микропрцессор. Микропроцессор. В этой системе микропроцессор имеет множество вспомогательных устройств, таких как постоянное запоминающее устройство, оперативная память, последовательный интерфейс, таймер, порты вводавывода и т д
 Скачать 2.53 Mb.
|
|
Микропроцессор (в англоязычной литературе MPU — Micro Processor Unit) содержит функционал компьютерного центрального процессора, или ЦП (CPU — Central Processing Unit) на одном полупроводниковом кристалле (ИМС — интегральная микросхема или на западный манер — Integrated Circuit). Он обрабатывает данные, поступающие с входных периферийных устройств и передаёт обработанные данные на выходные периферийные устройства. В этой системе микропроцессор имеет множество вспомогательных устройств , таких как постоянное запоминающее устройство, оперативная память, последовательный интерфейс, таймер, порты ввода/вывода и т.д. Все эти устройства обмениваются командами и данными с микропроцессором через системную шину. Все вспомогательные устройства в микропроцессорной системе являются внешними. Системная шина, в свою очередь, состоит из адресной шины, шины данных и шины управления. Разработать и сделать какое-либо устройство на современном микропроцессоре довольно сложно. В домашних условиях нереально. Шина данных, адресная шина требует много выводов. Их количество у микропроцессора в настоящее время доходит до 1000 выводов. Чтобы развести такое количество ножек нужна как минимум 6-ти слойная плата, а также необходимо использовать микропереходные отверстия — диаметром 0.1 мм. Ну и конечно такая система будет стоить не дёшево. Все вспомогательные устройства, такие как постоянное запоминающее устройство, оперативная память, таймер, последовательный интерфейс, порты ввода/вывода являются встроенными. Поэтому не возникает необходимости создавать интерфейсы с этими вспомогательными устройствами, и это экономит много времени для разработчика системы. На текущий момент выпущено очень много различных микроконтроллеров — нижняя граница стоимости начинается с 20 рублей за штуку! Чтобы использовать микроконтроллер практически не нужны дополнительные компоненты (несколько конденсаторов, и если необходимо кварц). Подал питание — и все работает. Практически все микроконтроллеры имеют следующие основные модули: CORE (ядро) — основной вычислительный модуль Memory (память) Flash memory (ПЗУ) — память для хранения программы RAM (ОЗУ) — оперативная память для проведения вычислений EEPROM (ПЗУ) — память для хранения данных Clock and Supply management — модуль управления частотой работы микроконтроллера и питанием Interrupt manager - менеджер управления прерываниями Timers — различные таймеры для генерации ШИМ, управления сном и т. д. Comunications interfaces — периферия для связи с другими микросхемами UART SPI I2C CAN USB ADC (analog to digital converter) — аналого-цифровой преобразователь DAC (digital to analog converter) — цифро-аналоговый преобразователь DMA (direct memory access) — прямой доступ к памяти, без использования процессора GPIO (generak port input output) — порты ввода вывода — управление «ножками» Development support — модуль разработчика — интерфейс программирования и отладки микроконтроллера Рассмотрим более подробно зачем нужен каждый модуль и какими возможностями он обладает. Core and memory Процессорное ядро - это основной модуль любого микроконтроллера (далее МК). Ядро определяет производительность процессора, разрядность регистров, управляет различными режимами работы МК. Мы планируем программировать обычные микроконтроллеры (не DSP) на высокоуровневом языке программировать СИ, и в связи с этим, нам не важно какое ядро мы имеем, как оно работает внутри. Всю работу с ядром за нас делаем компилятор СИ. Именно он преобразует наши команды на языке программирования в машинный код. Какие же параметры ядра являются ключевыми для выбора микроконтроллера, и как они могут влиять на его работу? Максимальная частота работы ядра Для работы любого процессора необходима задающая частота — сигнал, который меняет напряжение с 0 (0 вольт) на логическую 1 (рабочее напряжение ядра). Именно в момент смены напряжения и происходят все вычисления. Момент изменения сигнала называется такт работы ядра МК, а количество тактов в секунду и есть частота работы ядра (измеряется в герцах). Можно грубо сказать, что данная частота определяет сколько простейших однотактных инструкций может выполнить микроконтроллер за 1 секунду. Например, 24Мгц — 24 миллиона инструкций в секунду. Здесь важно понимать, что речь идёт не об одной строчке кода на языке Си или операции деления, а об одной машинной операции. Все микроконтроллеры и микропроцессоры, в очень упрощённом варианте, работают примерно одинаково: ядро имеет набор регистров — очень быстрых ячеек памяти определённой разрядности в битах — например, 8бит, 16бит, 32бит любая программа - это последовательный набор машинных команд, которые записаны и хранятся в определённой области памяти МК (обычно FLASH памяти) в процессе