Ako súčasť mnohých moderných digitálnych zariadení K dispozícii je mikrokontrolér a mikroprocesor. Čo sú dáta elektronické komponenty?

Čo je mikrokontrolér?

Pod mikrokontrolér sa vzťahuje na elektronický komponent, ktorý obsahuje hlavné hardvérové ​​moduly potrebné na vykonávanie jeho funkcií. Ako napríklad:

• výpočtový čip;
• modul ROM;
• modul RAM;
• časovač;
• mosty;
• regulátor napätia;
• vstupné a výstupné porty.

Takže všetky relevantné komponenty sú inline. Mikrokontrolér, ak je nainštalovaný v počítači, najčastejšie spolupracuje s inými hardvérovými modulmi počítača (napr. pevný disk alebo RAM) priamo a zbytočne nevyužíva moduly v PC, podobné svojim účelom ako tie, ktoré sú zabudované v zariadení.

Takže vďaka vstavanému modulu zodpovednému za riadenie napätia mikrokontrolér nevyžaduje prispôsobenie externého napätia vlastnostiam napájania interných komponentov a vo všeobecnosti nepoužíva externé komponenty na riadenie úrovne napätia.

Mikrokontroléry sú zvyčajne zodpovedné za niektoré časti výpočtových operácií. Ak sú napríklad na počítači, môže to byť čítanie a zapisovanie údajov, zapínanie a vypínanie zariadení pripojených k počítaču. Preto je ich produktivita relatívne nízka.

Často sa mikrokontrolér používa v zariadeniach, v ktorých použitie mikroprocesora nemá veľký zmysel kvôli jeho vyššej cene vo väčšine prípadov. Môže to byť napríklad mikrovlnná rúra, klimatizácia alebo zariadenie určené na automatické zavlažovanie rastlín v záhrade. Ako súčasť označených zariadení je zvyčajne najjednoduchší mikrokontrolér v štruktúre.

Čo je to mikroprocesor?

Pod mikroprocesor Je zvykom rozumieť mikroobvodu, ktorého hlavnou zložkou je kryštál vyrobený z kremíka alebo iného polovodiča. V skutočnosti je niekoľkonásobne výkonnejší ako ten, ktorý je nainštalovaný v mikrokontroléri, výpočtovom čipe. Ale tu sa podobnosti medzi typmi uvažovaných elektronických komponentov končia.

Mikroprocesory zvyčajne nie sú vybavené veľké množstvo prídavné komponenty (ako mikrokontroléry) a na vykonávanie svojich funkcií používajú primárne externé zariadenia. Môžu to byť moduly RAM, regulátory napätia alebo samostatné napájacie zdroje, vstupné a výstupné porty. V princípe sú tieto komponenty účelovo rovnaké ako v prípade ovládačov, ale externé. Avšak, podobne ako samotný výpočtový čip mikroprocesora, sú vo väčšine prípadov produktívnejšie ako tie, ktoré sú v mikrokontroléri.

Procesor má málo vnútorných modulov. Moderné modely elektronických komponentov daného typu spravidla obsahujú čip RAM - jeden z tých typov komponentov, ktoré sú typické pre návrh mikrokontroléra. ROM, regulátor napätia, porty v štruktúre mikroprocesora zvyčajne chýbajú.

Hlavným účelom mikroprocesora sú zložité výpočtové operácie. Preto má spravidla veľký výkon a je inštalovaný v tých zariadeniach, ktorých funkčnosť si to vyžaduje. Napríklad v herných konzolách, PC, mobilné zariadenia.

Porovnanie

Hlavný rozdiel medzi mikrokontrolérom a mikroprocesorom je v tom, že v prvom komponente sú zabudované hlavné moduly potrebné na to, aby mohol vykonávať svoje funkcie. Mikroprocesor zase využíva väčšinou externé zariadenia. Zároveň je mikrokontrolér schopný pristupovať k svojim zdrojom, ak výkon tých, ktoré sú zabudované, nestačí. To je samozrejme možné len vtedy, ak sú v konštrukcii zariadenia, ktoré používa mikrokontrolér, zabezpečené externé zariadenia príslušného typu. Stáva sa, že v zásade neexistujú - a potom účinnosť zariadenia závisí od výkonu mikrokontroléra.

Medzi dvoma uvažovanými elektronickými komponentmi je spravidla významný rozdiel v úrovni výpočtovej rýchlosti. Mikrokontrolér je vo väčšine prípadov menej produktívny ako mikroprocesor podobného účelu (pokiaľ, samozrejme, nie sú zameniteľné v konkrétne zariadenie), pretože je navrhnutý tak, aby vykonával iba časť výpočtových operácií alebo tých, ktoré majú veľmi jednoduchú štruktúru.

Po určení rozdielu medzi mikrokontrolérom a mikroprocesorom opravíme zistenia v tabuľke.

Tabuľka

Ako súčasť rôznych elektronických zariadení sa často nachádzajú mikrokontroléry aj mikroprocesory. Oba tieto komponenty preberajú príkazy z pamäte a vykonávajú logické a aritmetické operácie pri práci s I/O zariadeniami a inými perifériami. Tak aký je v tom potom rozdiel?

mikrokontrolér

Mikrokontrolér - (ďalej MK) je mikroobvod určený na programové riadenie elektronických obvodov. MK sa vykonáva na jednom čipe. Obsahuje ako výpočtové zariadenie, tak aj ROM a RAM. Okrem toho MK najčastejšie obsahuje I/O porty, časovače, ADC, sériové a paralelné rozhrania. V niektorých si dokonca môžete všimnúť modul Wi-Fi / Bluetooth a dokonca aj podporu NFC.

