Uporabljajo se številne razvojne plošče, ki jih pogosto uporabljamo, od samega Arduina do številnih drugih MCU enote ali mikrokontrolerji. Nekaj vitalnih čipov, da bi lahko programirajte te naprave in da je navodila, ki jih ustvari programer, mogoče obdelati, da dobimo pričakovane rezultate.
Vendar pa Sektor mikrokrmilnikov je precej širok., kot velja tudi za CPE ali mikroprocesorje, saj ni samo veliko oblikovalcev ali proizvajalcev, pa tudi modelov, ampak obstaja tudi veliko različnih družin, ki bi jih morali poznati. Zato bomo ta članek posvetili prav tej stvari, da boste vedeli, katera bi vas lahko najbolj zanimala za vaše projekte ...
Kaj je mikrokrmilnik ali MCU?
Un mikrokrmilnik ali MCU (MicroController Unit) Je kompaktna naprava, ki združuje funkcije centralnega procesorja (CPE), pomnilnika in zunanjih naprav na enem samem čipu. Ta naprava je osrednji del številnih elektronskih sistemov in je temeljna na področju vgrajene elektronike. Skratka, odlična alternativa žični elektroniki, ki enemu čipu omogoča prilagodljivo izvajanje množice funkcij, saj ga je mogoče programirati.
Mikrokontrolerji se uporabljajo v a široko paleto aplikacij zaradi vsestranskosti in učinkovitosti. Nekateri primeri uporabe mikrokrmilnikov vključujejo nadzorne sisteme v avtomobilih, gospodinjskih aparatih, sistemih industrijske avtomatizacije, sistemih za nadzor procesov, igračah, varnostnih sistemih, razvojnih ploščah in številni drugi elektronski opremi.
Deli mikrokontrolerjev
Mikrokrmilniki so integrirane naprave, vse njihove komponente pa so implementirane na čipu ali integriranem vezju. Med najbolj temeljni deli od teh čipov so:
- CPU (centralna procesna enota): Centralna procesna enota je možgani mikrokontrolerja in njegov najpomembnejši del. Ta enota je odgovorna za uporabo podatkov in navodil programa za njihovo ustrezno interpretacijo in obdelavo v izvršilnih enotah za pridobitev pričakovanih rezultatov. To pomeni, da CPE izvaja vse računske operacije in sprejema odločitve na podlagi programske logike. Hitrost in učinkovitost CPE v veliki meri določata zmogljivost mikrokrmilnika. Poleg tega imajo običajno tudi elementarne dele, kot so prekinitveni sistemi, ki omogočajo, da se mikrokrmilnik pravočasno odzove na določene dogodke. Ko pride do določenega dogodka, kot je vhod signala ali časovnik, ki doseže določeno vrednost, lahko mikrokrmilnik prekine svojo trenutno nalogo, da se odzove na ta dogodek.
- spomin: Običajno imajo dve vrsti pomnilnika, kot sta RAM in flash. RAM se uporablja za shranjevanje začasnih podatkov, kot so navodila, ki sestavljajo programe in podatke (spremenljivke, konstante,...) med izvajanjem programa. Medtem ko se bliskovni pomnilnik uporablja za shranjevanje programa, ki ga je treba izvesti, in je neobstojen kot RAM, zato bo program ostal ob prekinitvi napajanja ali izklopu naprave.
- Vhodno/izhodne periferne enote (I/O): omogoča mikrokrmilniku interakcijo z zunanjim svetom. Ti lahko vključujejo digitalna V/I vrata, analogno-digitalne pretvornike (ADC), digitalno-analogne pretvornike (DAC), komunikacijske vmesnike, kot so UART, SPI in I2C, različne krmilnike, časovnike, števce, GPIO in drugi.
Kako se razlikuje od mikroprocesorja ali CPE?
Mikroprocesor in mikrokrmilnik sta dve temeljni komponenti na področju elektronike, vendar imata pomembne razlike glede na zgradbo in uporabo, čeprav jih marsikdo zamenjuje ali verjame, da sta enaka.