работы, МК загружает машинные команды из памяти на конвейер (более быстрая память) и выполняет их последовательно каждая машинная команда в качестве операндов берет данные из внутренних регистров, то есть, чтобы сложить 2 числа, надо сначала их записать в разные регистры, а потом выполнить команду сложения (ADD). Из этого описания становится понятно, что для того чтобы выполнить реальную строчку кода на СИ бывает необходимо выполнить несколько сотен машинных команд. В datasheet на МК обычно есть отдельный раздел посвящённый описанию сколько тактов занимает выполнение команд на Ассемблере, на СИ обычно эти данные не приводятся, так как очень сильно зависят от компилятора. Несмотря на такую сложность, максимальную частоту ядра все же можно считать некоторым показателем производительности ядра (Более общепризнанная единица производительности процессоров — MIPS, однако она тоже не является реальной мерой производительности). На текущий момент есть микроконтроллеры работающие на частоте 200МГц, в простых же задачах хватает и 1 МГц. Как выбирать частоту микроконтроллера под проект? Самый простой ответ — чем больше тем лучше, однако с частотой растёт цена и энергопотребление процессора. Основной критерий выбора частоты - это необходимая частота обработки данных и сложность алгоритма их обработки. Например, если мы строим метеостанцию и будем опрашивать датчик раз в секунду, то скорее всего нам хватит 1МГц. А вот если мы делаем квадрокоптер и пересчитываем все его параметры по очень сложным алгоритмам 1000 раз в секунду, то необходимо около 100Мгц и более. Для обработки видео HD качества нужен уже процессор с частотой 1Ггц (микроконтроллер с этим не справится). Обычно этот параметр устанавливается опытным путём и берётся с запасом, чтобы была возможность поменять частоту в процессе работы и подобрать оптимальный режим загрузки МК и энергопотребления. Частоту можно программно сделать меньше максимальной. Для почти всех наших проектов частоты в 16Мгц более чем достаточно. На текущий момент практически все МК могут работать на такой частоте. Разрядность регистров Вы, наверное, уже слышали или читали, что например STM8 — 8-ми битный МК, а вот STM32 — 32-х битный МК. Тут как раз и идёт речь о разрядности центральных регистров МК. Разрядность регистров определяет сколько бит в одном регистре, а это в свою очередь говорит о том, сколько данных за один такт может участвовать в машинной команде. Чем больше разрядность МК, тем быстрее выполняется код для больших чисел, но тем меньше плотность машинного кода самой программы во Flash памяти МК. Что это значит? Представим себе простую задачу, надо сложить два числа 10 и 5. Если перевести их в двоичную систему, то это будет 0b1010 и 0b101, то есть 4-х битное число и 3-х битное — результат будет не больше 5 бит. Соответственно, если у нас МК 8-ми битный, то все операнды помещаются в 8-ми битный регистр, и для сложения таких чисел будет одинаково затрачено тактов на любом МК с разрядностью больше 8-ми бит. Но вот если нам надо сложить два больших числа, например, 10 000 и 10, это уже займёт 14 бит, и на МК с разрядностью 8 бит будет выполняться за большее число тактов, будет необходим целый алгоритм (чтобы привести каждое число к 8-ми битам), а на 32-битном МК — за то же самое число тактов. Вы можете самостоятельно это все увидеть в любой среде программирования, которая показывает итоговый код на ассемблере. Таким образом, чем больше разрядность — тем быстрее можно оперировать большими числами. Однако, есть и обратная сторона медали, плотность кода. Для самой простой программы, записать 0 во внутренний регистр, надо потратить 2-е команды (2 байта) на 8‑ми битном МК и 2-е команды (8 байт) на 32-ух битном, так как все команды данные и команды имеют разрядность 32бита. Конечно, производители МК с этим борются, вводят дополнительные наборы команд меньшей разрядности и т. д. Таким образом, разрядность показатель производительности и стоимости МК. Чем она выше, чем больше памяти имеет МК, тем больше возможностей у вас будет, но тем он и дороже. Для простых проектов более чем достаточно 8-битных МК (хотя по цене сейчас разрыв существенно снизился). Также, восьми битные микроконтроллеры имеют много других преимуществ — энергопотребление, более быстрая обработка прерываний, широкий набор периферии, очень большой выбор корпусов и самих микроконтроллеров. Все это надо учитывать при выборе МК под проект. Архитектура ядра ARM Когда появились первые микроконтроллеры, каждая компания изобретала свой МК, со своими протоколами отладки и ядром. Но эта ситуация в корне изменилась с приходом на рынок компании ARM Limited. Данная компания осуществила переворот в мире микроконтроллеров. Бизнесом компании ARM всегда была продажа лицензий на производство ядер и сопутствующих элементов полупроводниковым компаниям, которые уже в свою очередь создавали микропроцессоры и микроконтроллеры на их основе. То есть, сама ARM не делала микроконтроллеры, но она разрабатывала ядра для них! В