Что такое микроконтроллер и как он работает. Микроконтроллеры: основы, архитектура и применение

Что такое микроконтроллер и как он работает. Чем отличается от микропроцессора. Какие компоненты входят в состав микроконтроллера. Для чего используются микроконтроллеры в современной электронике. Какие преимущества дает применение микроконтроллеров.

Что такое микроконтроллер и зачем он нужен

Микроконтроллер (MCU) — это небольшая интегральная схема, содержащая процессор, память и программируемые входы/выходы. По сути, это миниатюрный компьютер на одном чипе. Микроконтроллеры предназначены для встраивания в различные электронные устройства для управления их работой.

Основные функции микроконтроллера:

• Выполнение вычислений и логических операций
• Управление работой устройства по заданному алгоритму
• Обработка сигналов с датчиков
• Формирование управляющих сигналов для исполнительных механизмов
• Обмен данными с другими устройствами

Микроконтроллеры позволяют создавать «умные» электронные устройства, способные гибко реагировать на внешние воздействия и выполнять сложные алгоритмы работы. Это делает их незаменимыми во многих областях современной электроники.

Архитектура и основные компоненты микроконтроллера

В состав типичного микроконтроллера входят следующие основные компоненты:

Центральный процессор (CPU)

Это «мозг» микроконтроллера, выполняющий все вычисления и управляющий работой остальных блоков. Обычно это простой RISC-процессор с сокращенным набором команд.

Память программ (Flash)

Энергонезависимая память для хранения программного кода. Объем от нескольких килобайт до сотен килобайт.

Оперативная память (RAM)

Используется для временного хранения данных и переменных при выполнении программы. Объем от сотен байт до десятков килобайт.

Энергонезависимая память данных (EEPROM)

Память для долговременного хранения настроек и других данных, которые должны сохраняться при отключении питания.

Порты ввода-вывода

Набор цифровых линий для подключения внешних устройств — датчиков, индикаторов, исполнительных механизмов и т.д.

Таймеры

Используются для отсчета временных интервалов, генерации ШИМ-сигналов и других задач, связанных со временем.

АЦП и ЦАП

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи для работы с аналоговыми сигналами.

Интерфейсы связи

UART, SPI, I2C и другие для обмена данными с внешними устройствами.

Системы тактирования и сброса

Обеспечивают формирование тактовых сигналов для работы процессора и корректный запуск микроконтроллера.

Чем микроконтроллер отличается от микропроцессора

Хотя микроконтроллер и микропроцессор имеют схожие функции, между ними есть ряд важных отличий:

• Микроконтроллер — это законченная система на одном чипе, включающая процессор, память и периферию. Микропроцессор — только вычислительное ядро, требующее внешних компонентов.
• Микроконтроллеры работают на более низких частотах (обычно до 200 МГц), микропроцессоры — на гигагерцовых частотах.
• Микроконтроллеры имеют встроенную Flash-память программ, микропроцессорам требуется внешняя память.
• Микроконтроллеры потребляют значительно меньше энергии.
• Микроконтроллеры дешевле и проще в применении для встраиваемых систем.

Таким образом, микроконтроллеры оптимальны для автономных встраиваемых систем, а микропроцессоры — для более мощных вычислительных устройств.

Области применения микроконтроллеров

Благодаря своей универсальности, компактности и низкой стоимости, микроконтроллеры нашли применение в самых разных областях:

• Бытовая техника (стиральные машины, микроволновые печи, кондиционеры)
• Автомобильная электроника (системы управления двигателем, климат-контроль)
• Промышленная автоматика
• Медицинское оборудование
• Измерительные приборы
• Системы «умного дома»
• Носимая электроника (фитнес-трекеры, умные часы)
• Игрушки и развлекательные устройства
• Телекоммуникационное оборудование

Фактически, сегодня микроконтроллеры можно встретить практически в любом электронном устройстве, от простейших игрушек до сложных промышленных систем управления.

Преимущества использования микроконтроллеров

Применение микроконтроллеров дает разработчикам электронных устройств ряд существенных преимуществ:

• Компактность и высокая степень интеграции. Вся система умещается в одном чипе.
• Низкое энергопотребление. Важно для автономных и мобильных устройств.
• Невысокая стоимость. Массовое производство делает микроконтроллеры доступными.
• Простота применения. Не требуется сложная обвязка.
• Надежность. Меньше компонентов — меньше отказов.
• Гибкость. Функциональность определяется программно.
• Быстрый вывод устройств на рынок. Сокращаются сроки разработки.

