Woraus besteht ein Mikrocontroller? Was sind Mikrocontroller - Zweck, Gerät, Software

In diesem Artikel der zweiten Ausgabe des Electron Magazins möchte ich ein sehr interessantes Thema der digitalen Elektronik ansprechen. Heute möchte ich eine Frage beantworten was ist ein mikrocontroller.

Der Mikrocontroller ist also ein kleiner Mikroschaltkreis, auf dessen Kristall ein echter Mikrocomputer montiert ist! Dies bedeutet, dass ein Prozessor, ein Speicher (ROM und RAM) und Peripheriegeräte in einem Mikroschaltkreis montiert wurden, damit sie funktionieren und miteinander und mit der Außenwelt interagieren, indem ein spezielles Mikroprogramm verwendet wird, das im Mikrocontroller gespeichert ist.

Der Hauptzweck von Mikrocontrollern besteht darin, verschiedene elektronische Geräte zu steuern. Sie werden also nicht nur in persönliche Computer, sondern auch in fast allen Haushaltsgeräten, Autos, Fernsehern, Industrierobotern, sogar Militärradaren.

Wir können sagen, dass der Mikrocontroller ein universelles Werkzeug zur Steuerung elektronischer Geräte ist, und Sie fügen den Steueralgorithmus selbst ein und können ihn je nach der dem Mikrocontroller zugewiesenen Aufgabe jederzeit ändern.

So sehen moderne Mikrocontroller aus.

Derzeit gibt es viele verschiedene Plattformen und Familien von Mikrocontrollern, jedoch ist der Zweck, die Anwendung und das Wesen ihrer Funktionsweise fast gleich.

Wir sagten, dass der Mikrocontroller eine Art Mikrocomputer ist (der alte Name ist Ein-Chip-Mikrocomputer). Stell es dir wie eine Blackbox vor. In dieser Box befinden sich die wichtigsten Strukturelemente des Mikrocontrollers.

Arithmetik-Logikeinheit(ALU) - entwickelt, um arithmetische und logische Operationen durchzuführen, tatsächlich führt die ALU in Verbindung mit Allzweckregistern die Funktionen eines Prozessors aus.

Betriebsfähiges Speichergerät(RAM) - ausgelegt für die temporäre Datenspeicherung während des Betriebs des Mikrocontrollers.

Programmspeicher- in Form eines umprogrammierbaren Nur-Lese-Speichers ausgeführt und zum Aufzeichnen der Mikrocontroller-Steuerungsfirmware, der sogenannten Firmware, bestimmt ist.

Datenspeicher Wird in einigen Mikrocontrollern als Speicher zum Speichern aller möglichen Konstanten verwendet. Tabellenwerte Funktionen usw.

Der Mikrocontroller kann andere Hilfselemente enthalten.

analoger Komparator– entworfen, um zwei analoge Signale an seinen Eingängen zu vergleichen

Zeitgeber in Mikrocontrollern werden verwendet, um verschiedene Verzögerungen zu implementieren und verschiedene Zeitintervalle im Betrieb des Mikrocontrollers einzustellen.

Analog-Digital-Wandler(ADC) wird benötigt, um ein analoges Signal in den Mikrocontroller einzugeben, und seine Funktion besteht darin, das analoge Signal in ein digitales umzuwandeln.

D/A-Wandler(DAC) durchführt Umkehrfunktion, das heißt, ein Signal von digitale Ansicht wandelt in analog um.

Der Betrieb des Mikrocontrollers wird durch Taktimpulse vom Generator synchronisiert und von der Mikrocontroller-Steuervorrichtung gesteuert.

Ein Mikrocontroller ist also ein elektronischer Bausatz, mit dem Sie Ihr eigenes Steuergerät zusammenbauen können. Durch das Programmieren des Mikrocontrollers deaktivieren oder verbinden Sie Komponentengeräte innerhalb des Mikrocontrollers und stellen Ihre eigenen Algorithmen für den Betrieb dieser Geräte ein.