Medtem ko CPE samo integrira funkcionalne enote za krmiljenje in interpretacijo ukazov, registrov, kot tudi izvedbenih ukazov kot so ALU, FPU ipd., ter jih je možno bolj fleksibilno kombinirati z drugimi pomožnimi elementi, so mikrokrmilniki nekoliko bolj zaprti v smislu, da integrirajo veliko delov, ki jih CPE izpusti. Medtem ko je CPE možgani računalnika, lahko MCU štejemo za popoln računalnik, saj vključuje vse osnovne dele na enem samem čipu.
Vendar ne zamenjujte večje integracije s pogoji kompleksnost in zmogljivost. Medtem ko so trenutni mikroprocesorji izjemno zapleteni in z zelo visoko zmogljivostjo, imajo trenutni mikrokrmilniki običajno integrirano CPE z veliko nižjo in preprostejšo zmogljivostjo. Pravzaprav ima lahko veliko današnjih mikrokrmilnikov podobno zmogljivost kot mikroprocesorji izpred desetletij. Še več, kot bomo videli kasneje, imamo celo 8-bitne ali 16-bitne mikrokontrolerje, kot so CPE iz 70-ih.
Razlike v primerjavi s SoC?
Ker mikrokrmilnik združuje več elementov na istem čipu, Pogosto se zamenjuje tudi s SoC (sistem na čipu).Vendar tudi to ni isto. Tako kot pri CPU proti MCU, tudi SoC vključuje CPE z veliko večjo zmogljivostjo kot večina trenutnih mikrokrmilnikov. Poleg tega je SoC neskončno bolj zapleten in napreden sistem. Po drugi strani pa SoC običajno ne vključuje nekaterih delov, ki so integrirani v mikrokrmilnik, saj aplikacije, za katere je namenjen, tega ne zahtevajo, kot so pomnilnik RAM in flash, pretvorniki ADC itd.
Malo zgodovine
Zgodnji mikroprocesorji z več vezji, kot sta AL1 podjetja Four-Phase Systems leta 1969 in MP944 podjetja Garrett AiResearch leta 1970, so bili razviti z več čipi MOS LSI. Prvi mikroprocesor z enim čipom je bil Intel 4004, izdan leta 1971. Ti procesorji so za izvedbo funkcionalnega sistema potrebovali več zunanjih čipov, kar je bilo drago. Skoraj vzporedno pa se je razvijalo to, kar danes poznamo kot mikrokontroler. ON pripisujejo inženirjem IT, Garyju Booneju in Michaelu Cochranu, uspešno ustvarjanje prvega mikrokrmilnika leta 1971, TMS 1000, ki je združeval bralni pomnilnik, bralno/pisalni pomnilnik, procesor in uro na enem samem čipu. Pravzaprav, čeprav je to druga zgodba, je povzročila patentno vojno in tožbe zaradi avtorstva mikroprocesorja ...
V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja je Japonski proizvajalci elektronike so začeli proizvajati mikrokontrolerje za avtomobile. Postopoma so postali priljubljeni in kot odgovor na obstoj TMS 1000 z enim čipom je Intel razvil računalniški sistem na čipu, optimiziranem za nadzorne aplikacije, Intel 8048, ki je združeval RAM in ROM na istem čipu skupaj s CPE. Sčasoma so bili obstojni pomnilniki izboljšani in so prešli od snemanja v tovarni s stalnim programom, kot so bili prvi ROM-i, do uvedbe PROM ali EEPROM leta 1993, ki je omogočal brisanje in ponovno programiranje z drugim programom na preprost način in tolikokrat, kot želite.
