ЧТО ТАКОЕ МИКРОПРОЦЕССОР, МИКРОКОНТРОЛЛЕР И
ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЛЕР

Стремительное развитие электроники быстро меняет нашу жизнь, и мы замечаем это, прежде всего, в социальной сфере, сферах коммуникации (общения) и связи. Первое, что приходит на ум в этой связи, – это компьютеры, Интернет и сотовые телефоны. Мы свободны в поисках необходимой информации, имеем возможность выйти на связь с желаемым абонентом, невзирая на наше местоположение. Мы можем получать дистанционное образование и объединяться в группы по профессиональным, социальным или культурным интересам. Все это стало возможным в значительной мере благодаря появлению микропроцессора и созданию микропроцессорных систем.

А существуют ли другие проявления прогресса микроэлектроники, не такие заметные на первый взгляд, но играющие значительную роль в нашей жизни?

Да! микропроцессоры и микроконтроллеры широко применяются в бытовой технике, автомобильной электронике, аэрокосмической и военной отраслях и, конечно же, в промышленном производстве.

Эта статья раскрывает некоторые аспекты применения микропроцессорных систем в технике и промышленности. Если дальнейший текст покажется вам слишком тяжелым и непонятным, рекомендуем предварительно ознакомиться со статьей «Основы информатики. Компоненты микропроцессорных систем ».

• Что такое микропроцессор?
• Что такое микроконтроллер? Каковы его особенности?
• Где используются микроконтроллеры?
• Чем микроконтроллер отличается от микропроцессора?
• Что такое сигнальный процессор?
• Что такое программируемый логический контроллер (ПЛК)? Как он построен?
• Как программируют ПЛК?

Вы уже наверняка знаете, что любой компьютер – это машина для обработки информации, не взирая на то, какую конкретно задачу он выполняет. Центральным элементом компьютера является микропроцессор. Если спросить у ученика средней школы: – Что такое микропроцессор?, – то, скорее всего, получите ответ «Микропроцессор – это сердце компьютера».

Микропроцессор – это микроэлектронное программируемое устройство, предназначенное для обработки информации и управления процессами обмена этой информацией в составе микропроцессорной системы (компьютера).

Почему «микроэлектронное»? Потому что микропроцессоры производятся с помощью технологий современной микроэлектроники на основе полупроводникового кристалла. Информация в микропроцессорной системе передается электрическими импульсами. Конструктивно микропроцессор исполняется в виде одной микросхемы (иногда – нескольких). Микросхема состоит из пластикового или керамического корпуса, внутри которого размещается миниатюрная полупроводниковая подкладка (рис. 1). На этой подкладке лазером «начерчены» все электронные схемы микропроцессора. Входы и выходы схемы на подкладке соединены с металлическими выводами, расположенными по бокам или снизу корпуса микросхемы.

а)	б)

Рис. 1. Интегральная микросхема (а) и ее внутреннее строение (б)

Почему микропроцессор – это «программируемое устройство»? Потому что микропроцессорные системы в общем случае универсальны, т. е. способны выполнять широкий круг задач по обработке информации. А на выполнение конкретной задачи микропроцессор «настраивают» с помощью программы – последовательного перечня машинных команд.

Обязательными компонентами микропроцессора являются регистры, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и блок управления. Регистры предназначены для временного хранения данных, арифметико-логическое устройство – для выполнения арифметических и логических операций (т. е. для обработки данных). Блок управления отвечает за последовательное выполнение команд программы и правильное перенаправление потоков данных.

Микропроцессор не может работать сам по себе. Он является центральным звеном микропроцессорной системы, в которую также входят устройства постоянной и оперативной памяти, устройства ввода и вывода информации, накопители на жестких магнитных дисках (так называемые «винчестеры»), и т. д. Такие микропроцессорные системы собственно и называют компьютерами.

Персональный компьютер может иметь множество применений, однако это достаточно дорогое и громоздкое устройство. А как же наделить элементами интеллекта бытовую технику, автомобили, медицинские приборы? Как сделать их «умными»? Понятно, что в бытовой кондиционер нельзя вмонтировать системный блок обычного компьютера. Это повысит его стоимость в два-три раза. И в составе так называемого смарт-телевизора мы не найдем отдельного персонального компьютера в его обычном виде. Для автоматизации такого рода техники разработаны и изготавливаются специальные процессорные устройства – однокристальные микроконтроллеры (англ.: «Microcontroller»). Английское слово «control» обозначает «контролировать», «управлять». Таким образом, микроконтроллер – это специальный микропроцессор, предназначенный для автоматизации разнообразных устройств и управления их работой.

Итак, микроконтроллер – это специализированное микроэлектронное программируемое устройство, предназначенное для использования в управляющих узлах всевозможных технических изделий, системах передачи данных и системах управления технологическими процессами.

Микроконтроллеры применяют в бытовой технике, медицинских приборах, системах управления лифтами, телефонах, рациях и прочих средствах связи, электронных музыкальных инструментах и автомагнитолах, компьютерной периферии (клавиатурах, джойстиках, принтерах и т. п.), светофорах, автоматических воротах и шлагбаумах, интерактивных детских игрушках, автомобилях, локомотивах и самолетах, роботах и промышленных станках.

Рис. 2. Сферы применения микроконтроллеров.

Микроконтроллеры также широко используются в автомобильной электронике. Например, автомобиль «Peugeot 206» имеет на борту 27 микроконтроллеров, а в автомобилях высокого класса, таких как, например, «BMW» седьмой серии, используется более 60 микроконтроллеров. Они регулируют жесткость адаптивной подвески, управляют впрыском топлива, светотехникой, двигателями дворников, стеклоподъемников и зеркал заднего вида и т. п. (рис. 3).

