Що таке мікроконтролер?
Мікроконтролер, або скорочено MCU, — це комп’ютер, розміщений на мікросхемі інтегральної схеми. Мікроконтролери не є комп’ютерами в тому сенсі, що вони працюють як ноутбук або ігровий ПК. Вони містять один або кілька ЦП, їхню пам’ять і роз’єми введення/виведення, але нічого схожого на ОС чи інтерфейс користувача.
Їх основними елементами інтерфейсу є перемикачі, світлодіоди або датчики. Вони обмежені тим, які програми вони можуть запускати, тим, що поміщається у їх вбудованій пам’яті – дорого та неефективно під’єднувати додаткову пам’ять, тому все, що вони мають робити, має поміститись у доступну пам’ять чіпа. Мікроконтролери використовуються для вбудованих програм, а не для використання персонального комп’ютера. Це означає, що вони служать певній конкретній меті в рамках більшої електронної системи.
Порада. Порівняйте функцію мікроконтролера з роботою шестерні машини. Замість того, щоб бути безпосередньо доступним для користувача, він тихо виконує свою мету, забезпечуючи безперебійну роботу системи.
Мікроконтролери схожі на SoC або системи на чіпі. SoC є дещо складнішими, але вони можуть з’являтися разом – SoC може, наприклад, керувати зовнішніми мікроконтролерами, підключеними через материнську плату. На відміну від мікроконтролерів, процесори SoC зазвичай мають певний графічний процесор і інструменти підключення до мережі ( наприклад, інтерфейс Wi-Fi ).
Мікроконтролери в реальному світі
Однією з їхніх визначальних характеристик є те, що доступ до них не здійснюється безпосередньо, а автоматично контролюється у великих системах. Їх можна знайти в бортовому комп’ютері автомобіля, електроінструментах або навіть медичних приладах. Мікроконтролери можуть бути різного розміру, але бути невеликими, що дозволяє розміщувати їх у крихітних пристроях.
Вони також можуть бути побудовані таким чином, щоб вони споживали неймовірно мало електроенергії – коли вони простоюють або чекають введення; можна створювати мікроконтролери, які споживають лише нановат за хвилину – це одна мільярдна частка вата. Хоча не всі можуть бути такими ефективними, багато хто обходиться частками ват для споживання електроенергії. Це робить їх ідеальними для пристроїв, які працюють з обмеженим зарядом акумулятора.
Перший мікроконтролер був створений у 1971 році, хоча до 1974 року перший мікроконтролер був комерційно доступний. Він відрізнявся більш простою установкою, ніж сучасні, і був спеціально створений для вбудованих систем. Особливо японські виробники підхопили технологію і почали виготовляти їх для автомобілів. Вони знайшли застосування в автомобільних розвагах, автоматизованих чи керованих датчиками склоочисниках, електронних замках, приладових панелях і елементах керування двигуном.
Порада: сучасний автомобіль середнього класу, ймовірно, матиме близько 30 різних мікроконтролерів. Ви також можете знайти деякі в пральних машинах, духовках, телефонах і домофонах.
Ранні моделі були сильно обмежені щодо того, наскільки легко їх можна було стерти та переписати, а також були непрості у виготовленні. З тих пір це перестало бути проблемою – з 1993 року, коли новий тип пам’яті був включений в мікроконтролери, вони стали значно дешевшими у виробництві. Виробництво більшості моделей коштуватиме лише кілька центів, а продаватиметься приблизно за долар, залежно від особливостей.
Зараз мікроконтролери також використовуються поза спеціальними вбудованими системами – вони популярні серед інженерів-любителів, яким подобається возитися з ними. Деякі конкретні моделі навіть мають цілі онлайн-спільноти, присвячені їм та їх можливому використанню.
Мікроконтролер – це невеликий процесор. Зазвичай вони використовуються для керування чимось конкретним, наприклад, увімкненням склоочисників у разі виявлення води. Як правило, вони повністю автоматичні, не потребують дистанційного керування від ЦП загального призначення, хоча можуть передавати прості дані телеметрії. Як випливає з назви, мікроконтролери, як правило, фізично малі.
Вони також мають малу споживану потужність і низьку ціну. У той час як ранні моделі, як правило, були прив’язані до своїх конкретних функцій, сучасні мікроконтролери, як правило, можна перепрограмувати, хоча часто потрібне спеціальне обладнання. Ця можливість програмування дає змогу спільноті, яка із задоволенням майструє з ними та використовує їх незвичними способами.