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Mikrocontroller sind heute in fast allen Haushaltsgeräten und der Elektronik zu finden. Wenn beispielsweise ein Mikrowellenherd über einen LED- oder LCD-Bildschirm und eine Tastatur verfügt, ist er unbedingt mit einem speziellen Steuerchip ausgestattet.

Vielzahl von Anwendungen

Alle modernen Autos enthalten mindestens einen Mikrocontroller und können mit mehreren für den Motor, das Antiblockiersystem, den Tempomat usw. ausgestattet sein. Jedes Gerät mit einer Fernbedienung verfügt mit ziemlicher Sicherheit über eine Mikrocontrollersteuerung. Fernseher, Player und hochwertige Stereoanlagen fallen in diese Kategorie. Digitale Kompakt- und Spiegelreflexkameras, Mobiltelefone, Camcorder, Anrufbeantworter, Laserdrucker, Festnetz mit Rufnummernerkennung und Speicher für 20 Nummern, multifunktionale Kühlschränke, Spül- und Waschmaschinen im Prinzip alle Haushaltsgeräte oder das Gerät, das mit dem Benutzer interagiert, verfügt über einen eingebetteten Mikrocontroller.

Was ist das?

Ein Mikrocontroller ist ein Computer. Alle Computer, ob Personalcomputer oder große Mainframes, haben einige gemeinsame Merkmale. Sie haben Programme, die Befehle aus einer Art Datenspeicher laden. Bei einem PC ist dies beispielsweise die Festplatte. Der Computer ist auch mit einem Arbeitsspeicher (RAM) ausgestattet. Für die Kommunikation mit der Außenwelt sollten spezielle Mittel bereitgestellt werden. Bei einem PC sind Tastatur und Maus Eingabegeräte, während Monitor und Drucker zur Ausgabe von Informationen dienen. Festplatte vereint beides Funktionalität, weil es sowohl mit Eingabe- als auch mit Ausgabedaten arbeitet.

Zentralprozessor

Welcher Prozessortyp im Mikrocontroller verwendet wird, hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Die verfügbaren Optionen reichen von einfachen 4-, 8- oder 16-Bit bis hin zu komplexeren 32- oder 64-Bit. Hinsichtlich des Speichers können RAM, Flash-Speicher, EPROM oder EEPROM verwendet werden. In der Regel sind Mikrocontroller so konzipiert, dass sie ohne zusätzliche Rechenkomponenten verwendet werden können, da sie mit ausreichend integriertem Speicher ausgestattet sind und auch über gemeinsame I/O-Pins verfügen, um direkt mit Sensoren und anderen Komponenten verbunden zu werden.

Die CPU-Architektur kann entweder von Harvard oder von Neumann angeboten werden verschiedene Methoden Informationsaustausch zwischen Prozessor und Speicher. Im ersten Fall sind die Daten- und Befehlsbusse getrennt, was ihre gleichzeitige Übertragung ermöglicht. Dafür wird der General verwendet.

Programmierung

Mikrocontroller-Prozessoren können auf einem erweiterten Befehlssatz (CISC) oder einem reduzierten Befehlssatz (RISC) basieren. CISC enthält normalerweise etwa 80 Anweisungen (RISC - etwa 30) sowie mehr Adressierungsmodi - 12-24 im Vergleich zu 3-5 für RISC. Obwohl der erweiterte Befehlssatz einfacher zu implementieren ist und den Speicher effizienter nutzt, ist seine Leistung aufgrund der höheren Anzahl von Taktzyklen, die zu ihrer Ausführung erforderlich sind, geringer. RISC-Prozessoren widmen der Software mehr Aufmerksamkeit und sind produktiver.

Die ursprüngliche Sprache der Mikrocontroller war Assembler. C ist heute die populäre Sprache.

Mit dem passenden Kabel Software und PC ist es nicht schwierig, den Mikrocontroller mit Ihren eigenen Händen zu programmieren. Es ist notwendig, den Controller mit einem Kabel an den Computer anzuschließen, die Anwendung auszuführen und den Befehlssatz zu laden.

