Микроконтроллер

Плата с микроконтроллером AT89C2051

Микроконтроллер ( англ. microcontroller ), Или однокристальная микроЭВМ - выполнена в виде микросхемы специализированная микропроцессорная система, включающая микропроцессор, блоки памяти для сохранения кода программ и данных, порты ввода-вывода и блоки со специальными функциями ( счетчики, компараторы, АЦП и другие).

Используется для управления электронными устройствами. По сути, это - однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы значительно снижает размеры, энергопотребления и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Микроконтроллеры можно встретить во многих современных приборах, таких как телефоны, стиральные машины, они отвечают за работу двигателей и систем торможения современных автомобилей, с их помощью создаются системы контроля и системы сбора информации. Подавляющее большинство процессоров, выпускаемых в мире - микроконтроллеры.


1. История

Первый контроллер был разработан в 1971 году инженером англ. Gary W. Boone , Сотрудником "Texas Instruments". В 1980 году фирма Intel выпускает микроконтроллер "i8048". Чуть позже в этом же 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 был для своего времени очень сложным изделием - в кристалле было использовано 128 000 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 большого количества микроконтроллеров других типов. Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC от фирмы "Microchip Technology" и "AVR" от фирмы "Atmel".


2. Описание

Блок-схема микроконтроллера i8051

При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для различных применений 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.

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 приложений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время, есть микроконтроллеры, с большими вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры.

Ограничения по цене и энергопотреблением 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 напряжение питания. Во многих моделях микроконтроллеров используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это дает 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.

Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешевые типы памяти допускают только однократную запись. Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров могут многократной перезаписи энергонезависимой памяти. В отличие от процессоров общего назначения, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура.


2.1. Периферия

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


2.2. Программирование

Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на ассемблере или Си, хотя существуют компиляторы для других языков, используются также встроенные интерпретаторы Бейсика и Форта. Для отладки программ используются программные симуляторы (специальные программы для персональных компьютеров, имитирующие работу микроконтроллера), внутрисхемного эмуляторы (электронные устройства, имитирующие микроконтроллер, которые можно подключить вместо него к встроенному устройства разрабатывается) и интерфейс JTAG.


3. Архитектуры микроконтроллеров

По состоянию на 2011 год несколько архитектур микроконтроллеров:

  • Altera 16 бит soft microprocessor: Nios
  • Altera 32-бита soft microprocessor: Nios II
  • ARM (32-бита)
  • Atmel 4 бит: MARC4
  • Atmel 8-бит RISC : AVR
  • Atmel 32-бита RISC : AVR32
  • Cypress 8 bit: M8C (используется в системах PSoC (программируемая система на кристалле)
  • Digi International 8 бит: Rabbit 2000, Rabbit 3000, Rabbit 4000, Rabbit 5000
  • Digi International 8/32-биты: Rabbit 6000
  • Freescale 8 бит: HC05 (устаревшее), HC11 (устаревшее), S08, RS08, HC08
  • Freescale 16 бит: HC12 (устаревшее), S12, HCS12 и S12X, HC16
  • Freescale 16 бит цифровые сигнальные контроллеры: MC56F, DSP56F
  • Freescale 32-бита: Coldfire
  • Intel 8-бит: 8051
  • Infineon 8 бит: XC800
  • Infineon 16 бит: C166, C167, XC16x, XE166, XC2000
  • Infineon 32-бита: TriCore
  • Lattice Semiconductor 8 бит soft microprocessor: Mico8
  • Lattice Semiconductor 32-бита soft microprocessor: Mico32
  • Maxim 16-бит RISC : MAXQ
  • Microchip 8-бит: PIC10, PIC12, PIC16, PIC18
  • Microchip 16-бит: PIC24F, PIC24H
  • Microchip 16-бит цифровые сигнальные контроллеры: dsPIC30F, dsPIC33F
  • MIPS (32-бит, 64-бит)
  • Parallax 8 бит: SX
  • Parallax 32-бит 8 ядер: Propeller
  • PowerPC ISA (32 бит, 64-бит)
  • Renesas 8 бит: 78K
  • Renesas 16 бит: 78K, R8C, M16C
  • Renesas 32-бита: SuperH, RX, V850
  • STMicroelectronics 8 бит: ST6, ST7, STM8
  • STMicroelectronics 16 бит: ST10
  • Texas Instruments 16-бит RISC : MSP430
  • Texas Instruments 32-бита цифровые сигнальные контроллеры: C2000
  • Toshiba 8 бит: TLCS-870 / C, TLCS-870 / X
  • Toshiba 32-бита: TLCS-900
  • Toshiba 32-бита RISC : TX19A, TX19A/H1
  • Xilinx 8 бит soft microprocessor: Picoblaze
  • Xilinx 32-бита soft microprocessor: Microblaze
  • Zilog 8 бит: eZ8, eZ80
  • Zilog 16 бит: ZNEO

Приведенные только уникальные архитектуры микроконтроллеров. Микроконтроллеры на базе стандартных индустриальных архитектур (таких, как Intel MCS-51, ARM, MIPS, PowerPC ISA) выпускаются многими фирмами.


4. Смотри также