Prvý patent na mikrokontrolér bol vydaný v roku 1971 spoločnosti Texas Instruments. Inžinieri tejto spoločnosti navrhli umiestniť na čip nielen procesor, ale aj pamäť so vstupnými / výstupnými zariadeniami.

Napriek tomu, že všetko potrebné na prevádzku mikrokontroléra je už v ňom, niekedy sa používajú v tandeme s externými periférií. Napríklad, keď interná ROM nestačí (alebo jednoducho chýba), pripojí sa externá. Presne to urobili s mikrokontrolérmi série ESP. ESP8266 nemá vôbec žiadnu vstavanú pamäť, zatiaľ čo ESP32 má mizerných 448 KB. Preto je v ich puzdre (presnejšie pod radiátor) umiestnená flash pamäť s kapacitou 1–16 MB.

Tak prečo si nejaké nevyrobiť laptop založené na mikrokontroléri? Faktom je, že výpočtový výkon MK je často dosť malý. Stačí ovládať napríklad zavlažovací systém, mikrovlnnú rúru, alebo nejaký ten stroj.

Napríklad jednou z výkonných dosiek platformy Arduino je Due. Je riadený 32-bitovým mikrokontrolérom AT91SAM3X8E AVR. Jeho hodinová frekvencia je 84 MHz. K dispozícii je 512 KB permanentnej pamäte a 96 KB operačnej pamäte. MK má 54 digitálnych GPIO (12 z nich podporuje PWM), 12 analógových vstupov a 2 analógové výstupy (DAC). Existujú aj rôzne rozhrania, ako napríklad UART, SPI, I2C.

Napriek takýmto nevýznamným charakteristikám sú mikrokontroléry veľmi populárne. Používajú sa tam, kde nie je potrebný veľký výpočtový výkon – robotika, skleníkové ovládače, domáce spotrebiče.

Mikroprocesor

S mikroprocesorom (ďalej len MP) je to trochu inak. Obsahuje aritmetickú logickú jednotku, synchronizačnú a riadiacu jednotku, pamäťové zariadenie, registre a zbernicu. To znamená, že MP obsahuje len to, čo je priamo potrebné na vykonanie aritmetických a logické operácie. Všetky ostatné komponenty (RAM, ROM, vstupné/výstupné zariadenia, rozhrania) musia byť pripojené externe.

Začiatkom 70. rokov sa objavili aj prvé mikroprocesory. V tom čase bol považovaný za najobľúbenejší. Ide o mikroprocesor vyvinutý spoločnosťou Intel a predstavený 15. novembra 1971. Mal vlastnosti, ktoré inšpirovali toto obdobie:

• 2300 tranzistorov;
• frekvencia hodín - 740 kHz;
• bitová hĺbka registrov a zbernice - 4 bity;
• technický proces - 10 mikrónov;
• plocha kryštálov: - 12 mm².

Mimochodom, 4004 bol vyrobený v bežnom obale DIP-16. Tento MP je najobľúbenejším čipom na zbieranie. Niektoré kópie sa predávajú za 400 dolárov. Menej vzácne stoja asi 250 dolárov.

V priebehu niekoľkých rokov umožnil 8-bitový MP vytvoriť prvé domáce mikropočítače.

Prirodzenou výhodou je, že si môžete zvoliť pripojenie rôznych periférií rozdielne vlastnosti(čo nie je možné vo všetkých prípadoch na MK). Druhým hlavným rozdielom medzi mikroprocesorom a mikrokontrolérom je, že MP majú väčší výpočtový výkon. Nemá zmysel dávať ich do mikrovlniek a „inteligentných“ žiaroviek. Mikroprocesory sa používajú tam, kde výpočtový výkon MK už nezvláda - herné konzoly, zložité výpočtové zariadenia a zariadenia, gadgety.

Ukazuje sa, že na zabezpečenie výkonu mikroprocesora je potrebné k nemu pripojiť aspoň minimálnu sadu periférií. mínusy:

1. Veľkosť - ak je v prípade MK všetko už v jednom puzdre, potom minimálna sada prvkov na prevádzku MP zaberá viac miesta.
2. Cena - zvyčajne celá "montáž" komponentov pre MP vyjde oveľa drahšie ako "nahé" mikrokontroléry.

1. Výkon – Mikroprocesory majú vyšší výkon ako mikrokontroléry.
2. Možnosť výberu - v prípade MP máte možnosť si vyzdvihnúť komponenty. To vám umožní umiestniť vhodnejšie periférne zariadenia pre vaše ciele.

Aplikácia

Mikrokontrolér má úplnú jednoduchosť: menej hardvér, je s ním jednoduchšie pracovať na úrovni programu a náklady začínajú od centu. Ale táto jednoduchosť platí aj pre výkon. Ako bolo uvedené vyššie, mikrokontrolér nie je schopný poskytovať vysoký výkon na rovnakej úrovni ako mikroprocesory. Mikroprocesory síce vyžadujú externé prepínanie hardvéru a s ohľadom na MK sa s nimi ťažko pracuje, ale dajú sa už bez problémov použiť v zložitejších zariadeniach.