Рис. 3. Использование микроконтроллеров в автомобильной электронике
(по материалам Microchip Technology).

Микроконтроллер, в отличие от микропроцессора, обычно имеет небольшую разрядность (8 – 16 бит) и богатый набор команд манипулирования отдельными битами. Битовые команды дают возможность управлять дискретным оборудованием (поднять/опустить шлагбаум, включить/выключить лампу, нагреватель, запустить/остановить двигатель, открыть/закрыть клапан, и проч.) Средства, обеспечивающие возможность оперировать отдельными битами, вводить и выводить дискретные сигналы называют «битовым процессором».

Еще одно из основных отличий микроконтроллера от микропроцессора заключается в том, что в составе микросхемы контроллера наличествуют все необходимые элементы для построения простой (а иногда – и достаточно сложной) системы управления. Так, внутри микроконтроллера есть память данных (оперативная память), память программ (постоянная память), генератор тактовых импульсов, таймеры, счетчики, параллельные и последовательные порты. Поэтому система минимальной конфигурации на основе микроконтроллера может состоять из блока питания, непосредственно микросхемы контроллера и нескольких пассивных элементов (резисторов, конденсаторов и кварцевого резонатора). И это фактически есть ничто иное, как одноплатный мини-компьютер на основе одной микросхемы, подходящий для встраивания в объект управления. Средняя стоимость системы минимальной конфигурации составляет несколько десятков долларов (сравните со средней стоимостью персонального компьютера).

Типовая архитектура микроконтроллера (рис. 4) содержит систем систему синхронизации и управления (1), арифметико-логическое устройство (2), регистры общего назначения (3), память данных (4) и память программ (5), порты (6), функциональные устройства (таймеры, счетчики, широтно-импульсные модуляторы, интерфейсы) и регистры для их настройки (7), рис. 4.

Рис. 4. Архитектура типичного микроконтроллера.

Программы для микроконтролеров создают в специальных интегрованных инструментальных средах (англ .: I ntegrated D evelopment E nvironment, IDE) языками Асемблера (машинных команд) или C++.

Остается добавить, что ежегодно в мире продаются миллиарды микроконтроллеров, а обычный житель развитой страны в течение дня десятки раз соприкасается с микроконтроллерами, являющимися неотъемлемой частью современной технологичной окружающей среды.

Кроме микропроцессоров общего назначения и микроконтроллеров на рынке предлагаются так называемые сигнальные процессоры, специально предназначенные для обработки сигналов в режиме реального времени. Они используются в измерительных приборах, средствах связи, передачи и воспроизведения аудио- и видеопотоков, системах локации, космической и военной технике.

Сигнальные процессоры (англ .: D igital S ignal P rocessor, DSP) характеризуются высокой разрядностью и быстродействием, имеют в системе команд специальные инструкции для реализации типовых алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС). Также на одном кристалле, кроме собственно процессорной части, реализуются аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. А налого-Ц ифровой П реобразователь (АЦП) заменяет непрерывный входной сигнал соответствующим потоком цифровых данных (отсчетов). Далее эти данные обрабатываются процессорной частью, после чего с помощью Ц ифро-А налогового П реобразователя (ЦАП) обработанные цифровые данные снова воспроизводятся в аналоговый сигнал. Таким способом сигнальный процессор может углублять четкость изображения, или, наоборот, размывать его, шифровать и дешифровать аудио- и видеопотоки, воспроизводить на экране виртуальную или дополненную реальность, отслеживать движущиеся объекты даже в условиях значительных помех и неполной входной информации.

ТИПЫ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

Микропроцессоры общего назначения	Микроконтроллеры	Сигнальные процессоры	Другие (нейрочипы, секционные и гибридные процессоры)
Применяются: для построения персональных компьютеров, серверов и многопроцессорных систем.	Применяются: для реализации несложных функций управления и автоматизации.	Применяются: для реализации сложных алгоритмов потоковой обработки данных в режиме реального времени.	Применяются: для построения уникальных экспериментальных или специфических систем.
Особенности: высокая разрядность, универсальная архитектура.	Особенности: встроенная память программ и память данных, битовый процессор, таймеры, счетчики, порты, интерфейсы.	Особенности: высокая вычислительная производительность, команды для реализации типовых алгоритмов обработки сигналов, встроенные АЦП, ЦАП или медиа-интерфейсы.	Особенности: построение одного процессора на нескольких микросхемах, комбинация нескольких видов процессоров в одном изделии, специфическая архитектура

Еще один тип микропроцессорных устройств, которые за последние 30 – 40 лет заняли свою рыночную нишу – так называемые программируемые логические контроллеры.

П рограммируемый Л огический К онтроллер (ПЛК; англ .: P rogrammable L ogic C ontroller или PLC) – это специализированная микропроцессорная система, которая используется для автоматизации технологических процессов и общепромышленных установок и комплексов (конвейеров, рольгангов, подъемных кранов, дробилок, мельниц, классификаторов, смесителей, прессов, упаковочных машин, робототехнических и гибких производственных комплексов, и т. п.)

Т. е. основная сфера применения ПЛК – это сфера промышленного производства. Однако они также используются для автоматизации зданий (контроль доступа в помещение, управление освещением, обогревом, вентиляцией и кондиционированием воздуха, управление лифтами, эскалаторами и т. п.) Также ПЛК могут применяться для создания микроклимата в тепличном хозяйстве, на птицефабриках, животноводческих фермах.

