Что такое микроконтроллер? Определение характеристик и архитектуры.

PIC

Открывает наш парад компания Microchip Technology с серией PIC. Эти МК отличаются между собой разрядностью (8/16/32), набором периферии и корпусом чипа. Восьмибитные варианты же делятся на четыре семейства: baseline, mid-range, enhanced mid-range и PIC18. Более подробная информация приведена в таблице.

Также есть 16-битные «пики» — PIC24F и DsPIC30/33F. Ну и 32-битные — PIC32MX. Эти непонятные сочетания букв и цифр — часть идентификатора чипа. То же, что и марки у машин. Например, широко распространенный камень PIC16F628A расшифровывается так: семейство PIC16F6 (Mid-range), а остальная часть имени — указатель на конкретный камень. У рассмотренных далее МК в имени может содержаться еще больше информации.

Цена и содержимое

Более дешевые экземпляры имеют в своем составе минимум периферии. У упомянутого ранее PIC6F628 следующие характеристики: встроенный тактовый генератор для работы с частотой 4 или 8 МГц; 18 пинов, из них 16 — ввод/вывод, а 2 — питание; для работы на более высоких частотах можно подключить кварцевый резонатор; Flash-память объемом 2048 слов; 4 аналоговых входа; два 8-битных таймера и один 16-битный; 224 байта ОЗУ (самому смешно); 128 байт EEPROM (это программно перезаписываемая энергонезависимая память, вроде жесткого диска); интерфейс UART.

Программирование и использование PIC

Программируют для микроконтроллеров, как правило, на ассемблере и на Си. Есть множество сред разработки: MPASM и MPLAB, MicroC, JALedit (язык JAL, сам про него впервые слышу).

Как правило, на таких МК собирают простенькие устройства вроде мигалки или таймера. Эти контроллеры долго имели монополию на постсоветском пространстве, и в результате в интернете есть огромное множество русскоязычных сервисов и статей, посвященных этим моделям МК. При сборке устройства часто можно даже не писать прошивку, ведь она легко находится в интернете, даже в нескольких вариантах.

Вторым плюсом можно указать встроенные независимые (от тактового генератора) счетчики. Благодаря этому факту семейство зарекомендовало себя в качестве «мозгов» для частотомеров. Пара таких контроллеров лежит у меня в мастерской на черный день. Из минусов можно выделить только высокую стоимость оригинальных программаторов, которые зовутся PICkit.

В интернете есть множество статей по сборке достойных аналогов таких программаторов. Но вся соль в том, что для сборки программатора тебе нужно что? Правильно, программатор. На этот случай был разработан программатор Громова. Для его сборки почти ничего не нужно, а работает он от COM-порта компьютера. На момент его разработки популярность этой серии МК была высока, да и COM-порты были у всех ПК. Сейчас все это уже редкость, так что придется преодолеть порог вхождения либо раскошелиться.

Советы по выбору микроконтроллеров

При разработке цифровой системы требуется сделать правильную модель микроконтроллера. Главной целью является подбор недорого контроллера для уменьшения общей стоимости всей системы. Однако, необходимо, чтобы он соответствовал специфике системы, требованиям надежности, производительности и условиям использования.

Основными факторами подбора микроконтроллера являются:

1. Способность работы с прикладной системой. Возможность реализации этой системы на однокристальном микроконтроллере, или на специализированной микросхеме.
2. Наличие в микроконтроллере необходимого количества портов, контактов, так как при их нехватке он не будет способен выполнить задачу, а если будут лишние порты, то стоимость будет завышена.
3. Наличие необходимых устройств периферии: различных преобразователей, интерфейсов связи.
4. Наличие других вспомогательных устройств, ненужных для работы, из-за которых повышается стоимость.
5. Обеспечение требуемой производительности: мощность вычислений, дающую возможность обработки запросов системы на определенном прикладном языке программирования.
6. Имеется ли в проекте бюджета достаточно финансов, чтобы применять дорогостоящий микроконтроллер. Если он не подходит по цене, то остальные вопросы не имеют смысла, и разработчик должен искать другой микроконтроллер.
7. Надежность завода изготовителя.
8. Информационная поддержка.
9. Доступность. В этот фактор входят следующие пункты:

• Выпускается ли в настоящее время.
• Наличие поддержки разработчика.
• Наличие языков программирования, внутрисхемных эмуляторов, средств отладки и компиляторов.

AVR

TinyAVR имеет следующие характеристики:

• Flash-память до 16 Кбайт;
• RAM до 512 байт;
• ROM до 512 байт;
• число пинов (ножек) ввода-вывода 4–18;
• небольшой набор периферии.

MegaAVR:

• FLASH до 256 Кбайт;
• RAM до 16 Кбайт;
• ROM до 4 Кбайт;
• число пинов ввода-вывода 23–86;
• расширенная система команд (ассемблер) и периферии.

Ну и XMEGA AVR:

• FLASH до 384 Кбайт;
• RAM до 32 Кбайт;
• ROM до 4 Кбайт;
• четырехканальный контроллер DMA (для быстрой работы с памятью и вводом/выводом);
• «инновационная» система обработки событий.