Все это делает микроконтроллеры оптимальным выбором для создания широкого спектра электронных устройств.

Программирование микроконтроллеров

Функциональность микроконтроллера определяется загруженной в него программой. Для разработки программ используются языки программирования низкого (ассемблер) и высокого (C, Basic) уровней.

Основные этапы создания программы для микроконтроллера:

1. Написание исходного кода на выбранном языке программирования
2. Компиляция кода в машинные инструкции
3. Отладка программы с помощью симулятора или отладочной платы
4. Загрузка скомпилированной программы в память микроконтроллера

Для программирования и отладки используются специальные программаторы и отладочные среды от производителей микроконтроллеров.

Выбор микроконтроллера для проекта

При выборе микроконтроллера для конкретного проекта следует учитывать следующие факторы:

• Требуемая производительность и объем памяти
• Необходимые периферийные устройства
• Энергопотребление
• Условия эксплуатации (температурный диапазон, влажность)
• Стоимость
• Доступность инструментов разработки
• Опыт работы с определенными семействами микроконтроллеров

Правильный выбор микроконтроллера позволяет оптимизировать характеристики устройства и сократить время разработки.

Что такое микроконтроллер? Определение характеристик и архитектуры.

Добавлено 17 сентября 2019 в 11:57

В данной статье мы сначала рассмотрим определяющие характеристики этих чрезвычайно популярных микросхем, а затем их внутреннюю архитектуру.

Что такое микроконтроллер? Определение характеристик и архитектуры.

Если бы мне пришлось выбрать один навык, который был бы наиболее ценным дополнением к набору навыков любого инженера, это, несомненно, было бы умение разработки схем на основе микроконтроллеров.

Микроконтроллер сыграл фундаментальную, я бы даже сказал, доминирующую роль в технологической революции, которая сформировала современную жизнь. Микроконтроллеры – это небольшие недорогие универсальные устройства, которые могут быть успешно внедрены и запрограммированы не только опытными инженерами-электронщиками, но и любителями, студентами и специалистами из других областей.

Список возможных применений микроконтроллеров настолько велик, что я не решаюсь даже привести примеры. Недорогие носимые устройства, медицинское оборудование, высококачественная потребительская электроника, надежные промышленные устройства, современные военные и аэрокосмические системы – эти адаптируемые, доступные по цене и удобные для пользователя компоненты являются желанным дополнением практически к любому электронному продукту.

Генератор сигналов произвольной формы, разработанный на 8-разрядном микроконтроллере.

В данной статье мы рассмотрим определение микроконтроллера, и зачем он нужен в проекте.

Что такое микроконтроллер?

Микроконтроллер – это устройство на интегральной микросхеме (ИМС), используемое для управления другими частями электронной системы, обычно через микропроцессорное устройство, память и несколько периферийных устройств. Эти устройства оптимизированы для встраиваемых приложений, которые требуют как возможностей обработки, так и гибкого, быстрого взаимодействия с цифровыми, аналоговыми или электромеханическими компонентами.

Наиболее распространенным способом обозначения этой категории интегральных микросхем является «микроконтроллер», но взаимозаменяемо также используется аббревиатура «MCU», так как расшифровывается «microcontroller unit». Также иногда вы можете увидеть «µC» (где греческая буква мю заменяет приставку «микро»).

«Микроконтроллер» является удачно выбранным названием, поскольку оно подчеркивает определяющие характеристики этой категории продуктов. Приставка «микро» подразумевает малые размеры, а термин «контроллер» здесь подразумевает расширенную способность выполнять функции управления. Как указано выше, эта функциональность является результатом объединения цифрового процессора и цифровой памяти с дополнительным аппаратным обеспечением, которое разработано специально, чтобы помочь микроконтроллеру взаимодействовать с другими компонентами.

Микроконтроллеры и микропроцессоры

Иногда при обращении к микроконтроллеру люди используют термин «микропроцессор», но эти два устройства необязательно идентичны. И микропроцессоры, и микроконтроллеры работают как небольшие, высокоинтегрированные вычислительные системы, но они могут служить различным целям.