Občas sa však na sieti objavia remeselníci, ktorí sa napchajú do mikrokontroléra ESP32

Všeobecné informácie o návrhu mikrokontrolérov a kľúčových dátumoch

Mikrokontroléry sú neoddeliteľnou súčasťou života moderného človeka. Používajú sa od detských hračiek až po riadiace systémy spracovania. Vďaka použitiu mikrokontrolérov boli inžinieri schopní dosiahnuť vyššiu rýchlosť výroby a kvalitu produktov takmer vo všetkých oblastiach výroby.

Tento materiál je všeobecným prehľadom kľúčových dátumov v histórii vývoja mikrokontrolérov. Toto nie je technická príručka, chýba veľa jemností a bodov.

Predpoklady pre vznik mikroprocesorových a mikrokontrolérových systémov

Aby ste pochopili dôvody vzniku a vývoja mikroprocesorovej technológie, pozrite sa na vlastnosti a vlastnosti prvých počítačov. ENIAC - prvý počítač, 1946. Hmotnosť - 30 ton, zaberala celú miestnosť alebo 85 metrov kubických objemu v priestore. Veľký odvod tepla, spotreba energie, neustále poruchy v dôsledku konektorov vákuových trubíc. Oxidy viedli k zmiznutiu kontaktov a lampy stratili kontakt s doskou. Vyžadovaná neustála údržba.

Počítačová technika sa vyvíjala a koncom 60. rokov ich bolo na svete okolo 30 tisíc, vrátane sálových počítačov a minipočítačov. Mini - toho času mali veľkosť skrine.

Mimochodom, v roku 1969 už bol vynájdený prototyp internetu ARPANET (Advanced Research Projects Agency Network).

Paralelne sa vyvíjali polovodičové technológie - v roku 1907 práce na detektoroch a elektroluminiscencii polovodičov. V 40. rokoch 20. storočia diódy a tranzistory. To všetko viedlo k vzniku integrovaných technológií. Robert Noyce V roku 1959 vynašiel integrovaný obvod (ďalej IC alebo MS).

Dôležité:

Intel výrazne prispel k vývoju mikrokontrolérov. Zakladatelia: Robert Noyce, Gordon Moore a Andrew Grove. Založená v roku 1968.

Do určitej doby spoločnosť vyrábala p / n úložné zariadenia. Prvým bol MS "3101" - 64 bitov, Schottkyho - bipolárna statická RAM.

Ďalším bol vynález "4004" - mikroprocesor s 2300 p / n tranzistormi vo svojom zložení, z hľadiska výkonu nie horší ako ENIAC a menší ako veľkosť dlane. Tie. veľkosť 4004. mikroprocesora bola o mnoho rádov menšia.

Architektúra, programovanie, fyzická implementácia

Vývojár architektúry prvého mikroprocesora bol - Ted Hoff, veliteľské systémy - Stan Mazor. Federico Fagin- navrhol kryštál. Ale spočiatku Intel nevlastnil všetky práva na tento čip a zaplatil 60 000 USD spoločnosti Busicom, aby získal plné práva. Tá čoskoro skrachovala.

Na popularizáciu a predstavenie nových technológií viedol Intel reklamnú aj vzdelávaciu kampaň.

Následne ďalší výrobcovia elektroniky oznámili vytvorenie podobných zariadení.

Toto je zaujímavé:

4004 - 4-bitový, p-MOS čip.

Ďalším krokom bolo vydanie procesora „8008“ v roku 1972. Na rozdiel od predchádzajúceho modelu už vyzerá skôr ako moderné modely. 8008 - 8 bit, má akumulátor, 6 všeobecných registrov, ukazovateľ zásobníka, 8 registrov adries, I/O príkazy.

Udalosť:

A v roku 1973 bola vynájdená najúspešnejšia konfigurácia mikroprocesora, ktorá je stále klasikou - toto je 8-bitová "8080".

O šesť mesiacov neskôr mal Intel vážneho konkurenta – Motorolu s procesorom „6800“, technológiou n-MOS, trojzbernicovou štruktúrou so 16-bitovou adresovou zbernicou. Viac výkonný systém prerušenia, toto napätie stačí na napájanie, a nie tri, ako napríklad "8080". Okrem toho boli príkazy jednoduchšie a kratšie.

Až do našich čias sa zachovala konfrontácia medzi rodinami mikroprocesorov týchto výrobcov.

Zavedenie 16-bitových mikroprocesorov urýchlilo prácu a rozšírilo možnosti mikroprocesorov. Prvý z nich vyvinul „8086“ od Intelu. Práve on bol použitý v IBM na vytvorenie prvého osobné počítače.

Procesor "68000" - 16 bitová odpoveď od "Motorola", používaná v počítače ATARI a Apple

Pre široké publikum sa úloha PC stala populárnou ZX Spectrum. Nainštalovali procesory „Z80“ od Sinclair Research Ltd. Jedným z hlavných dôvodov jeho obľúbenosti je, že nepotrebujete kupovať monitor, pretože Spectrum bolo podobne ako moderné set-top boxy pripojené k televízoru a obyčajný magnetofón ako zariadenie na nahrávanie a ukladanie programov. a údaje.

Mikrokontroléry

Mikropočítač je hlavným krokom v masovej aplikácii počítačovej automatizácie v oblasti riadenia. Keďže hlavnou úlohou v automatizácii je riadenie a regulácia parametrov, v tomto prostredí sa ustálil aj pojem „regulátor“.

