От какво се състои микроконтролерът? Какво представляват микроконтролерите - предназначение, устройство, софтуер

В тази статия от втория брой на списание Electron искам да засегна една много интересна тема относно цифровата електроника. Днес искам да отговоря на един въпрос какво е микроконтролер.

И така, микроконтролерът е малка микросхема, на кристала на която е сглобен истински микрокомпютър! Това означава, че процесор, памет (ROM и RAM), периферни устройства са монтирани в една микросхема, накарали са ги да работят и взаимодействат помежду си и с външния свят с помощта на специална микропрограма, която се съхранява вътре в микроконтролера.

Основната цел на микроконтролерите е да управляват различни електронни устройства. По този начин те се използват не само в персонални компютри, но и в почти всички домакински уреди, автомобили, телевизори, индустриални роботи, дори военни радари.

Можем да кажем, че микроконтролерът е универсален инструмент за управление на електронни устройства и вие сами влагате алгоритъма за управление в него и можете да го промените по всяко време в зависимост от задачата, възложена на микроконтролера.

Ето как изглеждат съвременните микроконтролери.

В момента има много различни платформии фамилиите микроконтролери, но предназначението, приложението и същността на тяхното функциониране е почти същото.

Казахме, че микроконтролерът е вид микрокомпютър (старото име е едночипови микрокомпютри). Представете си го като черна кутия. Вътре в тази кутия са основните структурни елементи на микроконтролера.

Аритметично логическо устройство(ALU) - предназначен за извършване на аритметични и логически операции, всъщност, във връзка с регистри с общо предназначение, ALU изпълнява функциите на процесор.

Устройство за оперативно съхранение(RAM) - предназначен за временно съхранение на данни по време на работа на микроконтролера.

Програмна памет- направено под формата на препрограмируемо устройство с памет само за четене и е предназначено за запис на фърмуера за управление на микроконтролера, така наречения фърмуер.

Памет за данниизползвани в някои микроконтролери като памет за съхраняване на всички възможни константи, таблични стойностифункции и др.

Микроконтролерът може да включва и други спомагателни елементи.

аналогов компаратор– предназначен да сравнява два аналогови сигнала на своите входове

Таймерите в микроконтролерите се използват за реализиране на различни закъснения и задаване на различни времеви интервали в работата на микроконтролера.

Аналогово-цифров преобразувател(ADC) е необходим за въвеждане на аналогов сигнал към микроконтролера и неговата функция е да преобразува аналоговия сигнал в цифров.

D/A преобразувател(DAC) изпълнява обратна функция, тоест сигнал от цифров изгледпреобразува в аналогов.

Работата на микроконтролера се синхронизира от тактови импулси от генератора и се управлява от устройството за управление на микроконтролера.

По този начин микроконтролерът е електронен комплект, с който можете да сглобите свое собствено устройство за управление. Чрез програмирането на микроконтролера деактивирате или свързвате компонентни устройства вътре в микроконтролера и задавате свои собствени алгоритми за работа на тези устройства.

Предлагам ви да гледате видеоклип, в който обяснявам какво е микроконтролер и давам няколко примера. практическо приложениемикроконтролери.

Между другото, за тези, които се интересуват от темата и искат да създадат свои собствени устройства, базирани на микроконтролери Atmel, предлагам да гледат следното видео.

Видео посветено Видео курс по програмиране на микроконтролери Atmel , след като преминете, не само ще се запознаете с прекрасния свят на микроконтролерите, но и ще научите как да програмирате микроконтролери и следователно самостоятелно да създавате електронни устройства на микроконтролери.

Видео курс "Програмиране на микроконтролери за начинаещи" повече от 70 часа висококачествено видео.

В резултат на проучването ще придобиете знанията, с които можете самостоятелно да разработите устройство с всякаква сложност.

