Používame množstvo vývojových dosiek, ktoré často používame, od samotného Arduina až po mnoho ďalších Jednotky MCU alebo mikrokontroléry. Niektoré životne dôležité čipy, aby mohli naprogramovať tieto zariadenia a že inštrukcie vytvorené programátorom môžu byť spracované tak, aby sa dosiahli očakávané výsledky.
Avšak, Sektor mikrokontrolérov je pomerne široký., ako je to aj v prípade CPU alebo mikroprocesorov, pretože existuje nielen veľa dizajnérov alebo výrobcov, ako aj modelov, ale existuje aj veľa rôznych rodín, ktoré by ste mali poznať. Tento článok teda venujeme práve tejto veci, aby ste vedeli, ktorá by vás mohla pre vaše projekty najviac zaujímať...
Čo je to mikrokontrolér alebo MCU?
Un mikrokontrolér alebo MCU (MicroController Unit) Ide o kompaktné zariadenie, ktoré integruje funkcie centrálneho procesora (CPU), pamäte a periférií na jedinom čipe. Toto zariadenie je ústredným prvkom mnohých elektronických systémov a je základom v oblasti vstavanej elektroniky. Stručne povedané, skvelá alternatíva k drôtovej elektronike, ktorá umožňuje, aby jeden čip flexibilne vykonával množstvo funkcií, pretože je programovateľný.
Mikrokontroléry sa používajú v a najrozmanitejšie aplikácie vďaka svojej všestrannosti a účinnosti. Niektoré príklady použitia mikrokontrolérov zahŕňajú riadiace systémy v automobiloch, domáce spotrebiče, systémy priemyselnej automatizácie, systémy riadenia procesov, hračky, bezpečnostné systémy, vývojové dosky a mnoho ďalších elektronických zariadení.
Časti mikrokontrolérov
Mikrokontroléry sú integrované zariadenia a všetky ich komponenty sú implementované na čipe alebo integrovanom obvode. Medzi najzákladnejšie časti z týchto čipov sú:
- CPU (Centrálna procesorová jednotka): Centrálna procesorová jednotka je mozog mikrokontroléra a jeho najdôležitejšia časť. Táto jednotka je zodpovedná za používanie údajov a inštrukcií programu na ich primeranú interpretáciu a spracovanie vo vykonávacích jednotkách na získanie očakávaných výsledkov. To znamená, že CPU vykonáva všetky výpočtové operácie a robí rozhodnutia na základe logiky programu. Rýchlosť a efektívnosť CPU do značnej miery určuje výkon mikrokontroléra. Okrem toho majú zvyčajne aj elementárne časti ako sú prerušovacie systémy, ktoré umožňujú mikrokontroléru včas reagovať na určité udalosti. Keď nastane špecifická udalosť, ako je vstup signálu alebo časovač dosiahnutia špecifickej hodnoty, mikrokontrolér môže prerušiť svoju aktuálnu úlohu, aby na túto udalosť reagoval.
- Pamäť: Zvyčajne majú dva typy pamäte, ako je RAM a flash. RAM sa používa na ukladanie dočasných údajov, ako sú inštrukcie, ktoré tvoria programy a údaje (premenné, konštanty,...) počas vykonávania programu. Zatiaľ čo pamäť flash sa používa na uloženie programu, ktorý sa má vykonať, a je energeticky nezávislá ako RAM, takže po prerušení napájania alebo vypnutí zariadenia program zostane.
- Vstupné/výstupné periférie (I/O): umožňuje mikrokontroléru interakciu s vonkajším svetom. Môžu zahŕňať digitálne I/O porty, analógovo-digitálne prevodníky (ADC), digitálno-analógové prevodníky (DAC), komunikačné rozhrania ako UART, SPI a I2C, rôzne radiče, časovače, počítadlá, GPIO a iní.
Ako sa líši od mikroprocesora alebo CPU?
Mikroprocesor a mikrokontrolér sú dve základné komponenty v oblasti elektroniky, ale majú významné rozdiely z hľadiska štruktúry a použitia, aj keď si ich mnohí ľudia mýlia alebo sa domnievajú, že sú to isté.
