Czym są mikrokontrolery - przeznaczenie, urządzenie, oprogramowanie

Mikrokontroler - Jest to specjalny układ zaprojektowany do sterowania różnymi urządzeniami elektronicznymi. Mikrokontrolery pojawiły się po raz pierwszy w tym samym roku, co mikroprocesory ogólnego zastosowania (1971).

Twórcy mikrokontrolerów wpadli na genialny pomysł - połączyć procesor, pamięć, pamięć ROM i urządzenia peryferyjne w jednej obudowie, która wygląda jak zwykły mikroukład. Od tego czasu produkcja mikrokontrolerów rocznie wielokrotnie przewyższa produkcję procesorów, a zapotrzebowanie na nie uległo zmniejszeniu.

Mikrokontrolery są produkowane przez dziesiątki firm i produkowane są nie tylko nowoczesne 32-bitowe mikrokontrolery, ale także 16, a nawet 8-bitowe (jak i8051 i analogi). W obrębie każdej rodziny często można znaleźć prawie identyczne modele, które różnią się szybkością procesora i wielkością pamięci.

Faktem jest, że mikrokontrolery są stosowane głównie w systemach wbudowanych, w zabawkach, obrabiarkach, w masowych urządzeniach domowych, w automatyka domowa - gdzie nie potrzebujesz mocy procesora, a raczej równowagę między ceną a wystarczającą funkcjonalnością.

Dlatego najstarsze typy mikrokontrolerów są nadal w użyciu - mogą wiele zrobić: od automatycznego otwierania drzwi i włączania nawadniania trawników po integrację z system inteligentnego domu. Jednocześnie istnieją mocniejsze mikrokontrolery, które mogą wykonywać setki milionów operacji na sekundę i są powiązane z urządzeniami peryferyjnymi „do zębów”. Mają odpowiednie zadania. Dlatego deweloper najpierw ocenia zadanie, a dopiero potem wybiera odpowiedni sprzęt.

Obecnie istnieje ponad 200 modyfikacji mikrokontrolerów zgodnych z i8051, wyprodukowanych przez dwa tuziny firm, oraz wiele innych rodzajów mikrokontrolerów. Deweloperzy są popularni wśród 8-bitowych mikrokontrolerów PIC od Microchip Technology i AVR od Atmel, 16-bitowych MSP430 od TI oraz 32-bitowych mikrokontrolerów, architektura ARM, opracowana przez ARM Limited i sprzedająca licencje innym firmom na ich produkcję.

16-bitowy 28-pinowy mikrokontroler PDIP PIC24

Mikrokontroler Atmel AVR ATmega8 w pakiecie DIP

Urządzenie mikrokontrolera AVR

Mikrokontroler charakteryzuje się dużą liczbą parametrów, ponieważ jest jednocześnie złożonym urządzeniem sterowanym programowo i urządzeniem elektronicznym (mikroukład). Przedrostek „micro” w nazwie mikrokontrolera oznacza, że ​​jest on wykonywany przy użyciu technologii mikroelektronicznej.

Podczas pracy mikrokontroler odczytuje polecenia z pamięci lub portu wejściowego i wykonuje je. Znaczenie każdego polecenia zależy od systemu poleceń mikrokontrolera. System poleceń jest wbudowany w architekturę mikrokontrolera, a wykonanie kodu polecenia wyraża się w wykonywaniu niektórych mikroprocesorów przez wewnętrzne elementy mikroukładu.

Mikrokontrolery umożliwiają elastyczne sterowanie różnymi urządzeniami elektronicznymi i elektrycznymi. Niektóre modele mikrokontrolerów są tak mocne, że mogą bezpośrednio przełączać przekaźniki (na przykład na Girlandy świąteczne).

Mikrokontrolery z reguły nie działają same, ale są wlutowane w obwód, w którym oprócz niego podłączone są ekrany, wejścia klawiatury, różne czujniki itp.

Oprogramowanie dla mikrokontrolerów może przyciągnąć uwagę tych, którzy lubią „ścigać bity”, ponieważ pamięć w mikrokontrolerach zwykle wynosi od 2 do 128 Kb. Jeśli mniej, to musisz pisać w asemblerze lub forcie, jeśli to możliwe, użyj specjalnych wersji BASIC, Pascal, ale głównie C. Przed ostatecznym zaprogramowaniem mikrokontrolera jest on testowany w emulatorach - oprogramowaniu lub sprzęcie.

Może to rodzić pytanie: czy mikroprocesor i mikrokontroler to po prostu inna nazwa dla tego samego urządzenia, czy są to różne rzeczy?

Mikroprocesor to centralne urządzenie każdego komputera wykonane w technologii zintegrowanej. Sama nazwa wskazuje, że w nim zachodzą procesy obliczeniowe. Aby z niego zrobić komputer, nawet jeśli nie jest zbyt nowoczesny i wydajny (pamiętaj o amatorskich konstrukcjach Radia 86 lub Sinclaira), należy go uzupełnić urządzeniami zewnętrznymi. Przede wszystkim jest to pamięć RAM i porty wejściowe do wysyłania informacji.