A prvý patent v ZSSR na jednočipové mikropočítače bol vydaný v roku 1971 M. Kochrenovi a G. Booneovi z Texas Instruments. Odvtedy sú na kremíkový čip okrem procesora umiestnené aj pamäte a prídavné zariadenia.

Koniec sedemdesiatych rokov je novou vlnou konkurencie medzi Intelom a Motorolou. Dôvodom boli dve prezentácie, konkrétne v roku 76, Intel vydal i8048 a Motorola iba v roku 78 - mc6801, ktorý bol kompatibilný so skorým mikroprocesorom mc6800.

O 4 roky neskôr, v roku 80, Intel vydáva populárne a stále. Bol to zrod obrovskej rodiny, ktorá žije dodnes. Poprední svetoví výrobcovia vyrábajú výrazne modifikované mikrokontroléry založené na tejto architektúre pre širokú škálu úloh.

Na svoju dobu mal nepredstaviteľných 128 000 tranzistorov. To je štvornásobok množstva v procesore i8086.

V roku 2017 a v poslednom desaťročí najčastejšie nasledujúce typy mikrokontroléry:

8-bitové mikrokontroléry PIC od Microchip Technology a AVR od Atmel;

16-bit MSP430 od TI;

32-bitové mikrokontroléry, architektúry ARM. Predávajú ho vývojári rôznym spoločnostiam, na základe ktorých sa vyrába množstvo rôznych produktov.

V Sovietskom zväze technika nestála. Vedci nielen skopírovali najúspešnejší a najzaujímavejší zahraničný vývoj, ale vyvinuli aj jedinečné projekty. V roku 1979 bol teda vo Výskumnom ústave TT vyvinutý K1801BE1, táto mikroarchitektúra sa nazývala „Electronics NTs“ a mala 16 číslic.

Rozdiely mikrokontrolérov

Mikrokontroléry možno rozdeliť podľa nasledujúcich kritérií:

Bitová hĺbka;

Systém velenia;

architektúra pamäte.

Bitová hĺbka je dĺžka jedného slova spracovaného radičom alebo procesorom, čím je väčšia, tým rýchlejšie dokáže mikrokontrolér spracovať veľké množstvo údajov, ale tento prístup nie je vždy spravodlivý, pre každú úlohu sú predložené individuálne požiadavky, oboje z hľadiska rýchlosti a spôsobu spracovania, napríklad použitie 32-bitového mikroprocesora ARM na prácu jednoduché zariadenia práca s 8-bitovými slovami nemusí byť opodstatnená tak z hľadiska pohodlia pri písaní programu a spracovania informácií, ani z hľadiska nákladov.

Podľa štatistík za rok 2017 však náklady na takéto ovládače aktívne klesajú a ak to takto pôjde ďalej, bude to lacnejšie. najjednoduchší PIC ovládače, pričom majú oveľa väčšiu sadu funkcií. Len jedna vec nie je jasná – ide o marketingový trik a podceňovanie, či skutočný technologický pokrok.

Rozdelenie prebieha:

Rozdelenie podľa typu príkazového systému:

RISC architektúra, alebo skrátený príkazový systém. Zameraný na rýchle prevedenie základné príkazy na 1, menej často 2 strojové cykly a tiež má veľké množstvo univerzálne registre a dlhší spôsob prístupu k trvalej pamäti. Architektonická charakteristika systémov s operačným systémom UNIX;

architektúra CISC, alebo ucelený systém príkazov, sa vyznačuje priamou prácou s pamäťou, väčším počtom príkazov, malým počtom registrov (zameraných na prácu s pamäťou), trvanie príkazov je od 1 do 4 cyklov stroja. Príkladom sú procesory Intel.

Rozdelenie podľa typu pamäte:

Architektúra von Neumanna- hlavnou črtou je spoločná pamäťová oblasť pre príkazy a dáta, pri práci s takouto architektúrou je možné v dôsledku chyby programátora zapísať dáta do programovej pamäte a ďalšie vykonávanie programu nebude možné. Prenos dát a načítanie príkazov nemožno vykonať súčasne z rovnakých dôvodov. Vyvinutý v roku 1945.

Harvardská architektúra- oddelený dátová pamäť a programová pamäť, bola prvýkrát použitá na počítačoch rodiny Mark. Vyvinutý v roku 1944.

závery

V dôsledku úvodu mikroprocesorové systémy veľkosť zariadení sa zmenšila a funkčnosť sa zvýšila. Voľba architektúry, bitovej hĺbky, príkazového systému, pamäťovej štruktúry – ovplyvňuje konečnú cenu zariadenia, keďže v prípade jedinej výroby nemusí byť rozdiel v cene výrazný, ale v prípade replikácie je viac než hmatateľný.

návod krok za krokom programovanie a vytváranie obvodov na mikrokontroléroch AVR

Elektronickí inžinieri špecializujúci sa na návrh zariadení s mikrokontrolérmi majú termín „ rýchly štart". Vzťahuje sa na prípad, keď je potrebné testovať v krátkom čase mikrokontrolér a prinútiť ho vykonávať tie najjednoduchšie úlohy.

Cieľom je zvládnuť programovaciu technológiu bez zachádzania do detailov a rýchlo získať konkrétny výsledok. Úplné porozumenie, zručnosti a schopnosti sa objavia neskôr v procese.