Термин «процессор» используется для идентификации системы, которая состоит из центрального процессора и (необязательно) некоторой памяти. Микропроцессор – это устройство, которое реализует все функциональные возможности процессора в одной интегральной микросхеме. Микроконтроллеры, для сравнения, придают большее значение дополнительным аппаратным модулям, которые позволяют устройству управлять системой, а не просто выполнять инструкции и хранить данные.

Ниже приведена диаграмма, которая иллюстрирует эту концепцию.

Диаграмма, поясняющая различие между понятиями «микроконтроллер» и «микропроцессор»

В общем, взаимозаменяемое использование терминов «микропроцессор» и «микроконтроллер» не является большой проблемой, когда мы говорим неформально и стараемся не повторять одно и то же слово снова и снова. Однако в контексте технического обсуждения важно сохранить различие между этими двумя понятиями.

Микроконтроллеры и цифровые сигнальные процессоры (DSP)

Цифровой сигнальный процессор (или DSP) – это микропроцессор, оптимизированный для сложных вычислительных задач, таких как цифровая фильтрация, математический анализ сигналов в реальном времени и сжатие данных. Очень сложный микроконтроллер может быть в состоянии заменить цифровой сигнальный процессор, но он всё еще считается микроконтроллером, если значительная часть его внутренней схемы предназначена для управления, мониторинга и связи с окружающей системой.

Основные узлы микроконтроллера

Микроконтроллер состоит из центрального процессора (ЦП, CPU), энергонезависимой памяти, энергозависимой памяти, периферийных устройств и вспомогательных цепей.

Центральный процессор (CPU)

Центральный процессор выполняет арифметические операции, управляет потоком данных и генерирует управляющие сигналы в соответствии с последовательностью инструкции, созданных программистом. Эта чрезвычайно сложная схема, необходимая для функциональности процессора, разработчику не видна. Фактически, благодаря интегрированным средам разработки и языкам высокого уровня, таким как C, написание кода для микроконтроллеров часто является довольно простой задачей.

Память

Энергонезависимая память используется для хранения программы микроконтроллера, то есть (часто очень длинного) списка инструкций машинного языка, которые точно указывают процессору, что делать. Обычно вместо «энергонезависимой памяти» вы будете видеть слово «flash» («флеш»), которое относится к определенному типу энергонезависимого хранилища данных.

Энергозависимая память (то есть ОЗУ, RAM) используется для временного хранения данных. Эти данные теряются, когда микроконтроллер теряет питание. Внутренние регистры также обеспечивают временное хранение данных, но мы не рассматриваем их как отдельный функциональный блок, поскольку они интегрированы в центральный процессор.

Периферийные устройства

Мы используем слово «периферия» для описания аппаратных модулей, которые помогают микроконтроллеру взаимодействовать с внешней системой. Следующие пункты описывают различные категории периферийных устройств и приводят их примеры.

• Преобразователи данных: аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, генератор опорного напряжения. Данный график демонстрирует данные трехосевого акселерометра, оцифрованные с помощью встроенного АЦП микроконтроллера
• Генерирование тактовых сигналов: внутренний генератор, схема на кварцевом резонаторе, петля фазовой автоподстройки частоты.
• Расчет времени: таймер общего назначения, часы реального времени, счетчик внешних событий, широтно-импульсная модуляция.
• Обработка аналоговых сигналов: операционный усилитель, аналоговый компаратор.
• Ввод/вывод: цифровые входные и выходные цепи общего назначения, параллельный интерфейс памяти.
• Последовательная связь: UART, SPI, I2C, USB

Вспомогательные цепи

Микроконтроллеры включают в себя множество функциональных блоков, которые не могут быть классифицированы как периферийные устройства, поскольку их основная цель не состоит в управлении, мониторинге или обмене данными с внешними устройствами. Тем не менее, они очень важны – они поддерживают внутреннюю работу устройства, упрощают реализацию и улучшают процесс разработки.