Malo po malo so se okoli te vrste čipov rojevala podjetja, kot npr Atmel, Microchip Technology in mnogi drugi. Tudi druga podjetja v sektorju so začela distribuirati svoje mikrokontrolerje, kot so Intel, Analog Devices, Cypress, AMD, ARM, Hitachi, EPSON, Motorola, Zilog, Infineon, Lattice, National Semiconductor, NEC, Panasonic, Renesas, Rockell, Sony , STMicroelectronics , Synopsis, Toshiba itd.
Danes so mikrokrmilniki poceni in lahko dostopni ljubiteljem in množici različnih industrijskih sektorjev. Poleg tega se ocenjuje, da so prodani skoraj 5 milijard 8-bitnih enot po vsem svetu, ki se trenutno najbolj uporablja. Najdete jih v gospodinjskih aparatih, vozilih, računalnikih, telefonih, industrijskih strojih in še mnogo več. Poleg tega jim je uspelo maksimalno miniaturizirati in ustvariti nekaj najmanjših računalnikov na svetu, celo veliko manjše od zrna soli ...
Družine ISA in mikrokontrolerjev
Zdaj, ko veste nekaj več o tem, kaj je MCU ali mikrokrmilnik, si poglejmo nekaj od njih najpomembnejše družine teh mikrokontrolerjev. Tako kot CPE jih je mogoče razdeliti glede na ISA, to je repertoar navodil, registrov in tipov podatkov, ki se uporabljajo, in združljivost binarnih programov, ki jih je mogoče izvesti, bo odvisna od tega. zaradi česar niso združljivi med družinami. In te družine so popolnoma neodvisne od modela, znamke ali enot, vključenih v čip.
Med najbolj priljubljene družine imamo naslednje:
- otroci: je generacija programskih jeder za FPGA od Altere, ki jih je zdaj prevzel Intel.
- črnoplavuti: je družina 16/32-bitnih mikroprocesorjev, ki jih razvija, izdeluje in trži Analog Devices. Procesorji imajo tudi vgrajeno funkcijo procesorja digitalnih signalov (DSP), ki jo izvaja 16-bitno množenje-kopičenje (MAC).
- TigerSHARC: pomeni Super Harvard Architecture Single-Chip Computer, prav tako iz Analog Devices. V tem primeru so idealni za aplikacije, ki zahtevajo visoko računalniško zmogljivost z nizko porabo energije. Ti procesorji ponujajo edinstveno pomnilniško arhitekturo, ki omogoča učinkovit dostop do podatkov in navodil brez poslabšanja zmogljivosti, povezanega z arhitekturami vodil Von Neumann.
- Cortex-M- ARM-ovi mikrokrmilniki Cortex-M so priljubljena družina 32-bitnih mikrokrmilnikov, ki so zelo energijsko učinkoviti in nudijo dobro zmogljivost. Še posebej so priljubljeni v industrijskih in potrošniških aplikacijah in trenutno predstavljajo večino sodobnih čipov, ki jih prodajajo številna podjetja.
- AVR32: Gre za 32-bitno mikrokontrolersko arhitekturo RISC, ki jo proizvaja Atmel in jo najdete na številnih razvojnih ploščah, kot je Arduino in njegovih klonih.
- RISC-V: Ta odprta ISA želi preseči ARM in postopoma je začela imeti pomen v svetu mikrokontrolerjev, saj je zelo prilagodljiva in omogoča njeno uporabo brez plačila licenčnin.
- PIC- so družina 8-bitnih mikrokontrolerjev, ki jih je razvila Microchip Technology, znani po svoji napredni arhitekturi RISC in so precej priljubljeni v industriji.
- PowerQUICC: temeljijo na IBM-ovi tehnologiji Power Architecture in jih uporablja Motorola (zdaj Freescale), podpirajo celoten spekter vgrajene omrežne opreme, industrijskih in splošnih vgrajenih aplikacij.
- Raztezanje: To so Fujitsujevi mikrokontrolerji, ki so osredotočeni na analogne in digitalne izdelke ter zasnovani za učinkovitost in uravnoteženo delovanje.