Merkmale definieren

Wie unterscheidet man einen Computer von einem Mikrocontroller? Wenn ersteres ein Allzweckgerät ist, das Tausende ausführen kann verschiedene Programme, dann ist der zweite spezialisiert und konzentriert sich auf eine Anwendung. Es gibt eine Reihe weiterer Merkmale, die Mikrocontroller auszeichnen. Für unerfahrene Benutzer ist dies kein Problem - es reicht aus, festzustellen, dass der Chip die meisten der folgenden Eigenschaften aufweist, damit er sicher dieser Kategorie zugeordnet werden kann.

• Mikrocontroller sind Elemente eines anderen Geräts (häufig Haushaltsgeräte) zur Steuerung seiner Funktionen oder seines Betriebs. Sie werden auch eingebettete Controller genannt.
• Das Gerät ist so konzipiert, dass es eine Aufgabe ausführt und ein bestimmtes Programm ausführt, das im ROM gespeichert ist und sich normalerweise nicht ändert.

• Mikrocontroller sind Low-Power-Chips. Ihre Leistung bei Batteriebetrieb beträgt etwa 50 mW. Desktop-Computer fast immer an eine Steckdose angeschlossen und verbraucht 50 Watt oder mehr.
• Der Mikrocontroller zeichnet sich durch einen dedizierten Eingangsblock und oft (aber nicht immer) eine kleine LED oder LCD für den Ausgang aus. Es akzeptiert Eingaben von dem Gerät, das es steuert, und sendet Signale an seine verschiedenen Komponenten. Beispielsweise empfängt ein TV-Mikrocontroller Signale von der Fernbedienung und zeigt die Ausgabe auf dem Fernsehbildschirm an. Es steuert die Kanalauswahl, die Lautsprecher und einige Bildeinstellungen wie Kontrast und Helligkeit. Automobil-Motorsteuerung akzeptiert Eingangssignale von Sauerstoff- und Klopfsensoren, regelt die Bildung des Kraftstoffgemischs und synchronisiert den Betrieb der Zündkerzen. In einem Mikrowellenofen akzeptiert es Eingaben von der Tastatur, zeigt die Ausgabe auf dem LCD an und steuert das Relais, um den Mikrowellengenerator ein- und auszuschalten.
• Mikrocontroller sind oft kleine und kostengünstige Geräte. Die Komponenten werden so ausgewählt, dass die Größe minimiert und die Produktionskosten so weit wie möglich gesenkt werden.
• Oft, aber nicht immer, arbeitet der Mikrocontroller unter ungünstigen Bedingungen. Beispielsweise muss das Motorsteuergerät eines Autos bei extremen Temperaturen arbeiten, bei denen ein herkömmlicher Computer überhaupt nicht funktionieren kann. Im Norden muss der Mikrocontroller des Fahrzeugs bei -34 °C arbeiten, im Süden bei 49 °C. Die Temperatur im Motorraum kann 65-80 °C erreichen. Andererseits muss der im Blu-ray-Player verbaute Mikrocontroller überhaupt nicht besonders robust sein.

CPU-Anforderungen

Die in Mikrocontrollern verwendeten Prozessoren können sehr unterschiedlich sein. Zum Beispiel im Handys verwendete den 8-Bit-Z-80-Mikroprozessor, der in den 1970er Jahren entwickelt und ursprünglich in Heimcomputern verwendet wurde. Der Garmin GPS-Navigator war mit einem Low-Power ausgestattet Intel-Version 80386, das ursprünglich auch in Desktop-PCs installiert war.

Die meisten Haushaltsgeräte wie z Mikrowellen, sind für Prozessoren anspruchslos, aber ihr Preis ist ein wichtiger Faktor. In diesen Fällen wenden sich die Hersteller spezialisierten Mikrocontrollern zu, die aus kostengünstigen, kleinen und stromsparenden CPUs entwickelt wurden. Motorola 6811 und Intel 8051 sind gute Beispiele solche Chips. Eine Reihe beliebter Microchip-Unternehmen wird ebenfalls produziert. Diese Prozessoren sind nach heutigen Maßstäben unglaublich minimalistisch, aber sie sind extrem billig und können oft die Bedürfnisse eines Designers befriedigen.