В общем случае ПЛК – это одноплатный мини-компьютер, построенный на основе однокристального микроконтроллера и расположенный в типовом корпусе размерами с кирпич. Также существуют модульные контроллеры (рис. 5). Ко входам ПЛК можно подсоединить кнопки, контакты джойстика, переключатели (т. е. органы управления), датчики и исполнительные механизмы (двигатели, лампы, нагревательные элементы, клапаны, вентили, актуаторы и т. п.) ПЛК циклически опрашивает входные сигналы (органы управления и датчики), выполняет программу пользователя (пересчитывает значения переменных) и выдает полученные выходные значения на исполнительные механизмы. Т. е. ПЛК циклически, раз за разом выполняет одну и ту же программу (программу пользователя).

Рис. 5. Программируемые логические контроллеры.

Кроме аппаратной унификации (использования стандартных размеров, уровней напряжений, видов сигналов), прорывному распространению ПЛК поспособстваволо то, что для них были разработаны интуитивные «общеинженерные» языки программирования. Теперь для разработки программы пользователя не обязательно приглашать программиста высокого класса. С этим может справиться (иногда – и лучше) и технолог, и электрик, и химик, и, конечно, специалист по автоматизации. А в случае сложных задач эти языки программирования стирают грань недопонимания между программистом и инженером. Они одинаково понятны и заказчику (инженеру) и исполнителю (программисту).

Таких языков программирования – 6 (5 стандартизированных), причем 4 из них – визуальные (т. е. программа вводится не в виде текста, а как набор соединенных друг с другом графических элементов (блоков), (рис. 6).

Обычно один и тот же контроллер можно программировать на нескольких языках на выбор пользователя. Для этого используют инструментальные программные комплексы, позволяющие не только разработать программу, но и отладить ее с помощью программной модели контроллера (на «симуляторе») или в режиме мониторинга (когда программу пользователя исполняет реальный контроллер, а на дисплее компьютера можно следить за его работой).

Аппаратная и программная унификация ПЛК дает возможность легко переходить на контроллеры другого производителя, переносить программы с одной платформы на другую. Это повышает гибкость систем автоматизации, способствует конкурентному инновационному развитию рынка.

Подробно изучить работу микропроцессорных систем, научиться разрабатывать и программировать прикладные мини-компьютеры и программируемые логические контроллеры для задач автоматизации можно на Национального горного университета.

Микропроцессор обычно не имеет RAM, ROM и IO контактов. Он обычно использует свои контакты в качестве шины для взаимодействия с периферийными устройствами, такими как RAM, ROM, последовательные порты, цифровой и аналоговый ввода-вывода. Из-за этого он расширяется на уровне доски.

Микроконтроллер - это «все в одном», процессор, RAM, IO на одном чипе, поэтому вы не можете (скажем) увеличить объем доступной RAM или количество портов ввода-вывода. Управляющая шина является внутренней и недоступной дизайнеру платы.

Это означает, что микропроцессор, как правило, может быть встроен в более крупные приложения общего назначения, чем микроконтроллер. Микроконтроллер обычно используется для более специализированных приложений.

Все это очень общие утверждения. Есть чипы, которые размывают границы.

However, as I mentioned, the line gets blurry. For example, recent Intel/AMD processors add a memory controller on the chip (previously it was in the chipset).

Микропроцессор - устройство, осуществляющее обработку цифровой информации или управляющее этим процессом, выполненное в виде одной или нескольких интегральных микросхем. Процессор состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ) и устройства управления (УУ), управляющего действиями над числами, которые реализует АЛУ. Все современные микропроцессоры используют двоичную арифметику, в которой число представляется как сумма степеней цифры 2, умноженных на соответствующую цифру:

где каждый разряд двоичного числа a v ..., а п+[ может принимать только два значения: 0 или 1. Цифра 0 воспроизводится низким уровнем напряжения, а 1 - высоким.

Упрощенная структурная схема микропроцессорного устройства (М11У) приведена на рис. 2.16. Оно содержит микропроцессор, запоминающее устройство (ЗУ) или намять и устройство ввода-вывода (УВВ). Па процессор возлагается задача выполнения всех программных действий в соответствии с алгоритмом работы. В ЗУ хранятся команды программы функционирования процессора, а также значения констант и переменных величин, участвующих в вычислениях. Команды программы, воспринимаемые УУ, дают информацию о том, какие операции нужно выполнить, где в памяти хранить данные, куда следует записать результат и где расположена следующая команда. УВВ содержит в себе интерфейс - связующее звено, служащее для преобразования сигналов от микропроцессора в сигналы, доступные периферийным (внешним) устройствам, и наоборот. Интерфейс обеспечивает необходимое согласование (сопряжение) устройств но входным и выходным сигналам по форме представления сигналов (аналоговое, цифровое) и последовательности их прохождения.

Рис. 2.16.