• Схема отладки позволяет разработчику тщательно контролировать микроконтроллер во время выполнения инструкций. Это важный, а иногда и необходимый метод отслеживания ошибок и оптимизации производительности прошивки.
• Прерывания являются чрезвычайно ценным видом работы микроконтроллера. Прерывания генерируются внешними или внутренними аппаратными событиями и заставляют процессор немедленно реагировать на эти события, выполняя определенную группу инструкций. Программы микроконтроллера, написанные на C, организованы в функции. Прерывание заставляет выполнение программы «переходить» в процедуру обработки прерывания (ISR), и после того, как ISR завершил выполнение своих задач, процессор возвращается к функции, которая выполнялась, когда произошло прерывание.
• Модуль генерирования тактового сигнала можно считать периферийным устройством, если он предназначен для генерирования сигналов, которые будут использоваться вне микросхемы. Но во многих случаях основная цель внутреннего генератора микроконтроллера состоит в том, чтобы предоставить тактовый сигнал для центрального процессора и периферийных устройств. Внутренние генераторы часто имеют низкую точность, но в приложениях, которые могут допускать эту низкую точность, они являются удобным и эффективными способом упростить конструкцию и сэкономить место на плате.
• Микроконтроллеры могут включать в себя различные типы схем электропитания. Интегрированные стабилизаторы напряжения позволяют в самой микросхеме генерировать необходимое напряжение питания, модули управления питанием могут использоваться для значительного снижения потребления тока устройством в неактивных состояниях, а модули супервизора могут переводить процессор в состояние сброса, когда напряжение питания недостаточно высоко, чтобы обеспечить надежную работу.

Следующие статьи

В данной статье мы определили микроконтроллер как устройство, которое состоит из небольшого, эффективного процессорного ядра, объединенного с памятью программ, памятью данных, периферийными устройствами и различными типами схем поддержки и отладки.

В следующей статье этой серии «Введение в микроконтроллеры» мы расскажем, как правильно выбрать микроконтроллер. Затем мы перейдем к чтению технического описания на микроконтроллер.

Оригинал статьи:

• Robert Keim. What Is a Microcontroller? The Defining Characteristics and Architecture of a Common Component

Теги

MCUВстраиваемые системыМикроконтроллерМикропроцессорПроектирование встраиваемых систем

Оглавление

Вперед

Микроконтроллеры AVR для начинающих — 1

Микроконтроллеры (далее МК) прочно вошли в нашу жизнь, на просторах интернета можно встретить очень много интересных схем, которые исполнены на МК. Чего только нельзя собрать на МК: различные индикаторы, вольтметры, приборы для дома (устройства защиты, коммутации, термометры…), металлоискатели, разные игрушки, роботы и т.д. перечислять можно очень долго. Первую схему на микроконтроллере я увидел лет 5-6 назад в журнале радио, и практически сразу же перелистнул страницу, подумав про себя «все равно не смогу собрать». Действительно, в то время МК для меня были чем то очень сложным и непонятым устройством, я не представлял как они работают, как их прошивать, и что делать с ними в случае неправильной прошивки.

Но около года назад, я впервые собрал свою первую схему на МК, это была схема цифрового вольтметра на 7 сегментных индикаторах, и микроконтроллере ATmega8. Так получилось, что микроконтроллер я купил случайно, когда стоял в отделе радиодеталей, парень передо мной покупал МК, и я тоже решил купить, и попробовать собрать что-нибудь. В своих статьях я расскажу вам про микроконтроллеры AVR фирмы ATMEL, научу вас работать с ними, рассмотрим программы для прошивки, изготовим простой и надежный программатор, рассмотрим процесс прошивки и самое главное проблемы, которые могут возникнуть и не только у новичков.

Основные параметры некоторых микроконтроллеров семейства AVR:

Микроконтроллер	Память FLASH	Память ОЗУ	Память EEPROM	Порты ввода/вывода	U питания	Частота
ATmega48	4	512	256	23	2,7-5,5	0-10-20
ATmega48V	4	512	256	23	1,8-4,8-5,5	0-4-10
ATmega8515	8	512	512	35	4,5-5,5	0-16
ATmega8515L	8	512	512	35	2,7-5,5	0-8
ATmega8535	8	512	512	32	4,5-5,5	0-16
ATmega8535L	8	512	512	32	2,7-5,5	0-8
ATmega8	8	1K	512	23	4,5-5,5	0-16
ATmega8L	8	1K	512	23	2,7-5,5	0-8
ATmega88	8	1K	512	23	2,7-5,5	0-10-20
ATmega88V	8	1K	512	23	4,5-5,5	0-4-10
ATmega16	16	1K	512	32	4,5-5,5	0-16
ATmega16L	16	1K	512	32	2,7-5,5	0-8
ATmega32	32	2K	1K	32	4,0-5,5	0-16
ATmega32L	32	2K	1K	32	2,7-5,5	0-8

Дополнительные параметры МК AVR mega:

Рабочая температура:  -55…+125*С
Температура хранения:  -65…+150*С
Напряжение на выводе RESET относительно GND: max 13В
Максимальное напряжение питания: 6. 0В
Максимальный ток линии ввода/вывода: 40мА
Максимальный ток по линии питания VCC и GND: 200мА

Расположение выводов моделей ATmega 8X

Расположение выводов моделей ATmega48x, 88x, 168x

Расположение выводов у моделей ATmega8515x

Расположение выводов у моделей ATmega8535x

Расположение выводов у моделей ATmega16, 32x

Расположение выводов у моделей ATtiny2313

В конце статьи прикреплён архив с даташитами на некоторые микроконтроллеры

Установочные FUSE биты MK AVR 

BODEN	BODLEVEL	BOOTRST	BOOTSZ0	BOOTSZ1	CKSEL0	CKSEL1	SPIEN
CKSEL2	CKSEL3	EESAVE	FSTRT	INCAP	RCEN	RSTDISBL	SUT0
SUT1

Запомните, запрограммированный фьюз – это 0, не запрограммированный – 1.  Осторожно  стоит относиться к выставлению фьюзов, ошибочно запрограммированный фьюз может заблокировать микроконтроллер. Если вы не уверены какой именно фьюз нужно запрограммировать, лучше на первый раз прошейте МК без фьюзов.

Самыми популярными микроконтроллерами у радиолюбителей являются ATmega8, затем идут ATmega48, 16, 32, ATtiny2313 и другие. Микроконтроллеры продаются в TQFP корпусах и DIP, новичкам рекомендую покупать в DIP. Если купите TQFP, будет проблематичнее их прошить, придется купить или изготовить переходник и паять плату т.к. у них ножки располагаются очень близко друг от друга. Советую микроконтроллеры в DIP корпусах, ставить на специальные панельки, это удобно и практично, не придется выпаивать МК если приспичит перепрошить, или использовать его для другой конструкции.

Почти все современные МК имеют возможность внутрисхемного программирования ISP, т.е. если ваш микроконтроллер запаян на плату,  то для того чтобы сменить прошивку нам не придется выпаивать его с платы.

Для программирования используется 6 выводов:
RESET — Вход МК
VCC — Плюс питания, 3-5В, зависит от МК
GND — Общий провод, минус питания.
MOSI — Вход МК (информационный сигнал в МК)
MISO — Выход МК (информационный сигнал из МК)
SCK — Вход МК (тактовый сигнал в МК)

Иногда еще используют вывода XTAL 1 и XTAL2, на эти вывода цепляется кварц, если МК будет работать от внешнего генератора, в ATmega 64 и 128 вывода MOSI и MISO не применяются для ISP программирования, вместо них вывода MOSI подключают к ножке PE0, a MISO к PE1.  При соединении микроконтроллера с программатором, соединяющие провода должны быть как можно короче, а кабель идущий от программатора на порт LPT так-же не должен быть слишком длинным.

В маркировке микроконтроллера могут присутствовать непонятные буквы с цифрами, например Atmega 8L 16PU, 8 16AU, 8A PU и пр. Буква L означает, что МК работает от более низкого напряжения, чем МК без буквы L, обычно это 2. 7В. Цифры после дефиса или пробела 16PU или 8AU говорят о внутренней частоте генератора, который есть в МК. Если фьюзы выставлены на работу от внешнего кварца, кварц должен быть установлен на частоту, не превышающей максимальную по даташиту, это 20МГц для ATmega48/88/168, и 16МГц для остальных атмег.

Первые цифры в названии микроконтроллера обозначают объем FLASH ПЗУ в килобайтах, например ATtiny15 – 1 Кб, ATtiny26 – 2 Кб, AT90S4414 – 4 Кб, Atmega8535 – 8 Кб, ATmega162 – 16Кб, ATmega32 – 32 Кб, ATmega6450 – 64Кб, Atmega128 – 128Кб.

