Микроконтроллеры: что это такое и зачем нужны. Как работает микроконтроллер Где применяются микроконтроллеры

Рассмотрим внутреннюю архитектуру микроконтроллеров AVR, попробуем разобраться из каких блоков состоит кристалл микросхемы и за какие функции отвечает каждый блок, как они взаимодействуют между собою. Также будут приведены полезные сравнения и примеры, ценные заметки что помогут прояснить принципы работы микроконтроллера с внешними устройствами и периферией.

AVR микроконтроллер изнутри

Микроконтроллер изнутри - это компьютер со своим вычислительным устройством, постоянной и динамической памятью, портами ввода-вывода и разной периферией.

Рис. 1. Структура AVR микроконтроллера. Рисунок с сайта digikey.com

Внутри микроконтроллер содержит:

• Быстродействующий процессор с RISC-архитектурой;
• FLASH-память;
• EEPROM-память;
• Оперативную память RAM;
• Порты ввода/вывода;
• Периферийные и интерфейсные модули.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) - архитектура с тщательно подобранным набором команд, которые как правило выполняются за один такт работы процессора. Современные AVR микроконтроллеры содержат около 130 команд, которые очень быстро выполняются и не требуют больших затрат как по внутри-процессорным ресурсам, так и по потребляемой мощности.

Структурная схема AVR микроконтроллера

Посмотрим на рисунок ниже и разберемся из каких блоков состоит микроконтроллер и как они связаны между собою:

Рис. 2. Структурная схема AVR микроконтроллера.

Рассмотрим кратко что изображено на блоках в схеме:

• JTAG Interface (Joint Test Action Group Interface) - интерфейс внутрисхемной отладки (4 провода);
• FLASH - перепрограммируемая память для сохранения программы;
• Serial Peripheral Interface, SPI - последовательный периферийный интерфейс (3 провода);
• EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) - перепрограммируемое ПЗУ, энергонезависимая память;
• CPU (ЦПУ) - центральный процессор управления, сердце микроконтроллера, 8-битное микропроцессорное ядро;
• ALU (АЛУ) - арифметико-логическое устройство, основа блока CPU;
• RAM (Random Access Memory) - оперативная память процессора;
• Program Counter - счетчик команд;
• 32 General Purpose Registers - 32 регистра общего назначения;
• Instruction Register - регистр команд, инструкций;
• Instruction Decoder - декодер команд;
• OCD (On-Chip Debugger) - блок внутренней отладки;
• Analog Comparator - аналоговый компаратор, блок сравнения аналоговых сигналов;
• A/D Converter (Analog/Digital converter) - аналогово-цифровой преобразователь;
• LCD Interface (Liquid-Crystal Display Interface) - интерфейс для подключения жидко-кристаллического дисплея, индикатора;
• USART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter), UART - универсальный асинхронный приемопередатчик;
• TWI (Two-Wire serial Interface) - последовательный интерфейс с двухпроводным подключением;
• Watchdog Timer - сторожевой или контрольный таймер;
• I/O Ports - порты вода/вывода;
• Interrupts - блок управления и реакции на прерывания;
• Timers/Counters - модули таймеров и счетчиков.

Подробнее о внутренних блоках микроконтроллера

А теперь подробно рассмотрим все блоки микроконтроллера, разберемся что и для чего нужно, приведу простые примеры доступным языком.

JTAG Interface - важный интерфейс который позволяет производить внутреннюю отладку прямо в чипе используя блок внутренней отладки (OCD ), без использования эмуляторов. Можно сказать что JTAG - это интерфейс для "железной" отладки микроконтроллера. Через JTAG-адаптер микросхема напрямую подключается к программному комплексу для программирования и отладки.

Используя данный интерфейс можно в пошаговом режиме выполнять программу прямо в микроконтроллере, смотреть как изменяется содержимое регистров, как мигают индикаторы и светодиоды что подключены к микроконтроллеру после каждого шага и т.п. Для подключения к JTAG интерфейсу достаточно 4-х проводников: TDI(Test Data In), TDO(Test Data Out), TCK(Test Clock), TMS (Test Mode Select).

JTAG интерфейс доступен далеко не во всех микроконтроллерах AVR, как правило таким вкусным дополнением обладают чипы у которых 40 и более лапок, а объем памяти доступен в размере не менее 16КБ. Для серьезных задач - серьезные материалы и инструменты.)

FLASH - память программ, энергонезависимое ПЗУ(постоянное запоминающее устройство) что выполнено по технологии FLASH. Здесь хранится программа, которая будет исполняться блоком ALU микроконтроллера. Флешь-память чипа можно многократно перезаписывать, тем самым меняя или дополняя программный код для выполнения. Данный тип памяти может сохранять записанные в нее данные в течение 40 лет, а количество возможных циклов стирания/записи может достигать 10000.

В зависимости от модели микроконтроллера размер FLASH-памяти может достигать 256 KБ.

Serial Peripheral Interface, SPI - последовательный периферийный интерфейс (SPI) который зачастую применяется для обмена данными между несколькими микроконтроллерами со скоростью до нескольких MГц (нескольких миллионов тактов в секунду).