Компоненты МПУ связаны между собой внутренними магистралями (шинами) - «-проводными линиями, по которым передаются «-разрядные двоичные числа. УУ координирует работу всех устройств системы с помощью шины управления. Передача данных из выбранной ячейки памяти или портов УВВ осуществляется посредством шины данных. Вся память МПУ пронумерована побайтно, единицей памяти является один байт. Для обращения процессора к памяти или к УВВ необходимо запросить адрес нужных данных по адресной шине. Запоминающие устройства подразделяются на постоянные (ПЗУ) и оперативные (ОЗУ). ПЗУ применяют в основном для хранения фиксированных программ, постоянных коэффициентов, таблиц и т.п. ОЗУ предназначены для записи и хранения переменной информации, используемой непосредственно при выполнении арифметических и логических операций в ходе исполнения программы. Оперативная память является энергозависимой, т.е. при отсутствии напряжения питания информация не сохраняется. В качестве единиц измерения памяти используют байты, килобайты (1 Кбайт = 2 10 Б = 1024 Б). Важнейшая характеристика МПУ - разрядность, т.с. максимальная длина двоичного кода, который может передаваться и обрабатываться целиком. Скорость работы определяется тактовой частотой процессора, т.е. минимальное время выполнения любой операции (время переключения элементов в МПУ) соответствует одному периоду следования импульсов, вырабатываемых тактовым генератором.

Микропроцессорный контроллер {микроконтроллер) - вычислительное устройство, предназначенное для выполнения функций логического контроля и управления различными техническими объектами и сочетающее в себе микропроцессорное ядро и набор встроенных устройств ввода-вывода. В зависимости от конкретных условий применения микроконтроллер может иметь различное конструктивное исполнение. С развитием схемотехники получили распространение микроконтроллеры, в которых микросхемы процессора, памяти, преобразователей сигналов и их интерфейсы размещены на одной плате. Преимущественно используются однокристальные микроконтроллеры, выполненные в виде одной интегральной микросхемы. Они имеют малые габаритные размеры и высокую надежность.

Структура и характеристики микроконтроллеров определяют их функциональные возможности. Используются 4-, 8-, 16-, 32- и 64-разрядпые процессоры, способные выполнять операции с данными в формате с фиксированной точкой (в большинстве случаев) или плавающей точкой, что обеспечивает более высокую точность. Микроконтроллеры различаются наличием специализированных устройств ввода-вывода, таких как таймеры (счетчики импульсов), блоки захвата и сравнения, ШИМ-модули с разным количеством каналов, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), интерфейсы различного типа. Производителями выпускаются семейства микроконтроллеров, насчитывающие десятки представителей (серий) с разнообразными конфигурациями интерфейсов и составом встроенных периферийных устройств. Для решения задач, требующих большого объема и скорости вычислений, применяются специализированные микроконтроллеры, адаптированные к решению задач цифрового управления в реальном времени, - процессоры для цифровой обработки сигналов (англ. DSP - Digital Signal Processor). Существуют микроконтроллеры, специально предназначенные для управления полупроводниковыми преобразовательными устройствами, имеющие вычислительное ядро на базе DSP с объектно-ориентированной системой команд. Одним из лидеров в области производства микроконтроллеров является фирма Texas Instruments, выпускающая широкую номенклатуру устройств для управления силовыми электронными преобразователями. Одно из популярных семейств - микроконтроллеры С2000 |3].

Altera-Cyclone and Arduino

Суть вопроса. Разница между ПЛИС и микроконтроллером

Каждый начинающий микропрогер на определенном этапе своего развития задается вопросом в чем же разница между ПЛИС (фирм Altera или Xilinx) и микроконтроллером (микропроцессором)?

Читаешь форумы — знатоки дела пишут, что это совершенно разные вещи, которые нельзя сравнить, аргументируя это тем, что у них разная архитектура . Читаешь мануал по Verilog или C++ — и тот и другой используют похожие операторы со схожим функционалом, даже синтаксис похож, а почему разные? Заходишь на марсоход — там светодиодами (или даже просто лампочками) с помощью FPGA моргают, смотришь проекты на Arduino — там роботами управляют. СтОп!

А вот теперь остановимся и спросим себя: почему с ПЛИС — тупо лампочка, а Ардуино — умно робот? Ведь и первый и второй вроде как программируемое устройство, неужели у ПЛИС возможностей для робота не хватает?

В какой-то степени суть вопроса «В чем разница между ПЛИС и микроконтроллером ?» раскрывается именно на таком примере.

Отметим сразу. Функционал ПЛИС изначально не уступает микроконтроллеру (и микропроцессору, кстати, тоже), точнее — основные функции у одного и второго по сути идентичны — выдавать логические 0 или 1 при определенных условиях, а если говорить о быстродействии, количестве выводов(ножек) и возможностях конвейерной обработки, то микроконтроллеру до ПЛИС а вообще далеко. Но есть одно «но». Время на разработку одного и того же программного алгоритма на двух разных устройствах (ПЛИС и микроконтроллер ) различается в разы, а то и в десятки раз. Именно ПЛИС здесь в 99% случаев сильно уступает МК. И дело вовсе не в замороченности языков Verilog , VHDL или AHDL , а в устройстве самой ПЛИС .

О взаимодействии программного языка с архитектурой ПЛИС и микроконтроллера

FPGA : в ПЛИС и нет сложных автоматизированных цепочек(делающих часть работы за вас). Есть только железные проводные трассы и магистрали, входы, выходы, логические блоки и блоки памяти. Среди трасс есть особый класс — трасса для тактирования(привязанная к определенным ножкам, через которые рекомендуется проводить тактовую частоту).

Основной состав:

Трасса — металл, напаянный на слои микросхемы, является проводником электричества между блоками.

Блоки — отдельные места в плате, состоящие из ячеек. Блоки служат для запоминания информации, умножения, сложения и логических операций над сигналами вообще.

Ячейки — группы от нескольких единиц до нескольких десятков транзисторов.

Транзистор — основной элемент ТТЛ логики.

Выводы (ножки микросхемы) — через них происходит обмен ПЛИС с окружающим миром. Есть ножки специального назначения, предназначенные для прошивки, приема тактовой частоты, питания, а так же ножки, назначение которых устанавливаются пользователем в программе. И их, как правило, гораздо больше, чем у микроконтроллера .

