Микроконтроллеры - это что такое?

В наши дни микроконтроллеры можно встретить практически в каждом экземпляре бытовой техники и электроники. Например, если в микроволновой печи есть светодиодный или ЖК-экран и клавиатура, то она обязательно оборудована специальной управляющей микросхемой.

Многообразие применений

Все современные автомобили содержат по крайней мере один микроконтроллер и могут быть оборудованными несколькими для двигателя, антиблокировочной системы, круиз-контроля и т. д. Любое устройство с ПДУ почти наверняка имеет управление микроконтроллером. В эту категорию попадают телевизоры, плееры и высококачественные стереосистемы. Цифровые компактные и зеркальные камеры, сотовые телефоны, видеокамеры, автоответчики, лазерные принтеры, стационарные телефоны с возможностью идентификации вызывающего абонента и памятью на 20 номеров, многофункциональные холодильники, посудомоечные и стиральные машины, сушилки. В принципе, любая бытовая техника или устройство, которое взаимодействует с пользователем, имеет встроенный микроконтроллер.

Что это такое?

Микроконтроллер – это компьютер. Все компьютеры, независимо от того, являются ли они персональными или большими мэйнфреймами, обладают некоторыми общими чертами. У них есть центральный процессор (ЦПУ), который выполняет программы, загружая команды из какого-либо хранилища данных. На ПК, например, это жесткий диск. Компьютер также оборудован оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). Для коммуникации с внешним миром должны предусматриваться специальные средства. На ПК клавиатура и мышь являются устройствами ввода информации, а монитор и принтер используются для ее вывода. Жесткий диск объединяет в себе обе эти функциональные возможности, поскольку работает как с входными, так и выходными данными.

ЦПУ

Тип используемого в микроконтроллере процессора зависит от конкретного приложения. Доступны варианты от простых 4-, 8- или 16-разрядных до более сложных 32- или 64-битных. Что касается памяти, то могут использоваться ОЗУ, флэш-память, EPROM или EEPROM. Как правило, микроконтроллеры рассчитаны на использование без дополнительных вычислительных компонентов, поскольку они спроектированы с достаточным объемом встроенной памяти, а также имеют контакты для общих операций ввода-вывода, чтобы напрямую взаимодействовать с датчиками и другими компонентами.

Архитектура ЦПУ может быть как гарвардской, так и фон-неймановской, предлагая различные методы обмена информацией между процессором и памятью. В первом случае шины данных и команд разделены, что позволяет осуществлять одновременную их передачу. В архитектуре фон Неймана для этого используется общая.

Программирование

Процессоры микроконтроллеров могут базироваться на расширенном (CISC) или сокращенном наборе команд (RISC). CISC обычно включает около 80 инструкций (RISC – около 30), а также большее число режимов адресации – 12–24 по сравнению с 3–5 у RISC. Хотя расширенный набор команд проще реализовать и он эффективнее использует память, его производительность ниже из-за большего количества тактовых циклов, необходимых для их выполнения. RISC-процессоры уделяют больше внимания программному обеспечению и более производительны.

Первоначально языком микроконтроллеров был ассемблер. Сегодня популярным вариантом является язык C.

При наличии соответствующего кабеля, программного обеспечения и ПК запрограммировать микроконтроллер своими руками несложно. Необходимо подключить контроллер кабелем к параллельному порту компьютера, запустить приложение и загрузить набор команд.

Определяющие характеристики

Как отличить компьютер от микроконтроллера? Если первый представляет собой устройство общего назначения, которое может запускать тысячи различных программ, то второй является специализированным, ориентированным на одно приложение. Существует и ряд других характеристик, которые позволяют отличить микроконтроллеры. Для начинающих пользователей это проблемой не будет – достаточно установить наличие у чипа большинства нижеперечисленных качеств, чтобы можно было смело отнести его к данной категории.

• Микроконтроллеры являются элементами какого-либо другого устройства (часто бытовой техники) для управления его функциями или работой. Еще их называют встроенными контроллерами.
• Устройство предназначено для выполнения одной задачи и запуска одной конкретной программы, хранящейся в ПЗУ, которая обычно не изменяется.

