Микроконтроллер что это такое


Микроконтроллеры | Что такое микроконтроллер? ⋆ diodov.net

Микроконтроллеры уже практически полностью заполнили современный мир электроники. Поэтому каждый начинающий или опытный электронщик рано или поздно сталкивается с этими, на первый взгляд загадочными устройствами. По сути, микроконтроллер – это всего лишь кусок кремния в пластиковом корпусе с металлическими выводами, который самостоятельно не выполняет никаких функций. Однако он способен решать множество сложных задач с довольно высокой скоростью при наличии записанной («прошитой») в него программы. Поэтому нашей задачей является научиться писать программы для микроконтроллера, тем самым превращая его из куска кремния в кусок «золота».

Естественно возникают вопросы что такое микроконтроллер, с чего начинать его изучение, и на каком типе остановит свой выбор? На эти и другие вопросы мы найдем ответ далее. Сейчас же давайте посмотрим, как они могут выглядеть, и вкратце рассмотрим область применения и некоторые возможности микроконтроллеров.

Типы корпусов микроконтроллеров

Внешне микроконтроллеры ничем не отличаются от других микросхем. Кристаллы МК размещаются в стандартных корпусах, которые имеют строго определенное количество выводов. Микроконтроллеры изготавливаются в трех принципиально разных видах корпусов.

DIP корпус

К первому виду относится DIP корпус. Сокращенно от английского Dual In—Line Package – корпус с двумя рядами выводов. Расстояние между выводами составляет 0,1 дюйма, что равно 2,54 мм. Также подобные корпуса еще обозначают PDIP. Первая буква “Р” обозначает, что корпус пластиковый – Plastic. Микроконтроллеры в таком корпусе будем использовать и мы, поскольку такие МК легко устанавливаются на макетную плату, что значительно облегчает выполнять отладку.

Рис.1 – Микроконтроллер ATmega8 в DIP корпусе

SOIC корпус

Следующим, в порядке снижения габаритов, будет SOIC корпус. Его аббревиатура расшифровывается так: Small—Outline Integrated Circuit. Он используется при пайке поверхностным монтажом, т. е. выводы микросхемы припаиваются к контактным площадкам, расположенным на поверхности платы, а не вставляются в отверстия, как DIP корпус. Расстояние между у SOIC корпусов выводами в два раза меньше, чем в DIP и составляет 1,27 мм.

Рис. 2 – Микроконтроллер AT89C2051 в SOIC корпусе

QFP и TQFP корпуса

Еще меньшие габариты имеет тип корпуса QFP (Quad Flat Package) или TQFP (Thin Quad Flat Package) (рис. 3). Отличительной особенностью его является расположение выводов по всем четырем сторонам, а сам корпус имеет форму квадрата. Как и SOIC, TQFP предназначен для поверхностного монтажа. Расстояние между выводами в 3 раза меньше, чем в DIP корпусах.

Рис. 3 – Микроконтроллер ATmega328P в TQFP корпусе

QFN корпус

Наиболее экзотическим с точки зрения любительской практики является корпус QFN (Quad Flat No—leads). Такой корпус имеет наименьшие габариты среди всех рассмотренных корпусов. В качестве выводов здесь используются контакты, расстояние между которыми в 6 раз меньше, чем в DIP корпусах. По этой причине они редко применяются радиолюбителями. Одна в промышленности такие корпуса находят широкое применение, поскольку габариты готового электронного устройства можно снизить в десятки раз. На рис.4 наглядно видно различия в габаритах одного и того же микроконтроллера (ATmega8) в DIP и QFN корпусах.

Рис. 4 – Микроконтроллер ATmega8 в DIP и QFN корпусах

Для сравнения микроконтроллеры в корпусах различных типов показаны на рис. 5. Мы же будем пользоваться микроконтроллерами исключительно в PID корпусах, по крайней мере, на начальных этапах программирования.

Рис. 5 – Микроконтроллеры в разных типах корпусов

Микроконтроллеры всюду окружают нас

Область применения МК с каждым днем все больше и больше расширяется. Они используются в самых различных устройствах: от музыкальной открытки до высокоскоростного электропоезда, самолета и ракеты. МК повсеместно применяются в бытовой технике: тостерах, микроволновых печах, кофеварках, холодильниках, стиральных машинах. Они широко внедрены в мобильных телефонах, планшетах, электронных часах, автомобилях, т. е. практически во всех электронных устройствах. И это не удивительно, ведь благодаря микроконтроллерам устройства становятся компактней, легче, надежней, дешевле; снижается их энергопотребление.

Отдельно следует заметить, что микроконтроллеры находят все большее применение в робототехнике, а именно в системах управления роботами, как самыми простыми, так и довольно сложными.

Основные возможности микроконтроллеров

Микроконтроллеры способны принимать сигналы, например с различных датчиков, кнопок или клавиатуры, обрабатывать их и выдавать управляющие сигналы, например для отображения информации на семисегментных индикаторах или жидкокристаллических дисплеях.

С помощью МК можно формировать очень точные временные интервалы благодаря наличию встроенных таймеров-счетчиков. Это позволяет создавать часы, таймеры, секундомеры и прочие устройства, где необходимо учитывать отрезки времени.

Также МК применяются для подсчета импульсов, что дает возможность сосчитать количество срабатываний какого-либо устройства. Например, можно подсчитать количество срабатываний реле с целью контроля или автоматизации определенного процесса.

Если подсчитать количество импульсов за единицу времени, то мы получим частотомер.

Наличие встроенного устройства широтно-импульсной модуляции (ШИМ) позволяет управлять частотой вращения вала двигателя.

Многие микроконтроллеры имеют в своем кристалле аналогово-цифровые преобразователи, с помощью которых можно создавать различные измерительные устройства, такие как вольтметры, амперметры, омметры, измерители емкости и т. п.

Еще микроконтроллеры могут обмениваться данными между компьютером и другим МК. Для этого практически в любом МК имеется встроенный один или несколько интерфейсов передачи данных: USART, SPI, CAN, USB и др.

Также в МК встроены и другие функциональные узлы, такие как различные прерывания, сторожевые таймеры и прочее другое. Однако я надеюсь, что даже перечисленных функций и возможностей микроконтроллеров вас заинтересует и вдохновит на их дальнейшее изучение.

В чем отличие микроконтроллера от микропроцессора?

Часто микроконтроллер называют микропроцессором, однако, это не совсем так. Микропроцессор выполняет лишь ряд арифметических и логических операций. Микроконтроллер же содержит в себе микропроцессор и другие функциональные узлы, такие как порты ввода-вывода, память аналогово-цифровые преобразователи, ШИМ и прочее. В общем случае микроконтроллер является аналогом материнской платой компьютера, на которой расположены все устройства, в том числе и центральный процессор. А микропроцессор – это всего лишь отдельный элемент, обладающий высокой вычислительной мощностью.

Какой тип микроконтроллера выбрать для начального изучения?

Для того, что бы освоить программирование микроконтроллеров на достаточно хорошем уровне, сначала необходимо научится программировать какой-то один тип микроконтроллеров и изучить все его возможности. Тогда гораздо проще будет освоить и другие типы МК.

К основным критериям выбора МК относится:

— доступность, т. е. МК можно легко купить в любом радиомагазине;

— низкая стоимость. Здесь все понятно;

— наличие подробной технической документации;

— бесплатное программное обеспечение;

— наличие литературы и достаточного количества примеров по выбранному типу МК.

diodov.net

Что такое AVR микроконтроллер?

28.09.2019 14:43

AVR микроконтроллеры – это тип устройств, разработанный компанией Atmel, которые имеют определенное преимущество перед обычными микросхемами, но, сначала, давайте разберемся, что такое микроконтроллер?

Самый простой способ понять это – сравнить микроконтроллер с вашим компьютером, в котором установлена материнская плата. На этой плате стоит микропроцессор (на чипе Intel или AMD), который обеспечивает устройство вычислений, память RAM и EEPROM, и интерфейсы остальных систем, например, серийные порты (в настоящее время в основном USB), жесткие диски и графические интерфейсы. В микроконтроллере все эти возможности встроены в один чип, а это значит, что отсутствует потребность в материнской плате и многих других компонентах, например, светодиод может быть подключен напрямую к AVR. В микропроцессорах нет такой возможности!

AVR микроконтроллеры выпускаются в нескольких корпусах, некоторые предназначены для монтажа в отверстия, некоторые для поверхностного. AVR бывают 8-ми и 100-пиновыми, хотя все, что выше 64-х пинов только для монтажа в отверстия. Большинство людей начинают с DIL (Сдвоенный в линию) 28—х пинового чипа, например, ATmega328 или 40-ка пинового ATmega16 или ATmega32.

Компьютерные микропроцессоры бывают минимум 32-х битными, а теперь чаще 64-х битные. Это означает, что они могут обрабатывать данные 32-х битными или 64-х битными блоками, если они подключены к шине. AVR гораздо проще и работает с 8-ми битными блоками, пропускная ширина потока 8 бит, хотя сейчас стали появляться AVR32 с 32-х битной шиной.

На компьютере установлена операционная система (Windows или Linux), и именно в ней запускаются программы, такие, как Word, InternetExplorer или Chrome. На 8-ми битном микроконтроллере, например, на таком, как AVR обычно нет установленной операционной системы, хотя, при необходимости, она может быть установлена. Вместо этого реализована возможность запуска одной программы.

Также, как и ваш компьютер, который будет бесполезным, если на нем не установлена ни одна программа, также, и AVR требует установки программ. Программа хранится во встроенной памяти AVR, а не на внешнем жестком диске, как на компьютере. Загрузка этой программы вAVR происходит при помощи программатора AVR, обычно, когда AVR является частью системы, и программируется разработчиком или системным программистом.

Так что же это за программа? Она состоит из серии инструкций, очень простых, и направленных на обработку данных. В большинстве приложений, которые вы будете использовать с AVR, например, в контроллере промышленного оборудования, необходимо, чтобы считывалась информация со входов, проводилась проверка состояния и, соответственно, происходило переключение на выходы. Иногда вам нужно менять данные, управлять ими, или передавать их на другое устройство, например, на ЖК дисплей или на серийный порт. Чтобы выполнять эти простые задачи, используется серия простых бинарных инструкций, каждая из которых соответствует команде на ассемблере, понятной пользователю. Самый простой способ написать программу для AVR – использовать ассемблер (хотя, если хотите оставаться педантичным, можете записывать двоичные числа).

Использование ассемблера позволяет вам понять больше о том, как действует AVR, и как это все соединено воедино. Также, это дает возможность использовать очень маленький и быстрый код. Недостаток в том, что вы, как программист, должны делать все сами, включая управление памятью и структурой программ, что может быть очень утомительно.