Mikrokontroler ma procesor, pamięć RAM, pamięć programu, a ponadto cały zestaw urządzeń peryferyjnych, które zamieniają procesor w w pełni funkcjonalny komputer. Zgodnie ze starą terminologią epoki radzieckiej urządzenia takie nazywano mikrokomputerami jednoukładowymi. Ale informatyka sowiecka, jak wiecie, osiągnęła ślepy zaułek, a wraz z nią OMEVM.

Ale obca technologia komputerowa nie stała w miejscu, dlatego OMEVM zaczęto nazywać kontrolerami (z angielskiego. Kontrola - zarządzanie, kontrola). W rzeczywistości kontrolery okazały się bardzo odpowiednie do kontrolowania różnych urządzeń, nawet niezbyt skomplikowanych.

MICROCONTROLLER nie jest już procesorem, ale także komputerem.

Centralny procesor w każdym komputerze jest komputerem głównym. Chociaż komputer nie jest przeznaczony wyłącznie do obciążeń obliczeniowych, procesor jest w nim głównym elementem. Ale nie tylko komputer ma procesor.

Jeśli się nad tym zastanowić i przyjrzeć się bliżej, można zauważyć, że procesory są używane w większości urządzeń gospodarstwa domowego. Tylko tam używają nie takich procesorów jak w komputerze, ale mikroprocesory, a nawet mikrokontrolery.

Czym więc jest mikrokontroler i czym różni się od rzeczywistego procesora, czy są to całkowicie różne elementy elektroniczne?

Duże układy scalone lub układy scalone są procesorami. Mikroprocesory są zasadniczo tymi samymi procesorami, ale ze względu na przedrostek „mikro” ich esencja jest określona, ​​że ​​są one miniaturowe niż ich „dużych” braci. W swoim historycznym czasie procesor ze swoimi rozmiarami mógł zajmować więcej niż jedno pomieszczenie, wystarczyło nazwać je wygasłymi dinozaurami przez makroprocesory, aby jakoś zaaranżować je we współczesnej idei elektroniki.

Zredukowany rozmiar i zaaranżowany procesor zajmuje mniej miejsca i można go umieścić w bardziej kompaktowym produkcie, jakim jest mikroprocesor. Ale sam procesor może niewiele zrobić, z wyjątkiem przesyłania danych między rejestrami i wykonywania na nich operacji arytmetycznych i logicznych.

Aby mikroprocesor wysyłał dane do pamięci, pamięć ta musi albo znajdować się w samym układzie, na którym znajduje się sam element procesora, albo być podłączona do zewnętrznej pamięci RAM wykonanej w postaci oddzielnego układu lub modułu.

Oprócz pamięci procesor musi współpracować z urządzeniami zewnętrznymi - urządzeniami peryferyjnymi. W przeciwnym razie, jakich korzyści można oczekiwać od pracy procesora, mieszania i przenoszenia danych tam iz powrotem. Chodzi o to, że procesor wchodzi w interakcje z urządzeniami we / wy. Na komputerze jest to klawiatura, mysz i urządzenia wyświetlające jako wyświetlacz, opcjonalnie drukarka i, na przykład, skaner, ponownie do wprowadzania informacji.

Do sterowania urządzeniami I / O niezbędne są odpowiednie obwody buforowe i elementy. Na ich podstawie wdrażany jest interfejs tzw. Sprzętowy. Sposoby interakcji z elementami interfejsu wymagają obecności obwodów portów wejściowych / wyjściowych, dekoderów adresów i modułów szyny z obwodami buforowymi w celu zwiększenia obciążalności mikroprocesora.

Integracja procesora ze wszystkimi niezbędnymi dodatkowymi elementami, dzięki czemu ten produkt wlewa się do pewnego rodzaju ukończonej konstrukcji i prowadzi do powstania mikrokontrolera. Mikroukład lub mikrokontroler układ realizuje procesor i obwody interfejsu na jednym układzie.

Samowystarczalny układ, który zawiera prawie wszystko, aby wystarczyło do zbudowania gotowego produktu, jest przykładem typowego mikrokontrolera. Na przykład elektroniczny zegarek na rękę lub budzik ma wewnątrz mikrokontroler, który realizuje wszystkie funkcje takiego urządzenia. Poszczególne urządzenia peryferyjne są podłączone bezpośrednio do nóg mikroukładu mikrokontrolera lub wspólne elementy lub mikroukłady o małym lub średnim stopniu integracji są wspólne.

Mikrokontrolery są szeroko stosowane w produktach, które zawierają cały system wyłącznie w jednym miniaturowym mikroukładzie, często nazywanym mikroukładem. Na przykład „chipowa” karta kredytowa zawiera mikrokontroler w plastikowej podstawie. Tablet interkomowy zawiera również mikrokontroler w środku. A przykłady użycia i zastosowania mikrokontrolerów są tak szerokie we współczesnym świecie, że łatwo jest wykryć obecność kontrolera w jakimkolwiek mniej lub bardziej inteligentnym urządzeniu, od zabawki dla dzieci po bezprzewodowy zestaw słuchawkowy do telefonu komórkowego.