итоге, на текущий момент, очень большое количество разнообразных 32-х и 64-х битных микроконтроллеров, различных производителей работают на одном ядре — ARM! Общее ядро даёт общие механизмы работы с памятью, отладкой, программированием, механизмом прерываний и другим свойствами ядра. Производители микроконтроллеров сосредоточились на периферийных модулях. Равные конкурентные возможности сказались не цене микроконтроллеров. В настоящее время, нижние ряды 32-х битных микроконтроллеров ARM по стоимости почти равны нижнему ряду восьми битных микроконтроллеров. Также, это позволяет, например, использовать программатор ST-Link, или другие универсальные программаторы, для программирования большинства микроконтроллеров ARM, что расширяет круг выбора процессоров для проекта. Результатом работы ARM можно считать и наличие единых сред разработки для ARM микроконтроллеров — IAR, KEIL, Mbed, Eclipse и другие. Оперативная память Это самая быстрая память, кроме регистров, которая есть у МК. Все данные переменных хранятся в ней, правда только когда у МК есть питание. И чем больше у нас в программе переменных, массивов данных, которые нуждаются в обработке, тем больше оперативной памяти нам необходимо. Во всех МК в качестве оперативной памяти используется SRAM память, а она очень недешево стоит. Поэтому, чем больше памяти у МК, тем он дороже. Сколько памяти необходимо под проект? На этот вопрос очень трудно ответить, основной расход памяти это массивы и глобальные переменные. Любой компилятор СИ при сборке программы показывает затраченный объем памяти, поэтому программа написана, то можно посмотреть сколько необходимо памяти, но если её нет, то остаётся примерно прикинуть. Чем меньше разрядность МК, тем меньшее её обычно нужно. Например на 8-ми битных МК можно встретить 1кбайт оперативной памяти, и его хватает для простых программ. На 32битных бывает 196кбайт ОЗУ и на сложный проект её может не хватить. Ответ все тот же — чем больше памяти у нас есть — тем дороже МК. Для простых проектов нужен минимальный объем. Чем больше у вас массивов, различных буферов под данные, тем больше нужно памяти. Работа со строками, тоже предполагает увеличенный размер памяти. Flash память Это специальная область памяти, которая является энергонезависимой. То есть, она сохраняется при отключении питания МК. Обычно в ней хранится программа или данные программы, которые меняются редко. Ресурс её перезаписи обычно ограничен, хоть и измеряется тысячами раз. Чем больше у нас этого вида памяти, тем более объёмную программу можно использовать в проекте. Это ваш жёсткий диск. Но опять же ограничение - это цена. При переходе на более высокую разрядность опять же объем доступной Flash растёт, но обычно та же самая программа занимает уже больше места. Например 8-ми битные МК имеют 8кб памяти, и это очень много. А 32-ух битные начинаются, как правило, с 32кб, и это не так уж много для них. На первых проектах нам будет хватать 8-ми битных МК с 8 кб на борту. EEPROM — память данных Это специальная область памяти, которая так же как и FLASH является энергонезависимой. Но обычно, она имеет гораздо больший ресурс перезаписи — сотни тысяч раз, она служит для хранения настроек программы, важных данных, и может перезаписываться в процессе работы программы. Если вам нечего хранить, то можно об этом виде памяти не беспокоится. Если вы планируете хранить много данных в этом виде памяти, то её объем важен. Если данных совсем много, то необходимо использовать внешнюю память, в МК обычно этого вида памяти немного — до 10кб. На этом мы закончим обзор параметров ядра и перейдём к другим модулям. Как ядро взаимодействует с другими модулями Мы познакомились с ядром микроконтроллера, кроме ядра, у МК много других модулей. Основная «сила» МК именно в широком наборе разнообразных модулей. Как же МК общается с ними? Ответ очень простой - через шину данных, ячейки памяти. Существует специальная область памяти в адресном пространстве МК, отвечающая за периферию и другие модули. Она точно так же состоит из регистров, но в данном случае - это внешние регистры, просто ячейки памяти по определенным адресам. Вот через них и производится работа с модулями. Например, чтобы послать 1 байт данных по SPI интерфейсу необходимо записать этот байт в специальную ячейку памяти по определённому адресу, в регистр данных SPI. После этого, необходимо в другом регистре SPI установить определённый бит в 1, чтобы началась передача данных. Точно также работают все другие модули. С точки зрения нас, как разработчиков, необходимо записывать в определённый адрес памяти данные или менять биты, или считывать бит. Так, через память, производится работа с прочими модулями МК. В дальнейшем, мы будем работать с каждым модулем в реальных проектах, и подробно их изучим. Если вы собрались программировать МК, то вам просто необходимо подтянуть работу на СИ с битовыми операциями. Для экономии памяти, производители плотно набивают регистры, используя каждый бит. Clock and power management