Чтобы этого избежать, для написания программ для AVR были использованы языки программирования более высокого уровня, основным считается Cи, а также, можно использовать Basic и Java. Высокий уровень означает, что каждая строка Cи (или Basic, или Java) кода может переводиться в множество строк ассемблера. Компилятор также разбирается со структурой программы и управлением памятью, так что все становится гораздо проще. Наиболее часто используемые процессы, например, задержки или вычисления, могут храниться в библиотеках, и доступ к ним очень простой.

Мне кажется, что написание программ на Си для AVR сравнимо с управлением автомобилем. Да, вы очень легко можете это делать, но, если что-то идет не так, то вы понятия не имеете, как быть, и как справиться со сложной ситуацией, например, со скользкой дорогой. Написание простейших программ на ассемблере дает вам понять, что происходит «под капотом», как это работает, и что с этим можно сделать. Потом вы переходите на Си, но, к этому моменту, вы уже знаете, как функционирует AVR, и знаете его ограничения.

Также, как у вашей программы есть в памяти код, также у AVR есть вторая память, которая называется EEPROM, где вы можете хранить данные, например, серийные номера, данные калибровок и другую, необходимую под рукой, информацию. Доступ туда осуществляется по инструкциям в вашей программе.

У AVR также есть I/O, которое используется, чтобы контролировать аппаратные средства микроконтроллера. К аппаратным средствам относятся порты, АЦП (ADC), коммуникационные интерфейсы, например, I2C (2—х проводной интерфейс), SPI и UART (серийный порт), таймеры и система watchdog, которая восстанавливает систему после сбоя. Все эти периферийные устройства контролируется из-под программы, используя специальные инструкции. Большая часть кода программирования AVR посвящена тому, как устанавливать и контролировать эти аппаратные интерфейсы.

Время выполнения запроса: 0,00404500961304 секунд.

prom-electric.ru

AVR. Учебный Курс. Вводная. Что такое микроконтроллер.

Микроконтроллер это, можно сказать, маленький компьютер. Который имеет свой центральный процессор (регистры, блок управление и арифметическо-логическое устройство), память, а также разную периферию, вроде портов ввода вывода, таймеров, контроллеров прерываний, генераторов разных импульсов и даже аналоговых преобразователей. Всего не перечислишь. Как нельзя перечислить все применения микроконтроллеров.

Но, если сильно все упростить, то основной функцией микроконтроллера является «дрыганье ножками». Т.е. у него есть несколько выводов (от 6 до нескольких десятков в зависимости от модели) и на этих выводах он может выставить либо 1 (высокий уровень напряжения, например +5вольт), либо 0 (низкий уровень напряжения, около 0.1 вольта) в зависимости от программного алгоритма зашитого в его память. Также микроконтроллер может определять состояние сигнала на своих ножках (для этого они должны быть настроены на вход) — высокое там напряжение или низкое (ноль или единица). Современные микроконтроллеры также почти поголовно имеют на борту Аналогово Цифровой Преобразователь — это штука подобная вольтметру, позволяет не просто отследить 0 или 1 на входе, а полноценно замерить напряжение от 0 до опорного (обычно опорное равно напряжению питания) и представить его в виде числа от 0 до 1024 (или 255, в зависимости от разрядности АЦП)

Из него можно сделать и умный дом, и мозги для домашнего робота, систему интеллектуального управления аквариумом или просто красивое светодиодное табло с бегущим текстом. Среди электронных компонентов МК это один из самых универсальных устройств. Я, например, при разработке очередного устройства предпочитаю не заморачиваться на различного рода схемотехнические извраты, а подключить все входы и выходы к микроконтроллеру, а всю логику работы сделать программно. Резко экономит и время и деньги, а значит деньги в квадрате.

Микроконтроллеров существует очень и очень много. Практически каждая уважающая себя фирма по производству радиокомпонентов выпускает свой собственный контроллер. Однако и в этом многообразии есть порядок. МК делятся на семейства, все их я не перечислю, но опишу лишь самые основные восьмиразрядные семейства. MSC-51 Самое обширное и развитое это MSC-51, старейшее из всех, идущее от intel 8051 и ныне выпускаемое массой фирм. Иногда кратко зовется С51. Это 8-ми разрядная архитектура, отличается от большинства других восьмиразрядников тем, что это CISC архитектура. Т.е. одной командой порой можно совершить довольно сложное действие, но команды выполняются за большое число тактов (обычно за 12 или 24 такта, в зависимости от типа команды), имеют разную длину и их много, на все случаи жизни. Среди контроллеров архитектуры MSC-51 встречаются как динозавры вроде AT89C51, имеющие минимум периферии, крошечную память и неважнецкое быстродействие, так и монстры вроде продукции Silicon Laboratories имеющие на борту весьма мясистый фарш из разнокалиберной периферии, огромные закрома оперативной и постоянной памяти, мощные интерфейсы от простого UART‘a до USB и CAN, а также зверски быстрое ядро, выдающее до 100 миллионов операций в секунду. Что касается лично меня, то я обожаю архитектуру С51 за ее чертовски приятный ассемблер на котором просто кайфово писать. Под эту архитектуру уже написаны гигабайты кода, созданы все мыслимые и немыслимые алгоритмы.

Atmel AVR Вторым моим любимым семейством является AVR от компании Atmel. Вообще Atmel производит и MSC-51 контроллеры, но все же основной упор они делают на AVR. Эти контроллеры уже имеют 8-ми разрядную RISC архитектуру и выполняют одну команду за один такт, но в отличии от классического RISC ядра имеют весьма развесистую систему команд, впрочем не такую удобную как у С51, за что я их недолюбливаю. Но зато AVR всегда снаряжены как на войну и просто напичканы разной периферией, особенно контроллеры подсемейства ATMega. А еще их очень легко прошивать, для этого не нужны ни специализированные программаторы, ни какое либо другое сложное обрудование. Достаточно лишь пяти проводков и компьютера с LPT портом. Простота освоения позволила этому контроллеру прочно запасть в сердца многих и многих радиолюбителей по всему миру.

Microchip PIC. Еще один 8-ми разрядный RISC микроконтроллер, отличается весьма извратской системой команд, состоящей всего из пары десятков команд. Каждая команда выполняется за четыре такта. есть ряд достоинств, в первую очередь это низкое энергопотребление, и быстрый старт. В среднем PIC контроллере нет такого количества периферии как в AVR, но зато самих модификаций PIC контроллеров существует такое количество, что всегда можно подобрать себе кристалл с периферией подходящей точно под задачу, не больше не меньше. На PIC‘ax традиционно построены бортовые компьютеры автомобилей, а также многочисленные бытовые сигнализации.

Какое же семейство выбрать? О, это сложный вопрос. На многочисленных форумах и конференциях по сей день идут ожесточенные бои на тему какое семейство лучше, фанаты AVR грызутся с приверженцами MSC-51, попутно не забывая пинать по почкам PIC‘овцев, на что те отвечают тем же.

Ситуация тут как в Starcraft :) Кто круче? Люди? Зерги? Протоссы? Все дело в применении, масштабах задач и массе других параметров. У каждого семейства есть свои достоинства и недостатки. Но лично я бы выбрал AVR и вот по каким причинам:

  • 1. Доступность в России. Эти контроллеры заслуженно популярны и любимы народом, а значит наши торговцы их охотно возят. Впрочем, как и PIC. С MSC-51 ситуация хуже. Морально устаревшие AT89C51 достать не проблема, но кому они нужны? А вот современные силабы это уже эксклюзив.
  • 2. Низкая цена. Вообще низкой ценой в мире славится PIC, но вот ирония — халявы начинаются только если брать его вагонами. На деле же, на реальном прилавке, AVR будет процентов на 30-40 дешевле чем PIC при несколько большем функционале. С MSC-51 ситуация ясна еще по первому пункту. Эксклюзив это не только редко, но и дорого.
  • 3. Очень много периферии сразу. Для серийного устройства это скорей недостаток. Куда лучше иметь только то, что надо в текущей задаче, а остальное чтобы не мешалось и не кушало зря энергию. Этим славится PIC со своим развесистым модельным рядом, где можно найти контроллер в котором будет нужное и не будет ненужного. Но мы то собираемся изучать и делать для себя! Так что нам лучше чтобы все, сразу и про запас. И вот тут AVR на голову выше чем PIC, выкатывая раз за разом все более фаршированные контроллеры. Купил себе какую-нибудь AtMega16A и все, можешь все семейство изучить.
  • 4. Единое ядро. Дело в том, что у всех современных AVR одинаковое ядро с единой системой команд. Есть лишь некоторые различия на уровне периферии (и те незначительные). Т.е. код из какой нибудь крошечной ATTiny13 легко копипастом перетаскивается в ATMega64 и работает почти без переделок. И почти без ограничений наоборот. Правда у старых моделей AVR (всякие AT90S1200) совместимость сверху вниз ограниченная — у них чуть меньше система команд. Но вот вверх на ура. У Микрочипа же существует целая куча семейств. PIC12/16/18 с разной системой команд. 12е семейство это обычно мелочь малоногая (вроде Tiny в AVR), а 18 это уже более серьезные контроллеры (аналог Mega AVR) И если код с 12го можно перетащить на 18, то обратно фиг.
  • 5. Обширная система команд контроллеров AVR. У AVR около 130 команд, а у Microchip PIC всего 35. Казалось бы PIC в выйгрыше — меньше команд, проще изучить. Ну да, именно так и звучит микрочиповский слоган, что то вроде «Всего 35 команд!». Только это на самом деле фигня. Ведь что такое команда процессора? Это инструмент! Вот представь себе два калькулятора — обычный, бухгалтерский и инженерный. Бухгалтерский куда проще изучить чем инженерный. Но вот попробуй посчитать на нем синус? Или логарифм? Нет, можно, не спорю, но сколько нажатий кнопок и промежуточных вычислений это займет? То то же! Куда удобней работать когда у тебя под рукой куча разных действий. Поэтому, чем больше система команд тем лучше.
  • 6. Наличие бесплатных кроссплатформенных компиляторов Си. Конечно, кряк всегда найти можно. Где где, а в нашей стране это проблемой никогда не было. Но зачем что то воровать если есть халявное? ;)
  • 7. Ну и последний аргумент, обычно самый весомый. Наличие того, кто бы научил и подсказал. Помог советом и направил на путь истинный. Я выбрал для себя AVR и на этом сайте (по крайней мере пока) досконально будет разбираться именно это семейство, а значит выбора у тебя особого нет :))))))

Ой, но этих же AVR целая прорва. Какой взять??? Интересный вопрос. Вообще МК лучше выбирать под задачу. Но для изучения лучше хапнуть что то фаршированное.

