Статьи по микроконтроллерам и микропроцессорам

Микроконтроллер - это специализированная микросхема, которая используется для управления различными электронными механизмами. Впервые микроконтроллеры создали в 1971 году, на базе микропроцессоров общего назначения. Разроботчикам просто пришла в голову идея - совместить процессор, ПЗУ, ОЗУ и периферию, разместив это все внутри одного корпуса, по внешнему виду похожего на типовую микросхему. С того года выпуск микроконтроллеров и их востребовательность не уменьшается.

Сегодня существует огромное число разновидностей микроконтроллеров и микропроцессоров производимых двумя десятками фирм. Большой популярностью у электронщиков получили 8-битные PIC-контроллеры фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, 16-битные MSP430 компании TI и 32-битные МК с архитектурой ARM разработанные фирмой ARM Limited.

Итак, говоря проще, микроконтроллер это умная микросхема, но умной она становится лишь тогда, когда в нее зашитая хоть какая-нибудь программа (прошивка). Без этого всего это бесполезный кусок кремния, металла и пластика. Вся работа МК осуществляется с помощью программ, по своей прямой сути микроконтроллер можно сравнить с персональным компьютером упакованным в один корпус микросхемы. Но в отличии от ПК, микроконтроллер имеет минимальный набор программного обеспечения, который позволяет выполнять ему простые задачи. В этот минимальный комплект входит оперативная память, процессор и флеш память для хранения зашитой в него прошивки. Все эти вместе взятые элементы микроконтроллера называются ядром, также в МК имеются переферийные устройства, это, разного рода, модуля, АЦП, ШИМ, интерфейсы и многое другое. Это делает микроконтроллер более функциональным и тем самым расширяет его возможности, что делает его более гибким в применении в разного рода областях.

Далее рассмотрим какие же бывают микроконтроллеры и чем они между собой отличаются? В первую очередь они отличаются по разрядности (8,16,32 - битные), в остальном они отличаются по тактовой частоте на которой они могут работать, количеству периферийных устройств и имеют различные исполнения корпусов. Исходя из этих параметров и формируется цена, на тот или иной микроконтроллер.

Сфера применения микроконтроллеров очень обширна, начиная от бытовой техники, машиностроения, промышленной автоматики и заканчивая системами управления станками. Но более широкое применение они все таки нашли в бытовой технике, т.к цена 8 и 16 битных микроконтроллеров очень низкая и при этом они обеспечивают отличную работоспособность бытовой техники.

Микроконтроллеры и микропроцессоры и их основные различия

Основное назначение микропроцессоров и микроконтроллеров состоит в выполнении арифметических и логических операций — выборки команд из памяти, выдачи получившегося результата на устройства вывода. Они могут непрерывно выбирать команды из памяти и продолжать их выполнение до тех пор, пока не будет отключено питание от схемы. Команды в обоих случаях представляют собой набор битов. Они всегда извлекаются из области хранения, называемой памятью. Теперь давайте рассмотрим структурные схемы микропроцессорной и микроконтроллерной системы.

структурные схемы МК и микропроцессора

При пристальном изучении структурных схем можно легко заметить, что микропроцессор имеет много различных вспомогательных устройств, например постоянно запоминающее устройство (ПЗУ), оперативно запоминающего устройства (ОЗУ), интерфейсы последовательной передачи данных, портов ввода/вывода, таймеров и т.п. Все эти устройства взаимодействуют с микропроцессором с помощью системной шины. То есть, все вспомогательные устройства в микропроцессорной системе являются внешними. Системная шина микропроцессора состоит из шины адреса, данных и управления.

В микроконтроллерной системе все вспомогательные устройства, такие как ОЗУ, ПЗУ, интерфейсы, порты и т.п являются внутренними. Отсутствует необходимость сопряжения этих устройств, это экономит время для разработчиков систем. То есть, микроконтроллер по своей сути это микропроцессорная система со всеми вспомогательными устройствами, но внутри одной микросхемы. Здесь отсутствует обязательное внешнее взаимодействие, если только не требуется работать с внешней памятью, модулями АЦП/ЦАП и другими подобными устройствами. Для работы микроконтроллера нужно только подать на него питающее напряжение, подсоединить цепь сброса и при необходимости кварцевый резонатор для тактирования.