Osvojte si prácu s mikrokontrolérmi v režime „rýchly štart“, naučte sa ich programovať a vytvorte si rôzne užitočné smart elektronické zariadenia môžete ľahko pomocou školiacich video kurzov od Maxima Selivanova, v ktorých sú všetky hlavné body rozložené na policiach.

Metóda rýchleho učenia sa princípov práce s mikrokontrolérmi je založená na skutočnosti, že stačí zvládnuť základný mikroobvod, aby ste potom s istotou zostavili programy pre jeho ďalšie odrody. Vďaka tomu prvé experimenty s programovaním mikrokontrolérov prechádzajú bez väčších ťažkostí. Po získaní základných vedomostí môžete začať vytvárať svoje vlastné návrhy.

Zapnuté tento moment Maxim Selivanov má 4 kurzy na vytváranie zariadení na mikrokontroléroch, postavené na princípe od jednoduchých po zložité.

Kurz pre tých, ktorí už ovládajú základy elektroniky a programovania, poznajú základné elektronické súčiastky, zbierajú jednoduché obvody, vie, ako držať spájkovačku a chce sa posunúť na kvalitatívne novú úroveň, ale tento prechod neustále odkladá kvôli ťažkostiam pri zvládnutí nového materiálu.

Kurz je skvelý aj pre tých, ktorí len nedávno urobili prvé pokusy naučiť sa programovanie mikrokontrolérov, no už sú pripravení vzdať sa všetkého, pretože im nič nefunguje alebo nefunguje, ale nie tak, ako by potrebovali (známe?!).

Kurz bude užitočný aj pre tých, ktorí už zostavujú jednoduché (alebo možno nie veľmi) obvody na mikrokontroléroch, ale nerozumejú podstate toho, ako mikrokontrolér funguje a ako interaguje s externými zariadeniami.

Predmet je venovaný výučbe programovania mikrokontrolérov v jazyku C. Charakteristickým rysom kurzu je štúdium jazyka na veľmi hlbokej úrovni. Školenie prebieha na príklade mikrokontrolérov AVR. Ale v zásade je vhodný aj pre tých, ktorí používajú iné mikrokontroléry.

Kurz je určený pre pripraveného poslucháča. To znamená, že kurz nepokrýva základné základy informatiky a elektroniky a mikrokontrolérov. Ale na zvládnutie kurzu budete potrebovať minimálne znalosti programovania mikrokontrolérov AVR v akomkoľvek jazyku. Znalosť elektroniky je žiaduca, ale nie nevyhnutná.

Kurz je ideálny pre tých, ktorí sa práve začali učiť programovať. mikrokontroléry AVR v C a chce si prehĺbiť vedomosti. Vhodné pre tých, ktorí vedia trochu o programovaní mikrokontrolérov v iných jazykoch. A je vhodný aj pre bežných programátorov, ktorí si chcú prehĺbiť znalosti v jazyku C.

Tento kurz je pre tých, ktorí sa nechcú vo svojom rozvoji obmedzovať na jednoduché resp hotové príklady. Kurz je ideálny pre tých, ktorým záleží na vytváraní zaujímavých zariadení s úplným pochopením ich fungovania. Kurz je vhodný pre tých, ktorí už poznajú programovanie mikrokontrolérov v jazyku C a pre tých, ktorí ich programujú už dlhšiu dobu.

Materiál kurzu je primárne zameraný na nácvik používania. Zaoberá sa nasledujúcimi témami: RFID, reprodukcia zvuku, bezdrôtová komunikácia, práca s farebnými TFT displejmi, dotyková obrazovka, pracovať s systém súborov FAT SD karta.

Displeje NEXTION sú programovateľné dotykové obrazovky a displeje UART na vytváranie toho najlepšieho rôzne rozhrania na obrazovke. Na programovanie sa používa veľmi pohodlné a jednoduché vývojové prostredie, ktoré vám umožní vytvoriť aj veľmi zložité rozhrania pre rôznu elektroniku za pár večerov! A všetky príkazy sa prenášajú cez rozhranie UART do mikrokontroléra alebo počítača. Materiál kurzu je štruktúrovaný od jednoduchých po komplexné.

Tento kurz je určený pre tých, ktorí majú aspoň nejaké skúsenosti s programovaním mikrokontrolérov alebo arduina. Kurz je tiež ideálny pre tých, ktorí sa už pokúšali naučiť displeje.. Z kurzu sa dozviete veľa nových informácií, aj keď si myslíte, že ste displej dobre naštudovali!

Prichádza jeseň a s ňou aj Deň poznania! Toto je skvelý čas na nové veci, nápady a začiatky a je čas na učenie. Využite tento čas na zlepšenie svojich vedomostí!

Kompletný kurz programovania mikrokontrolérov so zľavou:

Mikroprocesor zvyčajne nemá RAM, ROM a IO piny. Zvyčajne používa svoje kolíky ako zbernicu na komunikáciu s periférnymi zariadeniami, ako sú RAM, ROM, sériové porty, digitálne a analógové I/O. Z tohto dôvodu sa rozširuje na úrovni dosky.

Mikrokontrolér je všetko v jednom, procesor, RAM, IO na jednom čipe, takže nemôžete (povedzme) zvýšiť množstvo dostupnej RAM alebo počet I/O portov. Riadiaca zbernica je interná a nie je prístupná pre dizajnéra dosky.

To znamená, že mikroprocesor môže byť vo všeobecnosti zabudovaný do väčších aplikácií na všeobecné použitie ako mikrokontrolér. Mikrokontrolér sa zvyčajne používa na špecializovanejšie aplikácie.