Для начала разберем маркировку, чтобы ты по прайсу сразу мог понять что за зверь перед тобой. Вот тебе пример

ATmega16А — 16PI

  • AT — сделано в Atmel
  • Mega — вид семейства. Существует еще Tiny и Xmega (новая — фаршу жуть, полный вертолет). Вообще задумывалось, что Тини это, вроде как, малобюджетное с малым количеством фарша и вообще ущербная, а Мега наоборот — все и сразу. В реальности, разница между семействами Тини и Мега по фаршу сейчас минимальная, но в Тини меньше памяти и корпуса у нее бывают с числом выводов от 6 до 20.
  • 16 — количество памяти флеша в килобайтах. Вообще тут не все так просто. Числом памяти является степень двойки. Так что Mega162 это не контроллер со 162КБ флеша, а своеобразная Мега16 модификации2 с памятью 16кб. Или вот Мега88 — не 88кб, а 8кб флеша, а вторая 8 это вроде как намек на то, что это дальнейшее развитие Мега8. Аналогично и Мега48 или Мега168. Тоже самое и семейством Тини. Например, Тини2313 — 2килобайта флеша. А что такое 313? А хрен знает что они имели ввиду :) Или Тини12 — 1кб Флеша. В общем, фишку просек.
  • А — префикс энергопотребления (обычно). Этой буквы может и не быть, но в новых сериях она присутствует почти везде. Например, V и L серии — низковольтные, могут работать от 2,7 вольт. Правда за низковольтность приходится платить меньше частотой. Но оверклокинг возможен и тут, ничто человеческое нам не чуждо :) A и P имеют новые серии AVR с технологией PicoPower т.е. ультраэкономичные. Разницы по фаршу и внутренней структуре с их безиндексовыми моделями нет, тут все различие в работе всяких спящих режимов и энергопотреблении. Т.е. Mega16A легко меняется на Mega16 без А. И ничего больше менять не нужно.
  • 16 — Предельная тактовая частота в мегагерцах. В реальности можно разогнать и до 20 ;)
  • P — тип корпуса. Важная особенность. Дело в том, что далеко не всякий корпус можно запаять в домашних условиях без геморроя. Рекомендую пока обратить внимание на P — DIP корпус. Это громоздкий монстр, но его легко запаять, а, главное, он легко втыкается в специальную панельку и вынимается из нее обратно. Корпуса вида SOIC (индекс S) или TQFP (индекс A) пока лучше отложи в сторонку. Без хорошего опыта пайки и умения вытравить качественную печатную плату к ним лучше не соваться.
  • I — Тип лужения выводов. I — свинцовый припой. U — безсцвиновый. Для тебя никакой совершенно разницы. Бери тот что дешевле.

Рекоменую следующие модели:

  • ATMega16A-16PU — недорогой (около 100-150р), много выводов, много периферии. Доступен в разных корпусах. Прост, под него заточен мой учебный курс и все дальнейшие примеры.
  • ATTiny2313-20SU — идеальный вариант для изготовления всяких часов/будильников и прочей мелкой домашней автоматики. Дешев (рублей 40), компактен. Из минусов — нет АЦП.
  • ATmega48/88/168 любой из этих контроллеров. Компактен (в корпусе tqfp является самым тонким и мелким из AVR), дешев (рублей 100-150), фарширован донельзя.
  • ATmega128 для искушенных. Большой, мощный, дофига памяти. Дорогой (около 400р)

easyelectronics.ru

Микроконтроллер для начинающих или хочу всё знать

Ардуино – популярнейший микроконтроллер на сегодняшний день, с которым знаком каждый инженер, а большая часть даже вплотную работала. Вся прелесть его заключается в том, что ПО под свои проекты нет необходимости писать с нуля, ведь изначально в МК загружены пресеты, которые вы можете применять по необходимости.

В большинстве случаев достаточно даже просто скачать уже готовую библиотеку, которую можно найти в свободном доступе на нашем сайте. Но те, кто ещё не встречался с данным устройством, могут недоумевать во многих нюансах его использования. Давайте же приоткроем ширму тайны и разберём микроконтроллеры для начинающих.

История появления

Начиналась вся эта эра микроконтроллеров, которые мы сегодня используем во всех видах техники, с микро-ЭВМ или Электро-Вычислительных-Машин. Они, по сути, и были первыми контроллерами, что традиционно означает – управляющее устройство, но строились на платформе одного кристалла.

Впервые данное изобретение было запатентовано в 1971 году М. Кочреным, который разместил на одном кристалле сразу и процессор, и память с возможностью ввода-вывода обрабатываемой информации.

На сегодняшний день простейшим примером МК будет процессор, который установлен у каждого из вас в ноутбуке или ПК. Там есть некоторые нюансы в терминологии, но по своей сущности он является именно микроконтроллером.

Назначение и область применения микроконтроллера

Но давайте разберёмся, чем smd микроконтроллеры 14 pin отличаются от 12 пиновых и как применять микроконтроллеры для чайников.

Для начала стоит обозначить, что область применения МК – гигантская, каждый современный автомобиль, холодильник и любой электрический прибор, если не учитывать различные адаптеры и модули, содержат в себе тот самый однокристальный (чаще поликристальный) чип. Ведь без него было бы невозможно, в принципе, контролировать приборы и каким-либо образом ими манипулировать.

А назначение устройства выплывает напрямую из терминологии, описанной выше, ведь любой МК, по своей сути, – маленький процессор, обрабатывающий команды, способный принимать и передавать данные, а в исключительных случаях, даже сохранять их в постоянной памяти.

Соответственно, прямое назначение такого устройства – контроль всего, что происходит на его платформе, например, в вашем ПК процессор является сердцем и ядром системы, ведь любой код компилируется в двоичный, дабы уже МК мог обрабатывать данные и выводить результаты.

Без этого ни одно приложение бы не запустилось. Но это лишь конкретная область применения, на деле, с помощью Ардуино и похожих систем, можно контролировать любые переменные, включая свет по хлопку или раздвигание штор при изменении освещения на улице. Вот и выходит, что назначение МК – это контроль любых переменных и изменение системы под их состояние, возможно, с последующим выводом промежуточных данных, для проверки работоспособности.

Но давайте разберёмся, почему любая разработка ПО для микроконтроллеров с помощью специальных сред в итоге компилирует (превращает) код в двоичный, и зачем это нужно?

Принцип работы

В предыдущих пунктах мы оперировали абстрактными понятиями, теперь пришло время перейти к реальным и практическим примерам. Принцип работы любого, даже самого сложного контроллера, сводится к следующему алгоритму:

  1. Он принимает определённые переменные или другие данные, которые прежде должны быть преобразованы в двоичный сигнал. Это необходимо, поскольку на низшем уровне система способна воспринимать лишь 2 состояния – есть сигнал или нет сигнала. Такой принцип называют аналоговым. Существует аналогичный алгоритм, когда сигнал присутствует постоянно, но меняется по частоте – цифровой. У них множество различий, как в областях применения, так и в особенностях работы сигнала, но суть одна – процессор способен воспринимать лишь значения 0 и 1, или true и false, и не важно, какими путями микропроцессоры и микроконтроллеры будут их считывать.
  2. Во внутренней памяти устройства хранится набор специальных инструкций, который позволяет, путем базовых математических преобразований, выполнять какие-то действия с полученными данными. Именно эти базовые операнды и берутся на вооружение компилируемых языков программирования, когда необходимо написать библиотеку готовых функций. Остальные нюансы языков программирования – это уже синтаксис и теория алгоритмов. Но в результате, всё сводится к базовым операндам, которые превращаются в двоичный код и обрабатываются внутренней системой процессора.
  3. Всё, что было получено и сохранено после обработки, выдается на выход. На самом деле, данный пункт выполняется всегда, единственная разница, что выходом может быть и преобразование состояния объекта какой-то системы. Простейшим примером станет замыкание электрической цепи, в случае, если на специальный датчик подать ток, вследствие чего загорится лампочка. Здесь всё зависит от типа устройства, так, 8051 микроконтроллер может выполнять несколько видов выводов, имея 14 пинов, а какой-то другой – всего один, ведь у него 1 пин на выход. Количество выходов влияет на многопоточные свойства девайса, иными словами, возможность выводить информацию сразу на несколько устройств или совершать несколько действий одновременно.

В целом, любой моно или поликристальный блок работает по этому алгоритму, разница лишь в том, что второй – способен параллельно выполнять несколько расчетов, а первый имеет конкретный список действий, который должен выполнить последовательно.

Это напрямую влияет на скорость работы устройств, и именно из-за этой характеристики 2-ух ядерные девайсы мощнее, чем 1-ядерные, но имеющие большую герцовку (способность выполнять большее количество преобразований за единицу времени).

Но почему микроконтроллер овен не способен выполнять некоторые действия, характерные для 8051, и какая классификация вообще существует в данной сфере?

Виды микроконтроллеров

На самом деле, в отличие от вспомогательных девайсов, у микроконтроллеров нет какой-то стандартизированной классификации, из-за чего их виды, зачастую, разделяют по следующим параметрам:

  1. Количеству аналоговых и цифровых пинов.
  2. Общему количеству пинов.
  3. Количеству ядер, которые присутствуют в МК.
  4. Скорости выполнения операций или герцовке.
  5. Объему оперативной и постоянной внутренней памяти.
  6. Размерам.

В зависимости от изменения тех или иных параметров, можно рассчитать подключение нагрузки к микроконтроллеру и подобрать устройство, идеально подходящее к вашему конкретному проекту, как по характеристикам, так и по функционалу.

Особенности микроконтроллеров Ардуино

Но всё же у большинства, при упоминании МК, в памяти всплывает название «Ардуино», и это не удивительно. Ведь у данной разновидности поликристальных чипов есть характерные особенности, выгодно выделяющие ее на фоне конкурентов:

  1. Низкий порог входа. Так как программная среда уже написана и протестирована за вас, никаких «велосипедов» придумывать не нужно.
  2. Оптимизация под конкретные задачи. У создателей есть целая линейка разнообразных чипов, которые сильно различаются по характеристикам, благодаря чему будет проще подобрать подходящий.
  3. Готовая платформа и множество решений различных проблем или задач в открытом доступе.

Подключение и управление

Подключаются чипы через специальные разъемы, называемые пинами. Те, в свою очередь, распределяются на:

  1. Отвечающие за питание. Стандартное сочетание из нуля, фазы и заземления. Последнее чаще всего игнорируют.
  2. Отвечающие за ввод данных.
  3. Отвечающие за вывод данных. Их можно разделить на аналоговые и цифровые, о главном различии уже упоминалось выше, и каждый из выходов имеет свои достоинства и недостатки.

С помощью всех этих «ножек» и происходит управление системой, а их необходимое количество напрямую зависит от поставленной задачи.

Микроконтроллеры для начинающих

Лучшим примером МК для начинающих инженеров станет именно плата Ардуино, по уже упомянутым причинам. В ней вы сможете быстро разобраться, благодаря низкому порогу входа, но также, по желанию, изучить различные интересные паттерны проектирования и решения задач.

