kara yüzgeçli: Analog Devices tarafından geliştirilen, üretilen ve pazarlanan bir 16/32 bit mikroişlemci ailesidir. İşlemciler ayrıca 16 bit çarpma biriktirme (MAC) tarafından gerçekleştirilen yerleşik dijital sinyal işlemcisi (DSP) işlevine de sahiptir.
• KaplanSHARC: Yine Analog Devices'dan Süper Harvard Mimarisi Tek Çipli Bilgisayar anlamına gelir. Bu durumda, düşük güç tüketimiyle yüksek bilgi işlem performansı gerektiren uygulamalar için idealdirler. Bu işlemciler, Von Neumann veri yolu mimarileriyle ilişkili performans kaybı olmadan verilere ve talimatlara verimli erişim sağlayan benzersiz bir bellek mimarisi sunar.
• korteks-M- ARM'in Cortex-M mikrokontrolörleri, güç açısından oldukça verimli ve iyi performans sunan popüler bir 32-bit mikrokontrolör ailesidir. Özellikle endüstriyel ve tüketici uygulamalarında popülerdirler ve şu anda birçok şirket tarafından satılan modern çiplerin çoğunluğunu temsil etmektedirler.
• AVR32: Atmel firmasının ürettiği 32-bit RISC mikrodenetleyici mimarisi olup, Arduino ve klonları gibi birçok geliştirme panosunda bulabilirsiniz.
• RISC V: Bu açık ISA, ARM'yi geçmeyi hedefliyor ve çok esnek olması ve telif ücreti ödemeden kullanımına izin vermesi nedeniyle mikrodenetleyiciler dünyasında yavaş yavaş önem kazanmaya başladı.
• PIC- Microchip Technology tarafından geliştirilen, gelişmiş RISC mimarisiyle tanınan ve sektörde oldukça popüler olan 8 bitlik bir mikrodenetleyici ailesidir.
• PowerQUICC: IBM'in Güç Mimarisi teknolojisini temel alır ve Motorola (şu anda Freescale) tarafından kullanılır; tümleşik ağ ekipmanı, endüstriyel ve genel gömülü uygulamalar yelpazesini destekler.
• Aralık: Bunlar Fujitsu'nun MCU'larıdır ve analog ve dijital ürünlere odaklanmıştır ve verimlilik ve dengeli performans için tasarlanmıştır.
• 8051: Intel tarafından geliştirilen 8 bitlik bir mikro denetleyicidir, ancak artık başka şirketler tarafından da üretildiğini göreceksiniz. En popüler mikrodenetleyicilerden biridir ve çok çeşitli uygulamalarda kullanılır. 8051, Harvard mimarisini temel alan bir CISC mikro denetleyicisidir.
• Üç Çekirdekli: Infineon Technologies tarafından geliştirilen bir mikro denetleyicidir. TriCore, RISC işlemci çekirdeğinin, mikro denetleyicinin ve DSP'nin öğelerini tek bir yongada birleştirir. O zamanlar bu bir devrimdi.
• MC-48 veya 8048: Intel serisinden, 64 bayt RAM'e ve 4096 bayt harici program belleğine erişime sahip bir mikro denetleyicidir.
• Mico8- Lattice FPGA'ler için tamamen genel amaçlı bellek ve mantıkta uygulanan 8 bitlik bir mikro denetleyici ailesidir.
• Pervane: Parallax Inc. tarafından geliştirilen 32 bit çok çekirdekli mimari. Her Pervane, ortak bir hub'a bağlı 8 adet birbirinin aynı 32 bit işlemciye sahiptir.
• Temel Damga- ROM'da yerleşik küçük bir özel BASIC yorumlayıcısına (PBASIC) sahip bir mikro denetleyicidir. Parallax, Inc. tarafından üretilmiştir ve Arduino piyasaya sürülmeden önce evde çok sayıda proje yapmak isteyen yapımcılar için oldukça popüler bir üründü.
• SüperH: Hitachi tarafından geliştirilen ve şu anda Renesas tarafından üretilen ve gömülü sistemler için mikro denetleyicilere odaklanan 32 bitlik bir RISC bilgi işlem talimat seti mimarisidir.
• tiva: Texas Instruments tarafından geliştirilen bir seri mikro denetleyicidir. Mükemmel performansa sahip, kayan nokta birimi (FPU) ile 80 MHz'e kadar yerleşik işlemci saat frekansına sahiptir.
• Mikro alev: Kontrolör uygulamalarına yönelik yüksek düzeyde entegre bir işlemci sistemidir. MicroBlaze tamamen Xilinx (şimdi AMD) FPGA'lerinin, yani bir softcore'un belleğinde ve genel amaçlı mantığında uygulanır.
• Pikoblaze: öncekine benzer, ancak bu durumda daha entegre uygulamalar için 8 bit ve daha basittir.
• XCore: Bunlar, C dili ortamında programlanan ve deterministik olarak ve düşük gecikmeyle çalışan 32 bitlik XMOS çok çekirdekli MCU'lardır. Oldukça eksiksizdirler ve fayans şeklinde uygulanabilirler.
• Z8: Zilog'dandır ve çok çeşitli performans ve kaynak seçenekleri sunan 8 bitlik cihazlardır. Bu mikrokontrolörler tüketici, otomotiv, güvenlik ve HVAC ürünleri de dahil olmak üzere yüksek hacimli, maliyete duyarlı uygulamalar için idealdir.
• Z180: Önceki aralıkları güncelleyen yeni eZ'nin piyasaya sürülmesinden önce Zilog'daki popüler olanlardan bir diğeri. Z8 için yazılmış geniş yazılım tabanıyla uyumlu 80 bitlik bir işlemci içerir. Z180 ailesi, saat oluşturucu, 16 bit sayaçlar/zamanlayıcılar, kesme denetleyicisi, bekleme durumu oluşturucuları, seri bağlantı noktaları ve DMA denetleyicisi gibi daha yüksek performans ve entegre çevre birimi özellikleri ekler.
• STM: Bu STMicroelectronics ailesinde, bu şirketin kendi mimarisini temel alan bazı MCU birimleri bulunur, ancak en son modellerde, diğer birçok durumda olduğu gibi, 32-bit ARM Cortex-M Serisini entegre etmek seçilmiştir. Tam entegrasyon ve geliştirme kolaylığını korurken, çok yüksek performansı, gerçek zamanlı yetenekleri, dijital sinyal işlemeyi, düşük güç/düşük voltajda çalışmayı ve bağlantıyı birleştiren ürünler sunar.

Daha çok var ama en önemlileri bunlar…