Для обмена данными по SPI интерфейсу между двумя устройствами достаточно 3-х проводников:

1. MOSI (Master Output Slave Input) - Данные от ведущего к ведомому;
2. MISO (Master Input Slave Output) - Данные от ведомого к ведущему;
3. CLK (Clock) — тактовый сигнал.

Устройства с SPI-интерфейсом делятся на два типа: ведущий(Master) и ведомый(Slave). Если к интерфейсу подключено несколько устройств то для обмена данными между ними нужны дополнительные линии связи(проводники) чтобы мастеру можно было выбрать ведомое устройство и сделать запрос к нему.

Также SPI интерфейс используется для внутрисхемного SPI программирования, по этому интерфейсу к микроконтроллеру подключается программатор.

EEPROM - энергонезависимая память данных в которой данные будут храниться даже при отключении питания микроконтроллера. В данной памяти можно хранить настройки выполнения программы, собранные данные для статистики работы устройства и другую полезную информацию. К примеру, собрав маленькую метеостанцию на микроконтроллере, в EEPROM на каждый день можно сохранять данные о температуре воздуха, давлении, силе ветра, а потом в любой момент считать эти собранные данные и провести статистические исследования.

Для EEPROM выделено отдельное адресное пространство которое отличается от адресного пространства RAM и FLASH. Память EEPROM микроконтроллера - очень ценный ресурс, поскольку ее как правило очень мало - от 0,5 до нескольких килобайт на чип. Количество перезаписей для данного типа памяти составляет порядка 100000 что в 10 раз больше чем ресурс FLASH памяти.

ALU - Арифметико-логическое устройство, которое синхронно с тактовым сигналом и опираясь на состояние счетчика команд (Program Counter ) выбирает из памяти программ (FLASH ) очередную команду и производит ее выполнение.

Тактовый сигнал для микроконтроллера вырабатывается тактовым генератором, и может быть подан из нескольких доступных источников на выбор:

• внутренний RC-генератор, который можно калибровать на нужную частоту;
• керамический или кварцевый резонатор с конденсаторами (не у всех моделей);
• внешний тактовый сигнал.

Установка источника тактовых импульсов производится при помощи FUSE-битов.

FUSES (с англ.: плавление, пробка, предохранитель) - специальные 4 байта(4*8=32 бит) данных, которые настраивают некоторые глобальные параметры микроконтроллера в процессе прошивки. После прошивки данные биты нельзя изменить через внутреннюю программу что записана в МК.

Данной конфигурацией бит мы указываем микроконтроллеру вот что:

• какой использовать задающий генератор (внешний или внутренний);
• делить частоту генератора на коэффициент или нет;
• использовать ножку сброса (RESET) для сброса или же как дополнительный пин ввода-вывода;
• количество памяти для загрузчика;
• другие настройки зависимо от используемого микроконтроллера.

CPU - это мозг микроконтроллера, который содержит в себе АЛУ, регистры и оперативную память.

К ALU подключен блок из 32-х регистров общего назначения (32 General Purpose Registers - регистровая память), каждый из которых представляет собою 1 байт памяти (8 бит). Адресное пространство регистров общего назначения размещено в начале оперативной памяти (RAM) но не является ее частью. С данными что помещаются в регистры можно производить разнообразные арифметические, логические и битовые операции. Выполнение подобных операций в оперативной памяти не доступно. Для работы с данными из RAM нужно их записать в регистры, произвести в регистрах нужные операции, а потом записать результирующие данные из регистров в память или в другие регистры для выполнения каких-то действий.

RAM - оперативная память. В нее можно записывать данные из регистров, считывать данные в регистры, все операции с данными и расчеты производятся в регистрах. Для разных семейств AVR чипов размер оперативной памяти ограничен:

• ATxmega - до 32 KБ;
• ATmega - 16 Кб;
• ATtiny - 1 Кб.

Analog Comparator - данный блок сравнивает между собою два уровня сигнала и запоминает результат сравнения в определенном регистре, после чего сданный результат можно проанализировать и выполнить необходимые действия. Для примера: можно использовать этот блок как АЦП(Аналогово-Цифровой Преобразователь) и измерять напряжение батареи питания, в случае если если напряжение батареи достигло низкого уровня - произвести некоторые действия, помигать красным светодиодом и т.п. Также данный модуль можно применять для измерения длительности аналоговых сигналов, считывания установленных режимов работы устройства при помощи потенциометра и т.п.

A/D Converter - данный блок преобразовывает аналоговое значение напряжения в цифровое значение, с которым можно работать в программе и на основе которого можно выполнять определенные действия. Как правило диапазон напряжений что подаются на вход АЦП в AVR микроконтроллере находится в пределах 0-5,5 Вольт. Для данного блока очень важно чтобы микроконтроллер питался от стабильного и качественного источника питания. Во многих AVR микроконтроллерах есть специальный отдельный вывод для подачи стабильного питания на схему АЦП.

LCD Interface - интерфейс для подключения жидкокристаллического индикатора или дисплея. Применятся для отображения информации, состояния устройства и его узлов.

USART - последовательный асинхронный интерфейс для обмена данными с другими устройствами. Есть поддержка протокола RS-232, благодаря чему микроконтроллер можно соединить для обмена данными с компьютером.

Для подобной связи МК с COM-портом компьютера нужен конвертер логических уровней напряжения (+12В для COM - в +5В для микроконтроллера), или же просто RS232-TTL. Для подобных целей используют микросхемы MAX232 и им подобные.