Wirtschaft

Ein typischer Mikrocontroller ist ein Chip mit 1000 Bytes ROM, 20 Bytes RAM und 8 I/O-Pins. Wenn sie in großen Mengen hergestellt werden, sind ihre Kosten niedrig. Natürlich laufen Microsoft Word auf einem solchen Chip ist unmöglich - dies erfordert mindestens 30 MB RAM und einen Prozessor, der Millionen von Operationen pro Sekunde ausführt. Dies ist jedoch nicht erforderlich, um den Mikrowellenherd zu steuern. Der Mikrocontroller führt eine bestimmte Aufgabe aus, und niedrige Kosten und Stromverbrauch sind seine Hauptvorteile.

Wie funktioniert es?

Trotz der großen Vielfalt an Mikrocontrollern und noch mehr Programmen für sie, wenn Sie gelernt haben, wie man mit einem von ihnen umgeht, können Sie jeden kennenlernen. Ein typisches Arbeitsszenario sieht so aus:

• Wenn das Gerät ausgeschaltet ist, zeigt sich das Gerät in keiner Weise.
• Das Anschließen des Mikrocontrollers an eine Stromquelle startet den Logikblock des Steuersystems, der alle anderen Schaltkreise mit Ausnahme des Quarzkristalls deaktiviert.
• Wenn die Spannung ihr Maximum erreicht, stabilisiert sich die Oszillatorfrequenz. Register werden mit Bits gefüllt, die den Zustand aller Mikrocontrollerschaltungen widerspiegeln. Alle Kontakte sind als Eingänge konfiguriert. Die Elektronik beginnt entsprechend der rhythmischen Abfolge von Taktimpulsen zu arbeiten.
• Der Befehlszähler wird zurückgesetzt. Der Befehl an dieser Adresse wird an den Befehlsdecoder gesendet, der ihn erkennt, woraufhin er sofort ausgeführt wird.
• Der Programmzähler wird um 1 erhöht und der gesamte Vorgang wird mit einer Rate von einer Million Operationen pro Sekunde wiederholt.

Um mit Mikrocontrollern wie Arduino oder Iskra JS und dergleichen zu arbeiten, benötigen wir zusätzliche Kenntnisse, die wir uns nach und nach aneignen werden.

Heute möchte ich über Mikrocontroller im Allgemeinen schreiben, um mein Wissen zu verbessern und gleichzeitig anderen davon zu erzählen.

Ein Mikrocontroller ist ein Mikroschaltkreis, der zur Steuerung elektronischer Geräte verwendet wird. In einem typischen Mikrocontroller gibt es Funktionen und Prozessor, und peripher Geräte, und enthält auch Rom und/oder Rom(permanenter Speicher). Kurz gesagt, ein Mikrocontroller ist ein Computer, der auf einem einzigen Chip arbeitet, der relativ einfache Operationen ausführen kann.

Mikrocontroller sind weit verbreitet in Informatik(Prozessoren, Motherboards, Laufwerkscontroller, HDD/FDD-Laufwerke), Unterhaltungselektronik ( Waschmaschinen, Mikrowellenherde, Telefone usw.), in der Industrie usw. Überlegen Sie, wie der Mikrocontroller angeschlossen und gesteuert wird, sowie andere damit verbundene Nuancen.

Anschließen des Mikrocontrollers

Das folgende Diagramm ist eine vereinfachte Version des Anschlusses des AVR-Mikrocontrollers. AVR ist eine Familie von 8-Bit-Mikrocontrollern von Atmel. Entwicklungsjahr - 1996.

Okay, wir müssen noch ein paar hinzufügen externe Elemente in das Schema.

Der Draht, der im Diagramm durch eine gepunktete Linie gekennzeichnet ist, muss nicht verwendet werden, wenn der Mikrocontroller von einer externen Quelle mit Strom versorgt wird.

Abschluss AREF als Eingang für die Referenzspannung des ADC verwendet - hier wird eine Spannung geliefert, relativ zu der der ADC berechnet wird. Es ist akzeptabel, eine interne 2,56-V-Referenzspannungsquelle oder die Spannung von AVCC zu verwenden.