Всё это позволит новичку развиться, познакомиться ближе с миром радиотехники, а возможно, и программирования, что в дальнейшем станет хорошей базой для изучения более сложных вещей и воплощения в жизнь крупных проектов. Поэтому другой, более подходящей платформы для начинающих, – не найти.

Пример применения микроконтроллера Ардуино

Выбирая свой первый проект, вы, скорее всего, самостоятельно просмотрите немало разнообразных примеров применения Ардуино, но мы же можем привести наиболее популярные:

  1. Системы смарт-хауса. Это различные умные переключатели, занавески, вентиляторы и разнообразные сигнализации. Они позволяют сделать ваше взаимодействие с жильем более интерактивным.
  2. Автоматические теплицы.
  3. Разнообразные датчики, вплоть до специального ошейника для домашнего любимца, показывающего его местоположение и пульс.

В целом же, в вопросе применения вы ограничиваетесь лишь собственной фантазией!

Производители микроконтроллеров

А вот производителей данных устройств – тысячи, и здесь вам стоит самостоятельно окунуться в данный вопрос. Ведь, в зависимости от ваших целей и навыков, список подходящих производителей может как расширяться, так и сужаться. Основными на данный момент являются:

  • Arduino
  • Orange Pi
  • Raspberry Pi
  • Wemos

Главное, не забывайте читать отзывы об устройствах и заранее прочесывать наш сайт в поисках готовых решений проблем.

arduinoplus.ru

Микроконтроллеры

Данная статья является обзорной, более подробную информацию по всем разделам можно найти в datasheet на конкретный микроконтроллер (далее МК). Основная цель этой статьи дать общее представление об основных модулях микроконтроллера, ответить на вопрос «Какие параметры МК являются ключевыми при выборе МК под проект?».

Мы будем осваивать все возможности МК сразу на приборах, начиная с простых и постепенно переходя к более сложным схемам. В каждом приборе мы будем подробно разбирать программу, и вы научитесь работать с МК на практике, сразу наблюдая результат своей работы. Также во всех приборах оставлено место для самостоятельной работы. Такой подход более продуктивный и интересный, чем работать с отладочной платой (например, Arduino или STM Discovery board). В этой статье мы не будем подробно рассматривать программирование МК (программированию посвящена отдельная статья Приемы программирования микроконтроллеров). Вам важно только запомнить название и назначение каждого модуля, его возможности и основные параметры. Статья является общей для всех видов МК, и не нацелена на какого то одного производителя.

Что такое микроконтроллер

Вы скорее всего хорошо представляете как устроен персональный компьютер. Рассмотрим его основные компоненты:

Микропроцессор (в англоязычной литературе MPU — Micro Processor Unit) содержит функционал компьютерного центрального процессора, или ЦП (CPU — Central Processing Unit) на одном полупроводниковом кристалле (ИМС — интегральная микросхема или на западный манер — Integrated Circuit). Он обрабатывает данные, поступающие с входных периферийных устройств и передаёт обработанные данные на выходные периферийные устройства.

В этой системе микропроцессор имеет множество вспомогательных устройств , таких как постоянное запоминающее устройство, оперативная память, последовательный интерфейс, таймер, порты ввода/вывода и т.д. Все эти устройства обмениваются командами и данными с микропроцессором через системную шину. Все вспомогательные устройства в микропроцессорной системе являются внешними. Системная шина, в свою очередь, состоит из адресной шины, шины данных и шины управления.

Разработать и сделать какое-либо устройство на современном микропроцессоре довольно сложно. В домашних условиях нереально. Шина данных, адресная шина требует много выводов. Их количество у микропроцессора в настоящее время доходит до 1000 выводов. Чтобы развести такое количество ножек нужна как минимум 6-ти слойная плата, а также необходимо использовать микропереходные отверстия — диаметром 0.1 мм. Ну и конечно такая система будет стоить не дёшево.

Микроконтроллер был специально изобретён, чтобы иметь возможность использоваться в самых маленьких устройствах. Это было сделано за счёт объединения в одной микросхеме всех элементов компьютера. Рассмотрим это на схеме:

Все вспомогательные устройства, такие как постоянное запоминающее устройство, оперативная память, таймер, последовательный интерфейс, порты ввода/вывода являются встроенными. Поэтому не возникает необходимости создавать интерфейсы с этими вспомогательными устройствами, и это экономит много времени для разработчика системы.

На текущий момент выпущено очень много различных микроконтроллеров — нижняя граница стоимости начинается с 20 рублей за штуку! Чтобы использовать микроконтроллер практически не нужны дополнительные компоненты (несколько конденсаторов, и если необходимо кварц). Подал питание — и все работает.

Как устроен любой микроконтроллер, основные модули

Практически все микроконтроллеры имеют следующие основные модули:

  • CORE (ядро) — основной вычислительный модуль

  • Memory (память)

    • Flash memory (ПЗУ) — память для хранения программы

    • RAM (ОЗУ) — оперативная память для проведения вычислений

    • EEPROM (ПЗУ) — память для хранения данных

  • Clock and Supply management — модуль управления частотой работы микроконтроллера и питанием

  • Interrupt manager - менеджер управления прерываниями

  • Timers — различные таймеры для генерации ШИМ, управления сном и т. д.

  • Comunications interfaces — периферия для связи с другими микросхемами

  • ADC (analog to digital converter) — аналого-цифровой преобразователь

  • DAC (digital to analog converter) — цифро-аналоговый преобразователь

  • DMA (direct memory access) — прямой доступ к памяти, без использования процессора

  • GPIO (generak port input output) — порты ввода вывода — управление «ножками»

  • Development support — модуль разработчика — интерфейс программирования и отладки микроконтроллера

Рассмотрим более подробно зачем нужен каждый модуль и какими возможностями он обладает.

Core and memory

Процессорное ядро - это основной модуль любого микроконтроллера (далее МК). Ядро определяет производительность процессора, разрядность регистров, управляет различными режимами работы МК.

Мы планируем программировать обычные микроконтроллеры (не DSP) на высокоуровневом языке программировать СИ, и в связи с этим, нам не важно какое ядро мы имеем, как оно работает внутри. Всю работу с ядром за нас делаем компилятор СИ. Именно он преобразует наши команды на языке программирования в машинный код. Какие же параметры ядра являются ключевыми для выбора микроконтроллера, и как они могут влиять на его работу?

Максимальная частота работы ядра

Для работы любого процессора необходима задающая частота — сигнал, который меняет напряжение с 0 (0 вольт) на логическую 1 (рабочее напряжение ядра). Именно в момент смены напряжения и происходят все вычисления. Момент изменения сигнала называется такт работы ядра МК, а количество тактов в секунду и есть частота работы ядра (измеряется в герцах). Можно грубо сказать, что данная частота определяет сколько простейших однотактных инструкций может выполнить микроконтроллер за 1 секунду. Например, 24Мгц — 24 миллиона инструкций в секунду. Здесь важно понимать, что речь идёт не об одной строчке кода на языке Си или операции деления, а об одной машинной операции. Все микроконтроллеры и микропроцессоры, в очень упрощённом варианте, работают примерно одинаково:

  • ядро имеет набор регистров — очень быстрых ячеек памяти определённой разрядности в битах — например, 8бит, 16бит, 32бит

  • любая программа - это последовательный набор машинных команд, которые записаны и хранятся в определённой области памяти МК (обычно FLASH памяти)

  • в процессе работы, МК загружает машинные команды из памяти на конвейер (более быстрая память) и выполняет их последовательно

  • каждая машинная команда в качестве операндов берет данные из внутренних регистров, то есть, чтобы сложить 2 числа, надо сначала их записать в разные регистры, а потом выполнить команду сложения (ADD).

Из этого описания становится понятно, что для того чтобы выполнить реальную строчку кода на СИ бывает необходимо выполнить несколько сотен машинных команд. В datasheet на МК обычно есть отдельный раздел посвящённый описанию сколько тактов занимает выполнение команд на Ассемблере, на СИ обычно эти данные не приводятся, так как очень сильно зависят от компилятора. Несмотря на такую сложность, максимальную частоту ядра все же можно считать некоторым показателем производительности ядра (Более общепризнанная единица производительности процессоров — MIPS, однако она тоже не является реальной мерой производительности). На текущий момент есть микроконтроллеры работающие на частоте 200МГц, в простых же задачах хватает и 1 МГц.

Как выбирать частоту микроконтроллера под проект? Самый простой ответ — чем больше тем лучше, однако с частотой растёт цена и энергопотребление процессора. Основной критерий выбора частоты - это необходимая частота обработки данных и сложность алгоритма их обработки. Например, если мы строим метеостанцию и будем опрашивать датчик раз в секунду, то скорее всего нам хватит 1МГц. А вот если мы делаем квадрокоптер и пересчитываем все его параметры по очень сложным алгоритмам 1000 раз в секунду, то необходимо около 100Мгц и более. Для обработки видео HD качества нужен уже процессор с частотой 1Ггц (микроконтроллер с этим не справится). Обычно этот параметр устанавливается опытным путём и берётся с запасом, чтобы была возможность поменять частоту в процессе работы и подобрать оптимальный режим загрузки МК и энергопотребления. Частоту можно программно сделать меньше максимальной. Для почти всех наших проектов частоты в 16Мгц более чем достаточно. На текущий момент практически все МК могут работать на такой частоте.

Разрядность регистров

Вы, наверное, уже слышали или читали, что например STM8 — 8-ми битный МК, а вот STM32 — 32-х битный МК. Тут как раз и идёт речь о разрядности центральных регистров МК. Разрядность регистров определяет сколько бит в одном регистре, а это в свою очередь говорит о том, сколько данных за один такт может участвовать в машинной команде. Чем больше разрядность МК, тем быстрее выполняется код для больших чисел, но тем меньше плотность машинного кода самой программы во Flash памяти МК. Что это значит?

Представим себе простую задачу, надо сложить два числа 10 и 5. Если перевести их в двоичную систему, то это будет 0b1010 и 0b101, то есть 4-х битное число и 3-х битное — результат будет не больше 5 бит. Соответственно, если у нас МК 8-ми битный, то все операнды помещаются в 8-ми битный регистр, и для сложения таких чисел будет одинаково затрачено тактов на любом МК с разрядностью больше 8-ми бит. Но вот если нам надо сложить два больших числа, например, 10 000 и 10, это уже займёт 14 бит, и на МК с разрядностью 8 бит будет выполняться за большее число тактов, будет необходим целый алгоритм (чтобы привести каждое число к 8-ми битам), а на 32-битном МК — за то же самое число тактов. Вы можете самостоятельно это все увидеть в любой среде программирования, которая показывает итоговый код на ассемблере. Таким образом, чем больше разрядность — тем быстрее можно оперировать большими числами. Однако, есть и обратная сторона медали, плотность кода. Для самой простой программы, записать 0 во внутренний регистр, надо потратить 2-е команды (2 байта) на 8‑ми битном МК и 2-е команды (8 байт) на 32-ух битном, так как все команды данные и команды имеют разрядность 32бита. Конечно, производители МК с этим борются, вводят дополнительные наборы команд меньшей разрядности и т. д.

