Микроконтроллеры. Устройство и особенности. Применение

Современные микроконтроллеры (МК) относятся к полупроводниковым компонентам, основное назначение которых – управление электронными устройствами. Они встраиваются непосредственно в исполнительный модуль, задавая режимы работы обслуживаемых изделий. На их основе реализована оригинальная идея, позволяющая совместить в одном кристалле сразу несколько функций.

Подобно классическому компьютеру они содержат в своем составе не только центральный процессор. Помимо него в МК входят рабочая память, ПЗУ, а также элементы периферии, объединенные в похожем на микросхему корпусе.

Что такое микроконтроллеры

Современный микроконтроллер, можно сравнить с основным элементом любого компьютерного устройства – микропроцессором. Последний представляет собой центральную часть ПК, выполненную на основе интегральных схем. Название «микропроцессор» (МП) указывает на то, что именно в этом модуле происходят все вычислительные операции, определяющие производительность системы в целом.

Чтобы получить на его основе полноценную ЭВМ – необходимо дополнить МП целым рядом внешних устройств. Добиться этого удается добавлением к этому модулю оперативной памяти и периферийных портов ввода-вывода информации. В результате получается законченное автономное устройство или компьютер.

Подобно ПК микроконтроллеры содержат в своем составе следующие компоненты:

Микропроцессор.
Оперативную память.
Комплект периферии, состоящей из портов обмена информацией с обслуживаемым устройством.

В отличие от ПК он не является полностью самостоятельным (автономным) изделием. Микроконтроллеры, как правило, встраиваются в гаджеты, игрушки и в другие исполнительные устройства, функционированием которых они управляют.

Устройство МК

Mikrokontrollery ustroistvo

Арифметико-логическое устройство служит для производства логических и арифметических операций, выполняет работу процессора совместно с регистрами общего назначения.
Оперативно запоминающее устройство служит для временного хранения информации во время функционирования микроконтроллера.
Память программ является одним из основных структурных элементов. Она основана на постоянном запоминающем устройстве с возможностью перепрограммирования, и служит для сохранения микропрограммы управления работой микроконтроллером. Она называется прошивкой.
Память данных используется в некоторых моделях микроконтроллеров для записи различных постоянных величин, табличных данных и т.д. Эта память имеется не во всех микроконтроллерах.
Для связи с внешними устройствами существуют порты ввода-вывода. Их также используют для подключения внешней памяти, различных датчиков, исполнительных устройств, светодиодов, индикаторов. Интерфейсы портов ввода-вывода разнообразны: параллельные, последовательные, оборудованные USB выходами, WI FI. Это расширяет возможности применения микроконтроллеров для различных сфер управления.
Аналого-цифровой преобразователь требуется для введения аналогового сигнала на вход микроконтроллера. Его задачей является преобразование сигнала из аналогового вида в цифровой.
Аналоговый компаратор служит для выполнения сравнения двух сигналов аналогового вида на входах.
Таймеры используются для выполнения установки диапазонов и задержки времени в функционировании микроконтроллера.
Цифро-аналоговый преобразователь исполняет обратную работу по преобразованию из цифрового сигнала в аналоговый.
Действие микроконтроллера синхронизируется с генератором тактовыми импульсами с помощью блока синхронизации, который работает совместно с микропрограммой. Генератор тактовых импульсов может быть, как внутренним, так и внешним, то есть, тактовые импульсы могут подаваться с постороннего устройства.

Центральный процессор

Этот элемент микроконтроллера содержит следующие узлы:

Арифметико-логическое устройство (АЛУ).
Специальный интерфейс, обеспечивающий распределение потока данных.
Генератор сигналов, вырабатываемых согласно инструкциям управляющей программы.

Для работы всех модулей микроконтроллера потребуются языки высокого уровня, позволяющие адаптировать простейшие команды к виду, понятному вычислительному устройству.

Память

Современные микроконтроллеры имеют собственную энергонезависимую память, необходимую для хранения рабочих данный и заранее составленных и адаптированных программ. Последние представлены перечнем (списком) инструкций, написанных на машинном языке.

Они в точности указывают процессору, что ему предстоит делать с полученными данными. В ситуации с микроконтроллерами энергонезависимая память чаще всего представлена флеш накопителями (автономными хранилищами информационных массивов), (ПЗУ).

Оперативная память (ОЗУ или RAM) используется для промежуточного хранения машинных данных. Они безвозвратно теряются, когда от микроконтроллера отключается питающее напряжение. Еще одно средство временного хранения информации – внутренние регистры, представленные соответствующими структурами в составе МП.

Периферийные устройства

Понятие «периферия» используется для описания аппаратных средств, позволяющих микроконтроллеру обмениваться информацией с внешними устройствами.

Основные виды периферийных средств это:

АЦП.
ЦАП.
Генераторы опорного напряжения.

Помимо этого, микроконтроллеры включают в свой состав множество функциональных блоков, обеспечивающих выполнение предварительно введенной программы. Последние не относятся к периферийным средствам, как к таковым, поскольку отличаются от них по своему функционалу.