Для подключения микроконтроллера к компьютеру через USB используя UART-интерфейс можно использовать специализированную микросхему FT232RL. Таким образом на новых компьютерах и ноутбуках можно не имея физического COM-порта привязать микроконтроллер используя USB-порт через USART интерфейс.

TWI - интерфейс для обмена данными по двухпроводной шине. К такой шине данных можно подключить до 128 различных устройств, используя две линии данных: тактовый сигнал (SCL) и сигнал данных (SDA). Интерфейс TWI является аналогом базовой версии интерфейса I2C.

В отличие от SPI интерфейса (один мастер и один/несколько ведомых) интерфейс TWI - двунаправленный, сто позволяет организовать между несколькими микроконтроллерами небольшую внутреннюю сеть.

Watchdog Timer представляет собою систему контроля зависания устройства с последующим его перезапуском. Это как автоматическая кнопка RESET для старенького компьютера с глючной ОС.))

I/O Ports , GPIO - это набор блоков портов ввода/вывода к пинам которых можно подключить разнообразные датчики, исполняющие устройства и цепи. Количество пинов вход/выход, что идут от портов в микроконтроллере, может быть от 3 до 86.

Выходные драйверы в портах AVR микроконтроллера позволяют напрямую подключать нагрузку з потребляемым током 20 мА(максимум 40 мА) при напряжении питания 5В. Общий нагрузочный ток для одного порта не должен превышать значение в 80 мА (например на 4 пина для одного из портов повесить по светодиоду с током 15-20 мА).

Interrupts - это блок который отвечает за реакцию и запуск на выполнение определенных функций при поступлении сигнала на определенные входы микроконтроллера или же по какому-то внутреннему событию (например тиканью таймера). Под каждое прерывание разрабатывается и записывается в память отдельная подпрограмма.

Почему этот блок называется блоком прерываний? - потому что при возникновении определенного для прерывания события выполнение основной программы прерывается и происходит приоритетное выполнение подпрограммы что написана для текущего прерывания. По завершению выполнения подпрограммы происходит возвращение к выполнению основной программы с того момента где она была прервана.

Timers/Counters - набор таймеров и счетчиков. Микроконтроллер, как правило, содержит в себе от одного до четырех таймеров и счетчиков. Они могут применяться для подсчета количества внешних событий, формирования сигналов определенной длительности, вырабатывать запросы на прерывания и т.п. Разрядность таймеров и счетчиков составляет - 8 и 16 бит (смотреть в даташите для чипа).

Заключение

Вот в принципе и все что изначально полезно знать о структуре микроконтроллера AVR. Дальше, в процессе работы и программирования, у вас будет возможность на практике изучить даташиты для разных моделей AVR чипов, узнать более детально принципы работы каждого из структурных кубиков МК и изучить как они работают, поиграться с отладкой и т.п.

В следующей статье попробуем разобраться с маркировкой микроконтроллеров, поразмышляем о наиболее доступных и подходящих для начального изучения чипах.

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “ “

Общее устройство микроконтроллеров: основа микроконтроллера, периферийные устройства

Ну вот, уважаемые читатели, мы и подошли к одному из главных вопросов в деле изучения микроконтроллеров – устройству микроконтроллеров.

Микроконтроллеры фирмы ATMEL

Для начала давайте условимся, что слово микроконтроллер в тексте будет прописываться двумя заглавными буквами – МК , так проще и удобнее.

Немножко истории.
Фирма ATMEL была создана в 1984 году, ее полное название – Advanced Technologi Memory and Logic.
Первый МК фирма выпустила в 1993 году.
В 1995 году была придумана новая архитектура процессорного ядра для МК, так называемое RISС-ядро (что это за диво, вы при желании можете ознакомиться в любой популярной литературе, а мы отвлекаться не будем).
Новую архитектуру МК назвали AVR. Идея новой архитектуры ядра оказалась очень удачной, и уже с 1997 года ATMEL начала серийный выпуск МК на основе RISC-ядра.

В настоящее время ATMEL выпускает в год несколько миллиардов МК разнообразных типов. Из всего этого множества мы выделим два семейств восьмиразрядных МК :

- TINY AVR
– MEGA AVR

Семейство Tiny – более простые, менее навороченные и, соответственно, более дешевые.
Семейство Mega – более навороченные, но и стоят дороже.
В каждом семействе большое разнообразие различных МК, что позволяет нам выбрать для создаваемой конструкции наиболее оптимальный вариант МК как по его возможностям, так и по цене.

Почему эти семейства МК называются восьмиразрядными (заодно узнаем что такое шины).

МК – сложная штука, в нем (в одном корпусе) размещено много разных устройств, которые, естественно, должны общаться между собой – передавать или принимать данные (нули и единички), передавать и принимать различные сигналы управления, записывать данные в память или считывать их из памяти. Общение устройств между собой а также с «внешним миром» происходит с помощью шин .
Шину можно представить как жгут с несколькими проводами с помощью которых все устройства соединены между собой и по которым передаются цифровые сигналы – логические нули и логические единицы.