Таким образом, разрядность показатель производительности и стоимости МК. Чем она выше, чем больше памяти имеет МК, тем больше возможностей у вас будет, но тем он и дороже. Для простых проектов более чем достаточно 8-битных МК (хотя по цене сейчас разрыв существенно снизился). Также, восьми битные микроконтроллеры имеют много других преимуществ — энергопотребление, более быстрая обработка прерываний, широкий набор периферии, очень большой выбор корпусов и самих микроконтроллеров. Все это надо учитывать при выборе МК под проект.

Архитектура ядра ARM

Когда появились первые микроконтроллеры, каждая компания изобретала свой МК, со своими протоколами отладки и ядром. Но эта ситуация в корне изменилась с приходом на рынок компании ARM Limited. Данная компания осуществила переворот в мире микроконтроллеров. Бизнесом компании ARM всегда была продажа лицензий на производство ядер и сопутствующих элементов полупроводниковым компаниям, которые уже в свою очередь создавали микропроцессоры и микроконтроллеры на их основе. То есть, сама ARM не делала микроконтроллеры, но она разрабатывала ядра для них! В итоге, на текущий момент, очень большое количество разнообразных 32-х и 64-х битных микроконтроллеров, различных производителей работают на одном ядре — ARM!

Общее ядро даёт общие механизмы работы с памятью, отладкой, программированием, механизмом прерываний и другим свойствами ядра. Производители микроконтроллеров сосредоточились на периферийных модулях. Равные конкурентные возможности сказались не цене микроконтроллеров. В настоящее время, нижние ряды 32-х битных микроконтроллеров ARM по стоимости почти равны нижнему ряду восьми битных микроконтроллеров. Также, это позволяет, например, использовать программатор ST-Link, или другие универсальные программаторы, для программирования большинства микроконтроллеров ARM, что расширяет круг выбора процессоров для проекта. Результатом работы ARM можно считать и наличие единых сред разработки для ARM микроконтроллеров — IAR, KEIL, Mbed, Eclipse и другие.

Оперативная память

Это самая быстрая память, кроме регистров, которая есть у МК. Все данные переменных хранятся в ней, правда только когда у МК есть питание. И чем больше у нас в программе переменных, массивов данных, которые нуждаются в обработке, тем больше оперативной памяти нам необходимо. Во всех МК в качестве оперативной памяти используется SRAM память, а она очень недешево стоит. Поэтому, чем больше памяти у МК, тем он дороже. Сколько памяти необходимо под проект? На этот вопрос очень трудно ответить, основной расход памяти это массивы и глобальные переменные. Любой компилятор СИ при сборке программы показывает затраченный объем памяти, поэтому программа написана, то можно посмотреть сколько необходимо памяти, но если её нет, то остаётся примерно прикинуть. Чем меньше разрядность МК, тем меньшее её обычно нужно. Например на 8-ми битных МК можно встретить 1кбайт оперативной памяти, и его хватает для простых программ. На 32битных бывает 196кбайт ОЗУ и на сложный проект её может не хватить.

Ответ все тот же — чем больше памяти у нас есть — тем дороже МК. Для простых проектов нужен минимальный объем. Чем больше у вас массивов, различных буферов под данные, тем больше нужно памяти. Работа со строками, тоже предполагает увеличенный размер памяти.

Flash память

Это специальная область памяти, которая является энергонезависимой. То есть, она сохраняется при отключении питания МК. Обычно в ней хранится программа или данные программы, которые меняются редко. Ресурс её перезаписи обычно ограничен, хоть и измеряется тысячами раз. Чем больше у нас этого вида памяти, тем более объёмную программу можно использовать в проекте. Это ваш жёсткий диск. Но опять же ограничение - это цена. При переходе на более высокую разрядность опять же объем доступной Flash растёт, но обычно та же самая программа занимает уже больше места. Например 8-ми битные МК имеют 8кб памяти, и это очень много. А 32-ух битные начинаются, как правило, с 32кб, и это не так уж много для них. На первых проектах нам будет хватать 8-ми битных МК с 8 кб на борту.

EEPROM — память данных

Это специальная область памяти, которая так же как и FLASH является энергонезависимой. Но обычно, она имеет гораздо больший ресурс перезаписи — сотни тысяч раз, она служит для хранения настроек программы, важных данных, и может перезаписываться в процессе работы программы.

Если вам нечего хранить, то можно об этом виде памяти не беспокоится. Если вы планируете хранить много данных в этом виде памяти, то её объем важен. Если данных совсем много, то необходимо использовать внешнюю память, в МК обычно этого вида памяти немного — до 10кб.

На этом мы закончим обзор параметров ядра и перейдём к другим модулям.

Как ядро взаимодействует с другими модулями

Мы познакомились с ядром микроконтроллера, кроме ядра, у МК много других модулей. Основная «сила» МК именно в широком наборе разнообразных модулей. Как же МК общается с ними? Ответ очень простой - через шину данных, ячейки памяти. Существует специальная область памяти в адресном пространстве МК, отвечающая за периферию и другие модули. Она точно так же состоит из регистров, но в данном случае - это внешние регистры, просто ячейки памяти по определенным адресам. Вот через них и производится работа с модулями.

Например, чтобы послать 1 байт данных по SPI интерфейсу необходимо записать этот байт в специальную ячейку памяти по определённому адресу, в регистр данных SPI. После этого, необходимо в другом регистре SPI установить определённый бит в 1, чтобы началась передача данных. Точно также работают все другие модули. С точки зрения нас, как разработчиков, необходимо записывать в определённый адрес памяти данные или менять биты, или считывать бит. Так, через память, производится работа с прочими модулями МК. В дальнейшем, мы будем работать с каждым модулем в реальных проектах, и подробно их изучим. Если вы собрались программировать МК, то вам просто необходимо подтянуть работу на СИ с битовыми операциями. Для экономии памяти, производители плотно набивают регистры, используя каждый бит.

Clock and power management

Это очень важный модуль. Он отвечает за энергопотребление МК и рабочую частоту ядра. В зависимости от модели МК, данный модуль может позволять менять частоту ядра прямо в процессе работы (например, МК от STM так умеют). Он позволяет задавать различные параметры спящего режима, отключать и включать ту или иную периферию для экономии энергии. Этот же модуль отвечает за работу МК от внешнего генератора частоты или внутреннего кварца. Модуль очень специфический для каждого МК, и все его параметры необходимо изучать в datasheet.

GPIO

Один из самых важных модулей МК. Остановимся на нем поподробнее.

GPIO — general port input output — порты ввода-вывода. Эта периферия отвечает за работу выводов микроконтроллера. Все выводы МК, кроме специальных (питание, GND), сгруппированы в ПОРТЫ, нумеруемые по буквам латинского алфавита PORT A PORT B PORT C. В зависимости от разрядности МК, может быть 8 выводов в одном порту, 16 или 32. За каждый порт отвечает соответствующий регистр, так, что каждый бит этого регистра отвечает за физический вывод МК. Структура регистров может отличаться у разных МК, но общее схематичное устройство выводов совпадает. Рассмотрим как оно выглядит на примере выдержки из datasheet на STM8. Вот схема одного вывода МК.

Разберём эту схему для понимания методики работы с выводами микроконтроллера. Во первых, обратим внимание на защитные диоды, как правило они есть у всех (но их может не быть). Их задача защитить вывод от отрицательного напряжения, превышения напряжения, статического напряжения и других неприятностей. К сожалению, микроконтроллеры очень маленькие, и всё внутри рассчитано на очень небольшие токи. Вы должны сразу запомнить, что выводы МК выдерживают токи не более 30 мА (точные данные смотри в datasheet), а в случае превышения напряжения больше рабочего — ещё меньше — 2 мА. Во вторых, мы видим два транзистора, которые работают в ключевом режиме, и открыт может быть только один из них. Если открыт нижний транзистор, то вывод подключается к GND, и на нем мы наблюдаем логический 0. Если открыт верхний транзистор — то к VDD, и на выводе логическая 1.

Отдельно есть транзистор, который подключает вывод к VDD через резистор (около 50кОм). Такая схема подключения называется PULL-UP. Бывает такой же вариант, но с подключением резистора к GND, тогда это называется PULL-DOWN. При таком подключении, мы имеем на выводе логическую 1, с малым током через резистор PULL-UP, пока закрыт нижний транзистор. Если же его открыть, то на выходе будет логический 0, потому что соединение к GND будет через меньшее сопротивление транзистора. Данная схема очень часто используется в схемах получения данных на выводе с кнопок или других датчиков.

Сам вывод может быть подключён к линии Analog Input - эта линия используется модулем ADC. Также, вы видите Триггер Шмитта на входе вывода. Он необходимо для того, чтобы можно было считать состояние вывода в логическом формате — 0 или 1.

Подведём итоги. Что можно получить с одного вывода МК?

  • МК может выдать (режим OUTPUT) на выводе 0 или 1, если они идут через транзисторы — то это STRONG (сильные) 0 или 1

  • МК может выдать 0 или 1 через резисторы PULL-UP-DOWN, в этом случае они называются WEAK (слабые) 0 или 1

  • МК, через триггер Шмитта, может считать (режим INPUT) логическое состояние вывода — 0 там или 1

  • МК может иметь на выводе неопределённое состояние (HIGH IMPENDANCE — Z), см. Three-state logic, когда ни один транзистор не включен.

  • Вывод может быть подключен к системе прерываний, которая позволяет геренировать прерывание при смене состояния на входе данного вывода.

Также можно заметить, что выводом можно управлять напрямую, через регистр PORTx, или выводом может управлять периферийный модуль. Например, если на вывод подключён модуль UART RX, то вывод может работать как обычный вывод или как UART RX. Это называется альтернативная функция вывода. Производители МК стараются сделать работу выводов с альтернативными функциями как можно более гибкой. Например в STM32 есть возможность подключать UART и другие модули на несколько разных выводов, что упрощает разводку плат. Для того, чтобы не запутаться с выбором альтернативных выводов, производители выпускают специальные визуальные конструкторы, где можно назначить выводы в графической среде.

Для управления выводом обычно МК имеет следующие регистры (на примере STM8):

  • ODR — output data registr — управление состояние вывода — 0 или 1 имеем на выводе

  • DDR — direction data registr — направление вывода — вход или выход.

  • CR1 CR2 — конфигурационные регистры, различные параметры выхода, PULL-UP резисторы и т.д.

  • IDR — input data registr — считывание данных состояния вывода в цифровом формате 0 или 1

Стоит отметить, что в некоторых МК, если вывод находится в OUTPUT режиме, то все равно можно считать данные на нем через IDR регистр. Это можно использовать например для общения по протоколу 1-Wire.