Иногда встречаются схемы, где применены микроконтроллеры с названиями типа AT90S… это старые модели микроконтроллеров, некоторые из них можно заменить на современные, например:

AT90S4433 – ATmega8
AT90S8515 – ATmega8515
AT90S8535 – ATmega8535
AT90S2313 – ATtiny2313
ATmega163 – ATmega16
ATmega161 – ATmega162
ATmega323 – ATmega32
ATmega103 – ATmega64/128

ATmega 8 имеет несколько выводов питания, цифровое – VCC, GND и аналоговое – AVCC, GND. В стандартном включении обе пары выводов соединяют параллельно, т.е. вместе. Микроконтроллеры AVR не любят повышенного напряжения, если питание выше 6 вольт, то они могут выйти из строя. Я обычно применяю маломощный стабилизатор напряжения на 5 вольт, КР142ЕН5 или 78L05. Если напряжение питания слишком низкое, то МК не прошьется, программа будет ругаться и выдавать ошибки (к примеру -24 в PonyProg).

На этом закончим, пока можете выбрать в интернете понравившуюся схему и изучить ее, можете заодно сходить и купить нужный микроконтроллер. В следующих частях статьи мы будем собирать простой и надежный программатор, познакомимся с программами для прошивания и попробуем прошить МК.

Даташит ATmega8
Даташит ATmega16
Даташит ATmega32
Даташит ATmega48/88/168
Даташит ATmega128
Даташит ATmega8515
Даташит ATmega8535
Даташит ATtiny2313

Теги:

• AVR
• Микроконтроллер

Основы микроконтроллера, работа и его приложения

Носимые устройства и десятки приложений реального времени используют микроконтроллер , отличный от микропроцессора, для основной конструкции всего продукта. И в наши дни почти каждое электронное устройство поставляется с микроконтроллером.

Большинство встроенных приложений используют микроконтроллер (MCU) для выполнения вычислительных операций и логических функций.

В этой статье рассматриваются основы микроконтроллера вместе с его работой, приложениями, преимуществами и недостатками.

Что такое микроконтроллер?

Микроконтроллер (MCU), как следует из названия, представляет собой крошечное устройство, которое выполняет определенные задачи, назначенные пользователем. Задачи могут быть связаны с обычными вычислениями, такими как сложение, вычитание, деление и математика с плавающей запятой.

Кроме этого, микроконтроллер управляет, обрабатывает и хранит информацию в памяти. Объем памяти различается для разных семейств микроконтроллеров.

В некоторых случаях их часто называют « Встроенный микрокомпьютер ». Строительными блоками микроконтроллера являются процессор, память и периферийные устройства.

Давайте обсудим немного подробнее.

Архитектура

Вот взгляд изнутри на архитектуру микроконтроллера.

Он состоит из вспомогательного оборудования, такого как ЦП (центральный процессор), часы, кварцевый генератор, память и аппаратные периферийные устройства, подключенные внутри.

• ЦП

В основном ЦП является центральной частью микроконтроллера. Это мозг, который следует за действием, заданным пользователем. ЦП извлекает инструкцию из памяти (ПЗУ), декодирует ее и выполняет. Этот метод известен как конвейерная обработка . Конвейерная обработка осуществляется с помощью шины данных и адресной шины.

Процессор выполняет инструкции со скоростью мегагерц (МГц) или гигагерц (ГГц).

• Часы

MCU требует, чтобы часы выполняли любую задачу. Чтобы обеспечить синхронизацию микроконтроллера, к центральному процессору подключается кварцевый генератор.

Выбор кристалла определяет скорость, с которой должен работать микроконтроллер. Частотный диапазон кварцевого генератора обычно находится в диапазоне МГц.

• Регистры

Регистр — элемент, хранящий данные. Он хранит двоичное слово длиной 8 бит. Микроконтроллеры оснащены различными регистрами общего и периферийного назначения. Регистры общего назначения включают счетчик программ (ПК) и указатель стека для хранения данных и инструкций. Принимая во внимание, что периферийные регистры полезны для настройки оборудования в микроконтроллере.

• Порты ввода-вывода
  

Порты ввода-вывода обычно называются портами GPIO (ввод-вывод общего назначения). Это означает, что эти порты могут использоваться либо как входные, либо как выходные. Некоторые микроконтроллеры поддерживают альтернативный GPIO. Их можно использовать для нескольких функций.

Они необходимы для подключения внешних устройств, таких как интерфейсы дисплея (светодиодный, ЖК-дисплей и сенсорный экран), двигателей и т. д. Порты ввода-вывода также используются для измерения входных сигналов и переключения.

• Память
  

Как известно, память бывает двух видов (RAM и ROM).

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) предназначено для временного хранения данных, а ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) предназначено для постоянного хранения.