В МК имеется три шины :
1. Шина данных (Data Bus – по английски).
Шина данных - шина, предназначенная для передачи информации.
Эта шина служит только для передачи различных данных между устройствами. Эта шина двунаправленная: по ней устройство может как передавать, так и принимать данные. МК семейства Tiny и Mega могут за один раз передать или принять восемь бит информации (бит – наименьшая единица измерения данных в цифровой технике, одна логическая единица или один логический ноль – это один бит информации) . Такая шина называется восьмиразрядной (иногда встречается название – восьмибитовая), а отсюда и сами МК – восьмиразрядными (если грубо, то можно сказать, что все устройства соединены жгутами из восьми проводов).
Минимальная разрядность шины данных – 8 бит (меньше не бывает). Современные компьютеры имеют 64-разрядную шину данных. Разрядность шины данных всегда кратна 8 (восьмиразрядная, шестнадцатиразрядная, тридцатидвухразрядная…)
2. Шина адреса (Addr Bus – по английски).
Шина адреса - шина, на которой в ходе выполнения программы выставляется адрес ячейки памяти, к которой в данный момент времени должен обратиться МК чтобы считать или следующую команду, или данные, или в которую необходимо записать данные.
3. Шина управления (Control Bus – по английски).
Шина управления – шина, а точнее набор линий (проводников) по которым передаются управляющие сигналы с помощью которых определяется как будет происходить обмен информацией – или ее считывание из памяти, или запись в память, а также некоторые специальные сигналы – сигнал готовности, сигнал сброса.
Небольшой пример работы шин.
Необходимо записать число 60 в ячейку памяти:
– на шине адреса выставляется адрес ячейки памяти в которую необходимо записать число
– на шине управления выставляется сигнал записи
– по шине данных передается число 60, которое записывается в выбранную ячейку памяти.
Ну вот, как общаются устройства в МК между собой, мы вроде-бы разобрались. Идем дальше.

В современном МК много различных устройств, в каком-то типе больше, а в каком-то меньше, а кроме того, в разных МК эти устройства могут различаться по своим характеристикам. Но в МК есть то, что составляет его основу и присутствует во всех типах – процессорное ядро (микропроцессорная система – по аналогии с компьютером), которое состоит из трех основных устройств:
1. АЛУ – арифметико-логическое устройство (микропроцессор) которое выполняет все вычисления (выполняет нашу программу).
2. Память -предназначена для хранения программ, данных, а также любой другой нужной нам информации.
3. Порты ввода – вывода . Это выводы МК с помощью которых он общается с «внешним миром». При передаче информации МК выставляет на своих выводах соответствующие логические уровни (0 или 1). При приеме информации МК считывает с этих выводов логические уровни, которые выставлены внешним устройством.
Это трио – основа МК:

Эту основу МК мы с вами рассмотрим очень подробно, но в следующей статье, как и то, что вы прочтете ниже.

В зависимости от модели МК в нем могут присутствовать дополнительные или, как еще говорят – периферийные устройства . Все периферийные устройства работают сами по себе, т.е. отдельно от процессора МК и не мешают выполнению программы. Когда периферийное устройство выполнит свою работу, оно может об этом сообщить процессору, а может и не сообщать – зависит от нашего желания, сами потом посмотрим на результаты.

1. Аналоговый компаратор
Присутствует во всех моделях МК
Аналоговый компаратор – устройство сравнения. Основная задача компаратора – это сравнение двух напряжений: одно из них – образцовое (с чем сравниваем), а второе – измеряемое (сравниваемое). Если сравниваемое напряжение больше образцового – компаратор вырабатывает сигнал логической единицы. Если сравниваемое напряжение меньше образцового – компаратор формирует на своем выходе логический ноль.
С помощью компаратора можно, к примеру, контролировать напряжение на заряжаемом аккумуляторе. Пока напряжение не достигнет нужного уровня, на выходе компаратора – логический ноль, как только напряжение аккумулятора достигло уровня нужного нам, компаратор вырабатывает логическую единицу, и значит можно завершить зарядку аккумулятора.

2. АЦП – аналогово-цифровой преобразователь.
Имеют не все МК.
АЦП – преобразователь аналогового напряжения в цифровую форму.
Аналоговое напряжение – это напряжение которое изменяется по напряжению во времени. Например – синусоидальный сигнал с выхода генератора частоты, напряжение в бытовой розетке, звуковой сигнал на колонках.
АЦП постоянно анализирует на своем входе величину напряжения и выдает на своем выходе цифровой код, соответствующий входному напряжению.
Примеры применения:
– цифровой вольтметр или амперметр
– процессорный стабилизатор напряжения
МК, которые имеют АЦП, также имеют раздельное питание для цифровой и для аналоговой частей.