В микроконтроллерах также обеспечивается защита кода программы, а в микропроцессорной системе не используются системы защиты. То есть, в МК можно «заблокировать» внутреннюю память, для имключения ее считывания с помощью внешней схемы.

Микропроцессору требуется обязательное внешнее взаимодействие с различными вспомогательными устройствами, поэтому время на создание схемы требуется больше, размер собранного устройства будет большим, в результате возрастет энергопотребление по сравнению с микроконтроллерной системой.

Микроконтроллеры Atmel

Настоящая техногенная революция в области микроконтроллеров случилась в 1996 году, когда фирма Atmel представила в большой мир свое семейство чипов на ядре AVR. МК Atmel сочетают прорывные идеи и встроенные готовые решения повышенной эффективности практически для любых задач.

Микроконтроллеры AVR

Эта серия микроконтроллеров фирмы Atmel применяется в автомобильной и бытовой электронике, сетевых картах и материнских платах компьютеров и ноутбуков, в смартфонах и планшетах. МК AVR приобрели огромную популярность в радиолюбительской среде, привлекая электронщиков такими показателями, как цена, энергоэффективность и быстродействие. Кроме того огромным плюсом являются удобные режимы программирования, свободная доступностью программных средств поддержки и широкий выбор.

Микроконтроллеры STM32

Одной из первых фирм выпустившей в большой мир микроконтроллеры на ядре ARM Cortex-M3 является компания «STMicroelectronics». Начиналось всё не так и давно в 2007 году с появления двух семейств – «Performance Line» (STM32F103) и «Access Line» (STM32F101). На текущий момент МК STM32 представлены десятью основными линейками под различные задачи. Основные их достоинства это «pin-to-pin» и полная программная совместимость по всем возможным линейкам. И это всё уместилось на ядре ARM Cortex-M3. Рассмотрим основные инструменты, для того что бы можно было начать работу с МК STM32

PIC-микроконтроллеры

PIC микроконтроллеры, обладают гарвардской архитектурой и производятся фирмой Microchip Technology. Название PIC является сокращением от английской фразы peripheral interface controllers -в переводи на великий и могучий "контроллеры интерфейса периферии". Их выпускают 8-, 16- и 32-битовые варианты исполнения. PIC имеют следующие значимые плюсы: хорошая преемственность разных семейств: полная программная совместимость и общие средства разработки, в том числе бесплатная среда IDE MPLAB, общие библиотеки, общие стеки популярных протоколов передачи, совместимость по периферии, выводам, питающим напряжениям.

16-разрядных микроконтроллеров семейства PMC-16LX Fujitsu

В справочном пособии представлена техническая документация на  Flash память 16-разрядных микроконтроллеров PMC-16LX фирмы Fujitsu, кроме того подробно рассмотрено ядро и архитектуры микропроцессоров, показана организация памяти и модули встроенной периферии, кроме того приведены используемые программные средства. Функциональные модули микроконтроллеров семейства LX16. Ядро CPU микроконтроллеров семейства F2MC-16LX. Модуль формирования тактовых сигналов - Clock. Обработка сигналов сброса. Модуль контроллера режимов энергосбережения. Модуль генерации задержанного прерывания. Выводы установки режима и организация обращения к внешней памяти. Модуль программируемого генератора импульсов. Модули контроллеров/драйверов жидкокристаллических дисплеев и многие др.

Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel

Автор Гребнев В. Микроконтроллеры семейства AVR описанные в данном издании отличаются высоким быстродействием и низким энергопотреблением. Разработчик сможет почерпнуть структуру микроконтроллера, систему команд, периферийные устройства и их работу.