Для хранения данных в микроконтроллере архитектура процессора делится на гарвардскую и фон-неймановскую. У Гарварда есть отдельные шины памяти (адресная шина и шина данных) для хранения инструкций и данных, тогда как фон-Нейман имеет общую память как для инструкций, так и для данных.

• Таймеры
  

Таймеры являются наиболее инновационными периферийными устройствами, которые могут обеспечивать точную временную задержку. Он может повторять предварительно определенную задачу в известный период времени.

Некоторые из применений таймера включают управление двигателем, включение/выключение релейной цепи, GPS (система глобального позиционирования), управление бытовой техникой и т. д. события, происходящие за пределами MCU.

Счетчики применяются для измерения пульса, обнаружения объектов и т. д. Они используются для измерения частоты, для подсчета повышения или понижения температуры в микроволновых печах, для измерения установленного времени в стиральных машинах и электрических нагревателях.

• Последовательные интерфейсы
  

В электронике различные устройства взаимодействуют друг с другом с помощью последовательной связи. Для последовательной связи используются такие интерфейсы, как UART (универсальный асинхронный приемник-передатчик), I2C, SPI и т. д.

Кроме того, в новейших микроконтроллерах используются расширенные протоколы, такие как Ethernet, USB.

• Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
  

Датчики преобразуют физические параметры, такие как температура, влажность и давление, в аналоговые сигналы. АЦП преобразует этот аналоговый сигнал в цифровые байты. Аналоговые сигналы могут быть в форме напряжения, тока или сопротивления.

Он имеет внутренние часы, которые измеряют тактовые циклы, поступающие от MCU, и производят выборку с помощью собственных часов. Количество тактовых циклов представляет собой цифровое представление аналогового напряжения.

• Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

ЦАП (цифро-аналоговое преобразование) является противоположностью АЦП. ЦАП преобразует цифровые данные в аналоговую форму напряжения. Некоторые приложения ЦАП включают цифровую обработку сигналов, управление двигателем, музыкальные проигрыватели, цифровой потенциометр и т. д.

• Прерывания

Прерывание — это событие, которое используется для выполнения более чем одной задачи. Когда вызывается прерывание, микроконтроллер останавливает текущее выполнение (первая задача) и выполняет другие задачи (вторая задача). После выполнения второй задачи он возвращается к первой задаче и выполняет обычные операции.

Микропроцессор и микроконтроллер

В некоторых сценариях термин микропроцессор или микроконтроллер может сбивать с толку. Но оба они имеют схожие функции с дополнительными функциями для микропроцессора.

Некоторые производители определяют термин микропроцессор, отличный от микроконтроллера. Но это может быть не так во всех случаях. Чтобы оправдать это здесь, разница между микроконтроллером и микропроцессором.

Микроконтроллер	Микропроцессор
В нем используется крошечный микропроцессор, работающий на более низкой частоте	В нем используется центральный процессор общего назначения (ЦП), который работает на более высокой частоте
Низкая скорость работы	Быстрая работа.
Вся периферия (таймер, счетчик, rtc) присутствует внутри.	Некоторые компоненты находятся за пределами микропроцессора.
Поддерживает логические операции	Булевы функции не поддерживаются.
Для доступа к регистрам ЦП требуется меньше времени	Для доступа к регистрам ЦП требуется больше времени.
В основном используется в приложениях реального времени	Используется в персональных настольных компьютерах и ноутбуках.
Поддерживает RTOS (операционная система реального времени)	Поддерживает RTOS и сервисы на базе ядра.
Примеры: 8051, PIC, MSP430, Renesas, микроконтроллер STM и т. д.	Примеры: X86, Motorola, Broadcom, Pentium и т. д.
Подходит для выполнения побитовых операций	Не поддерживает все типы побитовых операций
Конструкция аппаратного обеспечения меньше	Сложность аппаратного обеспечения утомительна.
Не всегда поддерживает многозадачность	Лучше всего подходит для многозадачности
Дешевле	Высокая стоимость

Как это работает?

При включении питания кварцевый генератор запускает тактовые импульсы и генерирует частоту. Через некоторое время осциллятор стабилизируется.

Теперь микроконтроллер начинает свою работу от счетчика программ (ПК). Адрес программного счетчика хранится в ПЗУ. ПК сохраняет адрес следующей команды, которая должна быть выполнена. Он выполняет инструкции со стартового адреса (0x00) счетчика программ. Этот адрес отправляется декодеру инструкций, который понимает и выполняет инструкции.