3. Таймер/счетчик
Присутствует во всех моделях МК, но в разных количествах – от 1 до 4, и с разными возможностями.
Таймер/счетчик – это как бы два устройства в одном флаконе: таймер + счетчик.
Таймер – устройство, которое позволяет формировать временные интервалы. Таймер представляет собой цифровой счетчик который считает импульсы или от внутреннего генератора частоты, или от внешнего источника сигнала.
С помощью таймера/счетчика можно:
– отсчитывать и измерять временные интервалы
– подсчитывать количество внешних импульсов
– формировать ШИМ-сигналы
К примеру, мы хотим создать прибор позволяющий измерять частоту входного сигнала (частотомер). В этом случае мы можем использовать два счетчика/таймера. Первый будет отсчитывать временные интервалы равные 1 секунде, а второй будет считать количество импульсов за промежуток времени в 1 секунду которые отсчитывает первый таймер. Количество импульсов подсчитанное вторым таймером/счетчиком за 1 секунду будет равно частоте входного сигнала.
ШИМ - широтно-импульсный модулятор, предназначен для управления средним значением напряжения на нагрузке.
ШИМ – один из вариантов работы таймера/счетчика, позволяющий генерировать на выходе МК прямоугольное импульсное напряжение с регулируемой длительностью между импульсами (скважностью), которое применяется в различных устройствах:
– регулирование частоты вращения электродвигателя
– осветительные приборы
– нагревательные элементы

4. Сторожевой таймер.
Есть во всех моделях МК. Может быть включен или выключен по усмотрению программиста.
У сторожевого таймера только одна задача – производить сброс (перезапускать программу) МК через определенный промежуток времени.
При работе МК могут возникать различные ситуации при которых его нормальная работа будет нарушена (внешние помехи, дурацкая программа, за которую надо голову оторвать программисту). В таких случаях говорят, что МК «завис».
При нормальной работе МК и включенном сторожевом таймере, программа должна периодически производить сброс сторожевого таймера (а периодический сброс мы должны сами предусмотреть в программе) еще до того, как он должен сработать и перезапустить МК. Если программа «зависла», то сброса сторожевого таймера не будет, и через определенный промежуток времени он перезапустит МК.

5. Модуль прерываний.
Прерывание – сигнал, сообщающий процессору о наступлении какого-либо события. При этом выполнение текущей программы приостанавливается и управление передается обработчику прерывания, который реагирует на событие и обслуживает его (выполняется программа, которую должен выполнить МК при наступлении соответствующего события – прерывания), после чего возвращается в прерванную программу.
Прерывания бывают внутренние и внешние .
Внутренние прерывания могут возникать при работе периферийных устройств МК (АЦП, компаратор, таймер и т.д.)
Внешнее прерывание – событие, которое возникает при наличии сигнала на одном из специальных входов МК (таких специальных входов для внешних прерываний у МК может быть несколько).
Пример.
Внутреннее прерывание. Собрали на МК устройство, которое еще обладает и функцией зарядки резервного источника питания. МК выполняет свою основную программу, аналоговый компаратор в это время проверяет напряжение на аккумуляторе. Как только напряжение аккумулятора снизится ниже допустимого, компаратор вырабатывает сигнал процессору – прерывание, процессор останавливает выполнение основной программы и переходит к выполнению программы прерывания, вызванного компаратором – к примеру, включает схему зарядки аккумулятора, а затем возвращается к выполнению прерванной программы.
Внешнее прерывание. Работа МК происходит также, как и при внутреннем прерывании, но вызываться оно может любым устройством, подключенным к специальному входу МК.

6. Интерфейсы и модули для передачи данных. Мы подробно рассматривать их будем только в том случае, если они потребуются для собираемой нами (в будущем) конструкции. Более подробно о них можно прочитать в популярной литературе.
Последовательный периферийный интерфейс SPI
Имеется во всех моделях МК.
Мы его в 99,9 случаях из 100 применяем для программирования МК.
Кроме программирования МК интерфейс SPI позволяет:
– обмениваться данными между МК и внешними устройствами
– обмениваться данными нескольким МК между собой
Универсальный приемопередатчик
Имеют все модели МК, но разных типов:
– USART
– UART
Предназначены для обмена данными по последовательному каналу.
Последовательный двухпроводный интерфейс TWI Порты ввода/вывода микроконтроллера

Микроконтроллеры внешне похожи на маленькие микросхемы. На их кристалле выполнена сборка своеобразного микрокомпьютера. Это значит, что в устройство корпуса одной микросхемы вмонтировали память, процессор и периферийные устройства, которые взаимодействуют друг с другом, с внешними устройствами, и работают под руководством особой микропрограммы, хранящейся внутри корпуса.

Для чего нужен микроконтроллер?

Микроконтроллеры предназначены для управления разными электронными приборами и устройствами. Они используются не только в компьютерах, но и в различной бытовой технике, в роботах на производстве, в телевизорах, в оборонной промышленности.

Микроконтроллер является универсальным инструментом, с помощью которого осуществляется управление различной электроникой. При этом алгоритм управляющих команд человек закладывает в них самостоятельно, и может менять его в любое время, в зависимости от ситуации.

Устройство микроконтроллера

Сегодня выпускается много разных видов форм и серий микроконтроллеров, но их сфера использования, назначение и принцип работы одинаков.

Внутри корпуса микроконтроллера находятся основные элементы всей его структуры. Существует три класса таких устройств: 8, 16 и 32-разрядные. Из них 8-разрядные модели имеют малую производительность. Она достаточна для решения простых задач управления объектами. 16-разрядные микроконтроллеры – модернизированные 8-разрядные.

Они имеют расширенную систему команд. 32-разрядные устройства включают в себя высокоэффективный процессор общего назначения. Они используются для управления сложными объектами.