Инженер электронщик сможет правильно выбрать микроконтроллер определенного типа, разработать функциональную схему девайса и разработать программу работы микроконтроллера на языке AVR Ассемблера

Самоучитель по микропроцессорной технике

Книга Белова А.  начинается с введения в цифровую технику. Далее автор усложняет описания и вводит такие понятия, как логические элементы, цифровой сигнал, принципы хранения и обработки цифровой информации. Подготовив читателя  раскрываются основные принципы построения микропроцессорных систем. И, в завершение для закрепления усвоенного теоретического матеръяла  разрабатываем микропроцессорное устройство, раскрываем принципы и приемы разработки схемы и управляющей программы

Типовая схема микропроцессорной системы
Алгоритм работы
Механизм прерываний и прямой доступ к памяти
Микроконтроллер АТ89С2051 структурная схема, назначение выводов, внутренние регистры и озу контроллера
Разработка Позиционера для спутниковой антенны
Трансляция и отладка программ
Система команд микроконтроллера АТ89С2051
Микроконтроллер i8051 + Програмирование на языке ассемблера - микроконтроллеры 8050, 8080 и 8085

Начнем описание основателя семейства, микроконтроллера типа 8051, с перечисления 40 выводов интегральной схемы и кратких сведений об их назначении

Источник питания подключается к выводам Vss (20) «земля» и Vcc (40) +5В
Для управления работой всех устройств в микроконтроллере используется генератор импульсов, который может работать от внешнего источника или автономно (в режиме самовозбуждения). В последнем случае к выводам XTAL2 (18) и XTAL1 (19) должен быть подключен кварцевый резонатор на частоту не более 12 МГц
После включения питания необходимо установить внутренние устройства микроконтроллера в исходное состояние подачей импульса на вывод RST (9). После этого микроконтроллер начинает работу с исполнения команды, записанной по нулевому адресу
Для связи с внешним миром у микроконтроллера есть двунаправленные порты: 4 параллельных и один последовательный (дуплексный порт для приема и передачи)
Параллельные порты работают в байтовом формате, то есть имеют по 8 выводов: РО (32-39), Р1 (1-8), Р2 (21-28) и РЗ (10-17). Порты РО и Р2 учавствуют также в выдачи адреса при обращении к внешним запоминающим устройствам
Выводы, к которым присоединены шины порта 3, могут использоваться: для последовательного порта в качестве принимающей RxD (10) и передающей TxD (11) линий, ввода сигналов внешних прерываний INTO# (12) и INT1# (13), счета внешних импульсов ТО (14) и Т1 (15) и выдачи сигналов записи WR# (16) и чтения RD# (17) на внешние запоминающие устройства. Кроме того при работе с внешними ЗУ используются выводы PSEN# (29), ALE# (30) и EA# (31)
Интерфейс RS-232 Связь между компьютером и микроконтроллером

Интерфейс RS232 в персональном компьютере: электрические характеристики, распиновка, програмирование, Управление состояниями и чтение состояний линий Инициализация

RS232 в микроконтроллере: характеристики, использование сигналов RS232 для запуска и программирования микроконтроллера, микросхемы преобразователей уровней интерфейса, примеры сопряжения микроконтроллеров с компьютером по RS232; Пример применения RS232 при программировании микроконтроллеров ADUC8XX; Программаторы микроконтроллеров

Что может и чего не может интерфейс RS232.

Удаленная система сбора и обработки информации, поступающей с датчиков аналоговых, частотных и дискретных сигналов на базе IBM-совместимого компьютера и MSC-51

Гололобов В. Н. «Умный дом» своими руками

Книга может быть интересна всем, кто интересуется радиоэлектроникой. Расмотрен практический пример создание системы автоматизации «Умный дом» на микроконтроллере PIC16F628A в программе MPLAB. Компоненты системы и модули отлаживаются на одной макетной плате. Для всех экспериментов, описанных в книге, можно использовать одну и ту же микросхему контроллера. Программатор, работающий с программой PonnyProg2000, легко собирается и не содержит дефицитных деталей. Компьютер в лаборатории радиолюбителя превращается, фактически, в саму лабораторию. Управляющая программа системы может быть написана на языке программирования Visual Basic или на любом другом языке. В заключительной части приведены справочные материалы по командам микроконтроллера PIC16F628A, схема датчика движения и программатора для программирования PIC-контроллеров.