Toto všetko sú veľmi všeobecné tvrdenia. Existujú čipy, ktoré rozmazávajú čiary.

Ako som však už spomenul, čiara sa rozmazáva. Napríklad nedávne procesory Intel/AMD pridávajú na čip pamäťový radič (predtým to bolo v čipovej súprave).

ČO JE MIKROPROCESOR, MIKROKONTROLÉR A
PROGRAMOVATEĽNÝ LOGICKÝ OVLÁDAČ

Rýchly rozvoj elektroniky rapídne mení naše životy a to si všímame predovšetkým v sociálnej sfére, sféry komunikácie (komunikácie) a komunikácie. Prvá vec, ktorá vás v tejto súvislosti napadne, sú počítače, internet a Mobilné telefóny. Môžeme slobodne vyhľadať potrebné informácie, máme možnosť skontaktovať sa s požadovaným predplatiteľom bez ohľadu na to, kde sa nachádzame. Môžeme získať dištančné vzdelávanie a pripojiť sa k skupinám na základe profesionálnych, sociálnych alebo kultúrnych záujmov. Toto všetko bolo možné do značnej miery vďaka nástupu mikroprocesora a vytvoreniu mikroprocesorových systémov.

Existujú však aj iné prejavy pokroku mikroelektroniky, ktoré nie sú na prvý pohľad až také badateľné, no zohrávajú významnú úlohu v našom živote?

Áno! mikroprocesory a mikrokontroléry sú široko používané v domáce prístroje, automobilová elektronika, letecký a vojenský priemysel a samozrejme v priemyselnej výrobe.

Tento článok odhaľuje niektoré aspekty použitia mikroprocesorových systémov v strojárstve a priemysle. Ak sa vám zdá nasledujúci text príliš ťažký a nezrozumiteľný, odporúčame vám prečítať si najskôr článok „Základy informatiky. Komponenty mikroprocesorových systémov“.

• Čo je to mikroprocesor?
• Čo je mikrokontrolér? Aké sú jeho vlastnosti?
• Kde sa používajú mikrokontroléry?
• Ako sa líši mikrokontrolér od mikroprocesora?
• Čo je to signálový procesor?
• Čo je programovateľné logický ovládač(PLC)? Ako sa stavia?
• Ako sa programuje PLC?

Pravdepodobne už viete, že každý počítač je stroj na spracovanie informácií bez ohľadu na to, akú konkrétnu úlohu vykonáva. Mikroprocesor je ústredným prvkom počítača. Ak sa študenta strednej školy opýtate: - Čo je to mikroprocesor? - potom s najväčšou pravdepodobnosťou dostanete odpoveď "Mikroprocesor je srdcom počítača."

Mikroprocesor je mikroelektronické programovateľné zariadenie určené na spracovanie informácií a riadenie výmeny týchto informácií ako súčasť mikroprocesorového systému (počítača).

Prečo „mikroelektronické“? Pretože mikroprocesory sa vyrábajú pomocou moderných mikroelektronických technológií na báze polovodičového kryštálu. Informácie v mikroprocesorovom systéme sú prenášané elektrickými impulzmi. Štrukturálne je mikroprocesor vytvorený vo forme jedného mikroobvodu (niekedy niekoľkých). Mikroobvod pozostáva z plastového alebo keramického puzdra, vo vnútri ktorého je umiestnená miniatúrna polovodičová výstelka (obr. 1). Na túto podšívku laserom "nakreslené" všetko elektronické obvody mikroprocesor. Vstupy a výstupy čalúneného obvodu sú pripojené ku kovovým vodičom umiestneným na bokoch alebo spodnej časti puzdra mikroobvodu.

A)	b)

Ryža. 1. Integrovaný obvod (a) a jeho vnútorná štruktúra (b)

Prečo je mikroprocesor „programovateľné zariadenie“? Pretože mikroprocesorové systémy sú všeobecne univerzálne, to znamená, že sú schopné vykonávať širokú škálu úloh spracovania informácií. A na vykonanie konkrétnej úlohy je mikroprocesor „vyladený“ pomocou programu - sekvenčného zoznamu strojových inštrukcií.

Povinnými súčasťami mikroprocesora sú registre, aritmetická logická jednotka (ALU) a riadiaca jednotka. Registre sú určené na dočasné ukladanie údajov, aritmetická logická jednotka - na vykonávanie aritmetických a logických operácií (t. j. na spracovanie údajov). Riadiaca jednotka je zodpovedná za sekvenčné vykonávanie príkazov programu a správne presmerovanie dátových tokov.

Mikroprocesor nemôže pracovať sám. Je to centrálny článok mikroprocesorového systému, ktorý zahŕňa aj permanentné pamäťové zariadenia a pamäťové zariadenia s náhodným prístupom, informačné vstupné a výstupné zariadenia, pevné disky magnetické disky(takzvané "pevné disky") atď. Takéto mikroprocesorové systémy sa v skutočnosti nazývajú počítače.