1. Арифметико-логическое устройство служит для производства логических и арифметических операций, выполняет работу процессора совместно с регистрами общего назначения.
2. Оперативно запоминающее устройство служит для временного хранения информации во время функционирования микроконтроллера.
3. 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. Ее пишет сам разработчик устройства. Изначально в памяти программ завод изготовитель ничего не закладывает, и там нет никаких данных. Прошивку с помощью программатора разработчик устройства записывает внутрь.
4. Память данных используется в некоторых моделях микроконтроллеров для записи различных постоянных величин, табличных данных и т.д. Эта память имеется не во всех микроконтроллерах.
5. 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.
6. Аналого-цифровой преобразователь требуется для введения аналогового сигнала на вход микроконтроллера. Его задачей является преобразование сигнала из аналогового вида в цифровой.
7. Аналоговый компаратор служит для выполнения сравнения двух сигналов аналогового вида на входах.
8. Таймеры используются для выполнения установки диапазонов и задержки времени в функционировании микроконтроллера.
9. Цифро-аналоговый преобразователь исполняет обратную работу по преобразованию из цифрового сигнала в аналоговый.
10. Действие микроконтроллера синхронизируется с генератором тактовыми импульсами при 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.

В результате микроконтроллеры можно назвать электронными конструкторами. На их основе можно создать любое управляющее устройство. С помощью программ можно подключать или отключать составные элементы, находящиеся внутри, задавать свой порядок действий этих элементов.

Микроконтроллеры и их применение

Сфера их использования постоянно расширяется. Микроконтроллеры применяются в различных механизмах и устройствах. Основными областями их применения являются:

• Авиационная промышленность.
• Робототехника.
• Промышленное оборудование.
• Железнодорожный транспорт.
• Автомобили.
• Электронные детские игрушки.
• Автоматические шлагбаумы.
• Светофоры.
• Компьютерная техника.
• Автомагнитолы.
• Электронные музыкальные инструменты.
• Средства связи.
• Системы управления лифтами.
• Медицинское оборудование.
• Бытовая техника.

В качестве примера можно рассмотреть использование микроконтроллеров в автомобильной электронике. В некоторых автомобилях Пежо встроено 27 различных микроконтроллеров. В элитных моделях БМВ применяется более 60 таких устройств. Они контролируют жесткость подвески, впрыск топлива, работу приборов освещения, стеклоочистителей, стеклоподъемников и других механизмов.

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:

• Способность работы с прикладной системой. Возможность реализации этой системы на однокристальном микроконтроллере, или на специализированной микросхеме.
• 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.
• Наличие необходимых устройств периферии: различных преобразователей, интерфейсов связи.
• Наличие других вспомогательных устройств, ненужных для работы, из-за которых повышается стоимость.
• Сможет ли ядро контроллера обеспечить требуемую производительность: мощность вычислений, дающую возможность обработки запросов системы на определенном прикладном языке программирования.
• 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.
• Доступность. В этот фактор входят следующие пункты:

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

• Информационная поддержка, включающая в себя:

Связь с профессиональными специалистами.
Квалификация персонала, и их заинтересованность в помощи и решении проблем.
Примеры текстов программ.
Программы и бесплатные ассемблеры.
Сообщения об ошибочных действиях.
Примеры использования.

• Надежность завода изготовителя. В этот фактор входит:

Период работы по этой теме.
Качество изделий, надежность изготовления.
Профессиональная компетентность, подтвержденная научными разработками.

В этой статье второго выпуска журнала Электрон, я хочу затронуть очень интересную тему, касающуюся цифровой электроники. Сегодня я хочу ответить на вопрос что такое микроконтроллер .

Итак, микроконтроллер это небольшая микросхема, на кристалле которой собран настоящий микрокомпьютер! Это означает, что внутри одной микросхемы смонтировали процессор, память (ПЗУ и ОЗУ), периферийные устройства, заставили их работать и взаимодействовать между собой и внешним миром с помощью специальной микропрограммы, которая храниться внутри микроконтроллера.

Основное назначение микроконтроллеров – это управление различными электронными устройствами. Таким образом, они применяются не только в персональных компьютерах, но и почти во всей бытовой технике, автомобилях, телевизорах, промышленных роботах, даже в военных радиолокаторах.

Можно сказать, что микроконтроллер это универсальный инструмент управления электронными устройствами, причем алгоритм управления вы закладываете в него сами и можете в любое время его поменять в зависимости от задачи, возложенной на микроконтроллер.

Так выглядят современные микроконтроллеры.

В настоящее время существует множество различных платформ и семейств микроконтроллеров, однако назначение, применение и суть их функционирования почти одинакова.

Мы сказали, что микроконтроллер это своего рода микрокомпьютер (старое название однокристальные микроЭВМ). Представим его в виде черного ящика. Внутри этого ящика расположены основные структурные элементы микроконтроллера.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения арифметических и логических операций, на самом деле в совокупности с регистрами общего назначения АЛУ выполняет функции процессора.

Оперативно – запоминающее устройство (ОЗУ) – предназначено для временного хранения данных при работе микроконтроллера.

Память программ - выполнена в виде перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства и предназначена для записи микропрограммы управления микроконтроллером, так называемая прошивка.

Память данных применяется в некоторых микроконтроллерах в качестве памяти для хранения все возможных констант, табличных значений функций и т.д.

Микроконтроллер в своем составе может иметь и другие вспомогательные элементы.