Это очень важный модуль. Он отвечает за энергопотребление МК и рабочую частоту ядра. В зависимости от модели МК, данный модуль может позволять менять частоту ядра прямо в процессе работы (например, МК от STM так умеют). Он позволяет задавать различные параметры спящего режима, отключать и включать ту или иную периферию для экономии энергии. Этот же модуль отвечает за работу МК от внешнего генератора частоты или внутреннего кварца. Модуль очень специфический для каждого МК, и все его параметры необходимо изучать в datasheet. GPIO Один из самых важных модулей МК. Остановимся на нем поподробнее. GPIO — general port input output — порты ввода-вывода. Эта периферия отвечает за работу выводов микроконтроллера. Все выводы МК, кроме специальных (питание, GND), сгруппированы в ПОРТЫ, нумеруемые по буквам латинского алфавита PORT A PORT B PORT C. В зависимости от разрядности МК, может быть 8 выводов в одном порту, 16 или 32. За каждый порт отвечает соответствующий регистр, так, что каждый бит этого регистра отвечает за физический вывод МК. Структура регистров может отличаться у разных МК, но общее схематичное устройство выводов совпадает. Рассмотрим как оно выглядит на примере выдержки из datasheet на STM8. Вот схема одного вывода МК.
бласть применения микроконтроллеров безгранична. Их используют в любых электронных устройствах для осуществления контроля. Кроме того, они находятся во всех бытовых приборах – микроволновках, электрочайниках, утюгах, стиральных машинах — микроконтроллер можно запрограммировать под любую функцию. Содержание История появления Что такое микроконтроллер Принцип работы микроконтроллера Назначение и область применения микроконтроллера Питание микроконтроллера Подключение Управление микроконтроллером Тактирование микроконтроллеров Семейства микроконтроллеров Типы корпусов микроконтроллеров В чем отличие микроконтроллера от микропроцессора? Устройства на микроконтроллерах Что нужно для программирования микроконтроллера Языки программирования Среда разработки Основы программирования Советы начинающим программистам микроконтроллеров История появления Работы над изобретением микропроцессора велись с начала 1970-х годов. Первой компанией, разработавшей его, была компания Intel. Уже в 1971 году ее был выпущен первый микроконтроллер 4004, который состоял из 2300 полупроводниковых транзисторов, а по размеру был не больше ладони. Это стало возможным, после того как для микросхемы был специально разработан кристалл процессора.  Несмотря на маленькие размеры, производительность микропроцессора не уступала компьютеру Eniac, имеющему габариты в 85 м3. Особенностью этого устройства было то, что оно могло обрабатывать только 4 бита информации. В ближайшие полгода еще несколько компаний заявили о создании аналогичных изделий. К концу 1973 года Intel выпускает 8-зарядный микропроцессор. Он был настолько удачно разработан, что и сегодня считается классикой. Через несколько месяцев фирма Motorola выпускает свой 8-битовый микропроцессор 6800. Он стал сильным конкурентом интеловской микросхеме, т. к. имел более значительную систему прерываний и одно напряжение электропитания. В 8080 их было три. Внутренняя архитектура 6800 тоже отличалась. В ней не было регистров общего назначения, в которых могли сохраняться как адресная информация, так и числовые показатели. Вместо них, в процессоре появился еще один полноценный аккумулятор для обработки данных и 16-разрядные регистры для хранения адресов. Работа с памятью у 6800 выполнялась быстрее и была проще, но 8080 тратил меньше времени на обмен внутренней информацией между регистрами. Оба эти изделия имели как положительные стороны, так и недоработки. Они стали родоначальниками двух больших семейств микропроцессоров – Интел и Моторола, которые конкурируют между собой до сих пор. В 1978 году Интел выпустила 16-разрядный микропроцессор, который IBM использовала для разработки персональных компьютеров. Моторола не отстала от своего конкурента и тоже выпустила 16-разрядный микропроцессор, который использовали Atari и Apple. Сейчас существует более 200 разновидностей микроконтроллеров. Количество компаний, их изготавливающих, перевалило за два десятка. Широкое распространение у разработчиков получили: 8-битные микроконтроллеры Pic компании Microchip Technology и AVR от Atmel; 16-битовые MSP 430 фирмы TI; 32-битные ARM от одноименной компании. В России пользуются популярностью микроконтроллеры Renesas Electronics, Freescale, Samsung. Что такое микроконтроллер Микроконтроллер по сути является микросхемой, который состоит из: Центрального процессора. В него входят блок управления, регистры, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Периферии, которая включает порты ввода-вывода, контроллеры прерываний, таймеры, генераторы различных импульсов, аналоговые преобразователи и подобные элементы. Зачастую микроконтроллер называют микропроцессором. Но это не совсем так. Последний осуществляет только определенные математические и логические операции. А в состав микроконтроллера входит и микропроцессор с другими элементами, являясь лишь частью МК. Принцип работы микроконтроллера Несмотря на сложное устройство принцип работы микроконтроллера очень прост. Он основан на аналоговом принципе действия. Система понимает лишь две команды («есть сигнал», «нет сигнала»). Из этих сигналов в его память вписывается код определенной команды. Когда МК считывает команду, он ее выполняет. В каждом из МК прописаны свои базовые наборы команд. И только их он способен принимать и выполнять. Сочетая отдельные команды между собой, можно написать уникальную программу, по которой будет работать любое электронное устройство именно так, как требуется.  