Zatiaľ čo CPU iba integruje funkčné jednotky na ovládanie a interpretáciu inštrukcií, registrov, ako aj vykonávacích inštrukcií ako ALU, FPU atď., a možno ich flexibilnejšie kombinovať s inými pomocnými prvkami, mikrokontroléry sú o niečo uzavretejšie v zmysle integrácie veľa častí, ktoré CPU vynecháva. V skutočnosti, zatiaľ čo CPU je mozgom počítača, MCU možno považovať za kompletný počítač, pretože obsahuje všetky základné časti na jednom čipe.
Nezamieňajte si však väčšiu integráciu s podmienkami zložitosť a výkon. Zatiaľ čo súčasné mikroprocesory sú extrémne zložité a s veľmi vysokým výkonom, súčasné mikrokontroléry majú zvyčajne integrovaný CPU s oveľa nižším a jednoduchším výkonom. V skutočnosti mnohé z dnešných mikrokontrolérov môžu mať výkon podobný mikroprocesorom spred desaťročí. A čo viac, ako uvidíme neskôr, máme dokonca 8-bitové alebo 16-bitové mikrokontroléry ako CPU zo 70. rokov.
Rozdiely v porovnaní so SoC?
Keďže mikrokontrolér integruje niekoľko prvkov na tom istom čipe, Často sa tiež zamieňa s SoC (System on a Chip)Ani to však nie je rovnaké. Rovnako ako v prípade CPU vs MCU, SoC tiež integrujú CPU s oveľa vyšším výkonom ako väčšina súčasných mikrokontrolérov. Okrem toho je SoC nekonečne zložitejší a pokročilejší systém. Na druhej strane, SoC zvyčajne neintegruje niektoré časti, ktoré sú integrované do mikrokontroléra, pretože aplikácie, pre ktoré je určený, to nevyžadujú, ako sú RAM a flash pamäť, ADC prevodníky atď.
trocha histórie
Prvé viacobvodové mikroprocesory, ako napríklad AL1 od Four-Phase Systems v roku 1969 a MP944 od Garrett AiResearch v roku 1970, boli vyvinuté s viacerými čipmi MOS LSI. Prvým jednočipovým mikroprocesorom bol Intel 4004, vydaný v roku 1971. Tieto procesory vyžadovali niekoľko externých čipov na implementáciu funkčného systému, čo bolo drahé. Takmer paralelne sa však vyvíjalo to, čo dnes poznáme ako mikrokontrolér. ON pripisuje IT inžinierom Garymu Booneovi a Michaelovi Cochranovi, úspešné vytvorenie prvého mikrokontroléra v roku 1971, TMS 1000, ktorý kombinoval pamäť iba na čítanie, pamäť na čítanie/zápis, procesor a hodiny na jednom čipe. V skutočnosti, hoci toto je iný príbeh, vyvolala patentovú vojnu a súdne spory o autorstvo mikroprocesora...
Počas 1970. rokov minulého storočia sa Japonskí výrobcovia elektroniky začali vyrábať mikrokontroléry pre automobily. Postupne sa stali populárnymi a v reakcii na existenciu jednočipového TMS 1000 vyvinul Intel počítačový systém na čipe optimalizovanom pre riadiace aplikácie Intel 8048, ktorý kombinoval RAM a ROM na rovnakom čipe spolu s CPU. Postupom času boli energeticky nezávislé pamäte vylepšené a prešli od nahrávania v továrni s permanentným programom ako prvé ROM až po predstavenie PROM alebo EEPROM z roku 1993, čo umožnilo ich vymazanie a preprogramovanie. s iným programom jednoduchým spôsobom a toľkokrát, koľkokrát chcete.