Аналоговый компаратор – предназначен для сравнения двух аналоговых сигналов на его входах

Таймеры в микроконтроллерах применяются для осуществления различных задержек и установки различных интервалов времени в работе микроконтроллера.

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) необходим для ввода аналогового сигнала в микроконтроллер и его функция перевести аналоговый сигнал в цифровой.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) выполняет обратную функция, то есть сигнал из цифрового вида преобразует в аналоговый вид.

Работа микроконтроллера синхронизируется тактовыми импульсами с генератора и управляется устройством управления микроконтроллера.

Таким образом, микроконтроллер это электронный конструктор, с помощью которого вы можете собрать свое устройство управления. Путем программирования микроконтроллера вы отключаете или подключаете составные устройства внутри микроконтроллера, задаете свои алгоритмы работы этих устройств.

Предлагаю вам посмотреть видео, в котором я рассказываю, что такое микроконтроллер и привожу пару примеров практического применения микроконтроллеров.

Кстати тем, кто заинтересовался темой и хочет создать самостоятельно устройство на основе микроконтроллеров фирмы Atmel, предлагаю посмотреть следующее видео.

Видео посвящено видеокурсу о программировании микроконтроллеров фирмы Atmel , пройдя который вы не только познакомитесь с замечательным миром микроконтроллеров, но и научитесь программировать микроконтроллеры, а следовательно самостоятельно создавать электронные устройства на микроконтроллерах.

Видеокурс "Программирование микроконтроллеров для начинающих" более 70 часов качественного видео.

В результате изучения вы получите те знания с помощью которых сможете самостоятельно разработать устройство любой сложности.

Наверное, не многие люди слышали такой термин как «микроконтроллер » (за исключением наших читателей) , но на самом деле это очень распространенное устройство - без него редко обходится какая-либо современная техника. Телевизоры, стиральные машины, мобильные телефоны, компьютеры и периферия, автомобили и многое другое - все они содержат в себе микроконтроллеры.

В этой небольшой статье я постараюсь рассказать о том, что это за зверь такой «микроконтроллер », какие у них плюсы и минусы, их особенностях и возможностях, а также о том, как их можно применять в целях.

Что такое микроконтроллер?

Микроконтроллер по сути дела является небольшим компьютером, выполненным в виде небольшой микросхемы , в которой на одном «кристалле » содержатся все основные компоненты: процессор, периферия, устройства ввода-вывода, а также, чаще всего, оперативная память (ОЗУ) и энергонезависимая память (ПЗУ). Конечно, мощность такого компьютера совсем небольшая и не сравниться с мощностью настольного или портативного компьютера. Но ведь далеко не для всех задач она и нужна - для относительно простых зада и применяют микроконтроллеры, и их мощности предостаточно. Основным же плюсом использования одного микроконтроллера, в котором интегрированы все необходимые компоненты, вместо россыпи отдельных микросхем (процессор, ОЗУ, ПЗУ, периферия), является снижение стоимости, размеров, энергопотребления, а также затрат на разработку и сборку необходимого устройства. Ранее микроконтроллеры называли «однокристальными микро-ЭВМ », но со временем это название было вытеснено более современным (и лучше отражающим предназначение этого девайса) словом микроконтроллер (от англ. слова control - «управление »).

Общий вид микроконтроллера

Впервые такое устройство как микроконтроллер, которое тогда называлось еще однокристальной микро-ЭВМ, было разработано в 1971 году сотрудниками компании Texas Instruments, инженерами М. Кочрену и Г. Буну, которые и предложили интегрировать изобретенный незадолго до этого микропроцессор на один кристалл со всеми необходимыми компонентами.

Поскольку под разные задачи лучше всего использовать наиболее подходящие для них микроконтроллеры, а количество применений для микроконтроллеров поистине неиссякаемое, то логично, что компании производители выпускают большое, измеряемое в сотнях, количество самых разнообразных по своим техническим характеристикам микроконтроллеров. По своим характеристикам, микроконтроллеры бывают как совсем простые - четырех разрядные (4 битные) с небольшой рабочей частотой , измеряемой в килогерцах , так и очень навороченные - до 64 битных с тактовой частотой, измеряемой в мегагерцах .

Микроконтроллеры выпускаются очень большим количеством разнообразных компаний, для перечисления которых не хватило бы даже целой статьи, так что я расскажу о микроконтроллерах, которые производит корпорация Атмел (Atmel), основанная в далеком 1984 году. Семейство этих микроконтроллеров зовётся AVR - это восьмибитные микроконтроллеры, разработанные в 1996 году. Фирма Atmel выпускает несколько семейств микроконтроллеров:

• 4-разрядные
• 8-разрядные: MCS-51, AVR
• 32-разрядные: ARM, AVR32

Само семейство микроконтроллеров AVR делится на две большие группы микроконтроллеров : Tiny и Mega . Отличаются они между собой набором функций, которые в них заложены. Основным же различием внутри группы является внутренняя частота и объём памяти, используемый для хранения программы. Большее распространение среди радиолюбителей получили микроконтроллеры семейства Mega по причине того, что они имеют больше возможностей и функций, конкретнее – ATmega8 , который имеет тактовую частоту 16 МГц и объём памяти в 8 Кбайт.