Тактовый генератор — внешняя микросхема, вырабатывающая тактовые импульсы, на которых основывается большая часть работы ПЛИС .

Архитектура ПЛИС. Взаимосвязь составляющих элементов

Трассы подключаются к блокам с помощью специальных КМОП-транзисторов. Эти транзисторы способны сохранять свое состояние(открытое или закрытое) на протяжении длительного периода времени. Изменяется состояние транзистора при подаче сигнала по определенной трассе, которая используется только при программировании ПЛИС . Т.е., в момент прошивки осуществляется именно подача напряжения на некоторый набор КМОП-транзисторов. Этот набор определяется прошивочной программой. Таким образом происходит сложное построение огромной сети трасс и магистралей внутри ПЛИС , связывающей сложным образом между собой огромное количество логических блоков. В программе вы описываете какой именно алгоритм нужно выполнять, а прошивка соединяет между собой элементы, выполняющие функции, которые вы описываете в программе. Сигналы бегают по трассе от блока к блоку. А сложный маршрут задается программой.

Архитектура ПЛИС (FPGA)

Архитектура Микроконтроллера

В этом элементе ТТЛ логики все операции по обработкам отдельных сигнальчиков проводятся независимо от вас. Вы лишь указываете что делать с тем или иным набором принятых сигналов и куда выдавать те сигналы, которые нужно передать. Архитектура микроконтроллера состоит совсем из других блоков, нежели ПЛИС . И связи между блоками осуществляются по постоянным магистралям(а не перепрошиваемым). Среди блоков МК можно выделить основные:

Постоянная память (ПЗУ) — память, в которой хранится ваша программа. В нее входят алгоритмы действий и константы. А так же библиотеки(наборы) команд и алгоритмов.

Оперативная память (ОЗУ) — память, используемая микроконтроллером для временного хранения данных(как триггеры в ПЛИС ). Например, при вычислении в несколько действий. Допустим, нужно умножить первое пришедшее число на второе(1-е действие), затем третье на четвертое(2 действие) и сложить результат(3 действие). В оперативную память при этом занесется результат 1 действия на время выполнения второго, затем внесется результат 2 действия. А затем оба этих результата пойдут из оперативной памяти на вычисление 3 действия.

Процессор — это калькулятор микроконтроллера . Он общается с оперативной памятью, а так же с постоянной. С оперативной происходит обмен вычислениями. Из постоянной процессор получает команды, которые заставляют процессор выполнять определенные алгоритмы и действия с сигналами на входах.

Средства (порты) ввода-вывода и последовательные порты ввода-вывода — ножки микроконтроллера , предназначенные для взаимодействия с внешним миром.

Таймеры — блоки, предназначенные для подсчета количества циклов при выполнении алгоритмов.

Контроллер шины — блок, контролирующий обмен между всем блоками в микроконтроллере . Он обрабатывает запросы, посылает управляющие команды, организовывает и упорядочивает общение внутри кристалла.

Контроллер прерываний — блок, принимающий запросы на прерывание от внешних устройств. Запрос на прерывание — сигнал от внешнего устройства, информирующий о том, что ему необходимо совершить обмен какой-либо информацией с микроконтроллером .

Внутренние магистрали — трассы, проложенные внутри микроконтроллера для информационного обмена между блоками.

Тактовый генератор — внешняя микросхема, вырабатывающая тактовые импульсы, на которых основывается вся работа микроконтроллера .

Взаимосвязь составляющих блоков микроконтроллера

В микроконтроллере , в отличии от ПЛИС , работа происходит между вышеперечисленными блоками, имеющими сложную архитектуру , облегчающую процесс разработки программ. При прошивке вы изменяете только постоянную память, на которую опирается вся работа МК.

Основное отличие ПЛИС и микроконтроллера

ПЛИС прошивается на уровне железа, практически по всей площади кристалла. Сигналы проходят через сложные цепочки транзисторов. Микропроцессор же прошивается на уровне программы для железа, сигналы проходят группами, от блока к блоку — от памяти к процессору, к оперативной памяти, от оперативной к процессору, от процессору к портам ввода-вывода, от портов ввода-вывода к оперативной памяти, от оперативной памяти… и так далее. Вывод: за счет архитектуры ПЛИС выигрывает в быстродействии и более широких возможностях конвеерной обработки, МК выигрывает в простоте написания алгоритмов. За счет более простого способа описания программ, фантазия разработчика Микроконтроллера менее скованна временем на отладку и разработку, и, таким образом, время на программирование того же робота на МК и ПЛИС будет отличаться во многие и многие разы. Однако робот, работающий на ПЛИС будет гораздо шустрее, точнее и проворнее.

Железо и программа.