- 8051: To je 8-bitni mikrokrmilnik, ki ga je razvil Intel, čeprav ga boste zdaj izdelovali tudi v drugih podjetjih. Je eden najbolj priljubljenih mikrokontrolerjev in se uporablja v številnih aplikacijah. 8051 je mikrokrmilnik CISC, ki temelji na harvardski arhitekturi.
- TriCore: je mikrokrmilnik, ki ga je razvil Infineon Technologies. TriCore združuje elemente procesorskega jedra RISC, mikrokrmilnika in DSP na enem samem čipu. Takrat je bila revolucija.
- MC-48 ali 8048: Gre za mikrokrmilnik iz linije Intel, s 64 bajti RAM-a in dostopom do 4096 bajtov zunanjega programskega pomnilnika.
- mico8- je družina 8-bitnih mikrokrmilnikov, ki je v celoti implementirana v pomnilnik za splošne namene in logiko za mrežne FPGA.
- Propeler: 32-bitna večjedrna arhitektura, ki jo je razvil Parallax Inc. Vsak Propeller ima 8 enakih 32-bitnih procesorjev, povezanih s skupnim zvezdiščem.
- Osnovni žig- je mikrokrmilnik z majhnim specializiranim tolmačem BASIC (PBASIC) vgrajenim v ROM. Proizvaja ga Parallax, Inc, in je bil zelo priljubljen izdelek za ustvarjalce, ki so želeli narediti množico projektov doma, preden je bil izdan Arduino.
- SuperH: je 32-bitna arhitektura nabora računalniških ukazov RISC, ki jo je razvil Hitachi in trenutno proizvaja Renesas ter se osredotoča na mikrokontrolerje za vgrajene sisteme.
- tiva: je serijski mikrokrmilnik, ki ga je razvil Texas Instruments. Ima vgrajeno taktno frekvenco procesorja do 80MHz z enoto s plavajočo vejico (FPU), z odlično zmogljivostjo.
- Microblaze: je visoko integriran procesorski sistem, namenjen aplikacijam krmilnikov. MicroBlaze je v celoti implementiran v pomnilnik in logiko splošnega namena Xilinx (zdaj AMD) FPGA, to je programsko jedro.
- Picoblaze: podoben prejšnjemu, vendar je v tem primeru 8-bitni in preprostejši, za bolj integrirane aplikacije.
- XCore: So večjedrni mikrokontrolerji XMOS, 32-bitni, ki so programirani v okolju jezika C in delujejo deterministično ter z nizko zakasnitvijo. So zelo popolni in se lahko izvajajo v obliki ploščic.
- Z8: je iz Ziloga in so 8-bitne naprave, ki ponujajo široko paleto zmogljivosti in možnosti virov. Ti mikrokrmilniki so idealni za obsežne, stroškovno občutljive aplikacije, vključno z izdelki za potrošnike, avtomobile, varnost in HVAC.
- Z180: Je še eden od priljubljenih v Zilogu pred izdajo novega eZ, ki je posodobil prejšnje obsege. Vključuje 8-bitni procesor, združljiv z veliko bazo programske opreme, napisano za Z80. Družina Z180 dodaja višjo zmogljivost in integrirane periferne funkcije, kot so generator takta, 16-bitni števci/časovniki, krmilnik prekinitev, generatorji stanja čakanja, serijska vrata in krmilnik DMA.
- STM: Ta družina STMicroelectronics ima nekaj enot MCU, ki temeljijo na lastni arhitekturi tega podjetja, čeprav je bilo v najnovejših modelih izbrano, kot v mnogih drugih primerih, za integracijo 32-bitne serije ARM Cortex-M. Ponuja izdelke, ki združujejo zelo visoko zmogljivost, zmogljivosti v realnem času, digitalno obdelavo signalov, delovanje z nizko porabo/nizko napetostjo in povezljivost, hkrati pa ohranjajo popolno integracijo in enostavnost razvoja.
Več jih je, a to so najpomembnejše...