Что можно делать с логическим 0 или 1 на выводе? Зачем это нужно? Самое простое, что приходит в голову - можно светить светодиодом. Если собрать такую схему:

То если подать на вывод 0 — светодиод не горит, 1 — горит. Дальше мы найдём более широкое применение выводам МК.

ADC и DAC

Аналого-цифровой преобразователь АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП, DAC). Если вы знакомы с Arduino, то как раз функция AnalogRead и работает через ADC.

Основные параметры ADC

ADC очень важный периферийный модуль в МК. По своей сути, он превращает МК в цифровой вольтметр, и позволяет измерить сколько вольт у нас находится в данный момент времени на определённом выводе МК. Как правило, в МК один модуль ADC имеет несколько каналов (10-16), которые распределены по разным выводам МК, они обозначаются ADC1 ADC2 … ADC10. Также, МК может иметь несколько независимых модулей ADC (в том время как каналы являются зависимыми, сам модуль один, просто на входе стоит мультиплексор, который подключает нужный канал к модулю). Что выдаёт нам этот модуль на выходе? Как по этому значению определить сколько вольт мы имеем на выводе МК? Зачем нам надо знать сколько у нас вольт, какая от этого польза?

ADC измеряет напряжение в диапазоне от 0В до напряжения питания МК или до напряжения на специальном выводе МК — AREF — analog reference. Одним из основных параметром ADC является его разрядность, то есть максимальное количество дискретных значений, которое он может выдать на всем диапазоне входного аналогового сигнала.

Например, если разрядность ADC равна 10, напряжение питания МК равно 3В, то ADC может выдать числа от 0 до 9. Все ADC являются линейными, то есть выходное число линейно зависит от напряжения. Это значит, что одно выдаваемое деление будет соответствовать 3В/10, что составляет 0.3В. В данном примере 0.3В называется Разрешением ADC (минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным ADC).

Разрядность обычно является степенью числа 2, и о разрядности принято говорить как о количестве бит в числе представленном степенью числа 2. Например, 3-х битный ADC имеет разрядность = 8. К сожалению, все ADC имеют погрешность, и это необходимо учитывать при построении программы и выборе нужного модуля по параметрам.

Ещё одним важным параметром ADC является скорость одного измерения. Чем выше разрядность, тем ниже скорость. Обычно скорость одного измерения составляет несколько микросекунд. Как мы уже сказали выше, каналы в ADC, как правило, не являются независимыми. Это все создаёт свои проблемы при проектировании схем для работы с этим модулем. Сейчас мы не будем подробно рассматривать эти сложности. Мы вернёмся к ним, когда будет делать соответствующие приборы.

Как можно использовать ADС

Основное назначение этого модуля — преобразование сигналов с аналоговых датчиков в цифровой формат. Рассмотрим простую схему.

В данной схеме мы имеем NTC-термистр R2, который подключён к выводу МК. Вместе с резистором R1 он составляет делитель напряжения. В зависимости от изменения температуры, будет меняться его сопротивление и на выводе МК будет меняться напряжение, согласно схеме делителя. Измерив получившееся напряжение с помощью ADC, можно рассчитать сопротивление резистора R2 и по нему температуру. Таким образом, мы можем узнать температуру в градусах и оперировать ей в нашей программе. Еще одно применение ADC — считать состояние переменного резистора. Он тоже является делителем напряжения. В данном случае считанное значение позволит определить сопротивление резистора, а значит, положение его ручки. Так можно использовать резистор в приборе — регулировать громкость, скорость вращения и другие параметры в нашей программе.

К сожалению, ADC встроенные в МК обладают низким разрешением (10-16 бит) и невысокой точностью. Но даже таких ADC хватает для большого количества задач связанных с получением информации с датчиков. Когда нужно более точное измерение, используется внешний ADC. Например, для измерения температуры термопары мы будем использовать очень точный внешний 24-х битный сигма-дельта ADC.

Выбирая МК в проект, надо внимательно смотреть на параметры ADC. Сейчас есть МК и с сигма-дельта ADC на борту, правда стоят они дорого.

Назначение модуля DAC

Данный модуль встречается в МК не так часто как ADC. Основное его назначение - это генерация аналогового сигнала на выходе МК, например звука. Аналоговый сигнал можно использовать для управления другими аналоговыми участками схемы. Он обладает такими же основными параметрами — разрядность и разрешение, только все работает наоборот. Мы записываем нужную цифру в регистр DAC в программе МК, а на выводе устанавливается соответствующее этой цифре напряжение.

Timers

Без всякой скромности можно сказать, что это главный модуль МК (после ядра конечно). Таймер — это что-то связанное со временем, подумаете вы. И будете почти правы. В любой программе на МК все привязано к временным интервалам, и умение измерять время просто необходимо. С точки зрения устройства, таймер — это простой счётчик, который с каждым тактом МК (или выделенной для таймера частоты) может или расти на 1 или уменьшаться на 1. Зачем нужен этот счётчик, как этим всем воспользоваться?

Допустим частота работы МК 8МГц, значит 1 такт длится 125 наносекунд (1/8 000 000). Если в начале запуска счётчика его значение было равно 0, то когда там будет 8 000 000, то пройдёт ровно 1 секунда. Так микроконтроллер может измерять время. Таймер - это один из самых сложных модулей по возможностям настройки. Сейчас мы познакомимся лишь с общими принципами работы этого модуля.

Первый параметр таймера — это разрядность, максимальное число до которого может считать счётчик. Оно также обозначается количеством бит, которое выделено под ячейку памяти счётчика. Например, 8-ми битный таймер может считать от 0 до 256, 16-ти битный от 0 до 65536. В основном в МК вы встретите 8, 16, 32 битные таймеры. Для большей гибкости при работе с таймером производители добавили второй регистр, который называется Предделитель. Предделитель считает от заданного числа до 0, и когда достигает 0, то на 1 изменяется основное значение таймера. То есть он как бы делит частоту таймера. Таким образом, использование предделителя позволяет расширить диапазон счётчика таймера до значения РазрядностьТаймера * Предделитель. В предыдущем примере, чтобы считать секунды можно задать предделитель 8000, и тогда 1 значение счётчика таймера будет равно 1 миллисекунде, а 1000 в нашем счётчике наступит когда пройдёт 1 секунда.

Основные события при работе таймера

При работе с таймерами обычно используются прерывания. Прерывания возникают по определенным событиям. Рассмотрим какие события могут возникать при работе с таймерами.

  1. Обновление таймера, переполнение таймера

  2. Сравнение таймера с определенным числом

  3. Входящее событие — таймер может использоваться для анализа входящего сигнала, в этом случае считается время между изменениями сигнала на выводе с 0 на 1 или наоборот.

Самый просто вариант таймера — считающий вниз таймер. Работает он так. В специальный регистр настройки ARR (auto-reload-registr — регистр автообновления) записывается значение счётчика, с которого начинается таймер. По достижению счётчиком 0, срабатывает прерывание ОбновлениеТаймера, в счётчик опять записывается значение из ARR, и все продолжается дальше.

Точно также работает считающий вверх таймер, от 0 до ARR, потом срабатывает прерывание Переполнения и счётчик обнуляется.

Ещё один вариант таймера с использованием регистра ARR — выровненный по центру таймер, счётчик вверх и в низ.

Второй регистр настройки таймера CRR (capture compare registr — регистр захвата и сравнения), позволяет сформировать прерывание по сравнению значения таймера со значением регистра CRR. Используется обычный таймер считающий вверх, просто при достижении значения CCR срабатывает дополнительное прерывание.

При работе со входными событиями, при изменении состояния входа, срабатывает прерывание, и в число из регистра CRR будет соответствовать времени прошедшему от начала таймера.

Самое главное, что этот модуль никак не «загружает» ядро. После старта, таймер работает параллельно ядру, сам по себе, и только генерирует нужные прерывания, а также меняет значения регистров.

Примеры использования таймеров

В любом МК, как правило, очень много таймеров. Например, в старших моделях их число доходит до 20 и более. Также у каждого таймера есть независимые каналы, которые по сути имеют свои значения счётчиков и всех настроек. Они все необходимы, так как в большой сложной программе, очень много процессов отмеряется временными интервалами. Рассмотрим, что можно делать с помощью таймеров.

  • Организовать счётчик точных временных интервалов. Например мы можем завести переменную miliss, в которой будет храниться количество миллисекунд, прошедшее с включения МК. Запускаем самый просто таймер и так задаём ARR и предделитель, чтобы прерывание срабатывало 1 раз в миллисекунду. В теле прерывания добавляем 1 к переменной miliss. Теперь у нас есть счётчик миллисекунд, и мы можем мигать с нужной частотой светодиодом, и обрабатывать как нам необходимо миллисекундные интервалы.

  • Декодировать входные сигналы с датчиков, измеряя длину импульсов. С помощью входящего таймера можно измерять время между импульсами с нужной точностью.

  • По событиям таймера, через определённые настройки, МК может менять состояние выводов с 0 на 1. Таким образом, можно без всяких прерываний и программ можно мигать светодиодом с нужной частотой — 1 раз в секунду.

  • Таймеры можно связывать в цепочки. Событие одного таймера стартует другой таймер. Это позволяет делать сложные замеры времени между разными входными сигналами на разных выводах МК.

  • Таймеры могут инициализировать работу другой периферии. Например по событию таймеру можно проводить замер напряжения модулем ADC. Так мы получим измерения напряжения через равные интервалы времени или в нужные моменты времени.

  • С помощью таймеров можно синхронизировать разные события. После нажатия кнопки, через 3сек зажечь светодиод.

  • Используя регистр CRR можно с помощью таймера генерировать PWM (ШИМ — широтно импульсная модуляция) сигнал. Делается это очень просто. При обнулении таймера, мы на выводе устанавливаем 1, при сравнении 0. Получается такой сигнал. (Он очень важен, и позволяет получить некий аналог DAC на выводе, что в свою очередь позволяет управлять яркостью светодиода, скорость мотора, через специальный драйвер)

Таймер и кварцевый резонатор

В качестве генератора частоты работы МК может использоваться внутренняя RC цепочка или внешний кварцевый резонатор или кварцевый генератор. К сожалению генератор на основе RC цепочки очень неточный, погрешность составляет 10% и более. С изменением температуры она растёт. Если на основе такого генератора делать например часы, то они будут все время убегать вперёд или отставать. Получить точное измерение времени не получится. Использование кварцевого резонатора решает эту проблему. Они имеют очень высокую точность, погрешность измеряется в процентах на 1 000 000 тактов (ppm). Их точность не падает с нагревом или охлаждением.

Вы должны запомнить, что если вам необходимо точное измерение временных интервалов, то использование внешнего кварца или генератора необходимо!