Днес микроконтролерите могат да бъдат намерени в почти всеки екземпляр от домакински уреди и електроника. Например, ако микровълновата фурна има LED или LCD екран и клавиатура, тогава тя задължително е оборудвана със специален контролен чип.

Разнообразие от приложения

Всички съвременни автомобили съдържат поне един микроконтролер и могат да бъдат оборудвани с няколко за двигателя, антиблокираща система, круиз контрол и т.н. Всяко устройство с дистанционно управление почти сигурно има микроконтролерно управление. Телевизорите, плейърите и висококачествените стерео системи попадат в тази категория. Цифрови компактни и SLR фотоапарати, клетъчни телефони, видеокамери, телефонни секретари, лазерни принтери, стационарни телефонис Caller ID и памет за 20 номера, многофункционални хладилници, съдомиялни и перални По принцип всякакви уредиили устройството, което взаимодейства с потребителя, има вграден микроконтролер.

Какво е?

Микроконтролерът е компютър. Всички компютри, независимо дали са персонални или големи мейнфрейми, споделят някои общи характеристики. Те имат, които изпълняват програми, като зареждат команди от някакъв вид хранилище на данни. На компютър, например, това е твърдият диск. Компютърът е оборудван и с памет с произволен достъп (RAM). За комуникация с външния свят трябва да се осигурят специални средства. На компютъра клавиатурата и мишката са входни устройства, докато мониторът и принтерът се използват за извеждане на информация. HDDсъчетава и двете функционалност, тъй като работи както с входни, така и с изходни данни.

процесор

Типът процесор, използван в микроконтролера, зависи от конкретното приложение. Наличните опции варират от прости 4-, 8- или 16-битови до по-сложни 32- или 64-битови. По отношение на паметта могат да се използват RAM, флаш памет, EPROM или EEPROM. По правило микроконтролерите са проектирани да се използват без допълнителни изчислителни компоненти, тъй като са проектирани с достатъчно вградена памет и също така имат общи I/O щифтове за директен интерфейс със сензори и други компоненти.

Архитектурата на процесора може да бъде Харвард или Фон Нойман, предлагайки различни методиобмен на информация между процесора и паметта. В първия случай шините за данни и команди са разделени, което позволява едновременното им предаване. В за това се използва общ.

Програмиране

Микроконтролерните процесори могат да бъдат базирани на разширен набор от инструкции (CISC) или намален набор от инструкции (RISC). CISC обикновено включва около 80 инструкции (RISC - около 30), както и Повече ▼режими на адресиране - 12-24 спрямо 3-5 за RISC. Въпреки че разширеният набор от инструкции е по-лесен за изпълнение и използва паметта по-ефективно, неговата производителност е по-ниска поради по-големия брой тактови цикли, необходими за тяхното изпълнение. RISC процесорите обръщат повече внимание на софтуера и са по-производителни.

Оригиналният език на микроконтролерите беше асемблер. C е популярният език днес.

С подходящ кабел, софтуери компютър, не е трудно да програмирате микроконтролера със собствените си ръце. Необходимо е да свържете контролера с кабел към компютъра, да стартирате приложението и да заредите набора от команди.

Определящи характеристики

Как да различим компютър от микроконтролер? Ако първото е устройство с общо предназначение, което може да управлява хиляди различни програми, то вторият е специализиран, фокусиран върху едно приложение. Има редица други характеристики, които отличават микроконтролерите. За начинаещите потребители това няма да е проблем - достатъчно е да се установи, че чипът има повечето от следните качества, за да може безопасно да бъде приписан към тази категория.

• Микроконтролерите са елементи на друго устройство (често домакински уреди) за управление на неговите функции или работа. Те се наричат ​​още вградени контролери.
• Устройството е проектирано да изпълнява една задача и да изпълнява една специфична програма, съхранена в ROM, която обикновено не се променя.

