MCU: научете за най-важните семейства микроконтролери

Използват се множество платки за разработка, които използваме често, от самия Arduino до много други MCU единици или микроконтролери. Някои жизненоважни чипове, за да можете програмирайте тези устройства и че инструкциите, създадени от програмиста, могат да бъдат обработени, за да се получат очакваните резултати.

Въпреки това, Секторът на микроконтролерите е доста широк., какъвто е и случаят с процесорите или микропроцесорите, тъй като не само има много дизайнери или производители, както и модели, но има и много различни семейства, които трябва да знаете. Така че ще посветим тази статия точно на това нещо, за да знаете кое може да ви заинтересува най-много за вашите проекти...

Какво е микроконтролер или MCU?

Un микроконтролер или MCU (MicroController Unit) Това е компактно устройство, което интегрира функциите на централен процесор (CPU), памет и периферни устройства в един чип. Това устройство е в центъра на много електронни системи и е фундаментално в областта на вградената електроника. Накратко, страхотна алтернатива на кабелната електроника, като по този начин позволява на един чип да изпълнява гъвкаво множество функции, тъй като е програмируем.

Микроконтролерите се използват в a голямо разнообразие от приложения поради своята гъвкавост и ефективност. Някои примери за използване на микроконтролери включват системи за управление в автомобили, домакински уреди, системи за промишлена автоматизация, системи за контрол на процеси, играчки, системи за сигурност, развойни платки и много друго електронно оборудване.

Части от микроконтролери

Микроконтролерите са интегрирани устройства и всичките им компоненти са реализирани на чип или интегрална схема. Между най-основните части от тези чипове са:

• CPU (централен процесор): Централният процесор е мозъкът на микроконтролера и най-важната му част. Това звено е отговорно за използването на данните и инструкциите на програмата, за да ги интерпретира и обработва по подходящ начин в изпълнителните модули, за да получи очакваните резултати. Тоест, процесорът извършва всички изчислителни операции и взема решения въз основа на логиката на програмата. Скоростта и ефективността на процесора до голяма степен определят производителността на микроконтролера. В допълнение, те също обикновено имат елементарни части като системи за прекъсване, които позволяват на микроконтролера да реагира на определени събития своевременно. Когато възникне конкретно събитие, като например въвеждане на сигнал или таймер, достигащ определена стойност, микроконтролерът може да прекъсне текущата си задача, за да отговори на това събитие.
• памет: Обикновено имат два вида памет като RAM и флаш. RAM се използва за съхраняване на временни данни, като например инструкциите, които съставят програмите и данните (променливи, константи,...) по време на изпълнението на програмата. Докато флаш паметта се използва за съхраняване на програмата, която трябва да се изпълни, и е енергонезависима като RAM, така че когато захранването бъде прекъснато или устройството е изключено, програмата ще остане.
• Входно/изходни периферни устройства (I/O): позволява на микроконтролера да взаимодейства с външния свят. Те могат да включват цифрови I/O портове, аналогово-цифрови преобразуватели (ADC), цифрово-аналогови преобразуватели (DAC), комуникационни интерфейси като UART, SPI и I2C, различни контролери, таймери, броячи, GPIO и други.

Как се различава от микропроцесор или CPU?

Микропроцесорът и микроконтролерът са два основни компонента в областта на електрониката, но те имат значителни разлики по отношение на структурата и употребата, въпреки че много хора бъркат двете или вярват, че са еднакви.

Докато процесорът само интегрира функционални единици за контрол и интерпретация на инструкции, регистри, както и инструкции за изпълнение като ALU, FPU и т.н. и могат да се комбинират с други спомагателни елементи по по-гъвкав начин, микроконтролерите са малко по-затворени в смисъл, че интегрират много от частите, които процесорът пропуска. Всъщност, докато процесорът е мозъкът на компютъра, MCU може да се счита за пълен компютър, тъй като включва всички основни части на един чип.

Въпреки това, не бъркайте по-голямата интеграция с условията на сложност и производителност. Докато настоящите микропроцесори са изключително сложни и с много висока производителност, настоящите микроконтролери обикновено имат интегриран процесор с много по-ниска и по-проста производителност. Всъщност много от днешните микроконтролери могат да имат производителност, подобна на микропроцесорите отпреди десетилетия. Нещо повече, както ще видим по-късно, ние дори имаме 8-битови или 16-битови микроконтролери като процесорите от 70-те години.