Comunications interfaces

Для того, чтобы соединить вместе различные приборы, модули, микросхемы, было придумано большое количество цифровых (передаётся 0 или 1) интерфейсов, шин данных. Какие-то интерфейсы «умерли», а какие-то живут и широко используются по сей день. Некоторые из них настолько стали популярны, что производители микроконтроллеров стали добавлять их поддержку в виде отдельных периферийных модулей. В данном разделе коротко рассмотрим эти модули, что они могут, что дают, как ими пользоваться.

С точки зрения выбора микроконтроллера, вы должны понимать, что любой интерфейс можно запрограммировать в коде МК, и для этого ненужен отдельный периферийный модуль, достаточно модуля GPIO и таймеров (эта техника называется дрыгать ногами). Однако, безусловно, если вам в проекте необходим обмен по данным интерфейсам, необходимо выбирать МК, который имеет на «борту» поддержку всех необходимых шин данных. В отличие от программы в МК, работа модулей производится независимо от центрального процессора и не загружает процессор, вам остаётся только обрабатывать прерывания и пользоваться готовыми интерфейсами.

Вот самые распространённые интерфейсы, которые встречаются в МК:

  • UART - Universal Asynchronous Receiver-Transmitter - Универсальный асинхронный приёмопередатчик

  • SPI - Serial Peripheral Interface - последовательный периферийный интерфейс, шина SPI

  • I2C - Inter-Integrated Circuit — интегрированная шина

  • CAN - Controller Area Network - сеть контроллеров

  • USB - Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина

Более подробно интерфейсы взаимодействия будут рассмотрены в других статьях. Здесь мы только приведём способы подключения каждого интерфейса и варианты использования.

UART

Это очень широко используемый интерфейс. Родился он от протокола RS-232, но в настоящее время его возможности гораздо шире. Основные линии данных в нем — RX (чтение данных) и TX (передача данных). Общение по этому интерфейсу идёт асинхронно (может и синхронно) — то есть независимо, во время приёма данных, можно их передавать и наоборот. В данном интерфейсе нет задающей линии CLOCK. Все данные передаются на согласованной частоте.

В отсутствие потока данных на линии передаётся логическая 1. Данные передаются пакетами согласованной длины. Стартовый бит всегда является логическим 0. Он обозначает начало передачи пакета данных. Далее передатчик передаёт данные через равные промежутки времени. В конце посылки может передаваться контрольный бит чётности, для проверки корректности посылки. К сожалению, временные интервалы на разных сторонах могут оказаться разными. Важно, чтобы они не разошлись сильно хотя бы в рамках одного пакета(обычно 8-9 бит). Это основной минус этого интерфейса — частота должна отличаться не более чем на 3% (а лучше 1,5%). Поэтому, если используете этот интерфейс, то лучше сразу позаботиться о кварцевом резонаторе на обеих сторонах, хотя если вы будете работать с прибором в комнате, будет работать без резонатора (основное изменение внутренней частоты происходит из-за смены внешней температуры). Частоту интерфейса принято обозначать в виде скорости отправленных байт, например 9600 байт в секунду. Плюсом интерфейса являются только 2 задействованные сигнальные линии.

Данный интерфейс часто используется для:

  • передачи данных между компьютером (например прибор USB\UART)

  • общения с GPS, GSM модулями

  • загрузки прошивки в МК через bootloader

  • отладки работы программы

С точки зрения программирования МК, для обмена по этому интерфейсу, все очень просто. Необходимо настроить интерфейс на нужную скорость, определить прочие параметры. А дальше, записываете байт в специальный регистр и включаете передачу, периферия сама сформирует пакет битов, добавит бит чётности и т. д. Точно также при получении данных. Включаете режим получения, периферия получит байт, проверит чётность и поместит его в специальный регистр, останется в МК прочитать его. В СИ есть функция для форматирования строк Printf, очень часто она используются вместе с этим интерфейсом. Таким образом, МК может передавать текст на компьютер, и общаться с вами в специальной программе «Терминал».

SPI

Последовательный интерфейс с поддержкой очень высоких скоростей передачи данных - до 30Мгц. Отметим также, что этот интерфейс прост в использовании. Он имеет 3 сигнальные линии:

  • Clock — тактовая частота — по этой линии передаётся тактовый сигнал, clock обеспечивает master, главный

  • MISO — master input slave output — вход главного модуля

  • MOSI - master output slave input — выход главного модуля

По данному интерфейсу обмен может проводится с несколькими устройствами, достигается это за счёт дополнительных выводов CS (chip select) на каждый модуль. Низкий уровень сигнала на выводе CS, означает начало работы с данным модулем. Если у нас, например, на шине SPI три устройства, то надо будет три вывода CS — по одному на устройство. Если у нас одно устройство, то вывод CS все равно нужен, так как он определяет начало и конец обмена данными, сэкономить тут не получится.

Получение данных возможно одновременно с передачей.

Большой плюс данного интерфейса - устойчивость к изменению частоты, она может меняться даже в процессе работы, и вообще может быть любой, важно только не превышать максимальные скорости обозначенные в datasheet.

Если вы выбираете какой-то датчик для проекта, то лучше выбирать датчик на шине SPI. На этой шине работает очень много датчиков, LCD экраны, микросхемы памяти.

I2C

Очень интересная шина данных. Ее преимущество в том, что используется всего 2 провода. При этом на этих двух проводах может быть подключено много устройств.

Интересно то, что каждое устройство может стать мастером в любой момент времени (но это редко используется из-за сложности алгоритма интерфейса). Для построения шины используют 2 вывода — SDA (данные) и SCL (тактовая частота). Частота может быть выбрана из предопределённых — 100 кГц, 400 кГц, 3мГц (не все устройства поддерживают эту частоту). Использовать меньшую частоту можно, превышать не рекомендуется. Данный интерфейс очень сложный с точки зрения программы в МК. Даже имея готовый модуль периферии I2С, разработчики часто сталкиваются с конфликтными ситуациями при работе с этой шиной. Основной причиной этого является очень сложный алгоритм работы шины, который в идеале имеет большое количество исключений. Не все модули полностью обрабатывают нештатные ситуации, и это приводит к конфликтным ситуациям на шине.

В datasheet на МК обычно подробно описан механизм работы с шиной в режиме прерываний или при работе в основном цикле программы. Стоит отметить, что работа через прерывания гораздо проще, но требует довольно высокого приоритета прерываний на эту шину. Работа в основном цикле сложна и требует перебора различных ситуаций при получении данных.

Каждое устройство на шине должно иметь уникальный адрес. Для различных датчиков, обычно он программируется на заводе, и не подлежит изменению — имейте это ввиду, когда покупаете микросхему. Отметим также, что эта шина часто называется по-разному (из-за того, что изначально она лицензировалась компанией Phillips) — TWI, SCCB, SMBus.

Данная шина часто встречается в датчиках, так как это позволяет расширять набор датчиков за счёт одной шины. Также она встречается при работе с памятью (в основном ПЗУ), image sensors (камеры), бывает даже в датчиках GPS (хотя там в основном UART).

CAN

Данная шина была специально разработана для объединения в единую сеть различных датчиков и исполнительных устройств. Она нашла своё применение в системах «умный дом», автомобильной промышленности, в промышленной автоматизации. Передача данных идёт по двум проводам CAN RX и CAN TX.

Для доступа к шине, кроме самого МК необходимы микросхемы драйверы, который переносят логику МК на физический уровень шины (это может быть другое напряжение или специальная технология передачи данных, например оптоволоконная линия).

Протокол обмена по данной шине содержит подробное объёмное описание. Передача данных ведётся кадрами, которые принимают все устройства. Каждый кадр состоит из идентификатора и пакета данных. Идентификатор говорит о содержимом пакета и его приоритете, приоритет используется при разрешении коллизии при одновременной передаче данных разными узлами.

Данную шину рекомендуем использовать только там, где это действительно требуется. Конечная реализация устройства на данной шине будет не дешёвым, за счёт драйверов, их обвязки и т. д. С другой стороны следует отметить, что данная шина на физическом уровне имеет очень высокую помехоустойчивость и ряд других преимуществ:

  • Возможность работы в режиме жёсткого реального времени.

  • Простота реализации.

  • Арбитраж доступа к сети без потерь пропускной способности.

  • Надёжный контроль ошибок передачи и приёма.

  • Широкий диапазон скоростей работы.

  • Большое распространение технологии, наличие широкого ассортимента продуктов от различных поставщиков.

USB

Этот интерфейс настолько распространён, что известен всем. На текущий момент это основной интерфейс подключения периферийных устройств к персональному компьютеру. Если вам необходимо подключать устройство к компьютеру, то вам надо выбирать МК, имеющий данный интерфейс.

Передача данных в USB осуществляется по 2 проводам D+ и D-. Используется дифференциальная сигнальная линия. Шина постоянно разливается, на текущий момент есть стандарт USB 3.0, готовится USB 3.2.

Сам протокол описывать смысла не имеет, спецификация на него очень сложная и многостраничная. Спасает положение дел наличие у производителей МК готовых библиотек для работы по этому протоколу. Как МК может использовать шину USB:

  • Для прошивки — DFU (device firmaware update) стандарт прошивки по USB все чаше встречается в МК. Наличие такой возможности у МК сильно упрощает прошивку — подключаете прибор в компьютер и видите внешний диск, просто копируете туда прошивку и все готово.

  • Для организации COM порта и передачи любых данных на компьютер.

  • Организация устройств ввода — мышка, клавиатура, джойстик, какие-то новые устройства ввода.

  • USB audio устройство — ваше устройство может проигрывать звук с компьютера или получать его.

  • Mass storage device — внешний диск — ваше устройство может давать доступ к флеш карте или внутренним данным, сразу представляя их в виде файлов.

  • USB OTG — вы можете подключать к вашему устройству флешки и другие накопители, звуковые карты и другие устройства также как к компьютеру.

Безусловно это очень удобный и мощный интерфейс, и самое главное, требующий минимальных внешних компонент. Если у вас планируется тесное взаимодействие с компьютером, то следует выбирать МК, который имеет эту периферию. Единственный минус USB интерфейса - сложность программирования обмена данных по этому протоколу.

DMA

Данная аббревиатура переводится как прямой доступ к памяти. Как мы уже писали выше, любая периферия представлена в МК как ячейка памяти, поэтому в любой программе у вас будет очень много операций копирования информация из одной ячейки в другую. Представим, что нам необходимо получить данные с одного интерфейса, например UART, и отправить их на другой интерфейс, например SPI. Вам придётся прочитать данные из регистра UART и поместить их в регистр SPI, сделать все это в момент получения данных по UART. При этом МК будет занять выполнением этой программы. Вот для того, чтобы разгрузить МК от выполнения таких операций, и была разработана периферия DMA. С помощью этого модуля вы можете настроить копирование области памяти в другую область по событию. Набор событий очень широкий. Таким образом, если за событие взять получение данных по UART, далее настроить копирование данных по адресу UART в адрес SPI, то мы решим данную задачу полностью без участия МК.