В ПЛИС всю работу нужно делать самому, вручную: для того, чтобы реализовать какую-либо программу на ПЛИС , нужно отследить каждый сигнальчик по каждому проводку, приходящему в ПЛИС , расположить какие-то сигнальчики в ячейки памяти, позаботиться о том, чтобы в нужный момент именно к этим ячейкам памяти обратился другой сигнальчик, который вы так же отслеживаете или даже генерируете, и в итоге набор сигнальчиков, задержанный в памяти задействовал нужный вам сигнальчик, который, например, пойдет на определенную выходную ножку и включит светодиодик, который к ней подключен. Часть сигнальчиков идет не в память, а например на запуск определенной части алгоритма(программы). То есть, говоря языком микропрогера, эти ножки являются адресными. Например, имеем на нашей плате в нашей программе три адресные ножки для включения неких не связанных(или связанных) друг с другом алгоритмов, которые мы реализовали на языке Verilog в ПЛИС . Также в программе, кроме трех адресных ножек, у нас есть еще например 20 информационных ножек, по которым приходит набор входных сигнальчиков(например с разных датчиков) с какой-либо информацией (например температура воды в аквариуме с датчика температуры воды в аквариуме). 20 ножек = 20 бит. 3 ножки -3 бита. Когда приходит адресный сигнал 001(с трех ножек адреса) — запускаем первый алгоритм, который записывает 20 информационных сигнальчиков в 20 ячеек памяти(20 триггеров), затем следующие 20 сигнальчиков умножаем на полученные ранее 20, а результат умножения записываем в память, а потом отсылаем по другим ножкам например в терморегулятор воды в аквариуме. Но Отошлем мы этот результат только тогда, когда на наши адресные ножки придет код например 011 и запустит алгоритм считывания и передачи. Ну, естественно «отсылаем», «считываем» и еще что-то прописываем в ручную. Ведем каждый сигнальчик в каждый такт работы ПЛИС по определенному пути, не теряем. Обрабатываем или записываем. Складываем или умножаем. Не забываем записать. Не забываем принять следующий сигнал и записать в другие триггеры. Еще добавьте сюда работу, привязанную к тактовой частоте, синхронизацию (которая так же реализуется вручную), неизбежные ошибки на этапах разработки и отладки и кучу других проблем, которые в данной статье рассматривать просто бессмысленно. Трудно. Долго. Но зато на выходе работает супер оперативно, без глюков и тормозов. Железно!

Теперь микроконтроллер . 20 ножек на прием информации — для большинства микроконтроллеров физически невозможная задача. А вот 8 или 16 — да пожалуйста! 3 информационных — в легкую! Программа? По адресу 001 умножить первое пришедшее число на второе, по адресу 011 отсылай результат в терморегулятор. Все! Быстро. Легко. Не супер, но оперативно. Если очень грамотно написать программу- без глюков и тормозов. Программно!

Железо и Программа! Вот главное отличие между ПЛИС и Микроконтроллером .

В микроконтроллере большинство замороченных, но часто используемых алгоритмов уже вшиты железо(в кристалл). Нужно лишь вызвать программным способом нужную библиотеку, в которой этот алгоритм хранится, назвать его по имени и он будет делать всю грязную работу за вас. С одной стороны это удобно, требует меньшего количества знаний о внутреннем устройстве микросхемы. Микрик берет на себя заботу об отслеживании принятых, генерируемых и результирующих сигналов, об их складировании, обработке, задержке. Все делает сам. В большинстве микропрогерских задач это то, что нужно. Но если безграмотно использовать все эти удобства, то возникает вероятность некорректной работы. Железо и Программа!

Заключение

Современные разработчики процессоров и микропроцессоров изначально разрабатывают свои устройства на ПЛИС . Да-да, вы правильно догадываетесь: сначала они имитируют создаваемую архитектуру микроконтроллера с помощью разработки и прошивки программы на ПЛИС , а затем измеряют скорость выполнения алгоритмов при том или ином расположении имитируемых блоков МК и том или ином наборе функционала каждого блока отдельно.

По характеристикам выдаваемого сигнала, ПЛИС чаще всего рассчитана на 3,3В, 20мА, Микроконтроллер на 5В, 20мА.

Под микроконтроллер AVR, успешно внедренный в платформу Arduino, написано множество открытых программ, разработано великое множество примочек в виде датчиков, двигателей, мониторчиков, да всего, чего только душе угодно! Arduino в настоящее время больше похож на игровой конструктор для детей и взрослых. Однако не стоит забывать, что ядро этого конструктора управляет «умными домами», современной бытовой электроникой, техникой, автомобилями, самолетами, оружием и даже космическими аппаратами. Несомненно, такой конструктор будет являться одним из лучших подарков для любого представителя сильной половины человечества.

В принципе, все просто!

Остались вопросы? Напишите комментарий. Мы ответим и поможем разобраться =)

Общие сведения об устройстве микроконтроллеров и основные даты

Микроконтроллеры являются неотъемлемой частью быта современного человек. Применяются от детских игрушек до АСУТП. Благодаря использованию микроконтроллеров, инженерам получилось достигнуть большую скорость изготовления и качество продукции практических во всех сферах производства.

Данный материал является общим обзором ключевых дат в истории развития микроконтроллеров. Это не техническое пособие, многие тонкости и моменты упущены.

Предпосылки для появления микропроцессорных и микроконтроллерных систем

Чтобы разобраться с причинами появления и развития микропроцессорной техники взгляните на характеристики и особенности первых компьютеров. ENIAC - первый компьютер, 1946 год. Вес - 30 т, занимал целое помещение или 85 кубических метров объёма в пространстве. Большое тепловыделение, энергопотребление, постоянные неполадки из-за разъёмов электронных ламп. Окислы приводили к исчезновению контактов и лампы теряли связь с платой. Требовали постоянного обслуживания.

Компьютерная техника развивалась и к концу 60-х в мире их было порядка 30 тысяч, в их числе как универсальные ЭВМ, так и мини-компьютеры. Мини - того времени были размерами со шкаф.

Кстати, в 1969 году уже был изобретен прообраз интернета - ARPANET (англ. Advanced Research Projects Agency Network).