Как и в случае PIC, у моделей AVR в названии содержится ценная информация. Например: ATMega328PU — семейство megaAVR, 32 Кбайта Flash, 8-битный, P — говорит о модификации (примерно как у пистолета Макарова модернизированного — ПММ).

Цена и начинка

Эти микроконтроллеры имеют, как и PIC, среднюю стоимость. Например, упомянутый ранее камень ATmega328P в Chipdip стоит 160 рублей, а ATxmega128A1 — 590 рублей.

TinyAVR дешевле и проще своих старших братьев. Немного характеристик ATmega328P: предельная частота работы 20 МГц (слышал, правда, что под охлаждением и посильнее разгоняли); 23 пина ввода-вывода; Flash-память на 32 Кбайта; 8 аналоговых входов; два 8-битных таймера и один 16-битный; 6 ШИМ-каналов; 2 Кбайта RAM; 1 Кбайт EEPROM; интерфейсы UART, SPI, I2C.

Программирование и использование AVR

Благодаря распространению плат прототипирования Arduino, как у нас, так и за рубежом, эти МК имеют низкий порог вхождения. Программируются на ассемблере, Си, C++; можно воспользоваться графическими генераторами кода типа Scratch (см. Scratchduino). Для работы есть Atmel Studio, IAR AVR, WinAVR. Ну и Arduino IDE, куда уж без нее. Лично я использую связку из Geany и avrdude. Для прошивки есть большое разнообразие программаторов: как дешевые, так и подороже. Я для этих целей прикупил недорогой экземпляр USBasp где-то за 1,5 доллара (на Aliexpress есть масса вариантов). А можно в качестве программатора использовать и Arduino UNO.

Информации об этих контроллерах в интернете много: чего только стоит канал AlexGyver! И благодаря Arduino существует масса обучающих наборов на любой вкус. В общем, низкий порог вхождения — весомый плюс этих контроллеров.

Кстати, если заказываешь из Китая, то взять плату с чипом будет дешевле, чем чип отдельно.

ARM

О компании ARM и ее продукции ты наверняка слышал. Однако производит эта компания не сами микроконтроллеры, а лишь архитектуру. Лицензию на нее покупают конечные производители и используют так, как им захочется. Кто только их не выпускал! Но как микроконтроллеры наибольшее распространение получили чипы компании STMicroelectronics.

Они делятся на два семейства: STM32 и STM8. Как понятно из названий, такие чипы бывают 8- и 32-битные. А каждое семейство делится на серии, которых достаточно много.

STM8

Что можно о них сказать? Это функциональный аналог AVR, только дешевле. Здесь есть три серии: STM8L c ультранизким энергопотреблением, STM8S для индустриальной аппаратуры и STM8A, именуемые «высоконадежными». Периферия у всех такая же, как у AVR, но есть встроенный тактовый генератор. Из плюсов могу выделить только низкое энергопотребление и маленькую цену. Замечу, у STM8 архитектура не ARM, а собственная. Она очень схожа с ARM и использует идентичный STM32 интерфейс прошивки. Компилятор для них используется тоже один, и при его работе ты просто указываешь, под какую архитектуру собирать код.

STM32

Проще говоря, это старший брат STM8. Его характеристики куда выше и колеблются в больших пределах в зависимости от серии. Программируются практически на чем угодно, даже JavaScript, хотя я бы не рекомендовал.

Прошивка и программирование

Прошиваются STM32 с помощью разработанного компанией ST интерфейса Single Wire Interface Module (SWIM). Еще у МК этой серии есть интерфейс отладки Serial Wire Debugging (SWD). Им я не пользовался, но в большинстве гайдов по STM есть описание его настройки.

А еще на STM можно записывать прошивки по USB. Дело в том, что у многих контроллеров этой серии есть аппаратная поддержка USB. STM благодаря этому может эмулировать разные устройства — например, флешку. Если залить специальную прошивку, можно будет обновлять встроенную программу просто по USB.

Для STM32 есть самые разные программаторы — от весьма крутых до простеньких USB-свистков. Я, например, взял ST-LINK, на «Алиэкспрессе» он стоил около 1,6 долларов. Его достоинство в том, что он может прошить любой контроллер STM.

Стоит также упомянуть платы STM Nucleo. Вот одна из них.

Это что-то вроде Arduino из мира STM. Стоит дороговато, как и оригинальные Arduino, но вещь для новичка отличная. Если деньги есть, стоит взять. Здесь же стоит упомянуть «Амперку» с их «Искрой» и набором для начинающих. Тоже вполне достойный выбор для первого раза.

Для программирования можно воспользоваться средами Embedded Workbench, uVision и TrueStudio. Благодаря работе умельцев для этих же целей можно использовать и родной для многих Arduino IDE. Есть также онлайновый IDE — mbed studio.

Цена

Партия из пяти плат с обвязкой и STM8 будет стоить около 4,5 долларов. Плата BluePill с STM32F103 сейчас стоит 1,6 доллара. Плата NUCLEO-F072RB — 16,4 доллара. Ссылок давать не буду — на «Алиэкспрессе» все это легко ищется по запросу «stm32».

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.

ESP