Що таке мікроконтролери (призначення, пристрій, софт)
Мікроконтролер – це спеціальна мікросхема, призначена для управління різними електронними пристроями. Мікроконтролери вперше з’явилися в тому ж році, що і мікропроцесори загального призначення (1971).
Розробники мікроконтролерів придумали дотепну ідею – об’єднати процесор, пам’ять, ПЗУ і периферію всередині одного корпусу, зовні схожого на звичайну мікросхему. З тих пір виробництво мікроконтролерів щорічно у багато разів перевищує виробництво процесорів, а потреба в них не знижується.
Мікроконтролери випускають десятки компаній, причому виробляються не тільки сучасні 32-бітові мікроконтролери, але і 16, і навіть 8-бітові (як i8051 і аналоги). Усередині кожного сімейства часто можна зустріти майже однакові моделі, що розрізняються швидкістю роботи ЦПУ і об’ємом пам’яті.
Справа в тому, що мікроконтролери застосовуються переважно у вбудованих системах, в іграшках, у верстатах, в масової домашній техніці, в домашньої автоматиці – там, де потрібна не потужність процесора, а, швидше, баланс між ціною і достатньою функціональністю.
Саме тому найстаріші типи мікроконтролерів ще досі в ходу – вони багато чого можуть: від автоматичного відкривання дверей і включення поливу газонів до інтеграції в систему «розумний дім». При цьому існують і більш потужні мікроконтролери, здатні виконувати сотні мільйонів операцій в секунду і обв’язані периферією «до зубів». У них і завдання відповідні. Таким чином, розробник спочатку оцінює задачу, а вже потім вибирає під неї відповідне «залізо».
На сьогоднішній день існує більше 200 модифікацій мікроконтролерів, сумісних з i8051, що випускаються двома десятками компаній, і велика кількість мікроконтролерів інших типів. Популярністю у розробників користуються 8-бітові мікроконтролери PIC фірми Microchip Technology і AVR фірми Atmel, 16-бітові MSP430 фірми TI, а також 32-бітові мікроконтролери, архітектури ARM, яку розробляє фірма ARM Limited і продає ліцензії іншим фірмам для їх виробництва.
16-бітний 28-pin PDIP PIC24 мікроконтролер
Мікроконтролер Atmel AVR ATmega8 в корпусі DIP
Пристрій мікроконтролера AVR
Мікроконтролер характеризується великим числом параметрів, оскільки він одночасно є складним програмно-керованим пристроєм і електронним приладом (мікросхемою). Приставка “мікро” в назві мікроконтролера означає, що виконується він по мікроелектронної технології.
У ході роботи мікрконтроллер зчитує команди з пам’яті або порту вводу і виконує їх. Що означає кожна команда, визначається системою команд мікроконтролера. Сиситема команд закладена в архітектурі мікрконтроллера і виконання коду команди виражається в проведенні внутрішніми елементами мікросхеми певних микроопераций.
Мікроконтролери дозволяють гнучко управляти різними електронними та електричними пристроями. Деякі моделі мікроконтролерів настільки потужні, що можуть безпосередньо перемикати реле (наприклад, на ялинкових гірляндах).
Мікроконтролери, як правило, не працює поодинці, а запаюється в схему, де, крім нього, підключаються екрани, клавіатурні входи, різні датчики і т.д.
Софт для мікроконтролерів може привернути увагу тих, хто обожнює «ганятися за бітами», оскільки зазвичай пам’ять в мікроконтролерах становить від 2 до 128 Кб. Якщо менше, то писати припадає на асемблері або Форте, якщо є можливість, то використовують спеціальні версії Бейсика, Паскаля, але в основному – Сі. Перш ніж остаточно запрограмувати мікроконтролер, його тестують в емуляторах – програмних чи апаратних.
Тут може виникнути питання: мікропроцесор і мікроконтролер це просто різну назву одного і того ж пристрою, чи це все-таки різні речі?
Мікропроцесор це центральний пристрій будь ЕОМ, виконаний за інтегральною технологією. Сама назва говорить про те, що саме в ньому відбуваються обчислювальні процеси. Щоб з нього вийшла ЕОМ, нехай навіть не дуже сучасна і потужна (згадайте аматорські конструкції Радіо-86 або Сінклер), його треба доповнити зовнішніми пристроями. В першу чергу це оперативна пам’ять і порти введення виведення інформації.
Мікроконтролер має всередині себе процесор, оперативну пам’ять, пам’ять програм, а крім цього цілий набір периферійних пристроїв, які перетворюють процесор в повнофункціональну ЕОМ. За старою термінології радянських часів подібні пристрої називалися однокристальна Мікро ЕОМ. Але радянська обчислювальна техніка, як відомо, зайшла в глухий кут, а разом з нею і ОМЕВМ.
Зарубіжна ж обчислювальна техніка на місці не стояла, тому ОМЕВМ стали називатися контролерами (від англ. Control – управляти, управління). І справді, контролери виявилися вельми придатні для управління різною технікою, навіть не дуже складною.
Мікроконтролери – це вже не процесор, але ще й не комп’ютер.
Центральний процесор, наявний в кожному комп’ютері – головний обчислювач. Хоча комп’ютер і не призначений виключно для обчислювального навантаження, процесор є в ньому головним елементом. Але не тільки в комп’ютері є процесор.
Якщо вдуматися і придивитися, то можна виявити, що процесори застосовуються в більшості приладів побутового призначення. Тільки там використовуються не такі процесори як в комп’ютері, а мікропроцесори і навіть мікроконтролери.
Так що ж таке мікроконтролер і чим відрізняється від власне процесора або це абсолютно різні електронні компоненти?
Великі інтегральні мікросхеми або мікросхеми з великим ступенем інтеграції і є процесори. Мікропроцесори, по суті ті ж процесори, але через приставки «мікро» визначається їх суть, що вони мініатюрніше своїх «великих» побратимів. Свого історичний час процесор зі своїм розміром міг займати не одну кімнату, впору їх назвати як вимерлих динозаврів макро-процесорами, щоб і їх якось упорядкувати в сучасному уявленні про електроніку.
Зменшений в габаритах і скомпонований процесор займає менше місця і його можна помістити в більш компактний виріб, це і є мікропроцесор. Але сам процесор мало що здатний робити, окрім як дані пересилати між регістрами і здійснювати якісь арифметичні і логічні дії над ними.
Щоб мікропроцесор міг переслати дані в пам’ять, ця сама пам’ять повинна бути присутнім або на самому кристалі, на якому знаходиться сам процесорний елемент, або підключатися до зовнішньої оперативної пам’яті виконаної у вигляді окремого кристала або модуля.
Крім пам’яті процесор повинен взаємодіяти із зовнішніми пристроями – периферією. Інакше який користі можна очікувати від роботи процесора, перемешивающего і переміщує дані туди-сюди. Сенс виникає тоді, коли процесор взаємодіє з пристроями введення-виведення. У комп’ютера це клавіатура, маніпулятор миша і пристрої відображення як дисплей, опціонально – принтер і, наприклад, сканер знову ж для введення інформації.
Щоб керувати пристроями введення-виведення, неодмінно необхідні відповідні буферні схеми та елементи. На їх основі реалізуються інтерфейсні так звані апаратні засоби. Способи взаємодії з інтерфейсними елементами припускають наявність схем портів введення-виведення, дешифраторів адреси та формирователей шин з буферними схемами, для збільшення навантажувальної здатності мікропроцесора.
Інтеграція процесора з усіма необхідними додатковими елементами, для того щоб це виріб виливалося в якийсь завершений конструктив і призводить до утворення мікроконтролера. Мікросхема або Мікроконтроллерні чіп реалізує на одному кристалі процесор та інтерфейсні схеми.
Самодостатній чіп, який містить практично все, щоб цього вистачало для побудови закінченого вироби і є приклад типового мікроконтролера. Наприклад наручний електронний годинник або годинник-будильник мають усередині мікроконтролер, який реалізує всі функції такого пристрою. Окремі периферійні пристрої підключаються безпосередньо до ніжок мікросхеми мікроконтролера, або спільно використовуються додаткові елементи або мікросхеми малої або середньої ступені інтеграції.
Мікроконтролери широко використовуються у виробах які містять всю систему цілком виключно в одній мініатюрної мікросхемі, часто званої мікрозбірка. Наприклад «чіпова» кредитна картка містить мікроконтролер всередині у пластиковій основі. Пігулка домофона так само всередині себе містить мікроконтролер. І прикладів використання та застосування мікроконтролерів настільки великий в сучасному світі, що легко виявити наявність контролера в будь-якому мало-мальськи інтелектуальному пристрої від дитячої іграшки до бездротової гарнітури стільникового телефону.