В зависимости от содержащихся в МК набора программ, они делятся на: CISC – комплекс большого числа базовых команд; RISC – только необходимые команды. Большинство контроллеров содержит RISC набор. Объясняется это тем, что такой МК проще изготовить, он дешевле и больше пользуется спросом у разработчиков электронной техники. Назначение и область применения микроконтроллера Благодаря тому, что микроконтроллеры AVR очень просты в использовании, обладают высокой способностью интегрирования и низкой потребляемой мощностью, области их применения разнообразны: автомобилестроение; робототехника; самолето- и судостроение; промышленное оборудование; электронные детские игрушки; компьютеры, телефоны; электронные музыкальные инструменты; бытовая техника; медоборудование; управление шлагбаумами и воротами; светофоры, семафоры; железнодорожный транспорт. Это не полный перечень областей применения МК. Основное назначение МК – контролировать все процессы, которые происходят на его платформе. От включения или выключения света по хлопку до поднятия штор при изменении освещенности на улице. По сути, МК осуществляет контроль за состоянием неких переменных и изменение системы в динамических условиях. Питание микроконтроллера Для работы микроконтроллеру, как и любому электронному устройству, необходима энергия. Напряжение МК Atmel AVR находится в диапазоне 1.8–5.5 Вольт и зависит от модели и серии. Большинство приборов работает от 5 Вольт. Но встречаются и низкочастотные модели (Attiny 2313), нижняя граница у которых от 1,8 В. Кроме того, на работу МК влияет и частота поступающего тока. Низкое напряжение требует и низких пределов частот. Чем выше частота, тем быстрее работают определенные модели. Так, чтобы обеспечить работу контроллеров серии AVR, на все плюсовые входы нужно подавать 5 В, а нулевой заземляют. Если у модели несколько вводов и выводов питания, то подключать их нужно все. На аналогово-цифровой преобразователь питание подают через дополнительные фильтры. Это поможет избавиться от помех, которые могут изменять показания напряжения. При этом на плюсовой ввод подается напряжение через фильтрующий дроссель. А нулевые выводы разделяют на цифровые и аналоговые. Причем соединяться они могут только в одной точке. Кроме того, необходимо установить и конденсаторы, лучше керамические, из расчета 1 на 100 нанофарад. Подключение Через микроконтроллер можно подключить к локальной сети любой девайс. В качестве таковой можно рассмотреть Ethernet. Прежде всего, определимся с понятиями. Ethernet – это набор стандартов IEEE 802.3, которые описывают разнообразные технологии локальных сетей: общий канальный уровень и набор технологий физического уровня, включающий в себя для передачи информации оптоволокно, витую пару, коаксиал с различными скоростями.  Понять, как работает локальная сеть, можно через модель OSI. Она включает в себя несколько уровней: Физический. Состоит из витой пары, драйверов и трансформаторов, по которым происходит передача данных. Канальный. Через него передаются Ethernet-фреймы между узлами локальной сети. Сетевой. По нему происходит передача пакетов. Они могут передаваться через несколько сетей, различающихся по технологиям физического и канального уровней. Транспортный. Связывает узлы между собой. Перед отправкой данных транспортный уровень представляет их в виде пакета сетевого уровня и передает другому узлу. Он может отправлять и группы пакетов одновременно. Если используется протокол с установкой соединения, то перед отправкой транспортный уровень устанавливает соединение, контролирует его качество, а только потом передает пакет данных. Прикладной. Решает прикладные задачи, те, ради которых создавался. С внешним миром он обменивается данными по стандартному или эксклюзивному протоколу. Каждый из последующих уровней обслуживается предыдущим или нижележащим. Так образуются вертикальные межуровневые связи. Особенности обслуживания каждого уровня скрыты от остальных. При взаимодействии двух сетей каждый из уровней одной сети контактирует с аналогичным уровнем другой. Так образуются горизонтальные связи. Управление микроконтроллером Управление МК может осуществляться двумя способами: Проводной путь. Управление исполнительными механизмами происходит через электропроводное соединение управляющих цепей и