Osobný počítač môže mať mnoho využití, no je dosť drahý a objemný. Ako však obdarovať domáce spotrebiče, autá, zdravotnícke pomôcky prvkami inteligencie? Ako ich urobiť „inteligentnými“? Je jasné, že inštalácia klimatizácie v domácnosti je nemožná systémová jednotka konvenčný počítač. To zvýši jeho náklady dvakrát až trikrát. A v rámci takzvanej smart TV nenájdeme samostatný osobný počítač v jeho bežnej podobe. Na automatizáciu tohto druhu technológie boli vyvinuté a vyrobené špeciálne procesorové zariadenia - jednočipové mikrokontroléry (anglicky: "Microcontroller"). Anglické slovo „control“ znamená „ovládať“, „riadiť“. Mikrokontrolér je teda špeciálny mikroprocesor určený na automatizáciu rôznych zariadení a riadenie ich činnosti.

takže, mikrokontrolér je špecializované mikroelektronické programovateľné zariadenie určené na použitie v riadiacich jednotkách rôznych technických produktov, systémoch prenosu dát a systémoch riadenia procesov.

Mikrokontroléry sa používajú v domácich spotrebičoch, zdravotníckych zariadeniach, riadiacich systémoch výťahov, telefónoch, vysielačkách a iných komunikačných prostriedkoch, elektronických hudobných nástrojoch a autorádiách, počítačových perifériách (klávesnice, joysticky, tlačiarne atď.), semaforoch, automatických bránach a zábrany, interaktívne detské hračky, autá, lokomotívy a lietadlá, roboty a priemyselné stroje.

Ryža. 2. Oblasti použitia mikrokontrolérov.

Mikrokontroléry sú tiež široko používané v automobilovej elektronike. Napríklad automobil Peugeot 206 má na palube a v automobiloch 27 mikrokontrolérov vysoká trieda, ako je napríklad "BMW" siedmej série, používa sa viac ako 60 mikrokontrolérov. Regulujú tuhosť adaptívneho pruženia, ovládajú vstrekovanie paliva, svetelnú výbavu, motorčeky stieračov, elektrické ovládanie okien a spätných zrkadiel atď. (obr. 3).

Ryža. 3. Využitie mikrokontrolérov v automobilovej elektronike
(Založené na technológii Microchip).

Mikrokontrolér má na rozdiel od mikroprocesora zvyčajne malú bitovú kapacitu (8 - 16 bitov) a bohatú sadu inštrukcií na manipuláciu s jednotlivými bitmi. Bitové príkazy umožňujú ovládať diskrétne zariadenia (zdvihnutie / spustenie závory, zapnutie / vypnutie lampy, ohrievač, spustenie / zastavenie motora, otvorenie / zatvorenie ventilu atď.) Prostriedky, ktoré poskytujú možnosť pracovať s individuálnym bitov, vstupné a výstupné diskrétne signály sa nazývajú "bitový procesor".

Ďalším z hlavných rozdielov medzi mikrokontrolérom a mikroprocesorom je, že čip radiča obsahuje všetky potrebné prvky na zostavenie jednoduchého (a niekedy aj dosť zložitého) riadiaceho systému. Takže vo vnútri mikrokontroléra je dátová pamäť ( RAM), programová pamäť (pamäť len na čítanie), generátor hodín, časovače, počítadlá, paralelné a sériové porty. Preto systém minimálnej konfigurácie založený na mikrokontroléri môže pozostávať z napájacieho zdroja, samotného čipu regulátora a niekoľkých pasívnych prvkov (odpory, kondenzátory a kremenný rezonátor). A v skutočnosti to nie je nič iné ako jednočipový jednodoskový minipočítač vhodný na zabudovanie do riadiaceho objektu. Priemerné náklady na systém s minimálnou konfiguráciou sú niekoľko desiatok dolárov (v porovnaní s priemernými nákladmi na osobný počítač).

Typická architektúra mikrokontroléra (obr. 4) obsahuje synchronizačný a riadiaci systém (1), aritmetickú logickú jednotku (2), univerzálne registre (3), dátovú pamäť (4) a programovú pamäť (5), porty (6). ), funkčné zariadenia (časovače, čítače, modulátory šírky impulzov, rozhrania) a registre na ich nastavenie (7), obr. 4.

Ryža. 4. Architektúra typického mikrokontroléra.

Programy pre mikrokontroléry sa vytvárajú v špeciálnych prostrediach integrovaných nástrojov ( Angličtina.: ja integrovaný D rozvoj E nvironment, IDE) assembler ​​(strojové príkazy) alebo C++.

Ostáva dodať, že ročne sa vo svete predajú miliardy mikrokontrolérov a bežný obyvateľ vyspelej krajiny príde počas dňa do kontaktu s mikrokontrolérmi, ktoré sú neoddeliteľnou súčasťou moderného technologického prostredia, desiatky krát.

Okrem univerzálnych mikroprocesorov a mikrokontrolérov existujú na trhu takzvané signálové procesory, ktoré sú špeciálne navrhnuté na spracovanie signálov v reálnom čase. Používajú sa v meracie prístroje, komunikačné prostriedky, prenos a prehrávanie audio a video streamov, lokalizačné systémy, vesmírna a vojenská technika.