Okolo tohto typu čipov sa postupne rodili firmy ako napr Atmel, Microchip Technology a mnoho ďalších. Ostatné spoločnosti v sektore tiež začali distribuovať svoje vlastné MCU, ako napríklad Intel, Analog Devices, Cypress, AMD, ARM, Hitachi, EPSON, Motorola, Zilog, Infineon, Lattice, National Semiconductor, NEC, Panasonic, Renesas, Rockell, Sony , STMicroelectronics , Synopsis, Toshiba atď.
Dnes sú mikrokontroléry lacné a ľahko dostupné pre nadšencov a množstvo rôznych priemyselných odvetví. Okrem toho sa odhaduje, že sa predávajú takmer 5 miliárd 8-bitových jednotiek na celom svete, ktorá je v súčasnosti najpoužívanejšia. Nájdete ich v domácich spotrebičoch, vozidlách, počítačoch, telefónoch, priemyselných strojoch a mnoho ďalších. Navyše sa im podarilo maximálne zminiaturizovať, čím vznikli jedny z najmenších počítačov na svete, dokonca oveľa menšie ako zrnko soli...
ISA a rodiny mikrokontrolérov
Teraz, keď viete trochu viac o tom, čo je MCU alebo mikrokontrolér, pozrime sa na niektoré z nich najdôležitejšie rodiny týchto mikrokontrolérov. A podobne ako CPU ich možno rozdeliť podľa ISA, teda repertoáru inštrukcií, registrov a dátových typov, ktoré sa používajú, a od toho bude závisieť kompatibilita binárnych programov, ktoré je možné spustiť. medzi rodinami. A tieto rodiny sú úplne nezávislé od modelu, značky alebo jednotiek zahrnutých v čipe.
medzi najobľúbenejšie rodiny máme nasledujúce:
- deti: je generácia softcore pre FPGA od Altera, ktorú teraz pohlcuje Intel.
- Čierna plutva: je rodina 16/32-bitových mikroprocesorov vyvinutých, vyrábaných a predávaných spoločnosťou Analog Devices. Procesory majú tiež zabudovanú funkciu digitálneho signálového procesora (DSP), ktorú vykonáva 16-bitová multiplikačná akumulácia (MAC).
- TigerSHARC: znamená Super Harvard Architecture Single-Chip Computer, tiež od Analog Devices. V tomto prípade sú ideálne pre aplikácie, ktoré vyžadujú vysoký výpočtový výkon s nízkou spotrebou energie. Tieto procesory ponúkajú jedinečnú architektúru pamäte, ktorá umožňuje efektívny prístup k dátam a inštrukciám bez zníženia výkonu súvisiaceho s architektúrami zberníc Von Neumann.
- Cortex-M- Mikrokontroléry Cortex-M od ARM sú populárnou rodinou 32-bitových mikrokontrolérov, ktoré sú veľmi energeticky efektívne a ponúkajú dobrý výkon. Sú obzvlášť populárne v priemyselných a spotrebiteľských aplikáciách av súčasnosti predstavujú väčšinu moderných čipov predávaných mnohými spoločnosťami.
- AVR32: Ide o 32-bitovú architektúru mikrokontroléra RISC od spoločnosti Atmel a nájdete ju na mnohých vývojových doskách, ako je Arduino a jeho klony.
- RISC-V: Tento otvorený ISA má za cieľ prekonať ARM a postupne začína mať význam vo svete mikrokontrolérov, pretože je veľmi flexibilný a umožňuje jeho použitie bez platenia licenčných poplatkov.
- PIC- sú rodinou 8-bitových mikrokontrolérov vyvinutých spoločnosťou Microchip Technology, ktoré sú známe svojou pokročilou architektúrou RISC a sú v tomto odvetví veľmi populárne.
- PowerQUICC: sú založené na technológii IBM Power Architecture a boli použité spoločnosťou Motorola (teraz Freescale), podporujú celé spektrum vstavaných sieťových zariadení, priemyselných a všeobecných vstavaných aplikácií.
- Spansion: Toto sú MCU Fujitsu a sú zamerané na analógové a digitálne produkty a sú navrhnuté pre efektívnosť a vyvážený výkon.