исполнительных механизмов. Включение — по нажатию кнопки на диспетчерском пункте или кнопочном пульте. Беспроводной путь. Такой способ управления не требует проводного соединения. С передатчика или пульта дистанционного управления (ПДУ) передается сигнал, который идет на приемник. Сигналы беспроводного соединения могут быть: Оптическими. Подобными сигналами управляется домашняя бытовая техника: телевизоры или кондиционеры. Радио. Есть несколько вариантов: Wi-Fi, Bluetooth и др. Развитие современных средств связи позволяет управлять контроллерами как через ПДУ, находясь в непосредственной близости к прибору, так и по интернету из любой точки мира через локальную сеть. Обеспечивает поддержку cети Wi-Fi МК ESP 8266. В продаже он может быть в виде микросхемы или распаян, как arduino. У него 32-битное ядро, программировать его нужно через последовательный порт UART. Бывают более продвинутые платы с возможностью прошивки по USB – это NodeMCU. Они могут хранить информацию, записанную, например, с датчиков. Такие платы работают с различными интерфейсами, в т. ч. SPI, I2S. Поддерживает большое число функций: планировщик задач; таймер; канал АЦП; формирование на выходе ШИМ сигнала; аудиопроигрыватель и многое другое. Плата может быть использована как самостоятельное устройство и как модуль для беспроводной связи с Ардуино. Тактирование микроконтроллеров Тактовая частота МК – это количество тактов за секунду, выполняемых контроллером. Чем она выше, тем большее количество операций он может выполнить.  Существуют несколько способов тактирования МК. Они зависят от использования: Внутреннего RC-генератора. Он может работать только на частоте 1, 2, 4, 8 МГц. Если нужна другая частота, то он не подойдет. При необходимости использования точных временных интервалов тоже нельзя пользоваться этим методом, т. к. его задающая частота колеблется в зависимости от температуры. Внешнего кварца. Этот способ имеет более сложное подключение. Емкость конденсатора должна находиться в интервале 15–22 пФ. Один выход присоединяется к резонатору, а другой заземляется. Внешнего генератора. Этот генератор также нестабилен при разной температуре, как и внутренний. RС-цепочек. Для данной схемы подойдет конденсатор емкостью от 22 пФ, резистор 10–100 кОм. Для простейших микроконтроллеров подойдут внутренний или внешний генератор и RC-цепочки. Для проектирования более точных МК потребуются стабильные источники тактирования. Семейства микроконтроллеров Все МК объединяются в семейства. Основная характеристика, по которой происходит это деление, — структура ядра. Под ядром МК подразумевают набор определенных команд, цикличность работы процессора, организацию как памяти программ, так и баз данных, систему прерываний и базовый набор периферийных устройств (ПУ). Различаются представители одного семейства между собой объемом памяти программ и баз данных, а также разнообразием ПУ. Объединяют все МК в семейства одинаковость двоичного кода программирования. Семейства делятся на: MSC-51, производства Intel. Монокристальный МК на основе Гарвардской архитектуры. Основной представитель этого семейства 80С51, созданный по технологии CMOS. И хотя эти контроллеры разработаны еще в 80-х годах прошлого века, но до сих пор широко применяются. И сегодня многие компании, такие как Siemens, Philips и др. выпускают свои контроллеры с подобной архитектурой. PIC (Microchip). МК Гарвардской архитектуры. В его основе лежит архитектура с сокращенным набором команд, встроенная память команд и данных, низкое энергопотребление. В это семейство входят более 500 различных МК (8-ми, 16-ти, 32-битные) с различными наборами периферии, памяти и прочими характеристиками. AVR (Atmel). Высокоскоростные контроллеры разработаны на собственной архитектуре. Основой контроллера является Гарвардский RISC-процессор с самостоятельным доступом к памяти программ и баз данных (Flash ПЗУ). Каждый из 32 регистров общего назначения может работать как регистр-аккумулятор и совокупность 16-битных команд. Высокая производительность в 1 MIPS на каждый МГц тактовой частоты обеспечивается за счет порядка выполнения команд, который предусматривает выполнение одной команды и одновременную подготовку к следующей. Для поддержания своей продукции компания Atmel выпускает бесплатную и качественную среду разработки Atmel ARM (ARM Limited) разработаны на собственной архитектуре. В семейство входят 32-х и 64-битовые МК. ARM Limited занимается только разработкой ядер и их инструментов, а лицензии на производство продает другим компаниям. Эти процессоры потребляют мало энергии, поэтому находят широкое применение в производстве мобильных телефонов, игровых консолей, маршрутизаторов и т. д. К компаниям, выкупившим лицензии, относятся: STMicroelectronics, Samsung, Sony Ericsson и др. STM (STMicroelectronics). 