• Микроконтролерите са чипове с ниска мощност. Мощността им при захранване от батерия е около 50 mW. Настолен компютърпочти винаги е включен в контакт и консумира 50 вата или повече.
• Микроконтролерът се отличава с наличието на специален входен блок и често (но не винаги) малък светодиод или LCD за изход. Той приема входни данни от управляваното от него устройство, като изпраща сигнали до различните му компоненти. Например микроконтролер за телевизор получава сигнали от дистанционното управление и показва изхода на екрана на телевизора. Той контролира селектора на канали, високоговорителите и някои настройки на картината, като контраст и яркост. Контролерът на автомобилния двигател приема входни сигналиот сензори за кислород и детонация, регулира създаването на горивната смес и синхронизира работата на запалителните свещи. В микровълнова фурна той приема вход от клавиатурата, показва изхода на LCD дисплея и управлява релето за включване и изключване на микровълновия генератор.
• Микроконтролерите често са малки и евтини устройства. Компонентите са избрани по такъв начин, че да минимизират размера и да намалят производствените разходи възможно най-много.
• Често, но не винаги, микроконтролерът работи при неблагоприятни условия. Например устройството за управление на двигателя на автомобила трябва да работи при екстремни температури, при които конвенционален компютър изобщо не може да функционира. На север микроконтролерът на автомобила трябва да работи при -34°C, а на юг при 49°C. Температурата в двигателното отделение може да достигне 65-80 °C. От друга страна, микроконтролерът, вграден в Blu-ray плейъра, изобщо не трябва да бъде особено здрав.

Изисквания към процесора

Процесорите, използвани в микроконтролерите, могат да варират значително. Например в мобилни телефониизползва 8-битовия микропроцесор Z-80, разработен през 70-те години на миналия век и първоначално използван в домашните компютри. GPS навигаторът Garmin беше оборудван с ниска мощност Версия на Intel 80386, който също първоначално беше инсталиран в настолни компютри.

Повечето домакински уреди като микровълни, е невзискателен към процесорите, но цената им е важен фактор. В тези случаи производителите се обръщат към специализирани микроконтролери, проектирани от евтини, малки и нискоенергийни процесори. Motorola 6811 и Intel 8051 са добри примеритакива чипове. Произвеждат се и редица популярни компании Microchip. Тези процесори са невероятно минималистични по днешните стандарти, но са изключително евтини и често могат да задоволят нуждите на дизайнера.

Икономика

Типичният микроконтролер е чип с 1000 байта ROM, 20 байта RAM и 8 I/O пина. Когато се произвеждат в големи количества, цената им е ниска. Разбира се, бягайте Майкрософт Уърдна такъв чип е невъзможно - това ще изисква поне 30 MB RAM и процесор, който изпълнява милиони операции в секунда. Но това не е необходимо за управление на микровълновата фурна. Микроконтролерът изпълнява една специфична задача, а ниската цена и консумацията на енергия са основните му предимства.

Как работи?

Въпреки голямото разнообразие от микроконтролери и още повече програми за тях, след като сте научили как да боравите с един от тях, можете да опознаете всички. Типичен работен сценарий изглежда така:

• Когато захранването е изключено, устройството не се проявява по никакъв начин.
• Свързването на микроконтролера към източник на захранване стартира логическия блок на системата за управление, който дезактивира всички други вериги с изключение на кварцовия кристал.
• Когато напрежението достигне своя максимум, честотата на осцилатора се стабилизира. Регистрите са запълнени с битове, отразяващи състоянието на всички схеми на микроконтролера. Всички контакти са конфигурирани като входове. Електрониката започва да работи според ритмичната последователност на тактовите импулси.
• Броячът на командите се нулира. Инструкцията на този адрес се изпраща до декодера на инструкциите, който я разпознава, след което веднага се изпълнява.
• Програмният брояч се увеличава с 1 и целият процес се повтаря със скорост от един милион операции в секунда.

За да работим с микроконтролери, като Arduino или Iskra JS и подобни са ни необходими допълнителни познания, които постепенно ще усвояваме.