Параллельно развивались полупроводниковые технологии - в 1907 работы по детекторам и электролюминесценции полупроводников. В 1940-е диоды и транзисторы. Это всё привело к появлению интегральных технологий. Роберт Нойс в 1959 году изобрел интегральную микросхему (дальше ИМС или МС).

Важно:

Фирма Intel - внесла огромный вклад в развитие микроконтроллеров. Основатели: Роберт Нойс, Гордон Мур и Эндрю Гроув. Основана в 1968 году.

До определённых пор фирма производила п/п запоминающие устройства. Первым была МС «3101» - 64 разряда, Шотки - биполярная статическая ОЗУ.

Следующим было изобретение «4004» - микропроцессора с 2300 п/п транзисторов в своём составе, по производительности не хуже, чем ENIAC, а размером меньше ладони. Т.е. размер 4004-го микропроцессора был на много порядков меньше.

Архитектура, программирование, физическая реализация

Разработчиком архитектуры первого микропроцессора стал - Тед Хофф , системы команд - Стен Мейзор . Федерико Феджин - спроектировал кристалл. Но изначально компания Intel не владела всеми правами на этот чип, и, заплатив 60 000 долларов компании Busicom, получила полные права. Вскоре, последняя обанкротилась.

Для популяризации и внедрения новых технологи Intel вела как рекламную, так и образовательную кампанию.

Впоследствии и другие производители электроники объявляли о создании подобных устройств.

Это интересно:

4004 - 4-разрядная, p-МОП микросхема.

Следующим этапом стал выпуск в 1972 году процессора «8008». В отличие от предыдущей модели он уже больше похож на современные модели. 8008 - 8 разрядный, имеет аккумулятор, 6 регистров общего назначения, указатель стэка, 8 регистров адреса, команды ввода-вывода.

Событие:

А в 1973 году была изобретена наиболее удачная конфигурация микропроцессора, который до сих пор является классическим - это 8 разрядный «8080».

Через полгода у Intel появился серьезный конкурент - Motorola с процессором «6800», n-МОП технология, трёхшинную структуру с 16 разрядной шиной адреса. Более мощная система прерываний, для его питания достаточно оного напряжения, а не три, как у «8080». Кроме того, команды были проще и короче.

До нашего времени сохраняется противостояние семейств микропроцессоров этих производителей.

Ускорило скорость работы и расширило возможности микропроцессоров внедрение 16-разрядных микропроцесоров. Первым из них был разработан «8086» от Intel. Именно его использовали в компании IBM для создания первых персональных компьютеров.

Процессор «68000» - 16 разрядный ответ от «Motorola», использовался в компьютерах ATARI и Apple

Для широкой аудитории в роли ПК стали популярны ZX Spectrum . В них устанавливались процессоры «Z80», от Sinclair Research Ltd. Одна из основных причин популярности - не нужно покупать монитор, ведь спектрум, как современные приставки, подключался к телевизору, а обычный магнитофон как устройство для записи и хранения программ и данных.

Микроконтроллеры

Микро-ЭВМ - главный шаг массового применения компьютерной автоматизации в области управления. Так как в автоматизации основная задача контроль и регулирование параметров, то термин «контроллер» закрепился и в этой среде.

А первый патент в СССР на однокристальные микро-ЭВМ был выдан в 1971 году М. Кочрену и Г. Буну, из Texas Instruments. С этих пор на кристалле кремния кроме процессора размещали еще память, и дополнительные устройства.

Конец семидесятых - это новая волна конкуренции между Intel и Motorola. Причиной этому стали две презентации, а именно в 76 году Intel выпустила i8048, а Motorola, только в 78 - mc6801, который был совместим с раним микропроцессором mc6800.

Спустя 4 года, к 80 году, Intel выпускает популярны и до сих пор . Это было зарождение огромного семейства, которое живет и до сих пор. Ведущие мировые производители выпускают на этой архитектуры сильно модифицированные микроконтроллеры для широкого спектра задач.

Для своего времени он имел немыслимые 128 000 транзисторов. Это в четыре раза превосходило количество в i8086 процессоре.

В 2017 году, и последние десятилетие наиболее распространены следующие виды микроконтроллеров:

8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel;

16-битные MSP430 фирмы TI;

32-битные микроконтроллеры, архитектуры ARM. Она продаётся разработчиками различным фирмам, на базе которой выпускается масса различных продуктов.

В Советском союзе техника не стояла на месте. Ученные не только копировали наиболее удачные и интересные зарубежные разработки, но и занимались разработкой уникальных проектов. Таким образом к 1979 году в НИИ ТТ была разработана К1801ВЕ1, эта микроархитектура называлась «Электроника НЦ» и имела 16 разрядов.

Различия микроконтроллеров

Микроконтроллеры можно разделить по таким критериям:

Разрядность;

Система команд;

Архитектура памяти.

Разрядность - это длина одного слова обрабатываемого контроллером или процессором, чем она больше, тем быстрее микроконтроллер может обработать большие массивы данных, но такой подход не всегда справедлив, для каждой задачи выдвигаются индивидуальные требования, как по скорости, так и по способу обработку, например, применение 32-х разрядного ARM микропроцессор для работы в простых устройствах, оперирующих с 8 битным словами может быть не обосновано как по удобству написания программы и обработки информации, так и по себе стоимость.

Однако, по статистике на 2017 год, стоимость таких контроллеров активно снижается, и, если так будет продолжаться и далее - он будет дешевле простейших PIC контроллеров, при наличии гораздо большем наборе функций. Не понятно только одно - это маркетинговый ход и занижение цены, или реальный технологический прогресс.