ADC (Analog to Digital Converter) – ein elektronisches Gerät, das Spannung in einen binären Digitalcode umwandelt

Es wird empfohlen, einen Kondensator an den AREF-Pin anzuschließen, der die Qualität der ADC-Spannung erhöht und somit korrekte Messungen des ADC ermöglicht. Ein Kondensator und eine Drossel sind zwischen AVCC und GND installiert, und ein 100-nF-Keramikkondensator ist zwischen GND und VCC (näher an den Stromanschlüssen der Schaltung) installiert, um kurze Rauschimpulse zu glätten, die aus dem Betrieb der Mikroschaltung resultieren.

Außerdem ist zwischen GND und VCC ein weiterer 47-uF-Kondensator eingebaut, um mögliche Spannungsspitzen zu glätten.

Mikrocontroller-Steuerung

AVR-Mikrocontroller ausgestattet mit Harvard-Architektur. Jeder der Speicherbereiche befindet sich in seinem Adressraum. Die Datenspeicherung in den Steuerungen erfolgt über Register-, nichtflüchtige und wahlfreie Speicher.

Der Registerspeicher sorgt für das Vorhandensein von 32 Allzweckregistern, die in einer Datei zusammengefasst sind, sowie von Dienstregistern für Ein- und Ausgabe. Sowohl der erste als auch der zweite befinden sich im RAM-Bereich, sind aber nicht Teil davon.

IN RVV-Bereiche(Eingangs- und Ausgangsregister) gibt es verschiedene Dienstregister - Status, Mikrocontrollersteuerung usw. sowie Register, die für die Steuerung zuständig sind Peripheriegeräte die Teil des Mikrocontrollers sind. Tatsächlich ist die Verwaltung dieser Register das Steuerverfahren des Mikrocontrollers.

Geräte auf Mikrocontrollern

AVR-Mikrocontroller sind einfach zu bedienen, haben einen geringen Stromverbrauch und hohes Niveau Integration.

In der Regel können solche Mikrocontroller am ehesten eingesetzt werden verschiedene Geräte ah, einschließlich Allzwecksysteme, Beschallungssysteme, für LCD-Displays, Boards mit begrenztem Platz.

Sie werden auch für Batteriestandsmesser, Authentifizierung, Automobilelektronik, Kurzschluss- und Überhitzungsschutz usw. verwendet. Zusätzlich zu industriellen Zwecken können Mikrocontroller verwendet werden (und am häufigsten von Anfängern verwendet werden), um die folgenden Geräte zu erstellen:

• Temperaturschreiber auf Atmega168;
• Küchentimer auf Attiny2313;
• Thermometer;
• Industrienetzfrequenzmesser bei 50 Hz;
• LED-Bremslichtsteuerung auf Attiny2313;
• LED-Lampen und -Leuchten, die auf Temperatur oder Geräusche reagieren;
• Elektronische oder Berührungsschalter.

Beachten Sie, dass für verschiedene Geräte verwendet werden verschiedene Modelle Mikrocontroller. Daher eignen sich 32-Bit-AVR-UC3-Mikrocontroller (sowie XMEGA, megaAVR, tinyAVR usw.) für Allzwecksysteme mit PicoPower-, QTouch-, EEPROM-Technologien, Ereignisverarbeitungssystemen und Selbstprogrammierung.

Mikrocontroller für Einsteiger

Wenn Sie beispielsweise Mikrocontroller wie Arduino programmieren und auch Geräte zusammenbauen, die für ihre Anwesenheit in der Schaltung sorgen, müssen Sie einiges berücksichtigen Regeln und Richtlinien:

• Bevor Sie Probleme lösen, sollten Sie sie in kleinere bis hin zu grundlegenden Aktionen unterteilen.
• Zumindest in der Anfangsphase sollten Sie keine Codegeneratoren und andere "vereinfachende" Materialien verwenden.
• Es wird empfohlen, die Sprache C und Assembler zu lernen - dies erleichtert das Verständnis des Funktionsprinzips von Mikrocontrollern und Programmen.