Использование данной периферии очень сильно разгружает процессор, особенно при передаче больших массивов данных. Примеры применения DMA:

  • Копирование данных полученных, с ADC или другой периферии, сразу в ячейку памяти. Вам остаётся только работать с некоей переменной в Си, там всегда будут свежие данные датчика.

  • Копирование буфера в периферию, даже с побайтным разделением. Например необходимо передать 100байт по SPI, это можно сделать с помощью DMA.

  • Получение данных с периферии с наполнением кольцевого буфера. Получаем данные с UART и кладем сразу в буфер.

  • Передача изображения на экран из буфера.

  • Копирование одного массива памяти в другой.

Если вы планируете работать с большими массивами данных, или вам нужна быстрая обработка сигналов без участия прерываний, то наличие DMA необходимо.

Прочая периферия

Микроконтроллеры постоянно развиваются, и их производители добавляют все новые возможности за счёт периферийных модулей. На текущий момент есть МК, которые имею цифровой видео интерфейс HDMI и позволяют подключаться к ТВ и мониторам. Есть периферия для передачи звука по интерфейсу SPDIF, I2S, AC97. Управление TFT матрицами. МК имеют специальный модуль для работы с различной внешней памятью FMC (NAND flash, SDRAM, SRAM). Могут выходить в сеть — Ethernet интерфейс тоже на борту. Перечислять можно долго. Подбор МК под проект становится все более сложной задачей.

Самый простой способ познакомится с новой периферией – посмотреть топовые МК от различных производителей. Как правило, более новые МК содержат всю ту же периферию, что и младшие МК. Так можно быстро познакомиться с новыми возможностями.

Интерфейс программирования

Для разработки программы для МК используется персональный компьютер. Чтобы передать полученную программу (прошивку) на МК необходим специальный прибор — программатор. А для его работы, МК должен иметь специальный интерфейс программирования. Когда вы разрабатываете сложную программу, часто необходимо видеть, что содержится в переменных, как работает программа, какие условия выполняются. Тут на помощь приходит специальный прибор — отладчик и соответственно интерфейс отладки.

Если вы решили работать с определенным видом МК, вы должны будете приобрести или сделать самостоятельно, как минимум программатор, а ещё лучше отладчик. Наличие схем таких приборов или их низкая стоимость, снижает порог вхождения в данную группу МК. Прежде чем приобретать микроконтроллер, вам надо озаботится о том как вы будете его программировать.

Каждый производитель старается сделать самый лучший и удобный интерфейс отладки и программирования, поэтому все они разные. К сожалению на данный момент нет одного универсального отладчика, программатора всех видов МК.

С прошивкой дела обстоят немного проще. Производители стараются сделать процесс загрузки прошивки более универсальным. В микроконтроллеры в специальную область памяти встраиваются мини программы Bootloader, загрузчики прошивки. Они работают по широко распространненым универсальным интерфейсам. Сами используемые это:

  • UART — последовательный интерфейс.

  • USB.

  • CAN шина, есть МК которые можно прошивать по CAN шине, очень удобно для обновления прошивки в машине, в труднодоступных устройствах.

Если у вас есть такая возможность, обязательно надо планировать и использовать возможность загрузки прошивки в ваше устройство по стандартным интерфейсам.

А вот с отладкой все немного хуже. Самые распространённые интерфейсы отладки:

  • JTAG — используется 5 сигнальных линий, AVR, многие ARM МК.

  • SWIM — используется одна сигнальная линия, только МК STM8, иногда нужен RESET, если планируется программировать МК в спящем режиме.

  • SWD — общий протокол для ARM микроконтроллеров, использует 2 линии.

  • ICSP для МК PIC — PICKIT — свой протокол, свой прибор. Использует 3 линии.

  • ISP — программатор по порту SPI. Используется в AVR. Используется 4 линии.

Здесь перечислены не все интерфейсы, и общее правило простое — под каждый МК нужен свой программатор отладчик.

Все наши проекты, которые мы будем делать, мы будем сопровождать необходимыми программаторами. Их схемы и инструкции по изготовлению смотрите на нашем сайте.

Производители микроконтроллеров и основные классы

Микроконтроллеры производит очень много компаний. Все их перечислять смысла нет, так как не все можно купить на нашем рынке. Перечислим только наиболее распространённые серии МК и их производителей.

Производителей МК очень много, их параметры сильно отличаются друг от друга. Каждая серия МК имеет свою среду программирования, свои наборы регистров. Можно сказать, что это большой зоопарк. В наших проектах мы специально будем использовать разные МК, которые наиболее распространены на нашем рынке. У нас будут проекты на:

  • stm8

  • stm32

  • atmega

  • nuvoton

myowndevice.ru

Микроконтроллер - это... Что такое Микроконтроллер?

Микроконтроллер ATtiny2313 американской фирмы Atmel СБИС контроллера на плате управления жёстким диском Fujitsu MAP3735NC

Микроконтро́ллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ или ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

История

С появлением однокристальных микро-ЭВМ связывают начало эры массового применения компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому, это обстоятельство и определило термин «контроллер» (англ. controller — регулятор, управляющее устройство).

В связи со спадом отечественного производства и возросшим импортом техники, в том числе вычислительной, термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавшийся термин «однокристальная микро-ЭВМ».

Первый патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан в 1971 году инженерам М. Кочрену и Г. Буну, сотрудникам американской Texas Instruments. Именно они предложили на одном кристалле разместить не только процессор, но и память с устройствами ввода-вывода.

В 1976 году[1] американская фирма Intel выпускает микроконтроллер i8048. В 1978 году фирма Motorola выпустила свой первый микроконтроллер MC6801, совместимый по системе команд с выпущенным ранее микропроцессором MC6800. Через 4 года, в 1980 году, Intel выпускает следующий микроконтроллер: i8051. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер i8051 являлся для своего времени очень сложным изделием — в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре i8086.

На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов. Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, 16-битные MSP430 фирмы TI, а также 32-битные микроконтроллеры, архитектуры ARM, которую разрабатывает фирма ARM Limited и продаёт лицензии другим фирмам для их производства. Несмотря на популярность в России микроконтроллеров упомянутых выше, по данным Gartner Grup от 2009 года мировой рейтинг по объёму продаж выглядит иначе: [2] первое место с большим отрывом занимает Renesas Electronics на втором Freescale, на третьем Samsung, затем идут Microchip и TI, далее все остальные.

В СССР велись разработки оригинальных микроконтроллеров, также осваивался выпуск клонов наиболее удачных зарубежных образцов[3][4][5], [6]. В 1979 году в СССР НИИ ТТ разработали однокристальную 16-разрядную ЭВМ К1801ВЕ1, микроархитектура которой называлась «Электроника НЦ».

Описание

При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д. В отличие от обычных компьютерных микропроцессоров, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.

Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись. Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти.

Неполный список периферии, которая может присутствовать в микроконтроллерах, включает в себя:

Ограничения по цене и энергопотреблению сдерживают также рост тактовой частоты контроллеров. Хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания. Во многих моделях микроконтроллеров используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это даёт контроллеру возможность работать на меньших частотах и даже не терять данные при полной остановке тактового генератора. Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения, в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль.

Известные семейства

  • AVR (Atmel)

Применение

Использование в современном микроконтроллере достаточного мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств. Используются в управлении различными устройствами и их отдельными блоками:

  • в вычислительной технике: материнские платы, контроллеры дисководов жестких и гибких дисков, CD и DVD;
  • электронике и разнообразных устройствах бытовой техники, в которой используется электронные системы управления — стиральных машинах, микроволновых печах, посудомоечных машинах, телефонах и современных приборах;

В промышленности:

В то время как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие больши́ми вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры.

Программирование

Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на языке ассемблера или Си, хотя существуют компиляторы для других языков, например, Форта. Используются также встроенные интерпретаторы Бейсика. Известные компиляторы Си для МК:

Для отладки программ используются программные симуляторы (специальные программы для персональных компьютеров, имитирующие работу микроконтроллера), внутрисхемные эмуляторы (электронные устройства, имитирующие микроконтроллер, которые можно подключить вместо него к разрабатываемому встроенному устройству) и интерфейс JTAG.

См. также

  • Программируемый логический контроллер
  • Система на кристалле

Литература

  • Бродин В. Б., Калинин А. В. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики. — М.: ЭКОМ, 2002. — ISBN 5-7163-0089-8
  • Жан М. Рабаи, Ананта Чандракасан, Боривож Николич. Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования = Digital Integrated Circuits. — 2-е изд. — М.: Вильямс, 2007. — ISBN 0-13-090996-3
  • Микушин А. Занимательно о микроконтроллерах. — М.: БХВ-Петербург, 2006. — ISBN 5-94157-571-8
  • Новиков Ю. В., Скоробогатов П. К. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. — М.: Интернет-университет информационных технологий, 2003. — ISBN 5-7163-0089-8
  • Фрунзе А. В. Микроконтроллеры? Это же просто! — М.: ООО «ИД СКИМЕН», 2002. — Т. 1. — ISBN 5-94929-002-X
  • Фрунзе А. В. Микроконтроллеры? Это же просто! — М.: ООО «ИД СКИМЕН», 2002. — Т. 2. — ISBN 5-94929-003-8
  • Фрунзе А. В. Микроконтроллеры? Это же просто! — М.: ООО «ИД СКИМЕН», 2003. — Т. 3. — ISBN 5-94929-003-7

Ссылки

  • История микроконтроллеров
  • Параметрический поиск и описания архитектур

Примечания

  1. ↑ А. Е. Васильев, Микроконтроллеры: разработка встраиваемых приложений, изд. «БХВ-Петербург» 2008
  2. ↑ Renesas, Gartner, Chart created by Renesas Electronics based on Gartner data Microcontrollers to enable Smart World (Semiconductor Applications Worldwide Annual Market Share: Database) (25 March 2010). Архивировано из первоисточника 5 февраля 2012.
  3. ↑ под редакцией Шахнова В. А. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем. — М.: «Радио и связь», 1988. — Т. 2.
  4. ↑ Под. ред. В. Г. Домрачева. Одноплатные микроЭВМ = Одноплатные микроЭВМ. — Микропроцессорные БИС и их применение. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — С. 128. — ISBN 5-283-01489-4
  5. ↑ Под. ред. чл.-корр. АН УССР Б. Н. Малиновского. Глава 2. Элементная база отечественных перональных ЭВМ // Справочник по персональным ЭВМ = Справочник по персональным ЭВМ. — К.: Тэхника, 1990. — С. 384. — ISBN 5-335-00168-2
  6. ↑ А. А. Молчанов, В. И. Корнейчук, В. П. Тарасенко и др. Справочник по микропроцессорным устройствам = Справочник по микропроцессорным устройствам. — К.: Тэхника, 1987. — С. 288.

dic.academic.ru


Смотрите также