8-разрядные контроллеры (STM8) относятся к категории высоконадежных с низким энергопотреблением изделий. В это же семейство входят контроллеры STM32F4 и STM Их основу составляет-32 битный Cortex. Такие контроллеры обладают отлично сбалансированной архитектурой и имеют большие перспективы развития. Это не все семейства микроконтроллеров. Здесь мы привели только основные. Типы корпусов микроконтроллеров Внешних отличий МК от других микросхем нет. Кристаллы размещены в корпусах с определенным количеством выходов. Все МК выпускаются только в 3-х типах корпусов: Корпус DIP имеет два ряда выводов. Расстояние между ними 2,54 мм. Выводы вставляются внутрь отверстий на контактных площадках. Корпус SOIC. Он подходит для монтажа, который предполагает поверхностную припайку выходов к контактной площадке. Расстояние между выходами 1,27 мм. Корпуса QFP (TQFP). Выводы расположены со всех сторон. Расстояние между ними в 3 раза меньше, чем в DIP. Корпус имеет квадратную форму. Предназначаются только для поверхностной пайки. Корпус QFN. Самый маленький по сравнению с предыдущими. Контакты выходят в 6 раз чаще, чем в DIP. Имеют большое распространение в промышленном производстве, т. к. позволяют значительно уменьшить габариты выпускаемых приборов.  Каждый из корпусов имеет свои точки применения. Первые 3 могут использоваться радиолюбителями. В чем отличие микроконтроллера от микропроцессора? Весь компьютерный функционал микропроцессора (Micro Processor Unit — MPU) содержится на одном полупроводниковом кристалле. По характеристикам он соответствует центральному процессору компьютера ЦП (Central Processing Unit — CPU). Область его применения – хранение данных, выполнение арифметико-логических операций, управление системами. МП получает данные с входных периферийных устройств, обрабатывает их и передает выходным периферийным устройствам. Микроконтроллер совмещает в себе микропроцессор и необходимые опорные устройства, объединенные в одном чипе. Если нужно создать устройство, коммуницирующее с внешней памятью или блоком ЦАП/АЦП, то понадобится только подключить источник питания с постоянным напряжением, цепь сброса и источник тактовой частоты. Устройства на микроконтроллерах Каждый из видов контроллеров имеет свои периферические устройства, которые работают автономно, т. е. независимо от центрального ядра. После того как периферийное устройство выполнит свою задачу, оно может сообщить об этом ЦП, а может и не сообщать. Это зависит от того, как оно запрограммировано. На МК могут быть следующие устройства: Аналоговый компаратор. Основная его задача сравнивать поступающее (измеряемое) напряжение с идеальным. Если измеряемое напряжение выше, чем идеальное, то компаратор выдает сигнал логической 1 (прибор отключается), если ниже, то логический 0 (прибор продолжает работать). Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Измеряет аналоговое напряжение в период времени и выдает его в цифровой форме. Есть не у всех МК. Таймер/счетчик. Представляет собой сочетание 2-х форм таймера и счетчика. Таймер формирует интервалы времени, а цифровой счетчик считает количество импульсов, идущих от внутреннего генератора частот, или сигналы от внешних источников. Одним из представителей работы таймера /счетчика может быть ШИМ (широтно-импульсный модулятор). Он предназначен для управления средним значением напряжения при нагрузке. Сторожевой таймер. Его задача перезапускать программу через определенный временной промежуток. Модуль прерываний. Он сообщает МК о наступлении какого-либо события и прерывает выполнение программы. После завершения события возобновляет прерванную программу. Не все из этих периферийных устройств обязательно есть в каждом МК. Существуют и другие, менее распространенные устройства. Что нужно для программирования микроконтроллера Чтобы микроконтроллер мог выполнять необходимые функции и решать определенные задачи, его необходимо запрограммировать. Путь программирования проходит несколько этапов: Перед тем как приступить к написанию кода программы, надо определиться с конечной целью. Составляется алгоритм работы программы. Непосредственное написание кода программы. Коды пишутся на языке Си или Ассемблере. Компиляция программы, т. е. перевод ее в двоичную или шестнадцатеричную систему 1 и 0. Только так ее сможет понять МК. Откомпилированный код записывают в память контроллера. Прошивают МК с помощью программатора. Они бывают двух типов подключения: через COM или USB порт. Самый простой и дешевый программатор USBASP. Тестирование и отладка МК на реальном устройстве.  