Что такое микроконтроллер? Определение характеристик и архитектуры.
В данной статье мы сначала рассмотрим определяющие характеристики этих чрезвычайно популярных микросхем, а затем их внутреннюю архитектуру.
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.
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.
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.