Возможности и особенности микроконтроллеров

Так что же могут микроконтроллеры ? Благодаря тому что микроконтроллер является маленьким компьютером — его возможности очень широки. К примеру, микроконтроллеру можно поручить измерение разнообразных величин, обработку различных сигналов и управление широким спектром разных девайсов. Во многом возможности микроконтроллеров ограничены только вашим воображением и умениями работать с ними. Но у микроконтроллеров есть и определенные особенности, одной из которых является то, что все микроконтроллеры поступают с завода в продажу «пустые», то есть, если на них подать напряжение, то мы не получим ровным счетом ничего. Просто кусок кремния . Для того, что бы микроконтроллер начал выполнять какие-то операции, начиная с включения светодиода, заканчивая ШИМ-регулированием напряжения - ему нужно «объяснить» как это сделать, т.е. прошить микроконтроллер исполняющей программой, которую можно написать на ассемблере или на Си.

Многие, наверняка, уже догадались, что можно сделать с микроконтроллерами , дочитав для этого момента. Конечно же, их можно и нужно применять в компьютерном моддинге! Поскольку так называемым «обвесом» микроконтроллера (набором электродеталей, периферией и т.д.) может быть практически всё (реле, транзисторы, светодиоды, индикаторы, LCD дисплеи и многое другое), в зависимости от нужных функций микроконтроллера (сигнализация, управление), то и возможности использования микроконтроллеров в моддинге поистине безграничны. Коротко перечислим некоторые из них.

Микроконтроллеры можно «научить» считывать сигнал с таходатчика (датчика скорости вращения) вентилятора или помпы и выводить значения на LCD или индикаторный дисплей. Таким же образом микроконтроллер может послужить для вычисления основных электрических величин: сопротивления, напряжения и силы тока. Всё это так же можно вывести на LCD дисплей.

Если к микроконтроллеру подключить необходимый датчик, то из него можно сделать термометр на светодиодных индикаторах, который отлично впишется в ваш проект, а затраты на изготовление будут минимальными (до 4 у.е.)!

Термометр на основе светодиодных индикаторов

Если приловчиться, изучить микроконтроллеры более детально и освоить необходимый язык программирования, то можно написать программу для ШИМ-регулятора, который, в свою очередь, будет управлять скоростью вращения корпусных вентиляторов.

Так же можно использовать микроконтроллеры как средство вывода информации о загрузке процессора, оперативной памяти или заполненности винчестера на тот же LCD дисплей, который органично впишется в любой дизайн.

Индикатор, собранный на основе микроконтроллеров

Использование микроконтроллеров

Как я уже писал, для того чтобы использовать микроконтроллер его необходимо прошить соответствующей программой, но это не все, поскольку микроконтроллер это не товар конечного потребления (как, например, MP3 плеер), а электронный компонент , на основе которого можно сделать необходимое устройство. Обычно этот процесс состоит из нескольких пунктов:

• Определение задач, которые будет исполнять микроконтроллер
• Создание схемы на основе микроконтроллера или, как бывает чаще, поиск нужной схемы в интернете
• Написание программы-прошивки для микроконтроллера или, опять же, скачка программы, сделанной другим энтузиастом
• Прошивка программы в микроконтроллер
• Сборка и подключение всего устройства
• Использование самодельного гаджета

Для того чтобы прошить микроконтроллер его необходимо подключить к ПК, для чего используется специальное устройство, которое называется программатор. С его помощью и осуществляется взаимосвязь между микроконтроллером и компьютером. Можно даже сказать, что программатор - это своеобразный мост.

Программу для микроконтроллера пишете на языке программирования Си (кстати, Си намного проще, чем ассемблер), после чего создаёте файл прошивки и с помощью программы прошивальщика прошиваете ваш микроконтроллер данной прошивкой. На самом деле всё довольно просто и, при желании, достаточно легко осваивается! Лично я использую для всех этих действий программу CodeVisionAVR так как она очень удобна и поддерживает практически все виды программаторов. От себя - очень советую!

Собирать устройство на основе микроконтроллера можно как на протравленной плате, так и на макетной или даже методом навесного монтажа , в зависимости от того, как вам удобней и сложности предполагаемого устройства.

Выводы про микроконтроллеры

Микроконтроллеры - весьма перспективная штука, так как на ее основе можно создавать разнообразные гаджеты и примочки для вашего проекта, которые выведут его на качественно новый уровень, как по внешнему виду, так и по функционалу. Причем особый плюс заключается в том, что именно с помощью микроконтроллеров можно реализовать различные сложные кастомные гаджеты, которых попросту нет в продаже, что позволит сделать ваш проект действительно уникальным.

Из плюсов микроконтроллеров я бы выделил:

• широкий спектр применения
• минимум материальной базы для изготовления устройств
• нет трудностей с приобретением

Ну, куда без минусов:

• для начала нужно иметь программатор
• придётся выучить Си или ассемблер, хотя бы на самом базовом уровне

На мой взгляд, плюсы в данном случае однозначно перевешивают минусы. Если вы заинтересовались микроконтроллерами, то не пугайтесь трудностей, в лице изучения языка программирования Си для микроконтроллеров. Лично я его не знаю, но это не мешает мне создавать интересные гаджеты. Тем более, в интернете полно литературы по изучению этого языка. Спасибо всем, кто дочитал статью до этих строк.