Damit ein Anfänger mit Mikrocontrollern umgehen kann, empfiehlt sich das Studium der Grundstoffe. Zu diesen Büchern gehören: "Verwendung von AVR-Mikrocontrollern: Schaltungen, Programme und Algorithmen" Baranov V. N., 2006, "AVR-Mikrocontroller: ein Einführungskurs", J. Morton, 2008, "Programmieren von ATMEL-Mikrocontrollern in C" Prokopenko V. S., 2012.

Diese Bücher sind praktischer Leitfaden, die Aspekte und Grundlagen der digitalen Logik berührt, sowie Beispiele von Programmen für Mikrocontroller eingeschrieben C Sprache mit verschiedenen Schaltungssimulatoren, Compilern und Umgebungen.

Mikrocontroller ist eine integrierte Schaltung zur Steuerung verschiedener elektronischer Geräte oder ihrer einzelnen Funktionsblöcke. Die meisten Mikrocontroller kombinieren die Funktionen eines Prozessors und peripherer (passender) Geräte. Es enthält einen eingebauten nichtflüchtigen Speicher, der den Algorithmus (das Programm) seiner Operation speichert. Im Kern ist ein Mikrocontroller ein kleiner Computer, der einfache Aufgaben ausführen kann.

Die erste Idee zur Entwicklung eines Mikrocontrollers im Jahr 1971 wurde von Mitarbeitern des amerikanischen Elektronikunternehmens Texas Instruments vorgebracht. Sie schlugen vor, einen kleinen Computer auf einem Chip zusammenzubauen und dort einen Prozessor, Speicher und Eingabe- / Ausgabegeräte zu platzieren. Nach 5 Jahren wurde diese Idee vom allgegenwärtigen Intel aufgegriffen und der erste i8048-Mikrocontroller veröffentlicht.

Die Basis des Mikrocontrollers ist das sogenannte Rechenwerk. Vereinfacht gesagt handelt es sich hierbei um eine Art Rechenmodul, das das im Speicher abgelegte Programm abarbeitet. Das Programm ist in der Regel eingeschrieben einfache Sprache(Maschinencodesprache) und kann für jede Funktionalität umgeschrieben werden. Es kommt selten vor, dass das Programm im Mikroschaltkreis fest codiert ist und nicht geändert werden kann. Dies gilt hauptsächlich für eng fokussierte Mikrocontroller, die speziell zur Steuerung einiger einfacher Geräte wie Elektromotoren hergestellt werden.

Ein nichtflüchtiger Speicher befindet sich normalerweise innerhalb der Steuerung und dient zum Speichern des Programms. Einige Controller haben aufgrund eines ausreichend großen internen Speichers überhaupt keine Kontakte zum Anschließen eines externen Speichergeräts. Innere Erinnerung sehr oft in zwei Teile geteilt: Programmspeicher und Datenspeicher. Der erste enthält einen Funktionsalgorithmus (Programm) und der zweite enthält Daten, die von außen kommen. Bei einem ausreichend komplexen Algorithmus können mehrere aufgezeichnete Programme vorhanden sein.

Peripheriegeräte dienen dazu, die Recheneinheit mit der Außenwelt zu verbinden (ausführende Elemente elektronischer Geräte). Typische verwendete Peripheriegeräte sind universelle digitale Ports und E/A-Schnittstellen, Komparatoren, Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler, Motorsteuerungen, Pulsweitenmodulatoren, HF-Empfänger und -Sender. Je nach Funktionalität und Umfang des Mikrocontrollers können einige der oben genannten Geräte fehlen.

Ohne den Einsatz von Mikrocontrollern ist der Betrieb von Computer-Motherboards (Systemplatinen), den meisten elektrischen Haushaltsgeräten, industriellen Automatisierungsgeräten und Gerätesteuerungssystemen heute unmöglich. Übrigens, wenn Sie selbst ein elektronisches Gerät bauen oder ein industrielles Upgrade durchführen möchten, können Sie multifunktional verwenden