Преимущества

Основным преимуществом микроконтроллера является меньшая стоимость и размер. Интерфейс периферийных устройств упрощается благодаря портам ввода/вывода. И скорость выполнения выше с точки зрения скорости и памяти.

Чтобы использовать микроконтроллер в вашем приложении, кроме процессора, вот ключевые преимущества.

1. Идеально подходит для специальных приложений.
2. Жесткий по своей природе (т. е. программируемый один раз)
3. Время разработки приложения становится проще.
4. Практические наблюдения можно проводить с помощью симулятора и эмулятора.
5. Простота проектирования и развертывания.

Недостатки

Самое нежелательное при работе с микроконтроллерами, они не выдерживают высокого напряжения. Основным недостатком микроконтроллера является сложность его архитектуры.

Помимо вышеперечисленного, они имеют ограниченный объем оперативной памяти и не подходят для одновременного выполнения параллельных задач.

Приложения

Существует множество применений микроконтроллера. Но вот некоторые из них.

• Функция ШИМ (широтно-импульсная модуляция) в микроконтроллере позволяет управлять двигателями постоянного тока.
• Используется в телекоммуникациях, бытовой электронике, испытательных стендах, интеллектуальных счетчиках электроэнергии, медицинской электронике, оборонной и аэрокосмической промышленности и т. д.
• Устройства человеко-машинного интерфейса.
• Бытовая техника и освещение.
• Автомобильная электроника для электроусилителя руля, торможения и т. д.
• Сенсорные решения.
• На железных дорогах для сигнализации, управления дверями, приведения в движение и торможения.
• Используется в промышленном управлении для автоматизации, ПЛК (программируемые логические контроллеры), контроллерах движения и т. д.
• Системы управления батареями для контроля уровня мощности и токов.
• Используются в альтернативной энергетике (солнечная, ветровая и т.д.) и на транспорте (подъемники и краны).
• Робототехника (для автоматизации)

Заключительные слова

Микроконтроллер сократил человеческие усилия, выполняя повторяющиеся операции.

Если вы хотите внедрить проекты микроконтроллеров для встраиваемых устройств, вы должны понимать архитектуру микроконтроллера.

Вы когда-нибудь хотели работать с микроконтроллером для решения сложных задач? Поделитесь своими мыслями в комментариях ниже.

[no_toc]

Как работают микроконтроллеры — IntervalZero

16 августа 2018 г.

Микроконтроллеры встроены в устройства для управления действиями и функциями продукта. Следовательно, их также можно назвать встроенными контроллерами. Они запускают одну конкретную программу и предназначены для одной задачи. Это маломощные устройства с выделенными входными устройствами и небольшими светодиодными или ЖК-дисплеями. Микроконтроллеры могут принимать входные данные от устройства, которым они управляют, и сохранять контроль, отправляя сигналы устройства в разные части устройства. Хорошим примером является микроконтроллер телевизора. Он принимает входные данные с пульта дистанционного управления и выводит их на экран телевизора.

Загрузить историю успеха клиентов

Как и традиционные компьютеры, микроконтроллеры используют различные функции для выполнения своей работы. Эти функции включают в себя:

ОЗУ

ОЗУ используется для хранения данных, а также других результатов, которые создаются, когда микроконтроллер работает. Однако он не хранит данные постоянно, и его память теряется при отключении питания микроконтроллера. В оперативной памяти находится регистр специальных функций (SFR). Это предварительно сконфигурированная память, предлагаемая производителем микроконтроллера. Он управляет тем, как ведут себя определенные схемы, такие как последовательная связь и аналого-цифровой преобразователь.

ПЗУ

Специальные задачи, которые микроконтроллеры выполняют в виде программ, сохраняются в ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) и никогда не изменяются. ПЗУ позволяет микроконтроллерам знать, что определенные действия должны вызывать определенные ответы. Например, ПЗУ позволяет микроконтроллеру телевизора знать, что нажатие кнопки канала должно изменить изображение на экране. Размер программы, хранящейся в ПЗУ, зависит от размера ПЗУ. Некоторые микроконтроллеры допускают добавление ПЗУ в виде внешних микросхем, в то время как другие поставляются со встроенным ПЗУ.

Загрузить технический документ

Счетчик программ

Счетчик программ позволяет миникомпьютеру выполнять программы на основе ряда различных запрограммированных инструкций.