Разлики в сравнение със SoC?

Тъй като микроконтролерът интегрира няколко елемента в един и същи чип, Също така често се бърка със SoC (система на чип)Но и то не е същото. Както при CPU срещу MCU, SoC също така интегрират CPU с много по-висока производителност от повечето настоящи микроконтролери. Освен това SoC е безкрайно по-сложна и усъвършенствана система. От друга страна, SoC обикновено не интегрира някои от частите, които са интегрирани в микроконтролер, тъй като приложенията, за които е предназначен, не го изискват, като RAM и флаш памет, ADC преобразуватели и др.

Малко история

Ранните микропроцесори с много вериги, като AL1 от Four-Phase Systems през 1969 г. и MP944 от Garrett AiResearch през 1970 г., са разработени с множество MOS LSI чипове. Първият едночипов микропроцесор беше Intel 4004, пуснат през 1971 г. Тези процесори изискваха няколко външни чипа за реализиране на функционална система, което беше скъпо. Въпреки това почти паралелно е разработено това, което днес познаваме като микроконтролер. ТОЙ се приписва на ИТ инженерите Гари Буун и Майкъл Кокран, успешното създаване на първия микроконтролер през 1971 г., TMS 1000, който комбинира памет само за четене, памет за четене/запис, процесор и часовник на един чип. Всъщност, въпреки че това е друга история, тя породи патентна война и съдебни дела за авторството на микропроцесора...

През 1970-те години на миналия век, Японските производители на електроника започнаха да произвеждат микроконтролери за автомобили. Те постепенно станаха популярни и в отговор на съществуването на едночиповия TMS 1000, Intel разработи компютърна система на чип, оптимизиран за приложения за управление, Intel 8048, който комбинира RAM и ROM на един и същ чип заедно с CPU. С течение на времето енергонезависимите памети бяха подобрени и преминаха от записване във фабриката с постоянна програма като първите ROM до въвеждането на PROM или EEPROM от 1993 г., което позволяваше да бъде изтрито и препрограмирано с друга програма по лесен начин и толкова пъти, колкото искате.

Малко по малко около този тип чипове се раждат компании, като напр Atmel, Microchip Technology и много други. Други компании в сектора също започнаха да разпространяват свои собствени MCU, като Intel, Analog Devices, Cypress, AMD, ARM, Hitachi, EPSON, Motorola, Zilog, Infineon, Lattice, National Semiconductor, NEC, Panasonic, Renesas, Rockell, Sony , STMicroelectronics , Synopsis, Toshiba и др.

Днес микроконтролерите са евтини и лесно достъпни за любителите и множество различни индустриални сектори. Освен това се смята, че те са продадени почти 5 милиарда 8-битови единици по целия свят, като най-използваният в момента. Можете да ги намерите в домакински уреди, превозни средства, компютри, телефони, индустриални машини и много други. Освен това те са успели да миниатюризират максимално, създавайки едни от най-малките компютри в света, дори много по-малки от зърно сол...

Семейства ISA и микроконтролери

Сега, след като знаете малко повече за това какво е MCU или микроконтролер, нека видим някои от тях най-важните семейства на тези микроконтролери. И, подобно на процесорите, те могат да бъдат разделени според ISA, тоест репертоара от инструкции, регистри и типове данни, които се използват, и съвместимостта на бинарните програми, които могат да бъдат изпълнени, ще зависи от това. което ги прави несъвместими между семействата. И тези семейства са напълно независими от модела, марката или единиците, включени в чипа.

Сред най-популярните семейства имаме следното:

• деца: е поколение softcore за FPGA от Altera, сега погълнато от Intel.
• Черна перка: е семейство от 16/32-битови микропроцесори, разработени, произведени и пуснати на пазара от Analog Devices. Процесорите също имат вграден цифров сигнален процесор (DSP), изпълняван от 16-битово умножение-натрупване (MAC).
• TigerSHARC: означава Super Harvard Architecture Single-Chip Computer, също от Analog Devices. В този случай те са идеални за приложения, които изискват висока изчислителна производителност с ниска консумация на енергия. Тези процесори предлагат уникална архитектура на паметта, която позволява ефективен достъп до данни и инструкции без загуба на производителност, свързана с архитектурите на Von Neumann bus.
• Кортекс-М- Микроконтролерите Cortex-M на ARM са популярно семейство от 32-битови микроконтролери, които са много енергийно ефективни и предлагат добра производителност. Те са особено популярни в промишлени и потребителски приложения и в момента представляват по-голямата част от съвременните чипове, продавани от много компании.
• AVR32: Това е 32-битова RISC микроконтролерна архитектура, произведена от Atmel, и можете да я намерите на много платки за разработка, като Arduino и негови клонинги.
• RISC-V: Тази отворена ISA има за цел да надмине ARM и малко по малко започна да има значение в света на микроконтролерите, тъй като е много гъвкава и позволява използването й без плащане на авторски права.
• PIC- са семейство от 8-битови микроконтролери, разработени от Microchip Technology, известни със своята усъвършенствана RISC архитектура и са доста популярни в индустрията.
• PowerQUICC: са базирани на технологията Power Architecture на IBM и са използвани от Motorola (сега Freescale), те поддържат пълния спектър от вградено мрежово оборудване, индустриални и общи вградени приложения.
• Спансион: Това са MCU на Fujitsu и са фокусирани върху аналогови и цифрови продукти и са проектирани за ефективност и балансирана производителност.
• 8051: Това е 8-битов микроконтролер, разработен от Intel, въпреки че сега ще го намерите и от други компании. Той е един от най-популярните микроконтролери и се използва в широк спектър от приложения. 8051 е CISC микроконтролер, базиран на архитектурата на Харвард.
• TriCore: е микроконтролер, разработен от Infineon Technologies. TriCore обединява елементите на RISC процесорно ядро, микроконтролер и DSP в един чип. По това време беше революция.
• MC-48 или 8048: Това е микроконтролер от линията Intel, с 64 байта RAM и достъп до 4096 байта външна програмна памет.
• mico8- е семейство 8-битови микроконтролери, реализирани изцяло в памет с общо предназначение и логика за решетъчни FPGA.
• Перка: 32-битова многоядрена архитектура, разработена от Parallax Inc. Всеки Propeller има 8 идентични 32-битови процесора, свързани към общ хъб.
• Основен печат- е микроконтролер с малък специализиран BASIC интерпретатор (PBASIC), вграден в ROM. Той се произвежда от Parallax, Inc и беше доста популярен продукт за производителите, които искаха да направят множество проекти у дома, преди Arduino да бъде пуснат.
• SuperH: е 32-битова RISC изчислителна архитектура на набор от инструкции, разработена от Hitachi и понастоящем произведена от Renesas, и фокусирана върху микроконтролери за вградени системи.
• Тива: е сериен микроконтролер, разработен от Texas Instruments. Има вградена тактова честота на процесора до 80MHz с модул с плаваща запетая (FPU), с отлична производителност.
• Microblaze: е силно интегрирана процесорна система, предназначена за контролерни приложения. MicroBlaze е внедрен изцяло в паметта и логиката с общо предназначение на Xilinx (сега AMD) FPGA, тоест софткор.
• Picoblaze: подобен на предишния, но в този случай е 8-битов и по-опростен, за по-интегрирани приложения.
• XCore: Те са XMOS многоядрени MCU, 32 бита, които са програмирани в C езикова среда и работят детерминистично и с ниска латентност. Те са много завършени и могат да бъдат изпълнени под формата на плочки.
• Z8: е от Zilog и те са 8-битови устройства, които предлагат широка гама от опции за производителност и ресурси. Тези микроконтролери са идеални за големи обеми, чувствителни към разходите приложения, включително потребителски, автомобилни, охранителни и HVAC продукти.
• Z180: Това е друг от популярните в рамките на Zilog преди пускането на новия eZ, който актуализира предишните диапазони. Той включва 8-битов процесор, съвместим с голямата софтуерна база, написана за Z80. Семейството Z180 добавя по-висока производителност и интегрирани периферни функции като тактов генератор, 16-битови броячи/таймери, контролер за прекъсване, генератори на състояние на изчакване, серийни портове и DMA контролер.
• STM: Това семейство STMicroelectronics има някои MCU единици, базирани на собствената архитектура на тази компания, въпреки че в най-новите модели е избрано, както в много други случаи, да интегрира 32-битова ARM Cortex-M серия. Той предлага продукти, които съчетават много висока производителност, възможности в реално време, цифрова обработка на сигнала, работа с ниска мощност/ниско напрежение и свързаност, като същевременно поддържа пълна интеграция и лекота на разработка.

Има още, но това са най-важните...