Прошивка и отладка микроконтроллеров

Для того, чтобы описываемые устройства могли выполнять свои функции – они предварительно прошиваются с помощью специальных аппаратных средств, называемых программаторами. И только после этого переходят к отладочным операциям.

Процедура отладки функционирования микроконтроллера необходима для того, чтобы разработчик мог контролировать порядок выполнения инструкций. Такой подход к подготовке устройства к работе позволяет найти и устранить возможные ошибки программистов, а также оптимизировать производительность самой программы.

Для контроля функционирования МК потребуется учесть еще одну его особенность, касающуюся операционной процедуры, называемой «прерывание». Под этим термином понимается организация процесса, благодаря которому удается решать сразу несколько задач (выполнять множество операций одновременно).

Прерывания запускаются импульсными посылками, генерируемыми внешними или внутренними аппаратными средствами. Эти посылки «вынуждают» процессор мгновенно переключаться на выполнение внеочередного блока команд, а затем возвращаться к прерванным операциям.

Организация электропитания МК

Микроконтроллеры, как и другие электронные устройства, способны выполнять свои функции только при наличии качественного электроснабжения. Для этого в их составе предусматривается целый ряд технических средств это:

Интегрированные в структуру стабилизаторы напряжения.
Модули управления и оптимизации потребления электроэнергии.
Супервизоры.

Первые позволяют генерировать нужное питающее напряжение непосредственно в корпусе МК, а вторые обеспечивают снижение потребления тока в неактивных состояниях.

На микросхемах под названием «супервизоры» реализуются детекторы отклонений напряжения, используемые для защиты микроконтроллера от некачественного питания. При сильных колебаниях сетевого напряжения они переводят процессор в состояние сброса.

Принцип работы микроконтроллера

Порядок работы МК удобнее всего представить в виде множества операций, производимых составляющими его элементами. Но прежде важно отметить, что в архитектуру любого микроконтроллера заложена система команд, отличающихся своими кодами. При его работе происходит последовательное считывание командных блоков из внутренней памяти (или из порта ввода информации) с последующим их выполнением.

Ассортимент и количество возможных наборов команд определяется характеристиками конкретного МК, а их выполнение состоит в осуществлении определенной последовательности операций. Алгоритм работы микроконтроллера или его программное обеспечение разрабатывается с применением системных языков типа «Ассемблер» или «Форте». Но чаще всего используются версии «Бейсика», «Паскаля» или «Си». Перед рабочим программированием микроконтроллера он обязательно тестируется с использованием программных или аппаратных эмуляторов.

Разновидности МК

Микроконтроллеры производятся многими известными мировыми фирмами в ассортименте, достаточном для удовлетворения запросов потребителя. Среди выпускаемой в различных странах продукции встречаются следующие семейства электронных устройств:

Современные 32-битные микроконтроллеры.
Менее «мощная» 16-битная разновидность.
«Простенькие» 8-битные модели (i8051, например, и ее аналоги).

Внутри каждого такого семейства встречаются схожие модели, различающиеся лишь скоростью работы ЦПУ и заявленными объемами памяти. В настоящее время насчитывается более 200 модификаций МК, совместимых с i8051 и множество других разновидностей.

Известные разработчики МК

Особой популярностью у разработчиков программно-управляемых гаджетов пользуются 8-битные МК PIC от «Microchip Technology». Не менее популярны и такие изделия, как:

Mikrokontrollery 2

Микропроцессоры AVR фирмы «Atmel».
16-битные MSP430 фирмы «TI».
32-битные МК архитектуры ARM (разработка фирма «ARM Limited»).
16-битное 28-pin PDIP PIC24 изделие.

Области применения и достоинства

Микроконтроллеры применяются в различных цифровых устройствах, к которым относятся всевозможные игрушки, электронные часы и подобные им гаджеты. Кроме того, они применяются для управления следующими видами современной техники:

Станочное оборудование.
Насосные и вентиляционные системы.
Большинство домашней техники.
Автоматические системы различного класса (включая «умный дом» и т. п.).

В станках с ЧПУ микроконтроллеры позволяют автоматически управлять работой основной подачи и шпинделя, а в специальном оборудовании с их помощью удается включать и выключать его по заданной программе. В домашней технике они контролируют режимы работы, например, стиральных машин или управляют комплексом звуковоспроизводящей аппаратуры.

Существенное отличие этого модуля от обычного процессора, определяющее его основное преимущество – возможность менять прошивку и обновлять алгоритм управления обслуживающим устройством.

Таким образом с помощью микроконтроллеров удается гибко управлять устройствами, в которые они встроены. Некоторые МК способны непосредственно переключать обслуживаемые устройства (например, реле елочной гирлянды), обходясь без исполнительного модуля. Благодаря универсальности этих программируемых изделий удается сэкономить на комплектующих, не нуждающихся в обновлении с изменением поставленной задачи.