Радиолюбители иногда обходятся без прописывания алгоритма работы программы на бумаги. Они держат его в голове. Языки программирования Языки программирования для МК мало чем отличаются от классических компьютерных. Основное отличие заключается в том, что МК ориентируются на работу с периферией. Архитектура МК требует битово-ориентированных команд. Поэтому для контроллеров создавались особые языки: Ассемблер. Самый низкий уровень языка. Программы, написанные на нем, получаются громоздкими и труднопонимаемыми. Но несмотря на это он позволяет наиболее полно раскрыть все возможности контроллеров и получить максимальное быстродействие и компактный код. Подходит преимущественно для маленьких 8-битных МК. С/С++. Более высокий уровень языка. Программа, написанная на нем, более понятна человеку. На сегодняшний день есть много программных средств и библиотек, позволяющих писать коды на этом языке. Его компиляторы есть практически на любой модели МК. На сегодня это основной язык для программирования контроллеров. Еще более удобный для восприятия и проектирования язык. Но он мало применяется для программирования МК. Старинный язык программирования. На сегодня почти не применяется. Выбор языка для программирования зависит от решаемых задач и необходимого качества кода. Если нужен компактный код, то подойдет Ассемблер, для решения более глобальных задач выбор ограничится только С/С++. Среда разработки На сегодня нельзя найти универсальной среды для программирования МК. Это связано с его внутренней структурой и наличием технического обеспечения записи кода в память контроллера. Вот несколько сред программирования: FlowCode – универсальная графическая среда. Программируется с помощью построения логических структур блок-схем. Algorithm Builder. Тоже графическая среда. Но написание кода проходит в 3–5 раз быстрее, чем в FlowCode. В ней совмещены графический редактор, компилятор, симулятор МК, внутрисхемный программатор. В ней объединены Ассемблер и С/С++. Функционал среды позволяет самостоятельно прошивать МК. Image Craft. Как и предыдущая поддерживает Ассемблер и С/С++ языки. В ее составе есть библиотека, позволяющая работать с отдельными устройствами МК. Популярная среда для любителей. Имеет Си-подобный язык, но отличающийся от других. Он более понятен человеку. Поддерживает библиотеки, в составе которых есть драйвера для подключения некоторых платформ. Среды бывают платные и бесплатные. Выбирая конкретную среду, нужно исходить из ее функционала, языка программирования, поддерживаемых интерфейсов и портов. Основы программирования Прежде чем приступать к программированию МК, нужно выбрать язык. Начинать лучше с Ассемблера. Хотя для понимания он достаточно сложен, но если приложить силы и все-таки понять его логику, то тогда станет ясно, что именно происходит в контроллере.  Если Ассемблер окажется сложен, то можно начинать с Си. Одной из сильных его сторон является то, что он хорошо переносит коды с одного вида МК на другой. Но для этого надо правильно все прописать, разделив рабочие алгоритмы и их реализации в машине по разным частям проекта. Это позволит переносить алгоритм в другой контроллер, переделав всего лишь интерфейсный слой, в котором прописано обращение к «железу», оставив рабочий код без изменений. Далее действуют по следующей схеме: Выбор компилятора и установка среды (подробнее о них писалось выше). Запуск среды и выбор в ней нового проекта. Необходимо будет указать место расположения. Путь нужно выбирать наиболее короткий. Настройка проекта. Классическим действием будет создание make-файла, в котором прописываются все зависимости. На первой странице указывают еще частоту работы МК. Настройка путей. В них надо добавить директорию проекта. В нее можно добавлять сторонние библиотеки. Постановка задачи. Сборка схемы. На этом этапе надо соединить модуль USB-USART конвертера с аналогичными выводами МК. Это позволит прошить микроконтроллер без программатора. Нужно накинуть джамперы, соединяющие LED1 и LED2. Этим действием мы подключим светодиоды LED 1 и 2 к выводам PD4 и PD5. Пропись кода. Добавление библиотек и заголовков с определениями. Главные функции. Язык Си состоит из одних функций. Они могут быть вложенными и вызываться в любом порядке относительно друг из друга и разными способами. Но все они имеют три обязательных параметра: 1) возвращаемое значение; 2) передаваемые параметры; 3) тело функции. В зависимости отданных, все возвращаемые или передаваемые значения должны быть определенного типа. Компиляция и запуск эмуляции. Отладка программы. После того как прописали программу на языке Си, можно понаблюдать, как и что происходит в МК. Это поможет выстроить аналогию с программированием на Ассемблере. Советы начинающим программистам микроконтроллеров Чтобы первый опыт в программировании МК не закончился неудачей и навсегда не отбил охоту заниматься этим делом, нужно следовать некоторым советам: Начинать с изучения периферии и ее особенностей. Каждую большую задачу надо разделять на максимально количество мелких. В начале пути не стоит упрощать себе жизнь и пользоваться кодогенераторами, нестандартными фичами и т. п. вещами. Обязательно нужно изучать языки программирования (Си и Ассемблера). Читайте Даташит. Соберите необходимый набор инструментов. Это стоит определенных денег, но окупит себя экономией времени и качеством работы. Никогда не поздно стать радиолюбителем, будь вам 30 лет или 50. И необязательно иметь профильное высшее образование. Сейчас на просторах интернета много доступной информации, изучая которую можно разобраться в устройстве микроконтроллеров и научиться их программировать. |