Днес бих искал да пиша за микроконтролерите като цяло, за да подобря знанията си и в същото време да разкажа на другите.

Микроконтролерът е микросхема, която се използва за управление на електронни устройства. В типичния микроконтролер има функции и процесор, и периферни устройства, а също така съдържа RAMи/или ROM(устройство за постоянно съхранение). Накратко, микроконтролерът е компютър, работещ на един чип, който е способен да извършва сравнително прости операции.

Микроконтролерите се използват широко в Информатика(процесори, дънни платки, контролери за задвижване, HDD/FDD устройства), потребителска електроника ( перални машини, микровълнови печки, телефони и др.), в промишлеността и др. Помислете как е свързан и управляван микроконтролерът, както и други нюанси, свързани с тях.

Свързване на микроконтролера

Диаграмата по-долу е опростена версия на свързване на микроконтролера AVR. AVR е семейство от 8-битови микроконтролери от Atmel. Година на разработка - 1996г.

Добре, трябва да добавим още няколко външни елементив схемата.

Проводникът, който е обозначен на диаграмата с пунктирана линия, не е необходимо да се използва, ако микроконтролерът се захранва от външен източник.

Заключение AREFизползван като вход за референтното напрежение на ADC - тук се подава напрежение, спрямо което ще се изчислява ADC. Приемливо е да използвате вътрешен източник на референтно напрежение 2,56 V или да използвате напрежението от AVCC.

ADC (Аналогово-цифров преобразувател) - електронно устройство, което преобразува напрежението в двоичен цифров код

Препоръчително е да свържете кондензатор към извода AREF, което ще повиши качеството на напрежението на ADC и по този начин ще позволи правилни измервания на ADC. Между AVCC и GND са инсталирани кондензатор и дросел, а между GND и VCC (по-близо до захранващите щифтове на веригата) е инсталиран керамичен кондензатор от 100 nF, за да се изгладят кратките шумови импулси, произтичащи от работата на микросхемата.

Освен това друг кондензатор от 47 uF е инсталиран между GND и VCC, за да се изгладят възможните скокове на напрежението.

микроконтролерно управление

AVR микроконтролериоборудван с архитектурата на Харвард. Всяка от областите на паметта се намира в своето адресно пространство. Запаметяването на данните в контролерите се осъществява посредством регистърна, енергонезависима и памет с произволен достъп.

Регистърната памет осигурява наличието на 32 регистъра с общо предназначение, които са обединени във файл, както и служебни регистри за вход и изход. И първото, и второто се намират в RAM пространството, но не са част от него.

IN RVV зони(входни и изходни регистри) има различни служебни регистри - състояние, управление на микроконтролер и др., както и регистри, които отговарят за управление периферни устройствакоито са част от микроконтролера. Всъщност управлението на тези регистри е методът за управление на микроконтролера.

Устройства на микроконтролери

AVR микроконтролерите са лесни за използване, имат ниска консумация на енергия и високо нивоинтеграция.

По правило такива микроконтролери могат да се използват най-много различни устройстваах, включително системи с общо предназначение, системи за оповестяване, за LCD дисплеи, табла с ограничено пространство.

Използват се и за измерватели на нивото на батерията, удостоверяване, автомобилна електроника, защита от късо съединение и прегряване и др. Освен за индустриални цели, микроконтролерите могат да се използват (и най-често използвани от начинаещи) за създаване на следните устройства:

• Температурен рекордер на Atmega168;
• Кухненски таймер на Attiny2313;
• Термометър;
• Индустриален мрежов честотомер при 50 Hz;
• LED контролер за спирачни светлини на Attiny2313;
• LED лампи и осветителни тела, които реагират на температура или звук;
• Електронни или сензорни превключватели.