- 8051: Ide o 8-bitový mikrokontrolér vyvinutý spoločnosťou Intel, aj keď ho teraz nájdete vyrábaný aj inými spoločnosťami. Je to jeden z najpopulárnejších mikrokontrolérov a používa sa v širokej škále aplikácií. 8051 je mikrokontrolér CISC založený na architektúre Harvardu.
- TriCore: je mikrokontrolér vyvinutý spoločnosťou Infineon Technologies. TriCore spája prvky RISC procesorového jadra, mikrokontroléra a DSP na jednom čipe. V tom čase to bola revolúcia.
- MC-48 alebo 8048: Je to mikrokontrolér z radu Intel, so 64 bajtmi RAM a prístupom k 4096 bajtom externej programovej pamäte.
- Mico8- je rodina 8-bitových mikrokontrolérov implementovaná výhradne vo všeobecnej pamäti a logike pre mriežkové FPGA.
- Vrtuľa: 32-bitová viacjadrová architektúra vyvinutá spoločnosťou Parallax Inc. Každá vrtuľa má 8 rovnakých 32-bitových procesorov pripojených k spoločnému rozbočovaču.
- Základná pečiatka- je mikrokontrolér s malým špecializovaným interpretom BASIC (PBASIC) zabudovaným v ROM. Vyrába ho spoločnosť Parallax, Inc a bol pomerne populárnym produktom pre výrobcov, ktorí chceli robiť množstvo projektov doma pred vydaním Arduina.
- SuperH: je 32-bitová architektúra výpočtovej inštrukčnej sady RISC vyvinutá spoločnosťou Hitachi a v súčasnosti vyrábaná spoločnosťou Renesas a zameraná na mikrokontroléry pre vstavané systémy.
- Tiva: je sériový mikrokontrolér vyvinutý spoločnosťou Texas Instruments. Má vstavanú taktovaciu frekvenciu procesora až 80 MHz s jednotkou s pohyblivou rádovou čiarkou (FPU) so skvelým výkonom.
- Microblaze: je vysoko integrovaný procesorový systém určený pre riadiace aplikácie. MicroBlaze je implementovaný výhradne v pamäti a všeobecnej logike Xilinx (teraz AMD) FPGA, teda softcore.
- Picoblaze: podobný predchádzajúcemu, ale v tomto prípade je 8-bitový a jednoduchší, pre integrovanejšie aplikácie.
- XCore: Sú to XMOS viacjadrové MCU, 32 bitové, ktoré sú naprogramované v prostredí jazyka C a fungujú deterministicky a s nízkou latenciou. Sú veľmi kompletné a môžu byť realizované vo forme dlaždíc.
- Z8: je od spoločnosti Zilog a sú to 8-bitové zariadenia, ktoré ponúkajú širokú škálu možností výkonu a zdrojov. Tieto mikrokontroléry sú ideálne pre veľkoobjemové, nákladovo citlivé aplikácie, vrátane spotrebiteľských, automobilových, bezpečnostných a HVAC produktov.
- Z180: Je to ďalší z populárnych v rámci Zilog pred vydaním nového eZ, ktorý aktualizoval predchádzajúce rady. Obsahuje 8-bitový procesor, kompatibilný s veľkou softvérovou základňou napísanou pre Z80. Rad Z180 pridáva vyšší výkon a integrované periférne funkcie, ako je generátor hodín, 16-bitové počítadlá/časovače, radič prerušení, generátory čakacích stavov, sériové porty a radič DMA.
- STM: Táto rodina STMicroelectronics má niektoré jednotky MCU založené na vlastnej architektúre tejto spoločnosti, aj keď v najnovších modeloch bola zvolená, ako v mnohých iných prípadoch, na integráciu 32-bitovej série ARM Cortex-M. Ponúka produkty, ktoré kombinujú veľmi vysoký výkon, schopnosti v reálnom čase, digitálne spracovanie signálu, nízkonapäťovú/nízkonapäťovú prevádzku a konektivitu pri zachovaní úplnej integrácie a jednoduchosti vývoja.
Je ich viac, ale tieto sú najdôležitejšie…