• Микроконтроллеры – это маломощные чипы. Их мощность при питании от батареи составляет около 50 мВт. Настольный компьютер почти всегда подключен к розетке и потребляет 50 Вт и больше.
• Микроконтроллер отличается наличием специального блока ввода и часто (но не всегда) небольшого светодиода или ЖК-дисплея для вывода. Принимает входные данные от устройства, которым он управляет, посылая сигналы различным его компонентам. Например, микроконтроллер телевизора получает сигналы с ПДУ и отображает вывод на экране телевизора. Он управляет селектором каналов, динамиками и некоторыми настройками изображения, такими как контраст и яркость. Контроллер автомобильного двигателя принимает входные сигналы от датчиков кислорода и детонации, регулирует создание топливной смеси и синхронизирует работу свечей зажигания. В микроволновой печи он принимает ввод с клавиатуры, отображает вывод на ЖК-дисплее и управляет реле включения и отключения СВЧ-генератора.
• Микроконтроллеры – это зачастую небольшие и недорогие устройства. Компоненты выбираются таким образом, чтобы минимизировать размеры и максимально удешевить производство.
• Часто, но не всегда, работа микроконтроллера осуществляется в неблагоприятных условиях. Например, устройство управления двигателем автомобиля должно работать в экстремальных температурах, при которых обычный компьютер вообще не может функционировать. На севере микроконтроллер автомобиля должен функционировать при температуре -34 °C, а на юге - при 49 °C. В моторном отсеке температура может достигать 65–80 °C. С другой стороны, микроконтроллер, встроенный в проигрыватель Blu-ray, вообще не должен быть особо прочным.

Требования к ЦПУ

Процессоры, используемые в микроконтроллерах, могут сильно различаться. Например, в сотовых телефонах применялся 8-разрядный микропроцессор Z-80, разработанный в 1970-х годах и первоначально использовавшийся в домашних компьютерах. GPS-навигатор Garmin оборудовался маломощной версией Intel 80386, которую также первоначально устанавливали в настольных ПК.

Большая часть бытовой техники, такой как микроволновые печи, нетребовательна к процессорам, но их цена является важным фактором. В этих случаях производители обращаются к специализированным микроконтроллерам, разработанным из недорогих, небольших и маломощных ЦПУ. Motorola 6811 и Intel 8051 являются хорошими примерами таких чипов. Также выпускается серия популярных контроллеров PIC компании Microchip. По сегодняшним меркам эти процессоры невероятно минималистичны, но они чрезвычайно дешевы и часто могут полностью удовлетворить потребности конструктора.

Экономичность

Типичный микроконтроллер – это чип с 1000 байтов ПЗУ, 20-ю байтами ОЗУ и 8-ю контактами ввода-вывода. При выпуске большими партиями их стоимость невысока. Конечно, запустить Microsoft Word на таком чипе невозможно – для этого потребуется не менее 30 МБ ОЗУ и процессор, выполняющий миллионы операций в секунду. Но для управления микроволновой печью этого и не нужно. Микроконтроллер выполняет одну конкретную задачу, а низкая стоимость и энергопотребление являются его главными преимуществами.

Как работает?

Несмотря на большое разнообразие микроконтроллеров и еще большее количество программ для них, научившись обращаться с одним из них, можно познакомиться со всеми. Типичный сценарий работы выглядит следующим образом:

• При отключенном питании устройство никак себя не проявляет.
• Подключение микроконтроллера к источнику энергии запускает блок логики системы управления, который отключает все другие схемы, кроме кварцевого кристалла.
• Когда напряжение достигает своего максимума, частота генератора стабилизируется. Регистры заполняются битами, отражающими состояние всех схем микроконтроллера. Все контакты конфигурируются как входы. Электроника начинает работать согласно ритмической последовательности тактовых импульсов.
• Счетчик команд обнуляется. Инструкция по этому адресу отправляется в декодер команд, который ее распознает, после чего она немедленно выполняется.
• Значение счетчика команд увеличивается на 1, и весь процесс повторяется со скоростью миллион операций в секунду.