Procesory signálu (Angličtina.: D digitálny S signálne P processor, DSP) sa vyznačujú vysokou bitovou hĺbkou a rýchlosťou, majú špeciálne inštrukcie v príkazovom systéme na implementáciu typických algoritmov digitálne spracovanie signálov (DSP). Na tom istom čipe sú okrem samotnej procesorovej časti implementované aj analógovo-digitálne a digitálno-analógové prevodníky. A daň- C digitálny P prevodník (ADC) nahrádza spojitý vstupný signál zodpovedajúcim prúdom digitálnych dát (vzoriek). Ďalej tieto údaje spracováva spracovateľská časť a následne ich využíva C ifro- A daň P prevodník (DAC), spracované digitálne dáta sú opäť reprodukované do analógového signálu. Signálový procesor tak dokáže prehĺbiť čistotu obrazu, alebo ho naopak rozmazať, šifrovať a dešifrovať audio a video streamy, prehrávať virtuálnu či rozšírenú realitu na obrazovke, sledovať pohybujúce sa objekty aj v podmienkach výrazného rušenia a neúplnosti vstupné informácie.

Mikroprocesory na všeobecné použitie	Mikrokontroléry	Procesory signálu	Iné (neuročipy, sekčné a hybridné procesory)
Použiť: na stavbu osobných počítačov, serverov a viacprocesorových systémov.	Použiť: implementovať jednoduché riadiace a automatizačné funkcie.	Použiť: implementovať komplexné algoritmy na spracovanie streamovaných dát v reálnom čase.	Použiť: vybudovať jedinečné experimentálne alebo špecifické systémy.
Zvláštnosti: vysoká číslica, univerzálna architektúra.	Zvláštnosti: vstavaná programová a dátová pamäť, bitový procesor, časovače, počítadlá, porty, rozhrania.	Zvláštnosti: vysoký výpočtový výkon, príkazy na implementáciu typických algoritmov spracovania signálov, vstavané ADC, DAC alebo mediálne rozhrania.	Zvláštnosti: vybudovanie jedného procesora na niekoľkých čipoch, kombinácia viacerých typov procesorov v jednom produkte, špecifická architektúra

Ďalším typom mikroprocesorových zariadení, ktoré za posledných 30 až 40 rokov zaujali svoje miesto na trhu, sú takzvané programovateľné logické automaty.

P programovateľné L ogický TO ovládač(PLC; Angličtina.: P programovateľné L ogický C regulátor alebo PLC) je špecializovaný mikroprocesorový systém, ktorý sa používa na automatizáciu technologických procesov a všeobecných priemyselných inštalácií a komplexov (dopravníky, valčekové dopravníky, žeriavy, drviče, mlyny, triediče, miešačky, lisy, baliace stroje, robotické a flexibilné výrobné komplexy atď. .). .P.)

To znamená, že hlavnou náplňou PLC je oblasť priemyselnej výroby. Používajú sa však aj na automatizáciu budov (riadenie prístupu do priestorov, ovládanie osvetlenia, kúrenia, vetrania a klimatizácie, ovládanie výťahov, eskalátorov a pod.) PLC je možné využiť aj na vytvorenie mikroklímy v skleníkoch, chovoch hydiny , chovy hospodárskych zvierat.

Vo všeobecnosti je PLC jednodoskový minipočítač postavený na báze jednočipového mikrokontroléra a umiestnený v typickom puzdre veľkosti tehly. Existujú aj modulárne ovládače (obr. 5). Na vstupy PLC je možné pripojiť tlačidlá, joystickové kontakty, spínače (t.j. ovládače), snímače a akčné členy (motory, svietidlá, vykurovacie telesá, ventily, ventily, pohony atď.).ovládače a snímače), vykonáva užívateľský program (prepočítava hodnoty premenných) a získané výstupné hodnoty odovzdá pohonom. To znamená, že PLC vykonáva ten istý program (užívateľský program) cyklicky znova a znova.

Ryža. 5. Programovateľné logické automaty.

Okrem zjednotenia hardvéru (použite štandardné veľkosti, napäťové úrovne, typy signálov), prelomové rozšírenie PLC uľahčila skutočnosť, že pre ne boli vyvinuté intuitívne programovacie jazyky „všeobecného inžinierstva“. Teraz, na vývoj používateľského programu, nie je potrebné pozvať špičkového programátora. S tým si poradí (niekedy aj lepšie) technológ, elektrikár, chemik a samozrejme špecialista na automatizáciu. A v prípade náročné úlohy tieto programovacie jazyky stierajú líniu nedorozumenia medzi programátorom a inžinierom. Sú rovnako jasné ako pre zákazníka (inžiniera), tak aj pre realizátora (programátora).

Existuje 6 takýchto programovacích jazykov (5 je štandardizovaných) a 4 z nich sú vizuálne (to znamená, že program nie je zadaný vo forme textu, ale ako súbor navzájom prepojených grafických prvkov (blokov), (obr. 6).

Zvyčajne ten istý ovládač môže byť naprogramovaný v niekoľkých jazykoch podľa výberu používateľa. Ak to chcete urobiť, použite nástroje softvérové ​​komplexy, čo umožňuje nielen vývoj programu, ale aj jeho ladenie pomocou programový model ovládač (na „simulátore“) alebo v monitorovacom režime (keď užívateľský program vykonáva skutočný ovládač a jeho činnosť môžete sledovať na displeji počítača).

Hardvérové ​​a softvérové ​​zjednotenie PLC uľahčuje prechod na ovládače od iného výrobcu, prenos programov z jednej platformy na druhú. To zvyšuje flexibilitu automatizačných systémov, podporuje konkurenčný inovatívny rozvoj trhu.

Môžete podrobne študovať fungovanie mikroprocesorových systémov, naučiť sa vyvíjať a programovať aplikačné minipočítače a programovateľné logické automaty pre automatizačné úlohy na Národnej banskej univerzite.