Имайте предвид, че за различни устройства се използват различни моделимикроконтролери. И така, 32-битовите микроконтролери AVR UC3 (както и XMEGA, megaAVR, tinyAVR и т.н.) са подходящи за системи с общо предназначение с picoPower, QTouch, EEPROM технологии, системи за обработка на събития и самопрограмиране.

Микроконтролери за начинаещи

Ако възнамерявате да програмирате микроконтролери, като Arduino, например, и също така да сглобявате устройства, които осигуряват тяхното присъствие във веригата, трябва да имате предвид някои правила и насоки:

• Преди да разрешите каквито и да е проблеми, трябва да ги разделите на по-малки, до основни действия.
• Не трябва да използвате генератори на кодове и други "опростяващи" материали, поне в началните етапи.
• Препоръчително е да научите езика C и Assembler - това ще опрости разбирането на принципа на работа на микроконтролерите и програмите.

За да може начинаещият да се занимава с микроконтролери, се препоръчва да се изучат основните материали. Тези книги включват следното: „Използване на AVR микроконтролери: схеми, програми и алгоритми“Баранов В.Н., 2006 г., „AVR микроконтролери: въвеждащ курс“, Дж. Мортън, 2008 г., „Програмиране на микроконтролери ATMEL в C“Прокопенко V.S., 2012.

Тези книги са практическо ръководство, който засяга аспекти и основи на цифровата логика, както и примери за програми за микроконтролери, написани на C езикс различни симулатори на вериги, компилатори и среди.

микроконтролере интегрална схема, предназначена за управление на различни електронни устройства или техни отделни функционални блокове. Повечето микроконтролери съчетават функциите на процесор и периферни (съвпадащи) устройства. Съдържа вградена енергонезависима памет, в която се съхранява алгоритъма (програмата) на неговата работа. В основата си микроконтролерът е малък компютър, предназначен да изпълнява прости задачи.

Първата идея за създаване на микроконтролер през 1971 г. е представена от служители на американската електронна компания Texas Instruments. Именно те предложиха да се събере малък компютър на един чип, като там се поставят процесор, памет и входни / изходни устройства. След 5 години тази идея беше подета от вездесъщия Intel, пускайки първия микроконтролер i8048.

Основата на микроконтролера е така нареченото аритметично логическо устройство. С прости думи, това е вид изчислителен модул, който обработва програмата, съхранена в паметта. Програмата обикновено е написана на обикновен език(език на машинния код) и може да бъде пренаписан за всяка функционалност. Рядко се случва програмата да е твърдо кодирана в микросхемата и да не може да бъде променяна. Това се отнася главно за тясно фокусирани микроконтролери, които се произвеждат специално за управление на някои прости устройства, като електрически двигатели.

Енергонезависимата памет обикновено се намира вътре в контролера и е предназначена да съхранява програмата. Някои контролери, поради достатъчно обемна вътрешна памет, изобщо нямат контакти за свързване на външно устройство за съхранение. Вътрешна паметмного често разделен на две части: програмна памет и памет за данни. Първият съдържа функционален алгоритъм (програма), а вторият съдържа данни, идващи отвън. При достатъчно сложен алгоритъм може да има няколко записани програми.

Периферните устройства са предназначени да свързват аритметичното логическо устройство с външния свят (изпълнителни елементи на електронни устройства). Типичните използвани периферни устройства са универсални цифрови портове и входно/изходни интерфейси, компаратори, аналогово-цифрови и цифрово-аналогови преобразуватели, моторни контролери, широчинно-импулсни модулатори, RF приемници и предаватели. В зависимост от функционалността и обхвата на микроконтролера някои от горните устройства може да липсват.

Без използването на микроконтролери работата на компютърни дънни платки (системни платки), повечето домакински електрически уреди, устройства за промишлена автоматизация и системи за управление на оборудването вече е невъзможна. Между другото, ако искате сами да изградите някакво електронно устройство или да направите индустриално надграждане, можете да използвате многофункционално