Деление происходит на:

Деление по типу системы команд:

RISC-архитектура , или сокращенная система команд. Ориентирована на быстрое выполнение базовых команд за 1, реже 2 машинных цикла, а также имеет большое количество универсальных регистров, и более длинный способ доступа к постоянной памяти. Архитектурна характерна для систем под управление UNIX;

СISC-архитектура , или полная система команд, характерна прямая работа с памятью, большее число команд, малое число регистров (ориентирована на работу с памятью), длительность команд от 1 до 4 машинных циклов. Пример - процессоры Intel.

Деление по типу памяти:

Архитектура Фон-Неймана - основная черта общая область памяти для команд и данных, при работе с такой архитектурой в результате ошибки программиста данные могут записаться в область памяти программ и дальнейшее выполнение программы станет невозможным. Пересылка данных и выборка команды не может осуществляться одновременно по тем же причинам. Разработана в 1945 году.

Гарвардская архитектура - раздельная память данных и память программ, использовалась в первые на компьютерах семейства Mark. Разработана в 1944 году.

Выводы

В результате внедрения микропроцессорных систем размеры устройств снизились, а функционал увеличился. Выбор архитектуры, разрядности, системы команд, структуры памяти - влияет на конечную стоимость устройства, поскольку при единичном производстве разница в цене может быть не значительно, но при тиражировании - более чем ощутимой.

Пошаговое обучение программированию и созданию устройств на микроконтроллерах AVR

У электронщиков, специализирующихся на проектировании микроконтроллерных устройств, существует термин "быстрый старт" . Относится он к случаю, когда надо в короткий срок опробовать микроконтроллер и заставить его выполнять простейшие задачи.

Цель состоит в том, чтобы, не углубляясь в подробности, освоить технологию программирования и быстро получить конкретный результат. Полное представление, навыки и умения появятся позже в процессе работы.

Освоить работу с микроконтроллерами в режиме "быстрый старт", научиться их программировать и создавать различные полезные умные электронные устройства можно легко с помощью обучающих видеокурсов Максима Селиванова в которых все основные моменты разложены по полочкам.

Методика быстрого изучения принципов работы с микроконтроллерами основывается на том, что достаточно освоить базовую микросхему, чтобы затем достаточно уверенно составлять программы к другим ее разновидностям. Благодаря этому первые опыты по программировании микроконтроллеров проходят без особых затруднений. Получив базовае знания можно приступать к разработке собственных конструкций.

На данный момент у Максима Селиванова есть 4 курса по созданию устройств на микроконтроллерах, построенные по принципу от простого к сложному.

Курс для тех, кто уже знаком с основами электроники и программирования, кто знает базовые электронные компоненты, собирает простые схемы, умеет держать паяльник и желает перейти на качественно новый уровень, но постоянно откладывает этот переход из-за сложностей в освоении нового материала.

Курс замечательно подойдет и тем, кто только недавно предпринял первые попытки изучить программирование микроконтроллеров, но уже готов все бросить от того, что у него ничего не работает или работает, но не так как ему нужно (знакомо?!).

Курс будет полезен и тем, кто уже собирает простенькие (а может и не очень) схемы на микроконтроллерах, но плохо понимает суть того как микроконтроллер работает и как взаимодействует с внешними устройствами.

Курс посвящен обучению программирования микроконтроллеров на языке Си. Отличительная особенность курса - изучение языка на очень глубоком уровне. Обучение происходит на примере микроконтроллеров AVR. Но, в принципе, подойдет и для тех, кто использует другие микроконтроллеры.

Курс рассчитан на подготовленного слушателя. То есть, в курсе не рассматриваются базовые основы информатики и электроники и микроконтроллеров. Но, что бы освоить курс понадобятся минимальные знания по программированию микроконтроллеров AVR на любом языке. Знания электроники желательны, но не обязательны.

Курс идеально подойдет тем, кто только начал изучать программирование AVR микроконтроллеров на языке С и хочет углубить свои знания. Хорошо подойдет и тем, кто немного умеет программировать микроконтроллеры на других языках. И еще подойдет обычным программистам, которые хотят углубить знания в языке Си.

Этот курс для тех, кто не хочет ограничиваться в своем развитии простыми или готовыми примерами. Курс отлично подойдет тем, кому важно создание интересных устройств с полным пониманием того, как они работают. Курс хорошо подойдет и тем, кто уже знаком с программированием микроконтроллеров на языке Си и тем, кто уже давно программирует их.

Материал курса прежде всего ориентирован на практику использования. Рассматриваются следующие темы: радиочастотная идентификация, воспроизведение звука, беспроводной обмен данными, работа с цветными TFT дисплеями, сенсорным экраном, работа с файловой системой FAT SD-карты.

Дисплеи NEXTION представляют собой программируемые дисплеи с тачскрином и UART для создания самых разных интерфейсов на экране. Для программирования используется очень удобная и простая среда разработки, которая позволяет создавать даже очень сложные интерфейсы для различной электроники буквально за пару вечеров! А все команды передаются через интерфейс UART на микроконтроллер или компьютер. Материал курса составлен по принципу от простого к сложному.

Этот курс рассчитан на тех, кто хотя бы немного имеет опыта в программировании микроконтроллеров или arduino. Курс отлично подойдет и для тех, кто уже пытался изучать дисплеи . Из курса вы узнаете много новой информации, даже если думаете, что хорошо изучили дисплей!

Приближается осень, а вместе с ней наступит День знаний! Это отличная пора для новых дел, идей и начинаний и самое время для обучения. Используйте это время с пользой для прокачки своих знаний!

Полный курс обучения программированию микроконтроллеров со скидкой: