Mikro-ohjain

Mikrokontrolleri ( Eng.  Micro Controller Unit, MCU ) on mikropiiri , joka on suunniteltu ohjaamaan elektronisia laitteita .

Tyypillinen mikro-ohjain yhdistää prosessorin ja oheislaitteiden toiminnot yhdelle sirulle , sisältää RAM -muistia ja/tai ROM -muistia . Se on pohjimmiltaan yksisiruinen tietokone , joka pystyy suorittamaan suhteellisen yksinkertaisia ​​tehtäviä.

Se eroaa mikroprosessorista mikropiiriin integroiduissa tulo-lähtölaitteissa, ajastimissa ja muissa oheislaitteissa.

Historia

Yksisiruisten mikrotietokoneiden tuloon liittyy tietokoneautomaation massasovelluksen aikakauden alku hallinnan alalla. Ilmeisesti , tämä seikka määritti termin "ohjain" ( englanniksi  controller  - regulator, control device).

Kotimaisen tuotannon vähenemisen ja laitteiden, mukaan lukien tietojenkäsittelyn, tuonnin lisääntymisen vuoksi termi "mikro-ohjain" (MC) on syrjäyttänyt aiemmin käytetyn termin "yksisiruinen mikrotietokone".

Ensimmäinen patentti yksisiruiselle mikrotietokoneelle myönnettiin vuonna 1971 insinööreille Michael Cochranille ja Gary Boonille, amerikkalaisen Texas Instrumentsin työntekijöille . Juuri he ehdottivat prosessorin lisäksi myös muistin sijoittamista syöttö- ja tulostuslaitteilla yhdelle sirulle .

Vuonna 1976 [1] amerikkalainen Intel julkaisi i8048 -mikroohjaimen . Vuonna 1978 Motorola julkaisi ensimmäisen mikro-ohjaimensa, MC6801:n, joka oli yhteensopiva aiemmin julkaistun MC6800-mikroprosessorin kanssa. Vuonna 1980 Intel julkaisi seuraavan mikro-ohjaimen: i8051 . Hyvä oheislaitesarja, joustava ulkoisen tai sisäisen ohjelmamuistin valinta ja edullinen hinta varmistivat tämän mikro-ohjaimen menestymisen markkinoilla. Teknisesti i8051-mikro-ohjain oli aikansa hyvin monimutkainen tuote - kiteessä käytettiin 128 tuhatta transistoria , mikä oli 4 kertaa transistorien lukumäärä 16-bittisessä i8086 -mikroprosessorissa .

Neuvostoliitossa kehitettiin alkuperäisiä mikro-ohjaimia, ja myös menestyneimpien ulkomaisten näytteiden kloonien tuotanto hallittiin [ 2 ] [3] [4] [5] . Vuonna 1979 Neuvostoliitossa NII TT kehitti yksisiruisen 16-bittisen tietokoneen K1801BE1 , jonka mikroarkkitehtuuria kutsuttiin " Electronics NTs ".

Vuonna 2013 i8051:n kanssa yhteensopivia mikro-ohjaimia tuotettiin yli 200, ja niitä valmisti kaksi tusinaa yritystä, ja suuri määrä muun tyyppisiä mikrokontrollereita. Microchip Technologyn 8-, 16- ja 32-bittiset PIC - mikro - ohjaimet , Atmelin AVR-mikro - ohjaimet (vuodesta 2016 valmistaja Microchip [6] ) , TI : n 16-bittinen MSP430 sekä 32-bittinen mikro-ohjainarkkitehtuuri ARM , joka on ARM Limitedin kehittämä ja lisensoitu muille yrityksille niiden tuotantoa varten. Huolimatta edellä mainittujen mikro-ohjainten suosiosta Venäjällä, vuonna 2009 maailmanlaajuinen myynnin sijoitus Gartner Groupin mukaan näytti erilaiselta: Renesas Electronics sijoittui ensimmäiseksi laajalla marginaalilla , Freescale sijoittui toiseksi , Samsung sijoittui kolmanneksi , jota seurasi Microchip ja TI, jäljempänä - kaikki loput [7] .

Kuvaus

Mikro-ohjaimia suunniteltaessa on olemassa kompromissi toisaalta koon ja kustannusten sekä toisaalta joustavuuden ja suorituskyvyn välillä. Eri sovelluksissa näiden ja muiden parametrien optimaalinen suhde voi vaihdella suuresti. Siksi on olemassa valtava määrä mikro-ohjaintyyppejä, jotka eroavat prosessorimoduulin arkkitehtuurista, sisäänrakennetun muistin koosta ja tyypistä, oheislaitteiden joukosta, kotelon tyypistä jne.

Toisin kuin perinteiset tietokoneiden mikroprosessorit, mikro-ohjaimet käyttävät usein Harvardin muistiarkkitehtuuria eli erillistä tietojen tallennusta RAM -muistiin ja ohjeita ROM -muistiin .

RAM-muistin lisäksi mikro-ohjaimessa voi olla sisäänrakennettu haihtumaton muisti ohjelmien ja tietojen tallentamista varten. Monissa ohjainmalleissa ei ole renkaita ulkoisen muistin liittämistä varten.

Halvimmilla muistityypeillä on vain yksi kirjoitus, tai tallennettu ohjelma kirjoitetaan sirulle valmistusvaiheessa (teknisten maskien kokoonpano). Tällaiset laitteet soveltuvat massatuotantoon tapauksissa, joissa ohjainohjelmaa ei päivitetä. Muilla säätimien modifikaatioilla on mahdollisuus kirjoittaa ohjelma toistuvasti uudelleen haihtumattomaan muistiin.

Osittainen luettelo oheislaitteista , joita voidaan käyttää mikro-ohjaimissa, sisältää:

• universaalit digitaaliset portit, jotka voidaan konfiguroida sekä tuloa että lähtöä varten;
• erilaisia ​​I/O-liitäntöjä, kuten UART , I²C , SPI , CAN , USB , IEEE 1394 , Ethernet ;
• analogia-digitaali- ja digitaali-analogiamuuntimet ;
• vertailijat ;
• pulssinleveysmodulaattorit ( PWM-ohjain );
• ajastimet ;
• harjattomien moottoreiden ohjaimet, mukaan lukien askelmoottorit ;
• näyttö- ja näppäimistöohjaimet;
• RF-vastaanottimet ja -lähettimet;
• sisäänrakennetut flash - muistit ;
• sisäänrakennettu kellogeneraattori ja vahtikoiran ajastin ;

Hinta- ja tehorajoitukset rajoittavat säätimien kellotaajuutta. Vaikka valmistajat pyrkivätkin varmistamaan tuotteidensa toiminnan korkeilla taajuuksilla, he antavat samalla asiakkaille valinnanvaraa julkaisemalla eri taajuuksille ja syöttöjännitteille suunniteltuja modifikaatioita. Monet mikro-ohjainmallit käyttävät staattista muistia RAM-muistille ja sisäisille rekistereille . Tämä antaa ohjaimelle mahdollisuuden toimia matalilla taajuuksilla eikä edes menetä tietoja, kun kellogeneraattori on täysin pysähtynyt. Usein tarjotaan erilaisia ​​virransäästötiloja , joissa osa oheislaitteista ja laskentamoduuli on kytketty pois päältä.

Merkittäviä perheitä

• MCS 51 (Intel)

• ESP8266 ja ESP32 (Espressif)

• MSP430 (TI)

• ARM (ARM Limited)
  • ST Microelectronics STM32 ARM -pohjaiset MCU:t
  • ARM Cortex-, ARM7- ja ARM9-pohjaiset MCU:t
  • Texas Instruments Stellaris MCU:t
  • NXP ARM -pohjaiset LPC MCU:t
  • Toshiba ARM -pohjaiset MCU:t
  • Analog Devices ARM7-pohjaiset MCU:t
  • Cirrus Logic ARM7 -pohjaiset MCU:t
  • Freescale Semiconductor ARM9 -pohjaiset MCU:t
  • Silicon Labs EFM32 ARM -pohjaiset MCU:t
• AVR (Atmel)
  • ATmega
  • ATtiny
  • XMega
• PIC ( mikrosiru )
• STM8 ( STMicroelectronics )
• С8051F34x
• RL78 ( Renesas Electronics )

Sovellus

Riittävän tehokkaan ja laajoilla ominaisuuksilla varustetun laskentalaitteen käyttö modernissa mikro-ohjaimessa , joka on rakennettu yhdelle sirulle kokonaisen sarjan sijaan, vähentää merkittävästi sen pohjalta rakennettujen laitteiden kokoa, virrankulutusta ja kustannuksia.

Käytetään ohjaamaan erilaisia ​​laitteita ja niiden yksittäisiä yksiköitä:

• tietotekniikassa: emolevyt, kovalevy- ja levykeasemaohjaimet , CD- ja DVD -levyt , laskimet ;
• elektroniikka ja erilaiset kodinkoneet, joissa käytetään elektronisia ohjausjärjestelmiä - pesukoneet, mikroaaltouunit, astianpesukoneet, puhelimet ja modernit kodinkoneet, erilaiset robotit, älykodin järjestelmät jne.

Teollisuudessa:

• teollisuusautomaatiolaitteet  - ohjelmoitavista releistä ja sulautetuista järjestelmistä logiikkajärjestelmiin ,
• koneen ohjausjärjestelmät

Vaikka 8-bittiset yleiskäyttöiset mikroprosessorit ovat kokonaan korvattu tehokkaammilla malleilla, 8-bittiset mikro-ohjaimet ovat edelleen laajalti käytössä. Tämä johtuu siitä, että on monia sovelluksia, joissa korkeaa suorituskykyä ei vaadita, mutta alhaiset kustannukset ovat tärkeitä. Samaan aikaan on olemassa mikro-ohjaimia, joissa on paremmat laskentaominaisuudet, kuten digitaaliset signaaliprosessorit , joita käytetään käsittelemään suurta datavirtaa reaaliajassa (esimerkiksi ääni- ja videovirrat).

Ohjelmointi

Mikrokontrolleriohjelmointi tehdään yleensä kokoonpanokielellä tai C -kielellä , vaikka muille kielille, kuten Forth ja BASIC , on kääntäjiä . Myös BASICin sisäänrakennettuja tulkkeja käytetään .

Tunnetut C-kääntäjät MK:lle:

• GNU Compiler Collection  - tukee ARM- , AVR- , MSP430- ja monia muita arkkitehtuureja
• Small Device C Compiler  - tukee monia arkkitehtuureja
• CodeVisionAVR (AVR:lle)
• IAR [1] (mikä tahansa MK)
• WinAVR (AVR:lle ja AVR32:lle)
• Keil (8051- ja ARM-arkkitehtuurille)
• HiTECH (Microchipin 8051- ja PIC-arkkitehtuurille)

Tunnetut BASIC -kääntäjät MK:lle:

• MikroBasic (PIC-, AVR-, 8051- ja ARM-arkkitehtuurit)
• Bascom (AVR- ja 8051-arkkitehtuurit)
• FastAVR (AVR-arkkitehtuurille)
• PICBasic (PIC-arkkitehtuurille)
• Swordfish (PIC-arkkitehtuurille)

Ohjelmien virheenkorjaukseen käytetään ohjelmistosimulaattoreita (erityisohjelmia henkilökohtaisille tietokoneille, jotka simuloivat mikro-ohjaimen toimintaa), in-circuit-emulaattoreita (elektronisia laitteita, jotka simuloivat mikro-ohjainta, joka voidaan kytkeä sen sijaan kehitettävään sulautettuun laitteeseen) ja virheenkorjausliittymää. esimerkiksi JTAG .

Katso myös

• Ohjelmoitava logiikkaohjain
• Järjestelmä sirulla
• Yksisiruinen mikro-ohjain

Muistiinpanot

1. ↑ A. E. Vasiliev , Microcontrollers: Development of Embedded Applications, toim. "BHV-Petersburg" 2008
2. ↑ Mikroprosessorit ja integroitujen piirien mikroprosessorisarjat / toimittanut V. A. Shakhnov. - M. : Radio and Communications, 1988. - T. 2.
3. ↑ Yksilevyiset mikrotietokoneet / Under. toim. VG Domracheva.. — Mikroprosessori LSI ja niiden sovellus. - M .: Energoatomizdat, 1988. - S.  128 . — ISBN 5-283-01489-4 .
4. ↑ Luku 2. Kotitalouksien henkilökohtaisten tietokoneiden elementtipohja // Henkilökohtaisten tietokoneiden käsikirja / Pod. toim. vastaava jäsen Ukrainan SSR:n tiedeakatemia B. N. Malinovsky .. - K. : Technika, 1990. - P. 384. - ISBN 5-335-00168-2 .
5. ↑ Molchanov A. A., Korneichuk V. I., Tarasenko V. P. et al. Käsikirja mikroprosessorilaitteita. - K . : Technika, 1987. - S. 288.
6. ↑ Microchip ostaa Atmelin 3,56 miljardilla dollarilla . iXBT.com. Haettu 17. toukokuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 9. syyskuuta 2019. (määrätön)
7. ↑ Renesas, Gartner, Renesas Electronicsin Gartnerin tietojen perusteella luoma kaavio. Mikro-ohjaimet mahdollistavat Smart Worldin (Semiconductor Applications Worldwide Annual Market Share: Database) (25. maaliskuuta 2010). Haettu 30. elokuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 5. helmikuuta 2012. (määrätön)

Kirjallisuus

• Brodin V. B., Kalinin A. V. Mikrokontrollereihin ja ohjelmoitavan logiikan LSI:iin perustuvat järjestelmät. - M . : ECOM, 2002. - ISBN 5-7163-0089-8 .
• Jean M. Rabai, Ananta Chandrakasan, Borivoj Nikolic. Digitaaliset integroidut piirit. Suunnittelumenetelmät = Digital Integrated Circuits. - 2. painos - M .: Williams , 2007. - ISBN 0-13-090996-3 .
• Mikushin A. Mielenkiintoista mikrokontrollereista. - M. : BHV-Petersburg , 2006. - ISBN 5-94157-571-8 .
• Novikov Yu. V., Skorobogatov PK Mikroprosessoritekniikan perusteet. Luentokurssi. - M . : Internet University of Information Technologies, 2003. - ISBN 5-7163-0089-8 .
• Frunze A. V. Mikro-ohjaimet? Se on yksinkertaista! - M . : ID SKIMEN LLC, 2002. - T. 1. - ISBN 5-94929-002-X .
• Frunze A. V. Mikro-ohjaimet? Se on yksinkertaista! - M . : ID SKIMEN LLC, 2002. - T. 2. - ISBN 5-94929-003-8 .
• Frunze A. V. Mikro-ohjaimet? Se on yksinkertaista! - M . : ID SKIMEN LLC, 2003. - T. 3. - ISBN 5-94929-003-7 .

Linkit

• Parametrinen haku ja arkkitehtuurien kuvaukset